A型純電動客車EHPS助力電機(jī)轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化

朱慶華 閔永軍 張涌 趙萬忠 陳鵬 閆鵬鵬

摘 要：針對A型純電動客車EHPS助力電機(jī)恒定高速運(yùn)轉(zhuǎn)的問題，本文設(shè)計(jì)理想轉(zhuǎn)向盤力矩曲線，建立A型純電動客車的整車模型和EHPS系統(tǒng)模型，推導(dǎo)出理想EHPS助力特性曲線，得到各車速及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下的目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)速?；赟imulink和AMESIM對模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明：助力電機(jī)轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化后的EHPS能滿足車輛低速轉(zhuǎn)向時的輕便性和高速轉(zhuǎn)向時駕駛員的路感，并改善節(jié)能性。

關(guān)鍵詞：EHPS;助力電機(jī);轉(zhuǎn)速控制;助力特性;仿真

中圖分類號：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8023（2019）01-0053-06

Abstract： Regarding the problem of the pure electric bus of model A EHPS power motor operating at a constant high speed， an ideal steering wheel torque curve is designed. The vehicle model and the EHPS model are set up. The ideal EHPS assist characteristic curve is deduced， and the target speed of motor under different speed and different steering wheel angle is obtained. The model is simulated based on Simulink and AMESIM. The simulation result shows that after the optimization of EHPS power motor speed control， the EHPS satisfies the portability in low speed steering and the road feeling of driver in high speed steering， and also improves the ability of energy saving.

Keywords： EHPS; power motor; speed control; assist characteristic; simulation

0引言

為實(shí)現(xiàn)低碳、環(huán)保和節(jié)能型社會，我國大力發(fā)展以純電動汽車為代表的新能源汽車[1]。南京某公司積極響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保和新能源客車發(fā)展戰(zhàn)略，在2014年自主開發(fā)并生產(chǎn)銷售一款17座A型純電動客車。至今，該車采用的常流式EHPS助力電機(jī)以1 650 r/min為目標(biāo)轉(zhuǎn)速恒速控制運(yùn)轉(zhuǎn)，車輛高速轉(zhuǎn)向過程中，助力系統(tǒng)提供的助力過大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤力過小，駕駛員的路感變差 [2]。同時，調(diào)查表明，車輛約有80%時間處于直線行駛工況[3]，

電機(jī)恒定高速運(yùn)轉(zhuǎn)模式勢必造成能源浪費(fèi)[4]。

Toyoda Machine Work公司1995年研制的EHPS系統(tǒng)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對助力大小的調(diào)節(jié) [5]，但其轉(zhuǎn)向手感較差，泵流量變化過快，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，TRW公司和光洋公司推出的EHPS系統(tǒng)采用了無刷直流電機(jī)，并將控制單元集成于電機(jī)模塊中，通過方向盤轉(zhuǎn)角信號和車速信號進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。該系統(tǒng)控制精度較高，基本滿足低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向路感之間的協(xié)調(diào)要求[6]。

本文針對A型純電動客車EHPS存在的問題，在原EHPS基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的EHPS助力特性曲線，得出了不同車速、不同轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。建立了EHPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并通過Simulink和AMESIM對模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化后的助力電機(jī)能滿足EHPS低速轉(zhuǎn)向時輕便性和高速行駛時駕駛員路感的要求，同時降低了EHPS的能耗。

1 EHPS系統(tǒng)改進(jìn)方案

為解決A型純電動客車EHPS高速時產(chǎn)生的助力過大及運(yùn)行過程中能量浪費(fèi)的問題，本文提出了在原EHPS系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器及系統(tǒng)控制器來根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方案。

改進(jìn)后的EHPS采用以CAN2.0為基礎(chǔ)的SAEJ1939協(xié)議作為CAN通信協(xié)議，該協(xié)議采用國際化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，只需引入CAN_H和CAN_L兩根數(shù)據(jù)線，便可與整車控制器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等設(shè)備連接，降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度。改進(jìn)后的EHPS通過CAN通信將新增轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號和原有車速信號傳送給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器據(jù)此確定各行駛工況下助力電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并通過PID控制對助力電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)可變助力，并降低電機(jī)總體耗電量。

2 EHPS助力特性曲線設(shè)計(jì)

2.1 理想轉(zhuǎn)向盤力矩

車輛轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向盤反作用力矩是駕駛員感知路況的重要指標(biāo)。國內(nèi)外在理想轉(zhuǎn)向盤力矩方面還處于研究階段。Bertollini等[7]發(fā)現(xiàn)一定車速下，理想轉(zhuǎn)向盤力矩與車速成正相關(guān);XW Ji 等[8]認(rèn)為除車速外，理想轉(zhuǎn)向盤力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系更直接。

宗長富等[9]通過試驗(yàn)得出我國駕駛員在不同車速、不同側(cè)向加速度下喜好的轉(zhuǎn)向盤力矩（轎車）。

劉照[10]給出各車速下最大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角參考值，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出理想的轉(zhuǎn)向盤力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角成正比。

本文根據(jù)以上結(jié)論及A型純電動客車轉(zhuǎn)向盤力矩設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了理想轉(zhuǎn)向盤力矩特性曲線。

2.2 轉(zhuǎn)向阻力矩

根據(jù)七自由度整車模型[11]計(jì)算車輛行駛轉(zhuǎn)向阻力矩M。

車輛行駛過程中的轉(zhuǎn)向阻力矩M主要由側(cè)向力形成的回正力矩M1、輪胎與地面摩擦阻力距M2、重力回正力矩M3、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦阻力矩和縱向力形成的阻力矩組成。由于汽車前輪定位參數(shù)對左右轉(zhuǎn)向輪是對稱的，故可忽略縱向力產(chǎn)生的阻力矩;車輛行駛轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦阻力矩在轉(zhuǎn)向阻力矩中所占的比重較小，可以忽略不計(jì)[16]。而M1 、M2 、M3為輪胎側(cè)向力Fy、輪胎自回正力矩Mz、轉(zhuǎn)向軸載荷Fz和前輪轉(zhuǎn)角δ的函數(shù)，故M如公式（5）所示。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，在Simulink中搭建一定車速下以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為輸入、轉(zhuǎn)向阻力矩為輸出的整車模型。以A型純電動客車為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行轉(zhuǎn)向阻力矩實(shí)車測試試驗(yàn)。試驗(yàn)路線采用兩個半徑為汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑的1.05倍的相切圓的“8”字形試驗(yàn)行駛路線，使試驗(yàn)車輛在行駛過程中可獲得各車速轉(zhuǎn)向盤的最大轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤最大力矩。試驗(yàn)道路為水平、干燥、良好混凝土路面，試驗(yàn)車輛以10 km/h和20 km/h等速空載行駛。通過WZX-1型轉(zhuǎn)向參數(shù)測試儀采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、原地轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合子午線輪胎模型參數(shù)對模型參數(shù)進(jìn)行修正。對修正后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，將仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果相對比。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很接近，因此所建模型有效。根據(jù)所建整車模型可知行駛阻力矩M與車速V和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ存在如公式（7）的函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)2.2中的整車模型可以確定一定工況下EHPS提供的助力矩M4。M4確定后，即可通過EHPS各模塊的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速N。EHPS各模塊的數(shù)學(xué)模型如下[17]。

考慮到轉(zhuǎn)閥和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的泄露，液壓泵理想狀態(tài)下輸出流量Q約為進(jìn)入轉(zhuǎn)閥流量Qin的1.5倍[18]。

根據(jù)EHPS各模塊數(shù)學(xué)模型及2.2中整車模型，可得到一定車速下以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為輸入，電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸出的EHPS助力特性曲線。

對EHPS助力特性曲線進(jìn)行擬合，得到電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速的函數(shù)關(guān)系，如公式（10）所示。

3 EHPS系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

基于以上數(shù)學(xué)模型在Simulink中搭建EHPS系統(tǒng)控制器模型和助力電機(jī)模型，并設(shè)置電機(jī)耗電量計(jì)算模塊[14]，以A型純電動客車為對象，在AMESIM中搭建EHPS系統(tǒng)整體模型，通過Simulink與AMESIM的聯(lián)合仿真接口進(jìn)行仿真。

3.1 轉(zhuǎn)向助力特性分析

設(shè)定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角按幅值200°正弦輸入，頻率0.2 Hz，車速分別為10、30、60、80 km/h。隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增大，EHPS提供的助力矩也在逐步增大;轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角一定時，EHPS提供的助力矩隨著車速的增大而減小，從而改善了車輛低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向的路感。

3.2 EHPS系統(tǒng)節(jié)能性分析

選擇市區(qū)循環(huán)試驗(yàn)方法[19]進(jìn)行EHPS系統(tǒng)消耗能量的測試。優(yōu)化后助力電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著車速的改變而改變，且車速越高，轉(zhuǎn)速越低，減少了車輛高速行駛時的能量消耗。優(yōu)化后EHPS助力電機(jī)比原電機(jī)節(jié)約了約22%的電能，表明優(yōu)化后助力電機(jī)提升了節(jié)能性。

4 結(jié)束語

本文針對A型純電動客車EHPS助力電機(jī)恒定1 650 r/min高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的問題，提出了給原EHPS系統(tǒng)裝配轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器及系統(tǒng)控制器等模塊來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方案，并設(shè)計(jì)了對應(yīng)的EHPS助力特性曲線。根據(jù)EHPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在Simulink和AMESIM中建立了仿真模型并進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的助力電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車速改變而改變，使得EHPS提供的助力矩與轉(zhuǎn)向阻力矩相適宜，保證了車輛低速轉(zhuǎn)向時的輕便性及高速轉(zhuǎn)向時駕駛員的路感，同時降低了EHPS的能耗。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]孫逢春，何洪文，電動商用車系統(tǒng)工程體系及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國工程科學(xué)，2018，20（1）：59-67.

SUN F C， HE H W. Research on engineering technology system and key technologies of electric commercial vehicle system [J]. Engineering Science in China， 2018， 20（1）： 59-67.

[2]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

YU Z S. Automobile theory[M]. Beijing： Machinery Industry Press， 2012

[3]韓艾呈.基于電動客車的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)控制器的研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2015.

HAN A C. Research of electric hydraulic power steering system motor controller on electric passenger car[D]. Beijing： University of Science and Technology Beijing， 2015.

[4]易锃.新能源公交車電控液壓助力轉(zhuǎn)向仿真研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

YI Z. Sinulation on electric hydraulic power steering system of new energy bus[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2015.

[5]SU J K， WANG J L. Control strategy and energy consumption analysis of electro-hydraulic power steering system[J]. Machinery Design & Manufacture， 2012（1）： 126-128.

[6]BADAWY A， FEHLING D， WIERTZ A， et al. Development of a new concept of electrically power hydraulic steering[C]. SAE 2004 Automotive Dynamics， Stability & Controls Conference and Exhibition， 2004（1）： 2070.

[7]BERTOLLINI G P， HOGAN R M. Applying driving simulation to quantify steering effort preference as a function of vehicle speed[C]. SAE Technical Papers， 1999（1）： 394.

[8]LIU Y H， JI X W. Matching strategy of electric power steering assistant characters based on the vehicle inherent road feel[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2011， 225（11）： 1481-1491.

[9]宗長富，麥莉，王德平，等.基于駕駛模擬器的駕駛員所偏好的轉(zhuǎn)向盤力矩特性研究[J].中國機(jī)械工程，2007，18（8）：

1001-1005.

ZONG C F， MAI L， WANG D P， et al. Study on steering effort preference of drivers based on driving simulator[J]. China Mechanical Engineering， 2007， 18（8）： 1001-1005.

[10]劉照.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)分析與控制方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

LIU Z. Research on dynamic analysis and control method of electric power assisted steering system for vehicle[D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2004.

[11]張鑫. 面向操縱穩(wěn)定性分析的整車動力學(xué)仿真研究[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2014.

ZHANG X. Vehicle dynamics simulation research for steering stability analysis[D]. Shenyang： Shenyang University of Technology， 2014.

[12]李松焱，閔永軍，王良模，等.輪胎動力學(xué)模型的建立與仿真分析[J].南京工程學(xué)院學(xué)報.2009，7（3）： 34-38.

LI S Y， MIN Y J， WANG L M， et al. Establishment and simulation analysis of tire dynamic model[J]. Journal of Nanjing Institute of Technology， 2009， 7（3）： 34-38.

[13]龔建偉，姜巖，徐威.無人駕駛車輛模型預(yù)測控制[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

GONG J W， JIANG Y， XU W. Model predictive control of driverless vehicle[M]. Beijing： Beijing Institute of Technology Press， 2014.

[14] 閆鵬鵬. A型純電動客車電動液壓助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)優(yōu)化[D]. 南京：南京林業(yè)大學(xué)，2017.

YAN P P. Optimization of electric hydraulic power steering control system for the pure electric bus of model A[D]. Nanjing： Nanjing Forestry University， 2017.

[15]顧勇.適合電動ATV使用的電驅(qū)動系統(tǒng)分析[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2018，46（10）：41-43.

GU Y. Analysis of electric drive system suitable for electric ATVs[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2018， 46（10）： 41-43.

[16]王旭斌. 汽車轉(zhuǎn)向阻力矩的分析[J]. 機(jī)電技術(shù)，2015（6）：132-134.

WANG X B. Analysis of vehicle steering resistance moment[J]. Mechanical and electrical technology， 2015（6）： 132-134.

[17]朱佩， 張振宇. 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性曲線設(shè)計(jì)及仿真[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011， 30（4）：852-855.

ZHU P， ZHANG Z Y. Design and simulation of assist characteristic curve of electro-hydraulic power assist steering system[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University （Natural science edition）， 2011， 30（4）： 852-855.

[18]王霄峰. 汽車底盤設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010. WANG X F. Automotive chassis design[M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2010.

[19]趙永剛. 城市客車標(biāo)準(zhǔn)化道路試驗(yàn)循環(huán)測試[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2018（12）：68-69.

ZHAO Y G. Urban bus standardized road test cycle test[J]. Automobile Practical Technology， 2018（12）：68-69.