基于虛擬樣機技術的EPS仿真分析

杜 鵬，郭驚宇，田 江，張寶平，韓 龍，李宇鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安710200）

0 引言

電動助力轉向系統（Electric Power Steering，簡稱EPS）是由電機提供輔助扭矩的動力轉向系統，它最早出現在日本，是一種新的動力轉向系統，正越來越多的受到各國車輛制造業的重視。系統主要由車速傳感器、扭矩傳感器、電機、減速機和電控單元組成。EPS系統可以在需要轉向時啟動電機助力，減少車輛的燃油消耗；可以在各種行駛工況下提供最佳的轉向新助力；減小由路面不平引起的對轉向系的擾動，改善車輛的轉向特性，提高車輛的主動安全性[1]。

目前電動助力轉向已經普遍應用，多采用的是理論計算，在算法的精度上很難滿足設計要求。本文應用ADAMS軟件，建立了電動助力轉向系統的動力學模型，運用EPS系統助力扭矩PID控制方法，對方向盤角階躍輸入下的車輛，進行了配置EPS和未配置EPS的控制系統仿真分析[2]。

1 車輛動力學模型的建立

在ADAMS/View環境下，建立了某乘用車懸架、轉向系統、輪胎和車身的模型，如圖1所示為車輛模型。輪胎模型采用側偏特性理論模型，根據輪胎特性參數，可以在ADAMS/View中編制輪胎屬性。車輛模型的約束副如表1所示。

圖1 車輛模型

表1 車輛模型的約束副

2 電動助力轉向系統的仿真模型

2.1 EPS控制原理

EPS的控制策略分為三個步驟：

（1）通過車速傳感器得到車輛的車速信號，通過扭矩傳感器得到方向盤的扭矩信號；

（2）根據車速和方向盤扭矩，計算得到電機的目標控制電流；

（3）通過電機電流控制器控制電機的實際輸出扭矩。

2.2 ADAMS與Simulink的聯合仿真

利用MATLAB/Simulink建立助力電機控制模型，與在ADAMS中建立的車輛車輛模型構成如圖2所示的聯合仿真控制模型。其中ADAMS_SUB中包含了所建立的車輛模型的信息，與Simulink模型建立接口。輸入量為助力扭矩，輸出量為方向盤轉角信號、車速信號和側向加速度信號。

圖2 控制系統框圖

3 仿真結果與分析

3.1 力特性分析

保持車速穩定在15 km/h，給方向盤添加一個轉向扭矩，使方向盤在0.2 s內發生150°的轉角。仿真結果如圖3所示，配置EPS后方向盤的輸入扭矩在1.07 N·m上下波動，與未配置EPS時的方向盤的輸入扭矩相比較減小了0.28 N·m。可以看出車輛具有EPS后，方向盤輸入扭矩較小，波動范圍比沒有EPS減小很多，對方向盤的力特性有很好的改善。

圖3 方向盤扭矩響應曲線

3.2 瞬態響應特性分析

車輛分別保持在 30 km/h、60 km/h、90 km/h 的車速下穩定行駛，分別給方向盤施加100°的轉角，得到車輛的橫擺角速度如圖4、5所示，分別為未配置EPS和配置EPS時的車輛橫擺角速度信號。從仿真結果可以看出，當車速為30 km/h時，橫擺角速度很快趨于穩定，穩定值為3.15 deg/s，與未配置EPS時相比，穩定值減小0.12 deg/s。當車速為60 km/h時，與未配置EPS時相比，橫擺角速度的上升時間延長了0.13 s，峰值時間減小了0.04 s，最大超調量減小了0.49%，峰值減小了0.38 deg/s，穩定值減小了0.05 deg/s，調整時間縮短了0.7 s。當車速為90 km/h時，與未配置EPS時相比，橫擺角速度的上升時間增大了0.05 s，峰值時間減小了0.18 s，最大超調量減小了0.16%，峰值減小了0.67 deg/s，穩定值減小了0.3 deg/s，調整時間延長了1.65 s。

圖4 未配置EPS的車輛橫擺角速度信號

圖5 配置EPS的車輛橫擺角速度信號

綜上所述，配置EPS后車輛在低速情況下橫擺角速度穩定值影響不明顯；中速情況下橫擺角速度的超調量明顯減小，進入穩態后波動很小；高速情況下橫擺角速度的超調量減小更多，進入后基本沒有波動。由此可見，EPS對低速工況下的車輛瞬態響應影響不大，對中、高速下狀況下的車輛的瞬態響應有明顯的改善。

4 結論

（1）應用虛擬樣機軟件 ADAMS和 Matlab/Simulink，建立了包括車輛轉向系統、懸架系統、車身和輪胎在內的車輛模型，真實的模擬了車輛在方向盤角階躍輸入條件下的操縱穩定性，為車輛的操縱穩定性分析提供了一種可行的方法。

（2）在方向盤角階躍輸入下，配置EPS和未配置EPS的車輛方向盤力特性仿真結果表明：車輛具有EPS后，方向盤輸入扭矩小，波動范圍比沒有EPS減小很多，對方向盤的力特性有很好的改善。

（3）EPS對低速狀況下的車輛方向盤角階躍輸入的瞬態響應影響不大，對中高速狀況下的瞬態響應有改善的明顯。