电动助力转向器试验台硬件系统研究

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(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

电动助力转向器试验台硬件系统研究

郭艳玲，武志明，李志鹏，刘立臣

(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为了检测汽车电动助力转向器的助力性能，根据对电动助力转向系统的工作原理和汽车前悬部分结构分析，采用一端伺服电机驱动另一端磁粉制动器加载方式，来模拟驾驶员操作方向盘和转向路面阻力。建立了汽车动力模型，选定了数据采集卡，确定了输出端磁粉制动器的控制方式。分析了试验台的工作流程，该试验台适用于转向系统开发以及性能检测。

电动助力转向系统；伺服电机；试验台；磁粉制动器；性能检测

电动助力转向装置是一种直接依靠其助力电机提供的扭矩来辅助汽车转向的助力装置，并且助力电机只在转向时才工作，体现了现代汽车节能的发展趋势。与传统的液压助力转向系统相比，电动助力转向系统取消了液压管路，简化结构的同时解决了液压油泄露问题，改善了助力特性，提高了操纵的稳定性[1-2]。

为了检测电动助力转向装置是否达到要求，我们设计了电动助力转向试验台。试验台采用一端伺服电机驱动另一端磁粉制动器加载的方式代替驾驶员和路面阻力来模拟路试实验[3-4]，与传统的弹簧加载转向方式相比可以通过电流调节不同输出阻力矩，提高了仿真的精度。台架试验节省了直接实车试验的成本，提高了试验的安全性，缩短了电动助力转向装置研发周期[5-8]。

1 电动助力转向系统结构

我们以转向轴助力式电动助力转向器为研究对象来进行设计。其结构如图1所示。整个转向系统主要由方向盘，转向轴，扭矩传感器，电子控制单元，助力电机，电磁离合器，万向传动轴，齿轮齿条式转向器，车轮等构成。方向盘的转动经扭矩传感器给控制器一个扭矩信号，通过车速传感器给控制器一个车速信号。控制器则依据此二信号根据预先设定的助力模型对直流电机及电磁离合器实施控制。通过控制改变电机电流的大小，从而改变输出力矩。该输出力矩通过减速机构放大后直接作用于转向器输入轴，对操纵手力起到助力作用[9-11]。

图1 EPS系统结构图Fig.1 Structure diagram of EPS system

2 试验台的组成及测试原理

本试验台利用计算机对伺服电机和磁粉制动器进行实时控制、工况转换，同时完成电动助力转向装置的各种性能参数的实时采集处理，多种性能指标的计算，并以图表、曲线的形式记录、显示和打印。其中计算机中存储了大量的实车动力学参数，通过控制输入端伺服系统可以实现转向操纵力矩的变化趋势与人手一致，通过控制输出端制动系统可以实现转向负载的变化趋势与路面行驶一致，从而来模拟实车试验。然后通过数据采集系统采集相应的转矩、转角等信号，通过人机交互的界面显示到计算机上，以此来检测电动助力转向器是否符合助力要求。

由图2试验台的结构示意图可以看出：输入端伺服系统包括伺服电机，驱动器，减速器，扭矩传感器，编码器，卡盘以及联轴器等，用于输入轴的加载及驱动，来模拟驾驶员转动方向盘。

计算机通过运动控制卡控制伺服电机，根据不同加载要求在位置模式和扭矩模式下灵活切换，使伺服系统的末端以20～30 r/min的速度在一定的角度范围内左右循环旋转，来模拟驾驶员不断地转动方向盘。

输出端制动系统包括磁粉制动器，控制器，扭矩传感器，卡盘以及联轴器等，用于输出轴的加载及驱动，来模拟汽车转向时路面对其阻力矩。

计算机通过IO卡向磁粉控制器中输入0～5 V的模拟量信号，控制磁粉制动器的加载阻力矩。通过改变磁粉制动器的励磁电流来改变阻力矩大小，从而模拟实车转向时路面提供的不同负载。

试验台在工作过程中，计算机通过采集卡采集扭矩传感器产生的扭矩信号，光电轴角编码器产生的角度信号，以及经电流传感器采集来的助力电机电流信号，并将这些信号参数进行数据处理，绘制曲线并显示在计算机上。

图2 试验台结构示意图Fig.2 Structure diagram of test-bed

3 汽车动力模型的建立

电动助力转向装置性能试验台主要研究汽车转向系统特性，所以我们认为汽车车厢只做平行于地面的平面运动，忽略悬架的作用，即汽车沿z轴的位移，绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零。同时假定汽车沿x轴的前进速度u视为不变。因此，汽车只有沿y轴的侧向运动与绕z轴的横向摆动这样两个自由度。在建立运动微分方程时还假设：驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用，忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。如图3所示，它是一个由前后两个侧向弹性的轮胎支撑于地面、具有侧向及横向摆运动的二自由度汽车模型[12]。

图3 二自由度整车动力模型Fig.3 Vehicle dynamic model with two degrees of freedom

采用汽车质心与坐标系原点重合的汽车坐标系。

根据牛顿第二定律，整车所受外力沿y轴方向合力Fy和绕质心z轴力矩Mz可表示为

(1)

式中 Fy1——前轮侧向力;

Fy2——后轮侧向力;

m——整车质量;

图2示，PLAGL2强染色多见于低分化、高分期以及淋巴结转移阳性的病理标本。通过对PLAGL2蛋白表达水平和PCa患者临床病理参数进行分析，表1示，PLAGL2表达情况与PSA水平(χ2=19.652，P=0.003)、Gleason评分(χ2=60.920，P<0.001)、PI-RADS评分(χ2=13.147，P=0.004)、临床分期(χ2=38.203，P<0.001)、淋巴结转移(χ2=36.875，P<0.001)、包膜侵犯(χ2=9.943，P=0.017)和精囊侵犯(χ2=8.355，P=0.031)有关联。

v——质心侧向速度分量;

u——质心纵向速度分量;

β——质心侧偏角;

ωr——横摆角速度;

a、b——质心至前后轴的距离;

Iz——整车绕z轴转动惯量。

(2)

前后轮侧向力由轮胎侧偏力提供。出于简化模型目的，限定汽车的侧向加速度在0.4g以下，轮胎侧偏特性处于线性范围， 满足下列表达式

(3)

式中k1、k2——前后轮侧偏刚度；

α1、α2——前后轮侧偏角。

可表示为

(4)

由式(2)～式(4)整理后得到二自由度整车运动微分方程

(5)

汽车转向助力矩大小用下式来计算

(6)

式中dα——轮胎拖矩;

dτ——主销后倾拖矩。

将式(3)、式(4)代入式(6)，可得

(7)

若转向系传动比为i，即δ=iθ，其中θ为方向盘输入转角，结合式(5)、式(7)可得

(8)

式中,TD为折合到转向输出轴上的转向阻力矩。数据采集卡将采集到的行驶速度u和转向盘转角θ经过处理后输入到计算机，计算机根据建立的动力模型求得输出轴目标转向阻力矩TD，根据扭矩传感器反馈量采用PID控制策略控制伺服加载机构，实现转向阻力的模拟[13]。如图4为转向阻力矩控制框图。

图4 转向阻力矩控制框图Fig.4 Control diagram of the steering resistance torque

4 试验台的工作流程

如图5为本实验台的工作流程图。

图5 试验台的工作流程Fig.5 The working process of the test-bed

其中我们选择PCI-1710U型号的数据采集卡，该卡是一款PCI总线接口的多功能DAS卡。该数据卡包括了12-bitA/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出，以及计数器/定时器功能，其输入电压范围为-10～+10 V。该卡提供了2个D/A输出通道，即DA0_OUT和DA1_OUT。我们利用其内部提供的基准电压-5 V生成-5 V的电压信号，输入到磁粉制动器的控制器。以汽车动力模型为基础，设计控制程序模块，实现计算机根据试验要求经采集卡输出在5V范围内不断变换的模拟量电压信号，经磁粉制动控制器调节，从而模拟EPS转动到不同位置时磁粉制动器输出的不同阻力矩[14]。

5 结语

本文分析了电动助力转向试验台硬件系统，建立了汽车动力模型。计算机通过多功能数据采集卡实现了对输出端磁粉制动器的控制，模拟了实车转向阻力矩，实现了试验数据的采集、处理和分析。经研究本实验台设计合理，硬件选择适当，可以满足EPS产品的开发和测试要求。

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TheTest-bedControlSystemResearchfortheElectricPowerSteering

GUO Yan-ling,WU Zhi-ming,LI Zhi-peng,LIU Li-chen

(Mechanical and Electrical Engineering Institute,North-east Forestry University,Harbin 150040,China)

In order to detect the performance of the automobile electric power steering system, according to the working principle of the electric power steering system and the part of the structure analysis of the automobile front suspension, we use the servo motor at the input end and the magnetic powder brake at output end, to simulate the driver to operate the steering wheel and the load resistance when turning. We establish the vehicle dynamic model, select the data acquisition card,and determine the control method for the output end of the magnetic powder brake. The working process of the test-bed is analyzed. This test-bed is suitable for developing the electric power steering system and testing it’s performance.

electric power steering system;servo motor;test-bed;magnetic powder brake;performance testing

2013-07-12修订稿日期2013-10-10

国家林业局948项目(项目编号2011-4-21)

郭艳玲(1962～),女，教授，博士生导师，研究方向为机电一体化，数控技术，先进制造技术。

TH133

A

1002-6339 (2014) 01-0065-04