A型纯电动客车EHPS助力电机转速控制优化

朱庆华 闵永军 张涌 赵万忠 陈鹏 闫鹏鹏

摘 要：针对A型纯电动客车EHPS助力电机恒定高速运转的问题，本文设计理想转向盘力矩曲线，建立A型纯电动客车的整车模型和EHPS系统模型，推导出理想EHPS助力特性曲线，得到各车速及转向盘转角下的目标电机转速。基于Simulink和AMESIM对模型进行联合仿真，仿真结果表明：助力电机转速控制优化后的EHPS能满足车辆低速转向时的轻便性和高速转向时驾驶员的路感，并改善节能性。

关键词：EHPS;助力电机;转速控制;助力特性;仿真

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：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

为实现低碳、环保和节能型社会，我国大力发展以纯电动汽车为代表的新能源汽车[1]。南京某公司积极响应国家节能环保和新能源客车发展战略，在2014年自主开发并生产销售一款17座A型纯电动客车。至今，该车采用的常流式EHPS助力电机以1 650 r/min为目标转速恒速控制运转，车辆高速转向过程中，助力系统提供的助力过大，导致轉向盘力过小，驾驶员的路感变差 [2]。同时，调查表明，车辆约有80%时间处于直线行驶工况[3]，

电机恒定高速运转模式势必造成能源浪费[4]。

Toyoda Machine Work公司1995年研制的EHPS系统根据车速和转向盘转角等信号控制电机转速，从而实现对助力大小的调节 [5]，但其转向手感较差，泵流量变化过快，且结构复杂。随着电子控制技术的发展，TRW公司和光洋公司推出的EHPS系统采用了无刷直流电机，并将控制单元集成于电机模块中，通过方向盘转角信号和车速信号进行电机转速控制。该系统控制精度较高，基本满足低速转向轻便性和高速转向路感之间的协调要求[6]。

本文针对A型纯电动客车EHPS存在的问题，在原EHPS基础上提出了改进方案，设计了对应的EHPS助力特性曲线，得出了不同车速、不同转向盘转角下的电机目标转速。建立了EHPS系统数学模型，并通过Simulink和AMESIM对模型进行联合仿真。仿真结果表明，转速控制优化后的助力电机能满足EHPS低速转向时轻便性和高速行驶时驾驶员路感的要求，同时降低了EHPS的能耗。

1 EHPS系统改进方案

为解决A型纯电动客车EHPS高速时产生的助力过大及运行过程中能量浪费的问题，本文提出了在原EHPS系统基础上增加转向盘转角传感器及系统控制器来根据车速和转向盘转角对电机转速进行控制的方案。

改进后的EHPS采用以CAN2.0为基础的SAEJ1939协议作为CAN通信协议，该协议采用国际化标准规则，只需引入CAN_H和CAN_L两根数据线，便可与整车控制器、转向盘转角传感器等设备连接，降低了系统复杂程度。改进后的EHPS通过CAN通信将新增转向盘转角信号和原有车速信号传送给系统控制器，系统控制器据此确定各行驶工况下助力电机目标转速，并通过PID控制对助力电机进行调速控制，实现转向助力系统可变助力，并降低电机总体耗电量。

2 EHPS助力特性曲线设计

2.1 理想转向盘力矩

车辆转向过程中，转向盘反作用力矩是驾驶员感知路况的重要指标。国内外在理想转向盘力矩方面还处于研究阶段。Bertollini等[7]发现一定车速下，理想转向盘力矩与车速成正相关;XW Ji 等[8]认为除车速外，理想转向盘力矩与转向盘转角关系更直接。

宗长富等[9]通过试验得出我国驾驶员在不同车速、不同侧向加速度下喜好的转向盘力矩（轿车）。

刘照[10]给出各车速下最大转向盘转角参考值，并根据试验数据推导出理想的转向盘力矩与转向盘转角成正比。

本文根据以上结论及A型纯电动客车转向盘力矩设计要求设计了理想转向盘力矩特性曲线。

2.2 转向阻力矩

根据七自由度整车模型[11]计算车辆行驶转向阻力矩M。

车辆行驶过程中的转向阻力矩M主要由侧向力形成的回正力矩M1、轮胎与地面摩擦阻力距M2、重力回正力矩M3、转向系统摩擦阻力矩和纵向力形成的阻力矩组成。由于汽车前轮定位参数对左右转向轮是对称的，故可忽略纵向力产生的阻力矩;车辆行驶转向时，转向系统摩擦阻力矩在转向阻力矩中所占的比重较小，可以忽略不计[16]。而M1 、M2 、M3为轮胎侧向力Fy、轮胎自回正力矩Mz、转向轴载荷Fz和前轮转角δ的函数，故M如公式（5）所示。

根据以上数学模型，在Simulink中搭建一定车速下以转向盘转角为输入、转向阻力矩为输出的整车模型。以A型纯电动客车为实验对象进行转向阻力矩实车测试试验。试验路线采用两个半径为汽车最小转弯半径的1.05倍的相切圆的“8”字形试验行驶路线，使试验车辆在行驶过程中可获得各车速转向盘的最大转角和转向盘最大力矩。试验道路为水平、干燥、良好混凝土路面，试验车辆以10 km/h和20 km/h等速空载行驶。通过WZX-1型转向参数测试仪采集转向盘转角、原地转向力和转向盘转矩等试验数据，并结合子午线轮胎模型参数对模型参数进行修正。对修正后的模型进行仿真计算，将仿真结果与实车试验结果相对比。仿真结果与试验结果很接近，因此所建模型有效。根据所建整车模型可知行驶阻力矩M与车速V和转向盘转角θ存在如公式（7）的函数关系。

根据2.2中的整车模型可以确定一定工况下EHPS提供的助力矩M4。M4确定后，即可通过EHPS各模块的数学模型推导出电机目标转速N。EHPS各模块的数学模型如下[17]。

考虑到转阀和转向系统的泄露，液压泵理想状态下输出流量Q约为进入转阀流量Qin的1.5倍[18]。

根据EHPS各模块数学模型及2.2中整车模型，可得到一定车速下以转向盘转角为输入，电机转速为输出的EHPS助力特性曲线。

对EHPS助力特性曲线进行拟合，得到电机目标转速与转向盘转角、车速的函数关系，如公式（10）所示。

3 EHPS系统仿真及结果分析

基于以上数学模型在Simulink中搭建EHPS系统控制器模型和助力电机模型，并设置电机耗电量计算模块[14]，以A型纯电动客车为对象，在AMESIM中搭建EHPS系统整体模型，通过Simulink与AMESIM的联合仿真接口进行仿真。

3.1 转向助力特性分析

设定转向盘转角按幅值200°正弦输入，频率0.2 Hz，车速分别为10、30、60、80 km/h。随着转向盘转角的增大，EHPS提供的助力矩也在逐步增大;转向盘转角一定时，EHPS提供的助力矩随着车速的增大而减小，从而改善了车辆低速转向轻便性和高速转向的路感。

3.2 EHPS系统节能性分析

选择市区循环试验方法[19]进行EHPS系统消耗能量的测试。优化后助力电机的转速随着车速的改变而改变，且车速越高，转速越低，减少了车辆高速行驶时的能量消耗。优化后EHPS助力电机比原电机节约了约22%的电能，表明优化后助力电机提升了节能性。

4 结束语

本文针对A型纯电动客车EHPS助力电机恒定1 650 r/min高转速运行的问题，提出了给原EHPS系统装配转向盘转角传感器及系统控制器等模块来控制电机转速的方案，并设计了对应的EHPS助力特性曲线。根据EHPS系统数学模型在Simulink和AMESIM中建立了仿真模型并进行联合仿真。仿真结果表明，优化后的助力电机转速根据转向盘转角和车速改变而改变，使得EHPS提供的助力矩与转向阻力矩相适宜，保证了车辆低速转向时的轻便性及高速转向时驾驶员的路感，同时降低了EHPS的能耗。

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