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                        電液耦合轉向系統控制設計

                        添加時間:2019/04/12 來源:吉林大學 作者:呂程盛
                        轉向系統作為人與車之間直接交互的載體,其反饋給駕駛員的信息以及執行駕駛員輸入的正確性,是評價車輛的操縱穩定性能和安全性的重要指標。目前,商用車的轉向系統普遍采用 HPS,其反饋給駕駛員的“路感”,低速時轉向輕便性能差。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          隨著中國經濟的發展,2016 年我國汽車產銷量再創新高,居全球第一,其中商用車產出 369.81 萬輛,銷售 365.13 萬輛,相比于 2015 分別增長 8.01%和 5.80%。同時,“十三五”規劃中提出的進一步提高城鎮化率,將促進城鄉客運一體化和對物流用車的強勁需求?梢,未來對于商用車的需求越來越大,但也同時對商用車的駕駛舒適性提出了更高的要求。

                          商用車區別于乘用車,以載貨為主要目的,在駕駛舒適性和轉向操縱性上相比于乘用車落后很多,這一缺點在國內的商用車上體現的尤為明顯。商用車面臨的這些不足,長此以往會給駕駛員帶來與職業傷害有關的疾病,歐洲職業安全健康組織 (EU-OSHA)的一項調查顯示,在歐洲從事貨運行業的人員中,54%的女性和 37%的男性在頸、肩、腰等部位都存在問題。因此,設計一種商用車的轉向輔助系統來改善轉向操縱性及輕便性十分有必要。本文基于國內外相關技術設計了商用車電液耦合轉向系統機械結構,搭建了相應的硬件在環實驗臺,依托試驗臺設計了基于理想轉向盤力矩的基本轉向助力、轉向回正與阻尼控制策略,并通過仿真和試驗臺實驗驗證了控制策略的有效性。本文研究的主要內容如下幾方面:

                         。1) 設計了商用車轉向助力特性曲線。從不同車速的角度出發來分析影響駕駛員理想轉向手力矩的因素,分為低速段和中高速段考慮助力特性。低速時以轉向盤轉角為變量來考慮理想轉向力矩特性,中高速段以側向加速度為變量來考慮理想轉向力矩特性。最后,根據理想轉向力矩與實際轉向手力矩的差值作為轉向助力矩設計了助力特性曲線。

                         。2) 針對轉向輕便性與操縱性,設計了商用車的基本助力控制、轉向回正與阻尼控制策略;局κ且罁μ匦郧的車速感應型控制,根據車速和轉向手力矩來確定助力矩。轉向回正和阻尼控制是基于方向盤轉角的的 PID 控制,回正力矩和阻尼力矩根據車速和轉向盤轉角偏差的大小確定。

                         。3) 商用車電液耦合轉向系統控制策略軟件仿真驗證。分別對電液耦合轉向系統液壓助力系統、電動助力系統、轉向機械系統搭建了 AMESim 模型,在 Simulink 中搭建控制策略模型。通過 Simulink、TruckSim 商用軟件、AMESim 軟件三者聯合仿真驗證了轉向控制策略的有效性。

                         。4) 硬件在環試驗臺設計。分析國外相關產品的結構特點,設計適合本試驗臺的轉向柱助力式商用車電液耦合轉向系統硬件在環實時仿真平臺,根據試驗臺的總體設計方案進行硬件的設計選型。編寫了基于 LabVIEW 的 TruckSim 與 LabVIEWRI 通信、轉向阻力加載控制、信號采集及助力電機控制程序,建立 Simulink 實時仿真模型。

                         。5) 控制策略硬件在環試驗臺驗證。為了驗證轉向控制策略應用在實物上的有效性,本文依托試驗臺設計方案,搭建商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺。試驗表明商用車的轉向控制策略能有效的改善商用車的轉向輕便性、轉向回正性能以及回正超調。

                          關鍵詞:理想轉向力矩,商用車轉向助力特性曲線,電液耦合轉向系統控制策略,電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺

                        Abstract

                          With the development of China's economy, China's automobile production and sales in 2016 hit a high record, ranking first in the world, of which commercial vehicles production andsales 3.6881million and3.651 million, anincreaseof8.01%and 5.80%.Atthesame time, the "Thirteen Five" plan proposed to further improve the urbanization rate, will promote the integration of urban and rural passenger transport and the strongdemand for logistics vehicles.

                          It is clear that the future demand for commercial vehicles is growing, but also put forward higher requirements on the commercial vehicle’s driving comfort.

                          Commercial vehicles, mostly used to carry cargo, are different from passenger cars and lag a lot compared to the passenger car in the driving comfort and steering maneuverability.This shortcoming in the domestic commercial vehicle is particularly evident.

                          Facing these shortcomings of commercial vehicles, the long run to the driver will bring about related occupationaldisease.The EuropeanOccupational SafetyandHealthOrganization(EU-OSHA) conducted a study showed that 54% of women in the European transport industry and 37% of men have muscular and skeletal problems. Therefore, it is necessaryto design a steering assist system for commercial vehicles to improve steering maneuverabilityand portability. Based on the relevant technology at domestic and abroad, the mechanical structure of the Electro-hydraulic coupling steering system of commercial vehicle was designed, the corresponding hardware in the loop test rig was built, and the basic steering assist, self-aligning and damping control strategies was designed based on the ideal steering wheel torque which based on the test rig. The correctness of the control strategyis verified bysimulation and bench experiment.

                          The main contents of this paper are as follows:

                          (1) Designing the steering assist torque curve of commercial vehicle. Analysising the factors that affect driver's ideal steering hand torque factors at different speed, dividing into low-speed and high-speed section to consider the power characteristics. In the case of low speed,theidealsteeringtorquecharacteristicis consideredasthevariableofthesteeringwheel angle, and in the case of high speed it is considered as the variable of the lateral acceleration. Finally, the steering assist curve torque is designed according to the difference between the ideal steering torque curve and the actual steering hand torque.

                          (2) Designing the basic power control, self-aligning and damping control strategies of commercial vehicles for steering portability and maneuverability. The basic power control is based on the assisting curve torque which is related to the speed, and determines the assist torque according to the vehicle speed and the steering hand torque. The self-aligning and damping controls are based on the PID control of the steering wheel angle, which determines the self-aligning torque and the damping torque.

                          (3) Verifying the control strategy of Electro-hydraulic coupling steering system through software simulation. The AMESim model were established for the hydraulic power system, the electric power system and the steering mechanical system of the Electro-hydraulic coupling steering system respectively. The control strategy model were set up in Simulink. Theeffectivenessofthesteeringcontrolstrategyis verifiedbythejoint simulation ofSimulink, TruckSim andAMESim.

                          (4) Designing hardware in the loop test rig. The structural characteristics of foreign products were analyzed, and the hardware in the loop test rig for the Electro-hydraulic coupling steering system of the steering column assisted commercial vehicle was designed, Also, the hardware was designed and selected according to the overall design of the test rig. The LabVIEW-based control procedures of communication between TruckSim and LabVIEW RI, steering resistance, signal acquisition, power motor was programmed.

                          (5) Verifying control strategy on the hardware in the loop test rig. In order to verify the effectiveness of the steering control strategy applied in material object, this article build hardware in the loop test rig of Electro-hydraulic coupling steering system for commercial vehicle, relying on the design scheme. Experiments show that the steering control strategy of commercial vehicles can effectively improve the steering portability, self-aligning performance and self-aligning overshoot of commercial vehicles.

                          Keywords:Ideal Steering Torque, Steering Assist Curve Torque for Commercial Vehicle, Electro-hydraulic Coupling Steering System Control Strategy, Hardware in the Loop Test Rig

                          轉向系統作為汽車的重要部件,能夠按照駕駛員的轉向意圖改變車輛的原先的行駛方向[1]。其設計的好壞與車輛的轉向輕便性、操縱穩定性、主動安全性、燃油經濟性,以及車輛的機動性能息息相關。商用車由于質心高、整車質量重、高寬比大,相比于乘用車比較難滿足轉向輕便性以及操縱穩定性的要求。為滿足這些要求,商用車的轉向助力系統先后經歷了液壓助力(Hydraulic Power Steering,HPS)、電控液壓助力(ElectronicallyControlledHydraulicPowerSteering,ECHPS)、電動助力(ElectricPowerSteering,EPS)三個階段,商用車的轉向技術正朝著更加智能化的方向發展[2][3][4][5]。

                          但是,這些轉向系統還存在很多不足,下文對其討論如下:

                          重型車輛的轉向阻力大,傳統的機械式轉向系統在重型商用車上已經不能滿足轉向輕便性的要求,因此液壓助力轉向系統在重型商用車上普遍得到應用。這種動力轉向器的結構組成包括兩部分:機械部分、液壓部分。即在傳統的機械式循環球轉向器的基礎上添加了液壓助力,主要包括轉向油泵、儲油罐、液壓管路,這種結構改善了商用車傳統機械式液壓助力的轉向沉重的問題。

                          HPS 滿足了轉向輕便性的要求,但是同時也產生了 3 點不足:第一,由于系統的高壓液壓管路以及油泵的存在,高壓油液在通過閥芯與閥套之間的的閥孔時,會產生刺耳的噪聲;第二,無論是否轉向油泵都隨發動機而轉動,油泵輸出的流量隨發動機轉速的增加而增加,從溢流閥溢出的流量也增加,這部分溢出的流量就是能量損失,能量的損失約占 HPS 總能耗的 46%[6];第三,助力特性不可調,轉向助力矩不能隨車速而調整。

                          為解決 HPS 助力不可調的缺點,提高車輛的操縱穩定性,要求車輛根據不同工況自行的調整,即在低速時轉向輕便,高速時即滿足轉向輕便性又能提供足夠的“路感”。

                          豐田于 1973 年第一次采用了電控液壓助力轉向系統,ZF 公司相繼生產的 Servotronic型電控液壓轉向助力系統也應用在了波蘭客車制造商 Solaris 研發的混合動力客車以及Urbino 純電動客車,奔馳的輕中型商用車配備了 TRW 公司研發的 EPHS-Gen C。ECHPS 可以分為 3 類:油壓反饋控制式、流量控制式、閥靈敏度可變控制式[7]。

                          流量控制式在 HPS 的基礎上增加了一個電機和 ECU,用電機代替發動機帶動油泵轉動,根據車速和轉向盤手力矩通過 ECU 提供助力矩;油壓反饋式在傳統的 HPS 系統上進行改造,采用先進的電子裝置、電液轉換器、液壓反應裝置,根據車速改變電液轉換器閥口開口的大小,進而改變反應室的油壓;閥靈敏度可變控制式對轉向控制閥的閥芯做了進一步的優化,并增加了車速傳感器、電液比例閥和 ECU 等,電液比例閥的開度由車速控制,進而控制動力轉向控制閥的閥靈敏度來控制油壓。

                          ECHPS 雖然解決了轉向助力值隨車速可調,但缺點是閥的結構比 HPS 復雜,并且成本高,并且要考慮附加裝置如電機、傳感器的空間布置。

                          電動助力轉向系統的助力矩由助力電機提供,ECU 根據車速、轉向盤轉矩輸出相應的轉向助力矩。EPS 不僅具備助力隨速可調,還具有回正性能好、操作穩定性好等優點。EPS 最早被日本的富士重工、NSK、Shower、Koyo 等企業應用在乘用車上,并且一般裝配于微型車上,由于受到助力電機功率的限制,要將 EPS 應用于重型商用車上需要的電機體積很大,就目前在 4.5t 的小型貨車上使用的 EPS 功率就達到了 900W[8],而一般中重型的商用車少則達到 10t,在考慮成本和電機的安裝上問題上都不是市場化的最佳選擇,因此關于商用車 EPS 的研究都是圍繞輕型商用車,并且多是理論研究,很少有產品化的應用[9][10][11]。

                          基于上述關于商用車轉向助力系統的討論,傳統的 HPS 無法兼顧不同車速時對轉向手力的不同要求,低速時的轉向沉重與高速時的轉向發飄是一對矛盾;ECHPS 也只能實現簡單的助力隨車速可調;EPS 雖然能滿足較好的“路感”、良好的操縱穩定性和回正性能,但是無法實現在中重型商用車上安裝。為了使商用車的轉向系統即能滿足像 EPS 一樣的轉向性能,又能在中重型商用車上實車安裝,本文設計了一種新的商用車轉向助力系統:從轉向系統的結構入手設計了商用車電液耦合轉向系統機械結構;分析了駕駛員的理想轉向手力特性,設計商用車電液耦合轉向系統助力控制策略;通過軟件仿真驗證了控制策略的有效性,并根據設計的商用車電液耦合轉向系統結構搭建商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺,進行硬件在環試驗,保證設計的轉向控制策略將來在實車上應用的可行性。

                          本文研究的商用車電液耦合轉向系統能通過電子控制單元產生最佳的轉向手力矩給駕駛員,并且能應用于各類輕中重型的商用車。對于典型的裝卸車輛來說,時常處在低車速大轉角輸入的工況,在安裝了商用車電液耦合轉向系統后,駕駛員的轉向負荷能減少約 75%[12]。對于長途運輸車輛,高速時的車道保持是常見的行駛工況,電液耦合轉向系統能減少駕駛員轉向中心區的誤操作。這種結合了車速感應型轉向助力與轉向中心區操作穩定性的商用車電液耦合轉向系統能有效的提高商用車轉向系統的性能。

                          商用車電液耦合轉向系統如圖 1.1 所示,在傳統的液壓助力轉向系統上添加了 EPS的硬件結構,該硬件主要包括助力電機、轉矩傳感器、轉角傳感器,EPS 單元的上端與轉向盤連接,下端與循環球轉向器或齒輪齒條轉向器連接。但是與乘用車的 EPS 有些不同,商用車電液耦合轉向系統在增加了 EPS 的同時保留了循環球液壓助力轉向系統,因為在轉動軸荷重的轉向軸時液壓助力轉向系統具有效率高、經濟、耐久性、可靠性好等優點,用于承當主要的轉向助力,轉向系統中轉向柱上的助力電機則用于調整反饋給駕駛員的轉向手力矩。

                          電液耦合轉向系統控制設計:

                        商用車電液耦合轉向系統試驗臺架
                        商用車電液耦合轉向系統試驗臺架

                        PXI 機箱
                        PXI 機箱

                        電液比例加載原理圖
                        電液比例加載原理圖

                        轉向阻力加載機構
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                        伺服電機及驅動器
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                        行星減速器
                        行星減速器

                        轉向助力電機及安裝位置
                        轉向助力電機及安裝位置

                        助力電機控制器與驅動器
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                        液壓油泵和循環球液壓助力轉向器
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                        KISTLER 轉矩轉角傳感器
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                        F/V 信號轉換器和 ZH07—5000 扭矩傳感器
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                        目錄

                          第 1 章 緒論
                            1.1 研究背景及意義
                            1.2 商用車電液耦合轉向系統概述
                            1.3 商用車電液耦合轉向系統研究現狀
                              1.3.1 國外研究現狀
                              1.3.2 國內研究現狀
                              1.3.3 國內外研究現狀總結
                            1.4 本文研究內容
                          第 2 章 商用車電液耦合轉向系統建模與驗證
                            2.1 商用車電液耦合轉向系統構成
                            2.2 商用車電液耦合轉向系統建模
                              2.2.1 液壓助力系統建模
                              2.2.2 轉向機械系統建模
                              2.2.3 助力電機數學模型
                              2.2.4 商用車電液耦合轉向系統總模型
                            2.3 商用車電液耦合轉向系統模型驗證
                            2.4 本章小結
                          第 3 章 商用車電液耦合轉向系統控制策略及仿真驗證
                            3.1 商用車轉向控制策略整體架構
                            3.2 商用車轉向助力特性曲線設計
                              3.2.1 商用車轉向助力特性曲線設計原理
                              3.2.2 駕駛員理想轉向力矩分析
                              3.2.3 商用車轉向助力特性曲線
                            3.3 轉向助力控制策略
                            3.4 轉向回正及阻尼控制策略
                            3.5 電液耦合轉向系統控制策略軟件仿真平臺搭建
                            3.6 電液耦合轉向系統控制策略的仿真驗證
                              3.6.1 助力控制策略與仿真驗證
                              3.6.2 轉向回正及阻尼控制策略與仿真驗證
                            3.7 本章小結
                          第 4 章 商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺設計
                            4.1 商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺組成
                              4.1.1 硬件系統
                              4.1.2 軟件系統
                            4.2 商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺功能
                            4.3 商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺設計方案
                              4.3.1 商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺總體結構
                              4.3.2 商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺工作原理
                            4.4 實時仿真硬件環境
                            4.5 試驗臺阻力模擬系統
                              4.5.1 轉向阻力模擬方案
                              4.5.2 試驗臺轉向阻力模擬匹配選型
                            4.6 轉向助力系統
                              4.6.1 轉向助力電機
                              4.6.2 助力電機控制器及驅動器
                            4.7 液壓助力總成
                            4.8 試驗臺傳感器
                              4.8.1 轉向盤轉角傳感器
                              4.8.2 轉向盤轉矩傳感器
                              4.8.3 阻力模擬轉矩傳感器
                            4.9 本章小結
                          第 5 章 商用車電液耦合轉向系統硬件在環試驗臺驗證
                            5.1 基于 LabVIEW 的上位機軟件編程
                              5.1.1 TruckSim 與 LabVIEW RT 通信程序
                              5.1.2 阻力模擬加載控制程序
                              5.1.3 信號采集控制程序
                              5.1.4 助力電機控制程序
                              5.1.5 Simulink 實時仿真模型
                            5.2 原地轉向試驗
                            5.3 低速轉向試驗
                            5.4 低速轉向回正試驗
                            5.5 高速轉向回正試驗
                            5.6 本章小結
                          第 6 章 全文總結與展望
                            6.1 全文總結
                            6.2 工作展望
                          參考文獻
                          致 謝

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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