曹艷玲,梁法明,劉孟楠,徐立友,閻祥海

(河南科技大學車輛與交通工程學院,河南洛陽471003)

基于模糊決策的大型客車電動助力轉向系統(tǒng)研究

曹艷玲,梁法明,劉孟楠,徐立友,閻祥海

(河南科技大學車輛與交通工程學院,河南洛陽471003)

目前客車電動助力轉向系統(tǒng)控制器多基于方向盤轉矩和車速采用專家系統(tǒng)或查表法產生控制信號，自適應性能較差且不能有效反映軸荷對轉向力的影響.基于模糊算法原理，設計了適用于客車等載運車輛工況的循環(huán)球式動力轉向系統(tǒng)控制方法，通過建立EPS系統(tǒng)動力學模型，研究了伺服系統(tǒng)的控制原理;制定了助力電機電流的上下層控制策略，確定了以載重量和車速信號關聯(lián)助力系數(shù)k的系統(tǒng)控制方案;基于MATLAB/Fuzzy logic工具箱建立了Mandani型模糊控制器，相關規(guī)則曲面完全覆蓋原有系統(tǒng)控制特性區(qū)域，助力系數(shù)k對載重量變化的跟隨性良好.基于ADAMS的助力系數(shù)仿真結果表明，在車速35 km/h整車載重量由空載到滿載變化時，駕駛員轉向力變化相比原控制系統(tǒng)減少65%，最大轉向力下降5 N，伺服轉矩有效反映載重情況，轉向操縱性能良好.

電動助力;控制模式;模糊控制;隸屬度;控制規(guī)則

0 引言

EPS(Electric Power Steering,簡稱EPS)采用電力取代液力伺服系統(tǒng),取消了結構復雜的液壓裝置,解決了傳統(tǒng)液壓助力轉向系統(tǒng)常見的液壓油泄露問題,提高了轉向系統(tǒng)響應的準確性,較大程度地改善了操作過程,順應了“綠色化”的技術發(fā)展趨勢［1-3］.目前,EPS系統(tǒng)得到了廣泛應用,伺服系統(tǒng)控制器多采用專家系統(tǒng)或查表法產生控制信號,自適應性能較差;相關控制過程多基于車速和方向盤轉矩信號進行,用于客車、載運車輛等重載車輛時控制效果有待提高［4-7］.因此,基于載重量和車速研究具有自適應性的EPS系統(tǒng)控制方案具有重要的價值.

國外針對客車的研究開展較早,目前技術轉化階段已經完成,相關產業(yè)化進程發(fā)展良好［8-9］.國內相關研究開展較晚,但近年來相關技術研究取得了長足發(fā)展.北京理工大學的林逸等［10］基于奧運會期間用車技術要求,針對電動客車開發(fā)了軸荷高達6 180 kg的EPS系統(tǒng).長安大學的陳丁躍等［11］針對客車EPS系統(tǒng)研究了電動機控制策略和匹配關鍵技術.但是,基于載重量研究EPS系統(tǒng)自適應控制方法依然存在較大的技術空白,實現(xiàn)相關技術的自主化具有重要研究價值.模糊控制系統(tǒng)具有良好的快速性、魯棒性和自適應性,在現(xiàn)代工業(yè)產品中得到廣泛應用［12-14］.基于此,本研究以宇通城市客車ZK6126CHEVG4為研究對象,提出一種載重量關聯(lián)助力系數(shù)決策的方法.

1 電動助力轉向系統(tǒng)

1.1 工作原理

控制單元根據(jù)車速傳感器信號,轉矩傳感器信號和載重信號,決策出助力電流的大小,同時根據(jù)轉向盤的轉角判斷出駕駛者的轉向方向.電機的控制有電壓控制和電流控制兩種方式,助力電流與助力力矩成正比關系,因此控制器可以通過控制電流的大小直接控制助力的大小.EPS結構如圖1所示,該系統(tǒng)由信號傳感裝置(主要有扭矩傳感器和車速傳感器)、控制單元(ECU)及轉向執(zhí)行機構(助力電機、減速機構)等組成.

1.2 數(shù)學建模

由牛頓第二定律,可得轉向盤—轉向軸模型的微分方程:

圖1 電動助力轉向系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure of electric power steering system

式中:Th為駕駛員作用在轉向盤上的轉矩,N·m; Ks為扭矩傳感器的剛度系數(shù),N·m/rad;θc為轉向盤的轉角,rad;θ1為轉向螺桿的轉動角度,rad;Jc為轉向盤及轉向管柱的等效轉動慣量,kg·m2; Bc為轉向管柱的茹性阻尼系數(shù),N·m·rad-1·s.

轉矩傳感器可以等效為扭桿彈簧,其運動的微分方程:

式中:Ts是轉矩傳感器的輸出轉矩,N·m.

電機的動力學數(shù)學模型:

式中:Ua為電樞二端的電壓,V;L為電樞的等效電感,H;I為電樞電流,A;Um為電樞反電動勢,V;R為電樞電阻,Ω;Kr為電動機反電動勢系數(shù), V/(rad·s-1);θm為電樞轉角,rad;Jm為電動機轉子-蝸桿減速器的等效轉動慣量,kg·m2;Bm為電動機輸出軸的等效阻尼系數(shù),N·m·rad-1· s;Tl為輸出軸上的助力轉矩,N·m;Tm為電機的電磁轉矩,N·m;Km為電動機的轉矩系數(shù).

2 助力電機電流的上下層控制策略

EPS應能夠在轉向過程中提供合適的助力,減輕駕駛者的勞動強度,為駕駛員提供清晰的路感.本文研究的是客車電動助力轉向系統(tǒng),針對載重經常變化的運行工況,提出了一種助力電流決策的控制策略,降低載重變化對轉向力的影響,即在載重增加時相應增加助力,以達到駕駛員轉向手力基本不變的目的.

2.1 助力特性

常見的助力形式有3種,表征為3種形式的曲線:直線型、折線型和曲線型.筆者選擇最簡單的直線形式,加人載重后的數(shù)學表達式:

式中:Td為轉向盤轉矩傳感器測得的轉矩,N·m; Td0為電動機開始助力時的方向盤轉矩,N·m;k為助力比例系數(shù);v為車速,km/h;m為載重,kg;Tdmax為最大截止方向盤轉矩,N·m;Tamax為電動機提供的最大助力力矩,N·m;Ta為助力力矩,N·m.

助力電流與助力比例系數(shù)亦成比例關系.為計算方便起見,筆者選擇確定助力系數(shù)k.仿真計算時所用到的相關參數(shù)如表1所示.

表1 客車的相關參數(shù)表Tab.1 Relative parameters of bus

在ADAMS/car中,對整車進行階躍轉向仿真得到不同車速和載重條件下的最大轉向力,通過計算得到所需助力比例值k如表2所示.

表2 不同車速和載重下的k值Tab.2 k values under different speed and load

2.2 模糊決策

基于MATLAB/Fuzzy Logic工具箱,以車速信號v和載重信號m為輸人變量,以助力比例系數(shù)k為輸出變量設計模糊控制器.

確定輸人輸出的論域,定義基于各個變量的語言變量.車速信號v的基本論域為［0,100］,量化因子為1;將其劃分為7組模糊值,記為v0、v1、v2、v3、v4、v5、v6;并分為7組等級v={0,10,20,30, 50,70,100}.載重信號m的基本論域為［0, 4 800］,量化因子為1;將其劃分為3組模糊值,記為m0、m1、m2,并分為3組等級m={0,2 400, 4 800}.對車速、載重建立三角型隸屬度函數(shù),如圖2和圖3所示.

圖2 車速v的隸屬度Fig.2 The membership of the speedv

圖3 載重m的隸屬度Fig.3 The membership of the mass m

輸出變量k的基本論域為［0,9］,將其劃分為k1,k2,…,k17等17組模糊值.基于表2的數(shù)據(jù)建立21條if v and m,then k的控制規(guī)則表如表3所示.

表3 助力系數(shù)的模糊控制規(guī)則Tab.3 Fuzzy control rules of power coefficient

2.3 下層目標電流跟蹤

根據(jù)轉向的要求,采用H橋式斬波電路實現(xiàn)電動機正反轉運行工況,電動機電流的調節(jié)可通過脈沖寬度調制(PWM)實現(xiàn).采用PID方法實現(xiàn)對EPS電機電流的閉環(huán)控制,改善轉向系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度,提高控制系統(tǒng)的魯棒性.

3 仿真分析

對模糊控制器進行仿真,控制器輸出規(guī)則曲面如圖4所示,載重對k值的影響如圖5所示.

圖4 控制器輸出規(guī)則曲面Fig.4 Controller output rule surface

圖5 載重對k值的影響Fig.5 The influence of load on the k value

由圖4可知,k的曲面圖反映出模糊控制器輸出值與試驗數(shù)據(jù)表2一致,且完全覆蓋表2所示控制規(guī)則特性區(qū)域.由圖5知,同一車速下隨著載重的增加,助力系數(shù)k值略微上升;低速重載工況下,助力系數(shù)k的增加率明顯高于高速輕載工況,相關模糊規(guī)則設定符合客車等載運車輛工況特點.

為驗證設計的助力可以有效降低載重對轉向力的影響,基于ADAMS平臺,通過VARVAL模塊輸人助力信號.在車速為35 km/h;載重m0= 0 kg;m1=2 400 kg;m2=4 800 kg的條件下進行正弦輸人仿真,得到未考慮載重和考慮載重時轉向力隨時間的關系,如圖6、圖7所示.

圖6 未考慮載重時轉向力的變化Fig.6 The change of steering force when not considering load

圖7 考慮載重時轉向力的變化Fig.7 The change of steering force when considering load

由圖6可知,載重由空載到滿載變化時,最大轉向手力增加了8 N.由圖7可知,載重由空載到滿載變化時,最大轉向手力僅增加了3 N.

4 結論

(1)基于客車工況特點設計相應EPS系統(tǒng)模糊控制規(guī)則,建立相關模糊控制器仿真模型.結果表明,控制特性曲面完全覆蓋原有查表法控制特性區(qū)域,自適應性能較好.

(2)通過增加載重量與助力系數(shù)之間的關聯(lián)關系,建立相關控制方法.控制規(guī)則表明,助力系數(shù)對于載荷量變化的跟隨性較好,且符合載運車輛的工況特點.

(3)基于ADAMS的仿真結果表明,相較原來EPS控制系統(tǒng),本研究控制方案控制效果較好,載荷變化范圍內駕駛員轉向力變化量下降65%;伺服系統(tǒng)作用充分發(fā)揮,有效降低了運載車輛因載荷改變對轉向性能的影響.

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Research of Large Bus Electric Power Steering System Based on Fuzzy Control

CAO Yan-ling,LIANG Fa-ming,LIU Meng-nan,XU Li-you,YAN Xiang-hai
(College of Vehicle and Traffic Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China)

In view of the bus electric power steering(EPS)controller based on the steering torque and speed expert system or look-up table is used to produce control signal,which can not effectively reflect the current situation of the axle load and its adaptive performance is poor.Based on fuzzy algorithm princip le,this study designed a controlmethod of circulating ball type EPSwhich is suitable for bus.Through the establishment of the EPS system dynamicsmodels,this paper shows the control principle of the servo system;through the upper and lower control strategy research of the assist motor current,system control scheme is determ ined in which coefficient k is decided by associating load and speed;based on MATLAB Fuzzy logic toolbox Fuzzy controller is established.The relevant rules completely cover the original control area and the coefficient k follows the change of load reflectwell.The simulation based on ADAMS shows thatwhen load changes from no load to full load at 35 km/h,the driver's steering force reduced by 65%and the largest steering force decreased by 5 N compared to the original control system.Servo torque effectively reflecting the load change and the steering performance tuns good.

electric power steering;controlmodel;fuzzy control;membership degree;control rule

U461.3

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.03.014

1671-6833(2015)03-0064-04

2015-01-18;

2015-03-02

國家自然科學基金資助項目(60904023)

曹艷玲(1964-),女,河南洛陽人,河南科技大學副教授,主要從事電動助力轉向理論及其應用的研究,E-mail:cylteacher@163.com.