朱慶華 閔永軍 張涌 趙萬(wàn)忠 陳鵬 閆鵬鵬

摘 要：針對(duì)A型純電動(dòng)客車(chē)EHPS助力電機(jī)恒定高速運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)理想轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩曲線(xiàn)，建立A型純電動(dòng)客車(chē)的整車(chē)模型和EHPS系統(tǒng)模型，推導(dǎo)出理想EHPS助力特性曲線(xiàn)，得到各車(chē)速及轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角下的目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)速?；赟imulink和AMESIM對(duì)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明：助力電機(jī)轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化后的EHPS能滿(mǎn)足車(chē)輛低速轉(zhuǎn)向時(shí)的輕便性和高速轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的路感，并改善節(jié)能性。

關(guān)鍵詞：EHPS;助力電機(jī);轉(zhuǎn)速控制;助力特性;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

為實(shí)現(xiàn)低碳、環(huán)保和節(jié)能型社會(huì)，我國(guó)大力發(fā)展以純電動(dòng)汽車(chē)為代表的新能源汽車(chē)[1]。南京某公司積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保和新能源客車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略，在2014年自主開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)銷(xiāo)售一款17座A型純電動(dòng)客車(chē)。至今，該車(chē)采用的常流式EHPS助力電機(jī)以1 650 r/min為目標(biāo)轉(zhuǎn)速恒速控制運(yùn)轉(zhuǎn)，車(chē)輛高速轉(zhuǎn)向過(guò)程中，助力系統(tǒng)提供的助力過(guò)大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤(pán)力過(guò)小，駕駛員的路感變差 [2]。同時(shí)，調(diào)查表明，車(chē)輛約有80%時(shí)間處于直線(xiàn)行駛工況[3]，

電機(jī)恒定高速運(yùn)轉(zhuǎn)模式勢(shì)必造成能源浪費(fèi)[4]。

Toyoda Machine Work公司1995年研制的EHPS系統(tǒng)根據(jù)車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角等信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)助力大小的調(diào)節(jié) [5]，但其轉(zhuǎn)向手感較差，泵流量變化過(guò)快，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，TRW公司和光洋公司推出的EHPS系統(tǒng)采用了無(wú)刷直流電機(jī)，并將控制單元集成于電機(jī)模塊中，通過(guò)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)和車(chē)速信號(hào)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。該系統(tǒng)控制精度較高，基本滿(mǎn)足低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向路感之間的協(xié)調(diào)要求[6]。

本文針對(duì)A型純電動(dòng)客車(chē)EHPS存在的問(wèn)題，在原EHPS基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的EHPS助力特性曲線(xiàn)，得出了不同車(chē)速、不同轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角下的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。建立了EHPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)Simulink和AMESIM對(duì)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化后的助力電機(jī)能滿(mǎn)足EHPS低速轉(zhuǎn)向時(shí)輕便性和高速行駛時(shí)駕駛員路感的要求，同時(shí)降低了EHPS的能耗。

1 EHPS系統(tǒng)改進(jìn)方案

為解決A型純電動(dòng)客車(chē)EHPS高速時(shí)產(chǎn)生的助力過(guò)大及運(yùn)行過(guò)程中能量浪費(fèi)的問(wèn)題，本文提出了在原EHPS系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器及系統(tǒng)控制器來(lái)根據(jù)車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方案。

改進(jìn)后的EHPS采用以CAN2.0為基礎(chǔ)的SAEJ1939協(xié)議作為CAN通信協(xié)議，該協(xié)議采用國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，只需引入CAN_H和CAN_L兩根數(shù)據(jù)線(xiàn)，便可與整車(chē)控制器、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器等設(shè)備連接，降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度。改進(jìn)后的EHPS通過(guò)CAN通信將新增轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)和原有車(chē)速信號(hào)傳送給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器據(jù)此確定各行駛工況下助力電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并通過(guò)PID控制對(duì)助力電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)可變助力，并降低電機(jī)總體耗電量。

2 EHPS助力特性曲線(xiàn)設(shè)計(jì)

2.1 理想轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩

車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，轉(zhuǎn)向盤(pán)反作用力矩是駕駛員感知路況的重要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外在理想轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩方面還處于研究階段。Bertollini等[7]發(fā)現(xiàn)一定車(chē)速下，理想轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩與車(chē)速成正相關(guān);XW Ji 等[8]認(rèn)為除車(chē)速外，理想轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角關(guān)系更直接。

宗長(zhǎng)富等[9]通過(guò)試驗(yàn)得出我國(guó)駕駛員在不同車(chē)速、不同側(cè)向加速度下喜好的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩（轎車(chē)）。

劉照[10]給出各車(chē)速下最大轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角參考值，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出理想的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角成正比。

本文根據(jù)以上結(jié)論及A型純電動(dòng)客車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了理想轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩特性曲線(xiàn)。

2.2 轉(zhuǎn)向阻力矩

根據(jù)七自由度整車(chē)模型[11]計(jì)算車(chē)輛行駛轉(zhuǎn)向阻力矩M。

車(chē)輛行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向阻力矩M主要由側(cè)向力形成的回正力矩M1、輪胎與地面摩擦阻力距M2、重力回正力矩M3、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦阻力矩和縱向力形成的阻力矩組成。由于汽車(chē)前輪定位參數(shù)對(duì)左右轉(zhuǎn)向輪是對(duì)稱(chēng)的，故可忽略縱向力產(chǎn)生的阻力矩;車(chē)輛行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦阻力矩在轉(zhuǎn)向阻力矩中所占的比重較小，可以忽略不計(jì)[16]。而M1 、M2 、M3為輪胎側(cè)向力Fy、輪胎自回正力矩Mz、轉(zhuǎn)向軸載荷Fz和前輪轉(zhuǎn)角δ的函數(shù)，故M如公式（5）所示。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，在Simulink中搭建一定車(chē)速下以轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為輸入、轉(zhuǎn)向阻力矩為輸出的整車(chē)模型。以A型純電動(dòng)客車(chē)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行轉(zhuǎn)向阻力矩實(shí)車(chē)測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)路線(xiàn)采用兩個(gè)半徑為汽車(chē)最小轉(zhuǎn)彎半徑的1.05倍的相切圓的“8”字形試驗(yàn)行駛路線(xiàn)，使試驗(yàn)車(chē)輛在行駛過(guò)程中可獲得各車(chē)速轉(zhuǎn)向盤(pán)的最大轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤(pán)最大力矩。試驗(yàn)道路為水平、干燥、良好混凝土路面，試驗(yàn)車(chē)輛以10 km/h和20 km/h等速空載行駛。通過(guò)WZX-1型轉(zhuǎn)向參數(shù)測(cè)試儀采集轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、原地轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合子午線(xiàn)輪胎模型參數(shù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正。對(duì)修正后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，將仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很接近，因此所建模型有效。根據(jù)所建整車(chē)模型可知行駛阻力矩M與車(chē)速V和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θ存在如公式（7）的函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)2.2中的整車(chē)模型可以確定一定工況下EHPS提供的助力矩M4。M4確定后，即可通過(guò)EHPS各模塊的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速N。EHPS各模塊的數(shù)學(xué)模型如下[17]。

考慮到轉(zhuǎn)閥和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的泄露，液壓泵理想狀態(tài)下輸出流量Q約為進(jìn)入轉(zhuǎn)閥流量Qin的1.5倍[18]。

根據(jù)EHPS各模塊數(shù)學(xué)模型及2.2中整車(chē)模型，可得到一定車(chē)速下以轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為輸入，電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸出的EHPS助力特性曲線(xiàn)。

對(duì)EHPS助力特性曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車(chē)速的函數(shù)關(guān)系，如公式（10）所示。

3 EHPS系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

基于以上數(shù)學(xué)模型在Simulink中搭建EHPS系統(tǒng)控制器模型和助力電機(jī)模型，并設(shè)置電機(jī)耗電量計(jì)算模塊[14]，以A型純電動(dòng)客車(chē)為對(duì)象，在AMESIM中搭建EHPS系統(tǒng)整體模型，通過(guò)Simulink與AMESIM的聯(lián)合仿真接口進(jìn)行仿真。

3.1 轉(zhuǎn)向助力特性分析

設(shè)定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角按幅值200°正弦輸入，頻率0.2 Hz，車(chē)速分別為10、30、60、80 km/h。隨著轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的增大，EHPS提供的助力矩也在逐步增大;轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角一定時(shí)，EHPS提供的助力矩隨著車(chē)速的增大而減小，從而改善了車(chē)輛低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向的路感。

3.2 EHPS系統(tǒng)節(jié)能性分析

選擇市區(qū)循環(huán)試驗(yàn)方法[19]進(jìn)行EHPS系統(tǒng)消耗能量的測(cè)試。優(yōu)化后助力電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著車(chē)速的改變而改變，且車(chē)速越高，轉(zhuǎn)速越低，減少了車(chē)輛高速行駛時(shí)的能量消耗。優(yōu)化后EHPS助力電機(jī)比原電機(jī)節(jié)約了約22%的電能，表明優(yōu)化后助力電機(jī)提升了節(jié)能性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)A型純電動(dòng)客車(chē)EHPS助力電機(jī)恒定1 650 r/min高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的問(wèn)題，提出了給原EHPS系統(tǒng)裝配轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器及系統(tǒng)控制器等模塊來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方案，并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的EHPS助力特性曲線(xiàn)。根據(jù)EHPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在Simulink和AMESIM中建立了仿真模型并進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的助力電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車(chē)速改變而改變，使得EHPS提供的助力矩與轉(zhuǎn)向阻力矩相適宜，保證了車(chē)輛低速轉(zhuǎn)向時(shí)的輕便性及高速轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的路感，同時(shí)降低了EHPS的能耗。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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