轮毂电机电动汽车EPS系统控制策略研究.pdf

第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.017轮毂电机电动汽车 EPS 系统控制策略研究郭君，王杰，常依乐，高兆桥，王戈（255000山东省淄博市山东理工大学交通与车辆工程学院）摘要 为降低轮毂电机电动汽车非簧载质量增加对整车操纵稳定性的影响，以某轮毂电机电动汽车电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，EPS）为研究对象，对其参数匹配和控制策略进行研究。设计了目标车型的直线型助力特性曲线，在助力控制的基础上加入阻尼、回正控制，采用 PID 控制算法对助力电流进行调节。基于 ADAMS/Car 搭建轮毂电机电动汽车整车动力学模型，通过 MATLAB/Simulink 搭建 EPS 控制模型，实现联合仿真。对操纵稳定性进行了转向盘角阶跃和转向盘角脉冲仿真试验，加入 EPS 控制后，整车横摆角速度、侧向加速度、质心侧偏角值均有所降低。结果表明：研究的EPS控制策略提高了轮毂电机电动汽车的操纵稳定性，具有较好的控制效果。关键词 轮毂电机；电动汽车；助力转向；联合仿真；控制策略；操纵稳定性 中图分类号 U463.4；U469.72 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0083-05引用格式：郭君,王杰,常依乐,等.轮毂电机电动汽车 EPS 系统控制策略研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(8):83-87.Research on EPS system control strategy of in-wheel motor electric vehicleGUOJun,WANGJie,CHANGYile,GAOZhaoqiao,WANGGe（SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,Shandong,China)AbstractAimingattheinfluenceoftheincreaseofunsprungmassofin-wheelmotorelectricvehicleonthehandlingstabilityofthewholevehicle,theelectricpowersteeringsystem(ElectricPowerSteering,EPS)ofanin-wheelmotorelectricvehiclewastakenastheresearchobjecttoresearchonitsparametermatchingandcontrolstrategy.Thelinearpower-assistcharacteristiccurveofthetargetmodelwasdesigned,anddampingandreturncontrolwereaddedonthebasisofpower-assistcontrol,andthepower-assistcurrentwasregulatedbasedonPIDcontrolalgorithm.Thewholevehicledynamicsmodelofin-wheelmotorelectricvehiclewasbuiltbasedonADAMS/Car,andtheEPScontrolmodelwasbuiltbasedonMATLAB/Simulinktorealizethejointsimulation.Thesteeringwheelanglestepandsteeringwheelanglepulsesimulationtestswereconductedforthehandlingstability,afteraddingEPScontrol,thewholevehicleyawvelocity,lateralacceleration,andsideslipangleofthecenterofmasswerereduced.TheresultsshowedthattheEPScontrolstrategystudiedimprovedthesteeringstabilityofthehubmotorelectricvehiclewithgoodcontroleffect.Key wordswheelhubmotor;electriccar;power-assistedsteering;co-simulation;controlstrategy;maneuveringstability收稿日期：2022-05-260 引言电动助力转向系统（EPS）是一种先进的汽车转向系统，相较于机械式转向系统，EPS 在降低油耗、节能环保等方面具有较大优势1-4。轮毂电机电动汽车具有结构紧凑、传动效率高、可实现复杂的驱动方式等优点，具有较大的研究价值。但是，车轮轮毂内部安装驱动电机会导致非簧载质量增大，对汽车的操纵稳定性带来较大的影响5-7。在 EPS 控制策略的研究方面，Lee 等8采用自适应滑膜控制，通过转向助力力矩控制算法，提高了 EPS 的鲁棒性；为进一步提高 EPS 的控制效果，赵万忠等9融合主动转向和电动助力转向功能，基于新型主动转向系统（LQG）控制方法，设计了新型转向系统控制器；在 EPS 助力特性的研究方面，欧阳伟等10提出了一种新型的助力特性曲线，该助力特性曲线的形状随车速不断地变化，能够较好地解决汽车行驶过程中“轻”与“灵”的矛盾；Zhao等11通过动态修正助力特性曲线，解决了因助力力矩突变而导致的振动问题，提高了助力转向的稳定性。以上对助力特性曲线设计的研究中，尚未考虑除车速以外因素的影响。在轮毂电机电动汽车转向系统的研究方面，余卓平等12根据分布式驱动电动汽车的特点，提出了差动助力转向闭环控制方法，改善了整车的转向；Hu 等13提出利用差动助力转向实现四轮独立驱动转向电动汽车的容错84农业装备与车辆工程 2023 年控制，在机械转向系统失效时利用差动转向实现自动转向。目前，针对轮毂电机电动汽车与 EPS 系统结合的研究还相对较少。针对以上问题，进行了轮毂电机电动汽车与EPS 匹配和协调工作的研究。本文设计了直线型助力特性曲线，搭建了包含基本助力控制、回正控制和阻尼控制的 EPS 控制策略。为提高建模精度和实现复杂的控制，基于 ADAMS/Car 搭建整车动力学模型，基于 MATLAB/Simulink 搭建 EPS 系统控制模型。通过转向盘角阶跃和转向盘角脉冲仿真试验对 EPS 在轮毂电机电动汽车操纵稳定性的作用进行了验证。1 EPS 建模与助力特性设计1.1 EPS 建模所研究的轮毂电机电动汽车 EPS 系统采用的是转向轴助力式，转向器为齿轮齿条式。驾驶员操纵转向盘时，电子控制单元根据传感器传递来的转向盘转矩、车速信号，确定助力电机需要提供的助力电流，激励电机工作提供相应的助力力矩从而实现助力转向。由此建立轮毂电机电动汽车 EPS 系统的简化机械模型，如图 1 所示。EPS 系统动力学微分方程为ddddTTJtBtdsswsw22dd-=+(1)ddddTTTJtBtsareses22dd+-=+(2)ddddddddTJtBtJtBtsseses2222dddd=+(3)式中：Td 驾驶员作用在方向盘上的力矩；Ts转矩传感器上产生的力矩；Js转向轴的转动惯量；Bs转向轴的阻尼系数；w方向盘转角；Ta作用到转向管柱上的助力力矩；Tr地面转向阻力矩；Be减速机构阻尼系数；Je减速机构转动惯量；s转向轴输出转角；TTd、Ta、Tr的合力矩，T=Td+Ta-Tr。助力电机的数学模型为TK Ima=(4)ddddULtIKtRIbmd=+(5)ddddK IGTJtBtamammmm22dd-=+(6)式中：Tm电机输出力矩；I电流；Ka助力电机电磁转矩系数；L电感；Kb反电动势常数；U电压；m 助力电机转角；R电阻。Gm减速机构减速比；Bm助力电机阻尼系数；Jm助力电机转动惯量。1.2 助力特性曲线本文基于直线型助力特性曲线对助力特性进行设计。直线型助力特性曲线的函数表达式为()ITTK TTTTTITT00maxmaxmaxddvddddddd0001GGGH=-Z(7)式中：Td0助力电机开始提供助力时转向盘的输入力矩，取 1N m；Tdmax助力电机提供最大助力时转向盘的输入力矩，取5N m；Kv车速感应系数；I助力电流；Imax助力电机提供的最大助力电流。助力电流的表达式为IK GTTamrd=-(8)式中：Tr转向阻力矩；Gm减速机构减速比。车速感应系数 Kv的表达式为KTTIvdd0=-(9)基于 ADAMS/Car 建立整车动力学模型，在不同特征车速下对转向盘进行连续正弦输入，分别得到 20、40、60、80、100km/h 的转向盘最大转向阻力矩，通过式（8）计算得到不同车速下所需的助力电流，如表 1 所示。表 1 各特征车速下的助力电流Tab.1 Assist current at each characteristic speedv/(km/h)20406080100I/A15.69.66.95.35.11.转向盘2.输入轴3.转矩传感器4.输出轴5.ECU6.减速机构7.电磁离合器8.电动机9.车轮10、11.齿轮齿条转向器图 1 EPS 系统简化模型Fig.1 Simplified model of EPS system85第 61 卷第 8 期由式（9）可得不同特征车速下的车速感应系数 Kv，如表 2 所示。表 2 各特征车速下的车速感应系数Fig.2 Speed induction coefficients at each characteristic speedv/(km/h)20406080100Kv3.92.41.721.31.1基于表 2 中数据，在 MATLAB 中利用 cftool 工具箱进行拟合，得到车速与车速感应系数之间的表达式如式（10）所示，并确立了如图 2 所示的助力特性曲线。Kv=5.009-0.03152v-0.00196v4+(10)3.64710-5v3-1.7710-7v42 联合仿真建模2.1 整车动力学模型的建立基于 ADAMS/Car，建立包括前后悬架、轮胎、转向系统等子系统模型，将各子系统进行装配，得到轮毂电机电动汽车整车动力学模型，如图3所示。由于本文主要研究的是 EPS 系统对轮毂电机电动汽车操纵稳定性的影响，因此并没有考虑轮毂电机的内部结构，所以在建模过程中只需要通过调整非簧载质量来代替轮毂电机对整车操纵稳定性带来的影响即可。2.2 EPS 控制策略的建立EPS 控制系统分为上层控制和下层控制，上层控制根据汽车转向过程的状态参数确定助力电机所需要提供的助力力矩的数值和方向，汽车转向过程中不同控制模式的选择如图 4 所示。下层控制基于PID 控制算法实现对助力电流的调节控制。2.3 联合仿真模型建立利用 ADAMS/Control 输出机械系统模型子模块adams_sub，将其与 EPS 控制系统模型连接，从而实现联合仿真。整车联合仿真模型如图 5 所示。3 联合仿真分析3.1 转向盘角脉冲试验本试验将车速设定为 60km/h，在 1s 时给转向盘一个三角形脉冲角输入，仿真得到汽车侧向加速度、汽车横摆角速度、质心侧偏角响应曲线，分别如图 6图 8 所示。由图 6 可知，侧向加速度从 1s 开始增大，1.5s达到峰值，2s 达到稳态值。无 EPS 控制时汽车侧向加速度峰值为 6.2m/s2，有 EPS 控制时汽车侧图 4 控制模式判断框图Fig.4 Control mode judgment block diagram图 5 联合仿真模型Fig.5 Co-simulation model图 2 助力特性曲线Fig.2 Power-assist characteristic curve图 3 整车动力学模型Fig.3 Vehicle dynamics model郭君等：轮毂电机电动汽车 EPS 系统控制策略研究86农业装备与车辆工程 2023 年向加速度峰值为 5.7m/s2，侧向加速度峰值减小了8.1%。由图7可知，汽车横摆角速度从1s开始增大，1.5s 达到峰值，2s 达到稳态值。无 EPS 控制时汽车横摆角速度峰值为 0.42rad/s，有 EPS 控制时汽车横摆角速度峰值为 0.36rad/s，横摆角速度峰值减小了 14.2%。由图 8 可知，汽车质心侧偏角从 1s开始增大，1.7s 达到峰值，2.5s 达到稳态值。无EPS 控制时汽车质心侧偏角峰值为 0.02，有 EPS控制时汽车质心侧偏角峰值为 0.016，质心侧偏角峰值减小了 20.0%。结果表明，EPS 系统降低汽车的侧向加速度、横摆角速度、质心侧偏角，提高了轮毂电机电动汽车的操纵稳定性。3.2 转向盘角阶跃试验在本试验中车速设定为 60km/h，在 1s 时给转向盘施加 60的阶跃转角输入。通过仿真得到汽车的侧向加速度、横摆角速度、质心侧偏角，分别如图 9图 11 所示。如图 9 所示，汽车侧向加速度从 1s 开始增大，2s 时达到峰值，随后逐渐降低。无 EPS 控制时汽车侧向加速度峰值为 4.2m/s2，有 EPS 控制时汽车侧向加速度峰值为 3.7m/s2，汽车侧向加速度峰值减小了 11.9%。如图 10 所示，汽车横摆角速度从1s 后开始增大，2s 时达到峰值，2.5s 后达到稳态。无 EPS 控制时汽车横摆角速度峰值为 0.22rad/s，图 9 侧向加速度Fig.9 Lateral acceleration图 10 横摆角速度Fig.10 Yaw velocity图 11 质心侧偏角Fig.11 Sideslip angle of the center of mass图 6 侧向加速度Fig.6 Lateral acceleration图 7 横摆角速度Fig.7 Yaw velocity图 8 质心侧偏角Fig.8 Sideslip angle of the center of mass87第 61 卷第 8 期郭君等：轮毂电机电动汽车 EPS 系统控制策略研究有 EPS 控制时汽车横摆角速度峰值为 0.19rad/s，汽车横摆角速度峰值减小了 13.6%。如图 11 所示，汽车质心侧偏角从 1s 开始增大，2.2s 达到峰值，随后逐渐降低，趋于稳定。无 EPS 控制时汽车质心侧偏角峰值为 0.58 ，有 EPS 控制时汽车质心侧偏角峰值为 0.5，汽车质心侧偏角峰值减小了13.8%。结果表明，EPS 系统有效地降低汽车的侧向加速度、横摆角速度、质心侧偏角，提高了轮毂电机电动汽车的操纵稳定性。4 结论（1）以轮毂电机电动汽车 EPS 系统为研究对象，建立了 EPS 系统数学模型，设计出直线型助力特性曲线，基于 ADAMS/Car 和 MATLAB/Simulink 搭建联合仿真模型。（2）通过对不同仿真实验的结果分析，发现所设计的 EPS 系统在改善轮毂电机电动汽车操纵稳定性方面发挥了较大的作用，提高了整车转向性能。下一步计划对 EPS 控制系统进行优化，考虑路面附着系数等的影响，进一步提高汽车操纵稳定性。参考文献1李琤.汽车电动助力转向系统匹配设计及性能分析 J.机械强度,2020,42(04):988-993.2商显赫,林幕义,童亮,等.基于 Carsim 轻型货车 EPS 系统控制策略研究 J.计算机仿真,2021,38(01):129-133.3李伟健,陈吉清,兰凤崇,等.汽车电动助力转向的机电耦合系统开发 J.机械设计,2020,37(05):8-14.4HUAJ.DevelopmentoftheautomobilesteeringsystemJ.AppliedMechanicsandMaterials,2010,42:272-275.5崔纪明,赵景波,王响,等.分布式驱动电动汽车 EPS 设计与联合仿真研究 J.机电工程,2018,35(05):507-511.6张志勇,张风,黄彩霞,等.轮毂电机驱动电动汽车的转向性能优化 J.汽车工程,2018,40(10):1206-1214.7陈无畏,时培成,高立新,等.ADAMS 和 Matlab 的 EPS 和整车系统的联合仿真 J.农业机械学报,2007(02):22-25,34.8LeeDongpil,YiKyongsu,ChangSehyun,etal.Robuststeering-assisttorquecontrolofelectric-power-assisted-steeringsystemsfortargetsteeringwheeltorquetrackingJ.Mechatronics,2018,49:157-167.9赵万忠,李怿骏,于蕾艳,等.融合助力转向功能的新型主动转向系统LQG控制策略J.中国机械工程,2014,25(03):417-421.10 欧阳伟,周兵,范璐.EPS 新型助力特性曲线设计与研究 J.机械科学与技术,2013,32(11):1712-1716.11 ZHAOX,SHIX,CHENJ,etal.Dynamiccorrectionofthesteering-characteristiccurveandapplicationtoanEPScontrolsystemJ.InternationalJournalofAutomotiveTechnology,2011,12(2):243-249.12 余卓平,冷搏.分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制 J.汽车工程,2017,39(03):243-248,295.13 HUC,JINGH,WANGRR,etal.Fault-tolerantcontrolofFWIAelectricgroundvehicleswithdifferentialdriveassistedsteeringJ.IFACPapersOnLine,2015,48(21):1180-1185.作者简介 郭君（1997-），女，硕士研究生，车辆工程专业，研究方向：新能源汽车关键技术及动力学控制。E-mail:guojun_通信作者 王杰（1979-），女，副教授，研究方向：新能源汽车关键技术及动力学控制。E-mail:wang-