基于Labview-RT和CarSim的EPS硬件在环试验台开发与仿真研究

王慧然, 黄 鹤, 罗家亮

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)



基于Labview-RT和CarSim的EPS硬件在环试验台开发与仿真研究

王慧然, 黄 鹤, 罗家亮

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

文章以电动助力转向系统(electric power steering,EPS)硬件在环试验台为研究对象,对传统方法中使用二自由度车辆模型建立的试验台进行了介绍,并提出采用CarSim软件提供的二十七自由度车辆模型建立硬件在环试验台。基于CarSim软件建立的试验台使用Labview软件并以PXI实时系统为运行环境,采用伺服电机模拟转向阻力矩。试验结果表明,该试验台有更好的试验效果,可以模拟出车辆在不同工况下运行的自回正效果,为EPS控制策略开发提供了良好的试验平台。

硬件在环;试验台;转向阻力矩;伺服电机；电动助力转向系统(EPS)

在电动助力转向系统(electric power steering,EPS)的开发中,实车试验是必不可少的一个环节,但实车试验的风险大、费用高,而硬件在环仿真在没有原型车的情况下依然可以进行参数研究、性能预测、问题识别以及策略建议[1]。因此研制具有高精确度的硬件在环试验台对EPS控制器的开发有着至关重要的作用[2]。文献[1]在EPS控制系统研究中使用了CarSim搭建的EPS硬件在环试验台,但其对试验台的有效性未做进一步说明;文献[3-4]设计了基于磁粉加载器的电动助力转向试验台测试系统,但对EPS硬件在环试验未做更深的研究;文献[5]中使用了基于弹簧加载的硬件在环试验台,这种加载方式不能随着车辆的转向状态进行实时调整,很难对EPS的控制策略进行有效的验证;文献[6-8]所设计开发的电动助力转向器硬件在环仿真试验平台都是基于伺服电机加载的,在EPS总成输入端增加了伺服电机加载装置,都侧重于EPS的助力特性测试,在车辆的自回正状态以及EPS硬件在环测试方面未做试验验证。

从上述文献可知,EPS硬件在环试验台的传统方法大多采用自行建立的车辆模型和轮胎模型对转向反作用力矩进行求解,其试验精度不高。

为了能够实时地模拟出车辆自回正状态以及使EPS助力和回正硬件在环试验具有更高的精度,本文在传统方法的基础上,提出了选用CarSim提供的二十七自由度车辆模型,并联合Labview-PXI实时系统建立能够模拟轮胎自回正力矩的EPS硬件在环试验台,同时与用二自由度车辆模型(传统方法之一)建立的试验台进行了对比试验。

利用二自由度车辆模型建立的试验台根据Fiala轮胎模型求出轮胎的自回正力矩。利用CarSim车辆模型建立的试验台将CarSim里面的转向系统用实际的EPS系统替换,试验人员通过观察CarSim里面的实时车辆动画来操纵转向盘,CarSim里面运行的车辆根据接收到的转向信号做出相应的调整,并根据CarSim提供的输出参数求出作用在EPS管柱下端的反作用力矩。两者最终都通过伺服电机模拟出作用在EPS管柱下端的转向阻力矩。

试验结果表明,相比于传统方法建立的试验台,使用CarSim模型建立的试验台可以更好地模拟出车辆运动状态,为EPS控制策略的开发提供了更加有效的试验平台。

1 EPS试验台原理

汽车转向时,在转向盘操纵转矩一定的情况下,路面作用于轮胎等效至转向柱的转矩决定了电动机作用在转向系统上的助力转矩,即路面作用于两前轮回正力矩之和决定了助力力矩[9]。因此,在EPS提供助力时,轮胎的自回正力矩表现出阻力的作用;在车辆回正时,轮胎的自回正力矩表现出助力的作用。这就决定了在EPS硬件在环仿真中,最重要的是准确模拟转向反作用力矩。本文在转向反作用力矩计算上采用了作为对比的二自由度车辆模型与CarSim车辆模型2种方法,试验台信号框图如图1所示。

图1 试验台信号框图

1.1 用二自由度车辆模型建立的试验台

使用二自由度车辆模型的试验台,需借助于轮胎模型对轮胎的自回正力矩进行求解。假定汽车只做平行于路面的平面运动,简化的两轮车二自由度模型[10]如图2所示,其动力学方程为:

(1)

(2)

图2 二自由度车辆模型

图2中,δf为前轮转角;ωr为横摆角速度;Fy1、Fy2为前、后轮所受到的侧向力大小;α1、α2为前、后轮的侧偏角;v、u分别为质心处速度v1在y、x轴上的分量大小;β为质心处车速与汽车纵轴线的夹角;a、b为前后轴到汽车质心间距离;Iz为车身绕z轴的转动惯量。前、后轮的α1、α2由几何关系可得:

(3)

利用参数较少且能反映出轮胎非线性特性的Fiala轮胎模型求出轮胎所受侧向力以及气胎拖距产生的回正力矩,即

(4)

(5)

(6)

将(6)式带入(5)式求出Tp值,根据求出的Tp值可以求出转向小齿轮的转向力矩Tr的值,即

(7)

Tm=Fy1tm

(8)

其中,N为转向轴到前轮的传动比;Msz为重力引起的回正力矩;Tf为转向系摩擦力矩;σ(t)为与路面有关的干扰函数;tm为机械拖距。Msz、Tf和σ(t)可以根据文献[11]的方法求得。用二自由度车辆模型建立的试验台信号流程见图1虚线部分,在Labview里面将转向力矩Tr的值转化为相应的电信号,通过伺服电机作用在EPS管柱下端。

1.2 用CarSim建立的试验台

使用CarSim车辆模型的试验台选用了实际EPS转向管柱和CarSim车辆模型相结合的方式,如图3所示。将CarSim里面的转向系统设定为纯机械式转向,将待测的EPS系统加入到该模型中。

图3 试验台(CarSim)系统简图

为了减小转角输入的误差,考虑到待测EPS转向管柱的扭转性质,本文不采用待测EPS转向盘转角直接输入,而采用转向管柱下端的输出转角θca作为CarSim模型的输入,见图1实线部分。利用伺服电机的转角速度监测功能,根据伺服控制系统提供的转角速度求出输出转角θca的值。虽然CarSim里面的转向系统已设定为机械式转向,但CarSim转向盘组件仍然存在,因此在试验时需要考虑CarSim里面转向盘的转动惯量、阻尼等动态特性。因为CarSim软件自身的设定,在转向系统为机械式转向时,转向盘转矩无法提取,所以本文选用CarSim里面转向小齿轮作用在转向管柱上的反作用力矩Tr。因此有:

(9)

其中,Tca为CarSim中转向盘转矩;θca、Jca、Bca分别为CarSim中转向盘的转角、转动惯量、阻尼,最终将由(9)式得出的Tca值通过Labview发送给伺服电机。

2 试验台硬件组成

为了能够实现实际EPS管柱与车辆模型之间信息的快速交互。本试验台采用了美国NI公司的PXI作为下位机,高性能的工控机作为上位机,下位机里嵌入了CAN卡和PCI数据采集卡,如图4所示。

为了实现对转向阻力矩的实时模拟,试验台采用了型号为MDME系列、额定转矩为9.55 N·m的D型伺服电机以及相应的E型驱动器,该伺服控制系统自带电机转速实时检测模块,其通过电压信号的形式表现出来。同时选用了减速比为1∶17的减速机构,从而使负载模拟装置能够模拟大部分乘用车转向时转向管柱下端所承受的转向阻力矩。

图4 试验台硬件组成图

3 试验台的软件及测试程序开发

EPS试验台在车辆动力学仿真上采用了CarSim仿真软件,在数据采集上用Labview软件,在运行环境上采用PXI实时系统,在伺服系统参数写入方面采用松下开发的Panaterm软件。

Panaterm软件的使用简化了试验台的操作,程序化的界面处理代替了控制面板按钮对伺服系统的参数设定。CarSim软件提供了二十七自由度的车辆模型,该软件可以通过对整车参数的设定实现对不同车型的仿真试验[12]。试验时CarSim可以实时显示车辆的运行动画,同时其带有“Transfer to Labview RT”模块,可以与Labview软件之间进行实时的信息传递。基于这2款软件开发的硬件在环测试程序包括数据采集程序、数据发送程序和运算程序。

3.1 数据采集与发送程序

用Labview建立的数据采集程序主要包括转向盘转角、转向盘转矩和EPS管柱下端输出角θca3个部分。转向盘转角信号由转角传感器以CAN信号形式发送,转向盘转矩信号由EPS管柱自带的转矩传感器以方波的形式发送,输出角θca由电机自带的转角速度信号间接得到。数据发送程序主要包括如下2个模块:

(1) 有刷电机EPS控制器工作时所需的点火信号、发动机转速信号和车速信号发送模块。

(2) 利用伺服电机模拟出转向盘转矩Tca的发送模块。

对伺服系统的参数、减速机构参数进行分析后,得出发送的电压信号与EPS管柱受到的反作用力矩T之间的关系式为:

T=G1G2V

(10)

其中,G1为伺服电机的转矩输出增益;G2为减速结构的减速比;V为发送的电压信号。

3.2 运算程序

上述2种试验台在数据采集与发送程序开发上相同,其区别主要体现在运算程序模块。用二自由度模型开发的试验台需在Labview里面建立整车模型和轮胎模型,最终输出转向力矩Tr对应的电压信号。

用CarSim整车模型建立试验台,在Labview里面开发运算程序。运算程序是在Labview里面导入CarSim整车模型,其关键点是对Labview里面“替换数组子集.VI”使用,在使用“Transfer to Labview RT”模块生成的Labview初始程序中,输入信号的信号源是CarSim模型中转角模块的初始值,此时需将CarSim里面原来的转角初始赋值用“替换数组子集.VI”替换成采集生成的输出角θca值。

4 硬件在环试验

为了验证所开发试验台的有效性,进行了车辆转向轻便性和回正性2个部分的试验。在试验台上使用自主开发的有刷电机EPS控制器,在CarSim中设定了路面附着系数分别为0.3、0.6和0.9的1 km2试验场地。

根据某公司某款车的参数对CarSim里面的车辆部分参数及(1)～(8)式中所使用的参数进行设定,结果见表1所列。

表1 车辆部分结构参数

4.1 转向轻便性对比试验

在Labview里面设定Fiala轮胎模型中路面附着系数为0.9,在CarSim里面选择附着系数为0.9的试验场,在试验台上以车速为40 km/h进行转向轻便性对比试验,并用某公司某款车作为试验车,在路面附着系数近似为0.9的干燥水泥路面上以40 km/h进行转向轻便性试验,试验结果如图5所示。

图5 转向盘转角和转矩关系曲线

由图5可知,上述2种方法得出的试验数据表明,用CarSim模型建立的试验台在转向轻便性硬件在环试验上与实车得出的数据更加相近,表明基于CarSim模型的试验台可以更好地用于EPS开发中的硬件在环试验。

4.2 回正试验

在用CarSim车辆模型搭建的试验台上进行回正试验。关闭控制器里面的回正控制模块,在路面附着系数为0.9的试验道路上分别以20、40、60 km/h的车速进行车辆自回正试验,试验结果如图6所示。

由图6可知,在相同的转向盘转角下做撒手回正试验,随着车速的增大,转向盘的回正残余角变小,这是由车速增大导致轮胎提供自回正力矩增大引起的。

图6 不同车速下的自回正曲线

控制器里面的回正控制模块保持关闭状态,在路面附着系数为0.3、0.6、0.9的路面上以60 km/h进行试验,试验结果如图7所示。

由图7可知,在路面附着系数不同的道路上进行撒手回正试验,随着路面附着系数的降低,轮胎所能提供的自回正力矩减小,从而导致回正残余角变大。

图7 不同路面附着系数下的自回正曲线

开启控制器中考虑路面附着系数的回正控制模块。在路面附着系数为0.3的路面上以车速40 km/h进行开启和关闭回正控制的对比试验。试验结果如图8所示。

由图8可知,在考虑路面附着系数的回正控制策略作用下,EPS系统能够改善车辆在低附着系数路面上的回正不足,减小回正时间。

图8 有无回正控制的回正曲线

上述试验表明,基于CarSim模型的试验台能够进行有效的硬件在环试验,并且可以很好地模拟出不同行驶工况下的车辆自回正状态。

5 结 论

本文开发了基于Labview-RT和CarSim联合的EPS硬件在环试验台,试验人员操作转向盘,以EPS转向管柱下端的输出转角作为输入,在CarSim里面提取转向小齿轮作用在转向管柱上的反作用力矩,并将其换算成CarSim转向盘转矩,最终通过伺服电机模拟出EPS管柱下端受到的反作用力矩。

硬件在环试验结果表明,使用CarSim模型的试验台拥有更好的试验效果,可以模拟出不同车速和路面附着系数下的车辆运动状态,有很好的车辆自回正模拟效果,为研究考虑路面附着系数的EPS控制策略提供了更加有效的试验平台。

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(责任编辑 胡亚敏)

Development and simulation research of EPS hardware-in-the-loop test platform based on Labview-RT and CarSim

WANG Huiran, HUANG He, LUO Jialiang

(School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Taking the electric power steering(EPS) hardware-in-the-loop test platform as the research object, the traditional method using two degrees of freedom vehicle model is introduced, and the method using CarSim software with 27 degrees of freedom vehicle model to design hardware-in-the-loop test platform is put forward. The test platform based on CarSim software adopts the Labview software and PXI real-time system as the operating environment, and the servo motor is used to simulate the steering resistance torque. Test results show that the presented test platform has a better test effect, which can simulate the positive return of the vehicle under different conditions and provide a better platform for the development of EPS control strategy.

hardware-in-the-loop; test platform; steering resistance torque; servo motor; electric power steering(EPS)

2016-01-19；

2016-04-08

安徽省自然科学基金资助项目(1508085QE92)

王慧然(1991-),男，安徽巢湖人，合肥工业大学硕士生； 黄 鹤(1983-)，男，安徽合肥人，博士,合肥工业大学讲师，通讯作者,E-mail:cranehh@sohu.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.003

U463.4

A

1003-5060(2017)07-0877-06