汽车电动液压助力转向系统的仿真分析

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随着汽车工业的迅速发展和人民生活水平的不断提高，汽车保有量不断增加，由此造成的复杂交通状况使得驾驶员操作转向盘的频率增多。为提高汽车操纵的轻便性和灵活性，以减轻驾驶员的疲劳强度，人们对转向系统的工作性能提出了更高的要求。

目前汽车多采用动力转向系统，因为 EHPS不仅具有良好的转向轻便性和操纵稳定性，同时还兼具液压助力转向系统(HPS)的柔顺手感和电动助力转向系统(EPS)的燃油经济性，因此得到广泛采用，并且成为动力转向技术研究的焦点。

1 EHPS的结构和工作原理EHPS由机械装置、液压装置和电气装置三部分组成，如图1所示。机械装置主要有转向盘、转向轴、扭杆、齿轮齿条转向器和转向拉杆。液压装置主要有油泵、储油罐、液压管路、单向阀、限压阀、转阀和液压动力缸。电气装置主要有车速传感器、转矩传感器、电子控制单元(ECU)和直流伺服电动机。其中转阀阀芯的上端和下端分别通过销与转向轴和转向齿轮连接，转阀阀套与转向齿轮固结为-体。

汽车直线行驶时，方向盘处于中间位置，扭矩传感器检测不到转向盘的操纵力矩，这时 ECU控制电动机低速转动，输出的油液极少，几乎是无压力地通过转阀，经回油管路流回储油罐，系统不工作。

转动转向盘时，在转向操纵力矩和路面阻力矩的图 1 EHPS的结构 图共同作用下扭杆发生变形，使得转阀阀芯相对转向齿轮(即阀套)转过-定角度，液压动力缸-腔成为压力较高的进油腔，另-腔成为压力较低的回油腔，在压力差的作用下，转向齿条向-侧移动以实现车轮转向。

同时 ECU根据传感器检测到的车速、转向盘操纵力矩等行车信息判断行车状态，对各执行机构输出相应的指令 ，控制电动油泵输出相应流量的油液以驱动液压动力缸提供符合行车工况的转向助力。当转向盘停止转动，动力缸暂时还能继续工作，导致转向齿轮继续转动，使扭杆变形减小，直到恢复自由状态，此时转阀回到中位。

收稿 日期：2012-07-09基金项 目：内蒙古 自治区高等学衅学技术研究项 目(NJZY12109)作者简介：谭心(1974-)，女 ，山东文登人，副教授 ，硕士，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。

16 液压与气动 2013年第 l期2 EHPS模型的建立2.1 EHPS的数学模型选择电动机电枢线圈的磁通链 、电动机转子和液压泵转子的等效角动量 h 、液压泵因液容效应损失的油液体积 、液压缸进油腔因液容效应损失的油液体积 。、活塞与活塞杆的等效动量P、扭杆的角变形量、转向轴和转向盘的等效角动量 h 、液压缸出油腔因液容效应损失的油液体积 作为系统的状态变量 ，如式(1)所示。

[ h Vp Vi P h2 vo] (1)选择电动机的输入电压 u、操纵转向盘的力 F、轮胎的回正阻力矩71作为系统的输入变量 f/，如式(2)所刁 。

U[/，F T] (2)如果转阀的通口个数为 Ⅳ，并且各阀口对应的面积为 、A：、A 、A (因为阀1：3都为对称形式，因此 A A A，A )，那么 EHPS的状态空间方程如式(3)所示。

-月 - ≥ - - m Vp- NCaAj嗣 - ～ca z、(cvpcVo。，IP A 蕊 -NCdA3露Vi-M-Ck(V-i- Vo)Vi i -cVo- ㈩).h2 p- 矗 rF- K4 c (苦-V ，NCdA2√ ( - )ⅣCf √吾 Vo(3)式中，u、L、R 、Tr.分别是电动机的输入电压、电枢线圈的电感、电枢线圈的电阻和电动机的换能系数；J 、分别是电动机转子和液压泵转子的等效转动惯量和阻尼系数；m 、C 分别是液压泵的流量系数和液容系数；C 、C 分别是液压缸进、出油腔的液容系数；C分别是液压缸的内泄漏系数和阻尼系数； 是活寒和活塞杆的等效质量；K是扭杆的刚度系数； 是转向盘和转向轴的等效转动惯量； 是轮胎的转动惯量；71是轮胎的回正阻力矩；F是操纵转向盘的力；m，rflA，A是活塞的有效工作面积；m 1/i，i是齿轮齿条转向器的线角传动比；m(0)是转向传动机构的传动系数；m r，r是转向盘的半径。

2.2 EHPS的 Simulink仿真模型Simulink是 MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的软件包，它的突出特点是支持 GUI(图形用户界面)，这样在仿真过程中，设计者就可以把精力放在具体算法的实现上，而不是模型和算法的本身。

根据式(3)中的方程(1)和方程(2)搭建的卣流伺服电动机的仿真模型如图2所示。

图2 直流伺服 电动机 的仿真模型为兼顾电动机的动态特性和稳态特性，采用转速电流双闭环 PI调速系统，它的特点是分别使用转速 PI调节器和电流PI调节器对转速和电流进行控制，转速调节器的输出就是电流调节器的输入，因此电流环能够随着转速的偏差调节电动机的电枢电流。转速电流双闭环控制直流电动机的仿真模型如图3所示目图3 转速电流双闭环控制直流电动机的仿真模型为了简化模型外观，便于阅读模型，将根据式(3)中方程搭建的各部分仿真模型封装为子系统，最后将它们连接组合，就得到了液压与机械部分的仿真模型(如图4所示)。

- 丽 -角变形量进口压力函数4所角变形量出口压力函数8p角变形量轮胎转角速度 活塞速度函数5增益图4 EHPS液压与机械部分的仿真模型表1 直流伺服电动机的参数角变形量h2函数7参数名称 参数值 单位 参数名称 参数值 单位供电电压 U 12 V 转子转动惯量 .， 2 x10- kg·m电枢电阻 R 0.167 n 换能系数 O.02 N·m/A绕组电感 1.6×10- H 转子阻尼 3 X 10- N·m·s/rad3 仿真分析3.1 直流伺服 电动机 的仿真分析直流伺服电动机的仿真参数选择如表 1所示。

直流伺服电动机的目标转速设为 3000 r/min，设定仿真时间为 1 S，采用 ode45求解器进行仿真。在空载情况下，直流伺服电动机的转速响应特性仿真曲线如图5所示。

图5 直流伺服电动机的转速响应特性曲线分析图5可知，转速电流双闭环控制的直流伺服电动机转速响应迅速，在 0.4 s就已经达到了目标转速，并且超调量很小，最大超调量为7%。

利用 Simulink中的Signal Builder拈预设转速信号，如图6a所示 ，在 0-2 S的时间段目标转速为 3000r/min，在2～4 S的时间段 目标转速为 2000 r/min，在4～6 S的时间段目标转速为4000 r/min。设定仿真时间为 6 s，电动机的转速跟随特性曲线如图6b所示 。

时l司/s 时阆/sa)预设 目标转速曲线 b) 电动机的转速跟随特性曲线图6 直流伺服电动机的跟随特性仿真结果分析图6可知，电动机的转速跟随特性曲线几乎和预设的目标转速曲线相吻合，这说明转速电流双闭环控制直流电动机具有精确的跟随特性。

在 1 S的时间点，给电动机输入 0.7 N·m的阶跃负载转矩，设定仿真时间为2 S，电动机的转速响应曲线与电枢电流响应曲线分别如图7a和图7b所示。

350030002500量20000螽脚时间/s 时间/sa)电动机的转速响应曲线 b) 电动机的电枢电流响应曲线图7 直流伺服电动机的抗负载干扰特性仿真结果分析图7可知，电动机在阶跃负载转矩冲击作用下，在1.1 s的时间点转速迅速下降到2100#min，同量 - 丽口lⅧ ；孽鞲 皿II-吕-J/ 辱睾l8 液压与气动 2013年第 1期表 2 液压与机械部分的参数参数名称 参数值 单位 参数名称 参数值 单位转向盘半径 r 0.21 m 液压缸的内泄漏系数 c 6.5×10 m /f Pa·s转向盘与转向轴的转动惯量 ， 0.03 kg·m 液压泵的液容系数 C。 5×10 。 Il /fPa·s)扭杆的刚度系数 80 N·nrad 液压泵转子的转动惯量 3×10- kg·II转向齿轮的基圆半径 0.0l23 m 液压泵的几何排量 3×10。 l13/r齿条的螺旋齿形角 6 0.349 rad 转向传动机构的阻尼 C 900 N·s/ra(1液压缸内腔直径 d. 0.04 m 轮胎绕主销的转动惯量 厶 0.4 kg·m：活塞杆直径 d 0.025 m 主销内倾角 13 (。)活塞及齿条的等效质量 20 主销后倾角 5 (。)油液密度P 900 k m 主销内移量 ，J 0.O1 n1油液的体积弹性模量 6.5×10 Pa 整车质量 M 1325 kg流量系数 C 0.62 轮胎半径 rl 0.317 in时电枢电流迅速上升到46 A，但是在 1.5 S的时间点电动机转速又上升到了目标转速。由此可见，转速电流双闭环控制的本质就是在保持输出转速不变的情况下，通过调节电流以满足负载功率的要求。

根据以上分析可知，转速电流双闭环控制的直流伺服电动机响应迅速、抗干扰能力强、工作性能稳定，因此能够满足 EHPS的工作要求。

3.2 液压与机械部分的仿真分析液压与机械部分的参数选择如表2所示。

设定车速为20 km/h，电动机转速为 3000 r/min，在 1 S的时间点给转向盘输入 20 N的阶跃力，仿真时间为5 S。当液压泵的几何排量 为 3×10 m /r和2×10 m /r时，得到助力转矩的响应曲线如图8a所示；当扭杆刚度K为80 N·m/rad和90 N·nCrad时，得到助力转矩的响应曲线如图8b所示；当活塞的工作面积A为7.6×10 m 和 1×10 m 时，得到助力转矩的响应曲线如图8c所示。

分析图8a可知，当电动机的转速-定时，液压泵的排量直接影响着转向时的轻便性和跟随性，应该随着转向操纵力矩的增大适时地增大液压泵的排量，避免出现负的助力转矩使驾驶员感到转向沉重和转向滞后，但是液压泵的排量也不能太大，否则会导致转向系统的不稳定，产生过大的振荡，出现转向盘打手”现象。

分析图8b可知，为了获得良好的转向轻便性和助力跟随性，应该适度的减小扭杆的刚度以减喧械作用，但是过小的扭杆刚度会导致系统过大的振荡；为了获得良好的手感，增强驾驶员对车辆的操控感，应该增大扭杆的刚度。

分析图8c可知，增大活塞的T作面积可以提高转向时的稳定性，使驾驶员获得均匀连续的转向操作手感，但是助力转矩的响应速度会减小(即转向的灵敏性会降低)。

时I可/sc) 活塞的工作面积不同时系统提供的助力转矩响应曲线图8 结构参数不同时系统提供转向助力的仿真结果4 结论转速电流双闭环控制的直流伺服电动机转速响应迅速，超调量小，具有精确的跟随特性和较硬的机械特性，能够满足 EHPS的T作要求。

2013年第1期 液压与气动 19基于 AMESim 的球磨机液压控制系统设计与仿真杨逢瑜。李海明，陈君辉，聂朝瑞Ball Mill Hydraulic System Design and Simulation by AMESimYANG Feng-yu，LI Hai-ming，CHEN Jun-hui，NIE Chao-rui(兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050)摘 要：球磨机是对物料进行粉碎的关键设备，目前球磨机的控制形式多采用电机驱动，然而在污染度大的环境下作业时，电机会频繁发生故障。该文利用AMESim多领域系统仿真软件就球磨机液压控制系统进行了设计与仿真研究，验证了低速大扭矩液压马达代替电机驱动的可行性，实现了液压系统对球磨机的远距离控制，且工作平稳安全，维护费用低。

关键词：球磨机；AMESim；液压马达中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)0l-0019-03引言球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。球磨机广泛应用于水泥，硅酸盐制品，黑色与有色金属等生产行业中。以中国铝业集团西北地区某铝厂生阳极生产系统中采用的-台球磨机(如图 1所示)为例，其主要作用是用于铝土矿的粉碎，该球磨机的型号为：筒体 01500×3000，转速为 27 r/min，装球量8 t，1.给料装置 2.简体 3.排料口 4.减速器5.电机 6.传动轴 7.传动齿轮副图1 球磨机结构示意图总机重 17 t。目前该球磨机的传动装置仍然由电机，减速器，传动齿轮副等组成。

在生产运行中，球磨机的运行是否平稳会直接影响到产品的质量，然而 目前 电机驱动有许 多负面问题 ：(1)由于大功率电机启动负载和启动电流都会比较大，因而经常会引起电路启动时跳电，有时运行间隔时间较长，突然启动时的冲击载荷对球磨机轴承及传动齿轮副的寿命也会有很大影响；(2)在球磨机的运行环境中漂浮着大量的颗粒粉尘污染物，导致电机转子以及线圈经常被污染物粘附腐蚀，使得电机频繁发生故障；收稿 日期 ：2012-07-25作者简介 ：杨逢瑜 (1948-)，男，甘肃临夏人，教授 ，学士，主要从事液压技术与磁物理方面的研究与教学工作。

增大液压泵的排量或减小扭杆的刚度，能够获得良好的转向轻便性和助力跟随性，但是过大的液压泵排量或过小的扭杆刚度不利于系统工作的稳定性，会造成输出助力转矩的波动，出现转向盘打手”现象；增大活塞的工作面积能够提高转向时的稳定性，但是会造成助力转矩的滞后，降低转向时的灵敏性。因此在设计 EHPS的液压与机械部分时，可以通过协调这几个参数的匹配，在保证系统工作稳定的情况下，获得良好的转向轻便性和助力跟随性。