电动助力转向系统（ElectronicPowerSteeringSystem,EPS）是汽车电子化发展的成果之一,在各国汽车制造业中得到了普遍重视。EPS属于一种动力转向系统,比传统动力转向系统具有更高的可控性,能较好地解决汽车转向“轻”和“灵”的矛盾,因此有广泛的应用前景[1]。
对其进行性能仿真研究、建模及施加控制是两大关键问题[2]。基于ADAMS软件的虚拟样机技术,可把汽车视为一个由多个相互连接的、彼此能够相对运动的多体系统,其运动学及动力学仿真与以往通常用几个自由度的质量—阻尼刚体（振动）数学模型相比,计算描述能够更加真实地反映整车结构和整车性能,也比其他方法更为直接方便[3]。
由于EPS控制运算法则的复杂性和整车模型的自由度过多这两个原因,造成仅仅使用一种软件进行基于整车的EPS系统性能分析是比较困难的。本文以某多功能商务车为对象,采用ADAMS/Car建立整车系统多体动力学模型,在Matlab中建立EPS控制系统,应用MATLAB与ADAMS软件相联合,将电动助力转向控制系统与整车模型相结合,采ADAMS/Controls提供的接口使机械子系统和控制子系统之间形成一个闭合控制回路,进行机电一体化的复杂实时仿真。利用两种软件各自的优点,解决了整车模型自由度过多和EPS控制系统运算法则过于复杂,两者共处的问题,应用于实际,可以大大减少车辆控制系统的开发周期和成本。
一、整车多体模型
合适的车辆动力学模型是进行联合仿真的前提,建立的多体模型应能反映实车结构,为此在ADAMS/Car中建立车辆整体动力学系统模型,需遵循以下原则:
（1）在建立动力学模型时尽量减少对重要部分的简化,在不影响系统精确程度的前提下对次要部分进行简化,尽量减少自由度数,提高求解效率。
（2）除了轮胎、阻尼元件、弹性元件、橡胶元件以外,其余零件认为是刚体,在仿真分析过程中不考虑它们的变形;簧载质量看作一个具有六个自由度的刚体。
（3）对于刚体之间的连接柔性作适当的简化,用线性弹性橡胶衬套（bushing）来模拟实际工况下的动力学特性;各运动副内的摩擦力忽略不计。
（4）由于发动机模块及制动系模块仅用于控制车速,本文采用了ADAMS/Car数据库中内置的发动机及制动系模块;同时动力传递系统进行相应简化,只考虑半轴以后的动力传递,即驱动力矩直接加在驱动半轴上。
使用ADAMS/Car创建的某商务车整车多体动力学模型如图1所示,由悬架、车身、转向、稳定杆、制动、传动、轮胎、动力总成等8个子系统组成。具体建模过程及各部件的相关参数和具体数值见文献[3]:
（1）转向系主要包括方向盘、转向轴、转向管柱、转向传动轴、横拉杆、齿轮齿条转向器等。在ADAMS中按照相应的连接关系,加上相应的约束副即可构建完成。建立转向系模型时,应将转向柱断开为两部分,加一旋转副,保证它们之间可绕其轴向相对转动,并在断开处再加一扭簧（torsion）,输入扭簧的刚度即可达到扭杆弹簧的效果,以便准确地测量出仿真过程中转向盘施加的转矩;在转向齿条上加一力元素,表示助力的大小,助力函数初始值设置为0,利用VARVAL函数实时读入MATLAB环境中EPS控制系统的计算值。
（2）车身系统:为简化建模,将车辆乘员同车身集成为一个模型,采用离散的质点代替连续体。车身模型由五部分组成:空载车辆质点、驾驶员质点、副驾驶员质点、乘员质点（4人）。通过定义副驾驶员质点和乘员质点的质量可以分别模拟1～6个乘员时的承载工况,通过定义各质点质心的位置可以模拟不同的质量分布。
（3）前桥及前悬架总成:前悬架为麦弗逊独立悬架,前桥为转向桥,前桥及前悬架总成主要由副车架、控制臂、车轮轴承、减振器、螺旋弹簧、传动轴、限位块和等转速万向节组成。
（4）后桥及后悬架总成:后桥为扭力梁式支持桥,采用非独立悬架,后桥及后悬架总成主要由后桥V形横梁、后滑柱总成、螺旋弹簧、双向作用筒式减振器、后轴纵臂、轮毂轴座和限位块组成。
（5）轮胎:研究分析的车辆轮胎型号为215/175R15,轮胎绕中心轴的转动惯量由三线摆实验测得为0.87kg·m2,轮胎模型采用UA模型,该模型所需参数较少,主要有:侧偏刚度、外倾刚度、垂直刚度、纵向刚度、滚动阻力系数和垂向阻尼系数等,这种轮胎模型比较适合进行理论分析。
二、EPS控制系统设计
电动助力转向系统的基本组成包括转矩传感器、车速传感器、电子控制单元（ECU）、电动机和减速机构等。它是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的助力转向系统,转矩传感器与转向轴（小齿轮轴）连接在一起。当驾驶员转动转向盘时,转向盘转过一个角度,与此同时,位于转向盘和电动机之间的转矩传感器检测到转向转矩。转矩传感器的电信号与车速传感器的电信号共同传给控制单元ECU,ECU根据助力特性确定出助力电流的大小和电动机的旋转方向,而后由电动机提供相应的转矩,即助力矩。助力矩的方向同轮胎、转向机构的摩擦产生的转矩方向相反,减轻了驾驶员施加在转向盘上的力矩[4]。
助力特性根据转向驱动力矩与助力矩之间应具备的理想关系;电动机输出转矩与电流间存在的线性关系,采用直线型助力特性[4],如图2所示。图中助力特性曲线可以分成三个区:无助力区、助力变化区和助力不变区。直线型助力特点是在助力变化区,助力与转向盘转矩成线性关系。该助力特性曲线可用以下函数表示:
式中,I为电动机的目标电流;Imax为电动机的最大工作电流;Tsw为转向盘输入力矩;k（v）为助力特性曲线的梯度,随车速增加而减小;Td0为转向系统开始助力时的转向盘输入力矩;Tdmax为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。
Td0和Tdmax与驾驶员主观感觉有关,事先可以根据设计者和驾驶员对转向轻便性和路感的要求,并通过试验来确定。本文根据原车液压助力特性曲线,及参考有关文献资料,在台架试验的基础上初步取Td0=1.0Nm,Tdmax=7.0Nm。
（一）助力控制过程
对助力电动机输出转矩的控制是电动助力转向系统研究的重点。由于电动机的输出转矩是由其工作电流决定的,因此助力控制可归结为对电动机电流的控制,其控制输入为车速信号和转向柱扭矩信号（即作用于转向盘的转向驱动力矩）。考虑到车辆建模过程中的非线性及控制输入量与输出量间也存在非线性映射关系,本文提出了基于理想助力特性曲线的PID控制策略,采用了增量式数字PID控制器来实现对电动机电流的控制[5,6]。
EPS的助力过程:控制器根据转向盘转矩传感器的输出Tsw和车速传感器的输出v,由助力特性确定电动机的目标电流Icmd,然后由电流控制器控制电动机的电流I,使电动机输出目标助力（矩）。因此,EPS的控制要解决两个问题:一是确定电动机的目标电流;二是跟踪目标电流。其基本助力控制过程如图3所示。电动机的目标电流是根据助力特性曲线确定的,在同一转向盘力矩输入下,电动机的目标电流随车速的增加而降低,电流愈小则助力愈小,这样能较好地兼顾轻便性与路感的要求。
三、联合仿真系统设计
首先,在ADMAS/Car环境中定义状态变量,以汽车质心处的前进车速v、转向盘转矩Tsw、汽车横摆角速度ωr及侧向加速度ay作为系统的输出量,将控制输入量定为转向齿条上的作用力及转向盘转角θh。接着,通过ADMAS/Controls模块将整车多体动力学模型以非线性被控对象形式输出至Matlab环境中,输出到Matlab中的整车多体动力学模型会自动以ADAMS_sub子系统表示。最后,在Matlab/Simulink环境下,在ADAMS_sub子系统基础上,建立以目标电流为控制参数的EPS联合仿真控制系统[7]（见图4）。
EPS控制模块的输入是Tsw和v,调整PID控制器的比例环节参数kp、积分环节参数ki和微分环节参数kd。参数确定后（经多次迭代,确定kp=80;ki=0.02;kd=10）,PID控制系统便能确定电动机电流I的大小,进而即可确定电机输出力矩及齿条上的助力。利用这一闭环的仿真控制过程,调整参数直到得到满意的控制精度。为了进一步证明所设计控制器在提高汽车助力特性方面的有效性,文中把有助力转向器的汽车与无助力转向器的汽车在采用相同的计算过程和输入条件下的仿真结果进行了对比。
四、系统的联合仿真
设汽车以80km/h的速度作近似于正弦曲线的行驶。正弦运动的周期为6.5s,最大侧向加速度为0.45g,仿真结果见图5。由图5显见,转向盘转矩、横摆角速度、侧向加速度的变化情况均为正弦波的形状,这与实车试验中的变化情况相吻合,证明了系统具有良好的跟随性。装有EPS的汽车,其转向盘转矩小于没有EPS的汽车,表明EPS系统有较好的助力特性,能保持一定的转向盘力,给驾驶者以合适的路感,满足了高速行驶的汽车应具有较大转向灵敏度的要求,同时也说明电动助力转向系统对提高汽车操纵稳定性方面有一定的积极作用。
加上EPS助力后方向盘上所需施加的转向驱动力矩明显降低了。这说明采用PID控制的EPS系统能根据车速和方向盘转矩的不同决定是否助力以及助力的大小,达到了对电动机助力的智能控制,基本解决了高速行驶时对保持路感的要求,提高了汽车的操纵稳定性,也证明了本文所建模型的正确性和可控性。
五福特发动机前端附件传动系统部门采用LMS 将测试周期缩短一半
福特汽车公司一直以来致力于制造高品质、低油耗、安全和技术先进的汽车，不断快速提升其产品质量，通过不断努力以成为品质第一的汽车制造商。这种品质策略贯穿了整个福特集团，包括FEAD组，他们利用LMS 测试系统，加倍提升了在扭转性能以及其他噪声振动等方面的试验效率，以确保在美国设计开发的所有发动机前端附件驱动系统具备高品质标准。
“优异的产品质量是我们在北美市场业绩得以提升的最重要的因素之一，”Mark Fields，福特公司执行副总裁兼美国区主席对此表示。“长期不变地提升质量使得我们的客户对福特品牌保持信心，同时也为新产品打下了良好的基础。”
福特引领新一轮的竞争
在这新一轮的竞争中，Ford公司宣称他们新上市的任何一款新型轿车或商用车，包括2008 Ford Focus，都将拥有比原有车型更好的品质。福特公司的Fusion、Taurus和Escape Hybrid获得了美国2008年《消费文摘》杂志“最佳购买品”的荣誉。此外，客户对福特公司国内品牌的满意程度高达77%。
“公司的每个人都团结协作，为我们的客户生产品质最佳的汽车，”Bennie Fowler，福特集团全球品质副总裁指出：“作为汽车行业品质的领军者，我们感到非常的骄傲。但是这并不意味着我们已经赢得了这场品质之战。我们要稳固我们产品品质的领先地位，并努力保持下去。”
对于具有一定规模的汽车制造商来说，不断提升产品性能，同时还要在规定的时间内推出新产品，是一个巨大的挑战。质量流程的每个阶段都是潜在瓶颈，特别是所谓的“挤压点”操作需要为整个公司处理工作。福特公司的管理层特别关注如何让那些品质流程的关键阶段达到最大效率。
福特的FEAD试验室
位于密歇根州Allen Park的测试实验室，是质量保证环节中的关键部门之一，该试验室位于底特律城外，在那里进行所有发动机前端附件传动系统的振动声学性能测试，这些附件传动系统包括：皮带传动系、皮带轮，张紧轮、惰轮，利用他们来驱动类似于交流电机、空调压缩机、助力转向和水泵等辅助设备。
FEAD试验室负责人Joe Skrobowki表示，快速精确的测试能力对于提高福特汽车品质和缩短开发周期来说至关重要，因为他们负责为所有在美国开发的车型的FEAD试验，包括承担欧洲和亚洲一些试验能力不足地区的试验任务。试验贯穿于产品的整个开发周期：较早的物理样机驱动系统的对比试验，样车工况下的FEAD验证试验，以及在量产、新车型上市前的解决特定问题的试验。
试验的类型主要有三种。声学测量主要记录汽车车厢内的噪声水平。结构振动试验判定各种零部件的共振频率和响应函数，以及在发动机加速过程中每个附件在整个带宽范围内所有频率上的加速度振动水平。扭振试验：通过安装在旋转部件上的编码器获得的信号，来测量由于发动机点火冲击以及扭矩变化所引起的旋转部件的角位移波动。测量扭振的意义在于：无论前端附件传动系统是在不同的转速下的空负荷运转，还是在工况下的各种转速下运转，发动机点火时的冲击以及扭矩的变化都将会在轴截面上发生扭转及弯扭的应力耦合。
“我们花费了相当多的时间和精力来关注扭振，因为扭振是与前端附件传动系统相关噪声的主要原因：皮带尖叫声、叽嚓声，以及伴随着堕轮轴承和张紧轮卡嗒声的拍打声，”Skrobowski说。“这些噪声对于乘客来说是不能接受的，同时也表明了存在破坏性振动，会严重损坏轴承等零部件，从而缩短部件的使用寿命。”
一旦发现了类似的问题，FEAD试验团队会提出针对驱动系统的改进意见，来应对此类振动现象：加强张紧轮、增加解耦减震器、改变皮带缠绕方式、加大皮带轮的边缘尺寸或更改支架设计以偏移结构的固有频率等。试验团队必须快速得到测量结果，并尽快将修改意见反馈给设计部门，而旧的试验系统已不堪重负。
旧试验系统不堪重负
面对越来越多的新设计，由于过去的试验系统功能性不强，使得试验室在测试和实验结果报告方面的能力受到了极大的限制。主要的问题之一是结构、振动、扭振和声学试验必须在不同的试验系统上进行测试。由于各种试验是分别进行的，所以需要多次进行试验的设置。此外，由于系统之间的不兼容性，数据交换也非常繁琐。加上由于需要花费大量时间手工地将数据生成标准报告模式，因而报告的生成也相当复杂。而当进行整车试验时，旧系统由于体积比较大，系统比较复杂，所以需要花费相当多的时间和精力将其运送到试验现场，然后安装在汽车上。
为了克服这些困难，FEAD试验采用了32通道数的LMS SCADAS 310数据采集前端，以及LMS 试验分析软件，进行振动噪声试验工作。福特公司用LMS系统替换以前所用的设备，作为一个集成性试验平台，LMS试验系统能够同时完成结构振动、扭振和声学试验。
“我们在统一平台上进行试验，更容易交换数据，并且在进行多项试验的同时可以查看数据的相关性、相互影响和耦合性，”Skrobowksi解释道。“此外，与以前基于文本命令格式的旧系统相比，基于Windows系统的软件界面使用起来更快捷，对于常规试验任务的自动化功能提高了试验设置和报告生成的速度。”他还指出LMS系统的便携性也是他们选择的重要原因之一。LMS SCADAS系统结构紧凑，适于在试验现场使用，技术人员能够轻松地将系统装入手提箱内携带上飞机，并很容易将它安放在测试样车的座椅上。由于信号调理和麦克风放大器内置于系统中，所以不需要在车内安装其他设备。因此，其他设备和传感器都可以直接与LMS SCADAS连接起来，并可用车载12VDC电池对其供电。
快速、精确的扭振试验
“与以前的系统相比，采用LMS 进行扭振测试带来了很大改善，因为以前的系统需要单独的单元将变频脉冲转速信号转变为数字转速信号。这种方法对于噪声比较敏感，并在高转速的情况下其分辨率会受到限制。因此，我们需要花费很多的时间去解释获得的数据，并需要进行重复性试验。此外，因为所有的数据必须进行手工组合和操作，结果的输出和曲线绘制也非常耗时。”
LMS SCADAS系统内置的QTV(4通道扭振模块)，其配置的数字信号调理功能能够自动分析编码器信号，可以将转速脉冲数据转化为高精度的扭振角速度和角位移时间历程，并具有极高的测量分析带宽。信号计算中使用的参数估计和插值算法比其他传统扭振测量系统更加精确。LMS扭振测量的独特之处在于其精确性完全独立于转速和采样频率，即便是转速频率高达50kHz.“更高的精确度意味着能在更短的时间内采集所需的扭振信号，并且试验结果更加精确，”Skrobowski说。
他还表示说，在试验准备阶段，使用LMS系统能节省了相当多的时间和精力。LMS 的项目管理功能为每个特定类型的试验提供了直观的提示信息，告诉技术人员使用什么样的传感器以及需要做哪些标定。此外，技术人员还可以使用树形结构的文件管理功能，轻松地从其他项目中拖拽数据。从头开始做这些工作往往会浪费很多时间并且增加了出错的机率。LMS 自动化功能可以消除这些问题，技术人员能够在第一时间保证工作的正确无误，无须花精力去排查和纠正那些不必要的错误。
当试验结束后，LMS 自动的报告生成功能可以帮助FEAD试验室的技术人员快速准备好完整的试验报告。“以前，我们要出示一厚叠记录日志和计算结果，来解释什么设备连接在一起，试验是如何运行的，以及每个通道的试验结果。进行这些工作相当费力，并且工程师说明这些数据也非常耗时。现在，我们不再需要花费数小时或者几天的时间了，因为LMS 能够几分钟内准备好报告，使用预定义的模板可以轻松地生成标准的试验报告。例如，LMS软件中的目标链接和嵌入式构建能够帮助工程师在图表中组合各种不同的数据，对比分析实际车型和物理样机。所有的试验都将被真实地记录下来，作为历史存档，以便在以后的项目进行调用，这样能够很好地了解整个系统的性能，”
LMS显示数据的图表不再是传统的静态图形，而是交互式的动态数据显示，这样工程师和技术人员能够按照需要缩放、组合、移动、以及根据不同显示方式的需要进行其他操作，或者在自己的试验报告和其他文档中重新调用。LMS试验系统采集的动态数据还能够按照一定的格式输入至福特公司自己的AP-FEAD分析动力总成的FEAD多体动力学系统中，用于设计工程师在早期的系统开发中，进行仿真设计。
“最重要的一点是，LMS系统在扭振和振动噪声试验方面的高效性，从试验的开始到结束，我们试验室的整个标准测试周期缩短了一半。”Skrobowski解释说。“这方面能力的提升，使得我们能够在更少的时间内完成更多的试验任务，为了应对更大的工作量，这对于我们来说非常必要，而对于Ford公司来说，为了持续快速的提高品质，同样非常必要！” 、结论
本文对具有EPS装置的汽车,应用Matlab与ADAMS两个软件,进行了联合控制仿真研究。采用ADAMS/Car进行汽车多体系统动力学建模,可以建立比较精确的车辆多体模型,尽量减少模型的简化,使得车辆各部分的运动学和动力学响应同实际情况差别不大。通过定义输入输出接口,在Matlab下建立EPS控制系统模型,将电动助力转向控制系统与整车多体模型相结合,应用Matlab与ADAMS软件的各自优点,实现了机电联合控制仿真。可以方便地单独修改机械系统参数和控制系统控制策略,比较不同控制策略对系统性能影响的优劣,更加符合机电一体化的设计要求,是一种有效的设计和分析方法。结果表明本文所提出的动力学模型、控制策略和联合仿真算法是正确、有效的,为今后进一步从事这方面的研究提供了一定参考。基于该模型还可进行其他控制系统的研究,并为ABS/ASR/ACC/EPS等多个控制系统的集成奠定了基础。
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