本發(fā)明涉及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是涉及一種面向路況的eps試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)向阻力矩加載方法。

背景技術(shù)：

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車上的一個(gè)主要的部件，它的性能的好壞是影響駕駛員操作安全性、穩(wěn)定性和舒適性的關(guān)鍵。因此為了設(shè)計(jì)出更符合要求的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，必須對(duì)開(kāi)發(fā)中的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行大量測(cè)試，檢測(cè)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向產(chǎn)品的相關(guān)性能參數(shù)，正確判斷電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后使其更具安全性、操控性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于算法，算法的發(fā)展必然會(huì)依賴于大量的試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，大量的試驗(yàn)不可能都放在整車上進(jìn)行，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)車試驗(yàn)具有開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，耗費(fèi)財(cái)力和人力大、參數(shù)變量無(wú)法實(shí)時(shí)采集，工況難以實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)。eps試驗(yàn)臺(tái)就是針對(duì)這一情況研制的，而在eps試驗(yàn)臺(tái)架的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程中，阻力矩的加載是關(guān)鍵的因素之一，而對(duì)于阻力矩的大小及其控制的研究更是必要的條件和重要的前提。

當(dāng)前常用的eps試驗(yàn)臺(tái)架多采用螺旋彈簧或其它簡(jiǎn)單的線性負(fù)載加載裝置來(lái)模擬作用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的地面阻力，同時(shí)這些試驗(yàn)臺(tái)架的轉(zhuǎn)向阻力矩沒(méi)有考慮整車的行駛參數(shù)和多工況下的路況差異，從而eps試驗(yàn)臺(tái)輸出的轉(zhuǎn)向阻力矩不能有效的模擬出地面阻力作用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的實(shí)際情況，因此，這種加載方式使得eps試驗(yàn)臺(tái)只能從趨勢(shì)上對(duì)eps系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢測(cè)與分析。

根據(jù)以上描述，傳統(tǒng)的eps試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)向阻力矩加載方式具有諸多問(wèn)題。因此迫切需要提供一種面向路況的eps試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)向阻力矩加載方式，從而提高eps試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)eps性能的能力，進(jìn)而促進(jìn)eps系統(tǒng)的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述背景中的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種面向路況的eps試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)向阻力矩加載方法，以解決eps試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法提供多工況條件下的轉(zhuǎn)向阻力矩的問(wèn)題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下：

一種面向路況的eps試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)向阻力矩加載方法，用于輸出多工況下的轉(zhuǎn)向阻力矩，提高eps試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)eps系統(tǒng)性能的能力，包括步驟：

a.分析行駛參數(shù)和整車參數(shù)，建立三自由度車輛模型，輸出汽車正常行駛況，工況下的轉(zhuǎn)向阻力矩；

b.建立汽車行駛的多工況環(huán)境，即不同等級(jí)的路面模型和不同路面附著系數(shù)的路面模型；

c.結(jié)合上述步驟a和步驟b，在車輛模型中，輸出不同工況環(huán)境下的轉(zhuǎn)向阻力矩；

d.在步驟c的基礎(chǔ)上，建立遺傳算法優(yōu)化的模糊pi控制系統(tǒng)，控制無(wú)刷直流電機(jī)輸出不同工況環(huán)境下的轉(zhuǎn)向阻力矩；

所述步驟a分析行駛參數(shù)和整車參數(shù)，行駛參數(shù)如側(cè)傾、側(cè)向和橫擺等；整車參數(shù)如前軸重、軸距和輪胎特性等，根據(jù)上述分析在simulink中建立垂向力子系統(tǒng)、輪胎子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)等，然后整合各個(gè)子系統(tǒng)建立三自由度整車模型，進(jìn)而輸出轉(zhuǎn)向阻力矩。轉(zhuǎn)向阻力矩分為原地轉(zhuǎn)向阻力矩和行車轉(zhuǎn)向阻力矩，原地轉(zhuǎn)向阻力矩由路面摩擦阻力矩和重力引起的回正力矩組成；行車轉(zhuǎn)向阻力矩由重力引起的阻力矩和側(cè)向力引起的阻力矩組成，轉(zhuǎn)向阻力矩公式如下：

路面摩擦引起的阻力矩：

上式中μ是附著系數(shù)；g是前軸重量；p是胎壓。

重力引起的回正力矩：

msz＝g·dn·φ·δ(2)

上式中dn是主銷內(nèi)移量；φ是主銷內(nèi)傾角；δ是前輪轉(zhuǎn)角；g是前軸重量。

側(cè)向力引起的回正力矩：

上式中η2是轉(zhuǎn)向系逆效率；r為汽車轉(zhuǎn)向半徑；r是前輪直徑；γ是主銷后傾角；δ是前輪轉(zhuǎn)角；g是前軸重量。

所述步驟b建立汽車行駛的多工況環(huán)境，路面等級(jí)分為a-h級(jí)，不同等級(jí)路面振動(dòng)不同，a-h級(jí)路面的隨機(jī)振動(dòng)逐級(jí)遞增，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)向阻力矩不同。本專利根據(jù)isoscz/wd4標(biāo)準(zhǔn)路面譜，采用正弦疊加原理分析了8種等級(jí)路面狀態(tài)下的不平度樣本，同時(shí)通過(guò)分析路面的縱橫向長(zhǎng)度、迭代次數(shù)、空間頻率的上下限、垂向位移z、縱向間隔y、橫向間隔x等，建立a-h級(jí)路面模型，路面的功率譜密度公式如下：

上式中ω為空間頻率，表示單位長(zhǎng)度中某一諧量出現(xiàn)的次數(shù)(次/m)；ω0為參考空間頻率；gq(ω0)為路面不平度系數(shù)，是參考空間頻率下的路面功率譜密度值；w為頻率指數(shù)，一般取w＝2。

同時(shí)不同工況的路面附著系數(shù)也有很大的不同，如混凝土路面和冰雪路面附著系數(shù)相差極大，同樣會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩造成很大的影響。研究相關(guān)文獻(xiàn)可知不同路面的附著系數(shù)分別為：瀝青或混凝土(干)路面的μ為0.75，瀝青(濕)路面的μ為0.45～0.6，混凝(濕)路面的μ為0.7，礫石路面的μ為0.55，土路(干)路面的μ為0.65，土路(濕)路面的μ為0.4～0.5，雪(壓緊)路面的μ為0.15，冰路面的μ為0.07。

所述步驟c輸出不同工況環(huán)境下的轉(zhuǎn)向阻力矩，首先分析不同等級(jí)路面即路面不平度對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩的影響。路面不平會(huì)引起車輛的振動(dòng)，此時(shí)車輪和路面之間的鉛垂載荷fz不是常量，而是隨時(shí)間變化的，則四分之一車輛模型或者稱作三質(zhì)量系統(tǒng)如下：

上式中，m1，m2，m3的質(zhì)量分別為一個(gè)車輪質(zhì)量，一個(gè)車輪上對(duì)應(yīng)的車身質(zhì)量，一個(gè)車輪上對(duì)應(yīng)的人體質(zhì)量，c1為輪胎彈性常數(shù)，c2為車身懸架彈簧剛度，c3為座椅彈性常數(shù)之半，k2位車身懸架阻尼系數(shù)，k3為座椅阻尼系數(shù)之半。

同時(shí)可以得出，車輛的動(dòng)態(tài)前軸重公式如下：

gdyn＝g+fzdyn(9)

則由公式(8)可知，路面的不平振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生輪胎載荷的變化，由公式(9)可知，輪胎載荷的變化會(huì)影響到前軸重量的變化，又由公式(2)和(3)可知，前軸重量的變化會(huì)影響到側(cè)向力和重力引起的回正力矩的變化，并且由公式可以具體得出路面不平度對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩的影響。

然后分析不同路面附著系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩的影響，由公式(1)可知，μ會(huì)影響到路面摩擦引起的阻力矩。

所述步驟d將步驟c獲得的多工況下的轉(zhuǎn)向阻力矩通過(guò)電機(jī)輸出，首先為了獲得更加準(zhǔn)確地pi控制參數(shù)kp和ki，建立模糊pi控制系統(tǒng)，控制電機(jī)的速度環(huán)，把電機(jī)的速度和給定速度作為誤差輸入到模糊pi控制器中。

然后為了獲得更加準(zhǔn)確地模糊控制系統(tǒng)，用遺傳算法離線優(yōu)化模糊pi控制器的模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)，最終用優(yōu)化好的模糊pi控制器控制無(wú)刷直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)向阻力矩。

附圖說(shuō)明

圖1是三自由度整車模型示意圖

圖2是不同等級(jí)路面模型

表1是不同路面附著系數(shù)表

圖3是多工況環(huán)境轉(zhuǎn)向阻力矩輸出示意圖

圖4是模糊控制器生成的kp

圖5是模糊控制器生成的ki

圖6是遺傳算法流程圖

圖7是遺傳算法優(yōu)化模糊pi控制系統(tǒng)示意圖

圖8本發(fā)明實(shí)施的整體流程圖

具體實(shí)施方式

下面，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示

第一步：分析行駛參數(shù)，如側(cè)傾、側(cè)向和橫擺等；分析整車參數(shù)如前軸重、軸距和輪胎特性等，根據(jù)上述分析建立垂向力子系統(tǒng)、輪胎子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)等，然后整合子系統(tǒng)建立三自由度整車模型，輸出正常工況即不考慮路面不平度和路面附著系數(shù)變化時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩。

如圖2

第二步：建立汽車行駛的多工況環(huán)境，路面等級(jí)分為a-h級(jí)，不同等級(jí)路面振動(dòng)不同，a-h級(jí)路面的隨機(jī)振動(dòng)逐級(jí)遞增，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)向阻力矩不同。本專利根據(jù)isoscz/wd4標(biāo)準(zhǔn)路面譜，采用正弦疊加原理分析了8種等級(jí)路面狀態(tài)下的不平度樣本，同時(shí)通過(guò)分析路面的縱橫向長(zhǎng)度、迭代次數(shù)、空間頻率的上下限、垂向位移z、縱向間隔y、橫向間隔x等，建立a-h級(jí)路面模型，路面的功率譜密度公式如下：

上式中ω為空間頻率，表示單位長(zhǎng)度中某一諧量出現(xiàn)的次數(shù)(次/m)；ω0為參考空間頻率；gq(ω0)為路面不平度系數(shù)，是參考空間頻率下的路面功率譜密度值；w為頻率指數(shù)，一般取w＝2。

如表1所示

第三步：同時(shí)不同工況的路面附著系數(shù)也有很大的不同，如混凝土路面和冰雪路面附著系數(shù)相差極大，同樣會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩造成很大的影響。研究相關(guān)文獻(xiàn)可知不同路面的附著系數(shù)分別為：瀝青或混凝土(干)路面的μ為0.75，瀝青(濕)路面的μ為0.45～0.6，混凝(濕)路面的μ為0.7，礫石路面的μ為0.55，土路(干)路面的μ為0.65，土路(濕)路面的μ為0.4～0.5，雪(壓緊)路面的μ為0.15，冰路面的μ0.07。

如圖3所示

第四步：輸出不同工況環(huán)境下的轉(zhuǎn)向阻力矩，首先分析不同等級(jí)路面即路面不平度對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩的影響。路面不平會(huì)引起車輛的振動(dòng)，此時(shí)車輪和路面之間的鉛垂載荷fz不是常量，而是隨時(shí)間變化的，則四分之一車輛模型或者稱作三質(zhì)量系統(tǒng)如下：

上式中，m1，m2，m3的質(zhì)量分別為一個(gè)車輪質(zhì)量，一個(gè)車輪上對(duì)應(yīng)的車身質(zhì)量，一個(gè)車輪上對(duì)應(yīng)的人體質(zhì)量，c1為輪胎彈性常數(shù)，c2為車身懸架彈簧剛度，c3為座椅彈性常數(shù)之半，k2位車身懸架阻尼系數(shù)，k3為座椅阻尼系數(shù)之半。

同時(shí)可以得出，車輛的動(dòng)態(tài)前軸重公式如下：

gdyn＝g+fzdyn(9)

則由公式(8)可知，路面的不平振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生輪胎載荷的變化，由公式(9)可知，輪胎載荷的變化會(huì)影響到前軸重量的變化，又由公式(2)和(3)可知，前軸重量的變化會(huì)影響到側(cè)向力和重力引起的回正力矩的變化，并且由公式可以具體得出路面不平度對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩的影響。

第五步：然后分析不同路面附著系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩的影響，由公式(1)可知，μ會(huì)影響到路面摩擦引起的阻力矩。

如圖4和圖5所示

第六步：由于pi控制系統(tǒng)需要精確的被控對(duì)象，這里建立模糊pi控制器，把電機(jī)的輸出速度n和給定的輸入速度n*之差作為誤差e，結(jié)合誤差的變化率ec輸入到模糊控制器中，根據(jù)特定的模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)，模糊控制器輸出合適的kp和ki到pi控制器中，優(yōu)化pi控制系統(tǒng)，建立模糊pi控制器，圖4和圖5分別為模糊控制器生成的kp和ki。

如圖6和圖7所示

第七步：模糊pi控制器中的模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)都是由一些專家總結(jié)出來(lái)的，對(duì)本發(fā)明要控制的無(wú)刷直流電機(jī)并不一定是最優(yōu)的規(guī)則和隸屬度函數(shù)。這里用遺傳算法同時(shí)優(yōu)化模糊pi控制器的模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)，首先把模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)進(jìn)行十進(jìn)制編碼，然后按照設(shè)定的遺傳代數(shù)、種群規(guī)模、交叉率、變異率等進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，到達(dá)指定代數(shù)后解碼輸出模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)。把優(yōu)化后的規(guī)則和隸屬度函數(shù)輸入到模糊pi控制器中，最終用優(yōu)化好的模糊pi控制器控制無(wú)刷直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)向阻力矩。