专利名称：汽车转向系统用电动加载试验装置及方法
技术领域：
本发明属于汽车技术领域，涉及加载试验装置，尤其是一种汽车转向系统 用电动加载试验装置。
背景技术：
目前测试汽车转向系统如EPS系统的性能的加载系统主要是应用被动加载 方式，如弹簧加载等、主动加载方式，如液压加载或气动加载。弹簧加载通过 调节弹簧的预紧力来模拟汽车转向时的地面阻力的大小，然而弹簧加载模拟的 地面阻力与弹簧的位移成线性关系并且不随车速而改变，在试验过程中不能实 时反应轮胎和地面之间的接触关系。采用液压或气动进行加载的转向系统加载 装置，虽然能弥补上述被动加载装置的不足，但由于液压和气动加载装置本身 具有较强的非线性、动态响应性差，对加载系统的性能产生不利影响，不能满 足在各种行驶工况下对转向系统进行主观和客观评价的要求。
发明内容
本发明的目的是为了改善常规的转向系统用加载装置的性能，提供一种能 够对转向系统进行实时动态力加载的小型轻量化的电动加载试验系统，用于模 拟路面传递给转向系统的各种负载力(或力矩)。该装置可以准确模拟汽车在各种 行驶工况下转向系统所受到的回正力(或力矩)以及转向轮摆振和不平路面等诸 多干扰因素所造成的高频(20hz—40hz)振动力(或力矩)。
为达到以上目的，本发明的技术方案是 一种汽车转向系统用电动加载试
验装置，包括加载电机驱动器、加载电机(如直流或交流旋转电机或直线电机) 及减速机构(如涡轮蜗杆)、运动变换机构(如齿轮齿条机构、滚珠丝杠机构， 但在加载电机使用直线电机的情况下不用运动变换机构)、加载力传感器(如拉 压力传感器)、加载运动传感器(转角传感器如光电编码器或位移传感器如直线 位移传感器)和控制器。在采用旋转电机的情况下，所述的加载电机与减速机 构相连接构成减速增扭装置，减速机构和运动变换机构(如齿轮齿条机构)中 的输入部件(如齿轮)相连将电机的旋转运动转变为直线运动，运动变换机构(如 齿轮齿条机构)中的输出部件(如齿条)与转向系统的转向器齿条相连对转向
器的齿条进行直线运动力加载；在采用直线电机的情况下，直线电机的动子直 接与转向系统的转向器齿条相连输出直线运动与加载力。拉压力传感器安装在 直线运动力加载机构输出端与转向系统转向器齿条之间，用于检测实际的加载 力信号；转角传感器安装在转向系统里或在加载系统增加转角或位移传感器用 于对转向盘转角进行检测。转向盘转角以及车速信号输入到控制器实时生成动 态的转向系统加载指令力信号，加载指令力信号、拉压力传感器检测到的实际 加载力信号与转角或位移信号一起输入到控制器的前馈补偿模块和PID力闭环 控制模块(控制方案l)或二自由度内模力控制模块(控制方案2)中，通过各 模块计算出加载力控制信号并通过电机驱动器输出所需的电机电流，使电机实 时输出加载力矩(或力)，并通过运动变换机构统(或直接)对转向系统转向器 齿条进行直线运动力加载。本发明与现有技术的区别主要包括1) 2种控制方 法；2)采用直线电机对齿条进行加载的方式；3)加装了拉压力传感器；4) 一 个转角传感器或位移传感器可用于加载装置运动的检测及转向盘转角检测。
所述的控制方案1:前馈补偿模块包括摩擦力前馈补偿和对加载系统减速 机构及运动变换机构的惯量及其它等效干扰力的干扰估计前馈补偿。摩擦力前 馈补偿模块的输入信号为对转角传感器信号或齿条位置提供的位移信号，对该 信号进行微分得到相应的速度信号，摩擦力前馈补偿模块对加载系统内部的摩 擦力分不同运动方向进行补偿，补偿力的大小与齿条移动的速度成线性关系；
干扰估计前馈补偿模块的输入aw信号为拉压力传感器检测到的实际的加载力
信号少和系统力控制输出量加，输出为对干扰的估计"'，^-y.丄.尸W-m，其中
^为加载系统的标称数学模型，^"为滤波器环节。PID力闭环控制模块的输入 信号为加载指令力信号和拉压力传感器检测到的实际的加载力信号，PID力闭环 控制模块对加载指令力信号和拉压力传感器检测到的实际的加载力信号之差进 行PID算法的计算，其结果与前馈控制模块的计算结果一起作为加载力控制信 号并输出给电机驱动器，电机驱动器通过电机电流控制输出所需的电机电流， 使电机实时输出所需的加载力矩(或力)，加载力矩(或力)通过运动变换机构
(或直接)对转向系统转向器齿条进行直线运动力加载。
所述的控制方案2: 二自由度内模力控制模块的输入信号为加载指令力信号 和拉压力传感器检测到的实际的加载力信号，输出为加载力控制信号；所述的
二自由度内模力控制模块包括两个控制器G(力和G("， 0")主要用来调整加载
系统的目标值跟踪特性，其参数的调节由系统希望达到的闭环带宽决定；&")主 要用来调整加载系统的干扰抑制特性和鲁棒性，其参数的调节由系统拉压力传 感器的检测噪声频率和加载系统的位置干扰频率共同决定。二自由度内模力控 制模块输出的加载力控制信号输出给电机驱动器，电机驱动器通过电机电流控 制输出所需的电机电流，使电机实时输出所需的加载力矩(或力)，加载力矩(或 力)通过运动变换机构(或直接)对转向系统转向器齿条进行直线运动力加载。 由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是本发明利用一个小型轻 量化的电动加载试验装置实时模拟转向系统所受到的包括回正力在内的各种负 载力，对于新型转向系统如电动助力转向系统等的开发与评价提供了良好的试 验设备。
图1是本发明的转向系统用电动加载试验装置的系统结构示意图。 图2是本发明的转向系统用电动加载试验装置控制方案1原理框图。 图3是本发明的转向系统用电动加载试验装置控制方案2原理框图。 图4是本发明的转向系统用电动加载试验装置控制方案1中摩擦前馈补偿 原理图。
图5是本发明的转向系统用电动加载试验装置控制方案1中干扰前馈补偿
原理图。
图6是本发明的转向系统用电动加载试验装置在原地转向过程中加载控制效果。
图7是本发明的转向系统用电动加载试验装置在一定转向工况中加载控制效果。
图8是本发明的转向系统用电动加载试验装置在闭环控制后系统频域分析图。
具体实施例方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
由图1所示， 一种汽车转向系统用电动加载试验装置，包括加载电机驱动 器、加载电机(如永磁同步电机或直流电机)及减速机构(如涡轮蜗杆)、运动 变换机构(如齿轮齿条机构)、加载力传感器(如拉压力传感器)、加载运动传 感器(如转角传感器或位移传感器)和控制器。所述的电机与减速机构相连接 构成减速增扭装置，减速机构和齿轮齿条机构中的齿轮相连将电机的旋转运动 变为直线运动，齿轮齿条机构中的齿条与转向系统的转向器齿条相连对转向器
齿条进行直线运动力加载；拉压力传感器安装在直线运动力加载机构的齿条输 出端与转向系统的转向器齿条之间，用于检测实际的加载力信号；转角传感器 安装在加载系统电机轴上用于对电机转角进行测量，对电机转角进行比例折算 得到转向盘转角。转向盘转角以及车速信号输入到控制器实时生成动态的转向 系统加载指令力信号，加载指令力信号、拉压力传感器检测到的实际加载力信
号与转角或位移信号一起输入到控制器的前馈补偿模块和PID力闭环控制模块 (控制方案l)或二自由度内模力控制模块(控制方案2)中，通过各模块计算
出加载力控制信号并通过电机驱动器输出所需的电机电流，使电机实时输出加 载力矩，并通过齿轮齿条系统对转向系统转向器齿条进行直线运动力加载。
如图2所示，所述的控制方案l:前馈补偿模块包括摩擦力前馈补偿、对
加载系统减速机构及齿轮齿条机构的惯量及其它等效干扰力的干扰估计前馈补 偿。摩擦力前馈补偿模块的输入信号为转角传感器信号或齿条位置提供的位移 信号，对该信号进行微分得到相应的速度信号，摩擦力前馈补偿模块对加载系 统内部的摩擦力分不同运动方向进行补偿，补偿力的大小与齿条移动的速度成
线性关系，如图4所示；
干扰估计前馈补偿模块的输入信号为拉压力传感器检测到的实际的加载力
信号y和系统力控制输出量^，输出为对干扰的估计d'。如图5所示，系统受到
的实际干扰假设为d,则 p ，其中户为加载系统的开环特性函数，为了 便于"工程实现，取^,="一7(力-w，既把加载系统减速机构及运动变换机
构的惯量及其它等效干扰力"用其估计值^来补偿，其中M为加载系统的开环标 称数学模型，F(s)为滤波器环节。
PID力闭环控制模块的输入信号为加载指令力信号和拉压力传感器检测到 的实际的加载力信号，PID力闭环控制模块对加载指令力信号和拉压力传感器检 测到的实际的加载力信号之差进行PID算法的计算，其结果与前馈控制模块的 计算结果一起作为加载力控制信号并输出给电机驱动器，电机驱动器通过电机 电流控制输出所需的电机电流，使电机实时输出所需的加载力矩，加载力矩通 过齿轮齿条系统转换为对转向系统的转向器齿条进行直线运动力加载。
如图3所示，所述的控制方案2: 二自由度内模力控制模块的输入信号为加 载力指令力信号和拉压力传感器检测到的实际的加载力信号，输出为加载力控 制信号；所述的二自由度内模力控制模块包括两个控制器^("和a")， G("主 要用来调整加载系统的目标值跟踪特性，其公式如下 ^(力=^_(力*^(力，
M-w为加载系统开环标称数学模型的最小相位部分。<formula>formula see original document page 9</formula>(^+i)"或 ("+2(vs+iy'-，其中n为使e'w存在的最小自
然数，n为奇数时取前者，n为偶数时取后者。Fl(s)亦可选用两种传递函数的组 合。其参数n、 4的调节由系统希望达到的闭环带宽决定，其最终调整的结果需 使^")能满足对系统闭环带宽的要求；
e^)主要用来调整加载系统的干扰抑制特性和鲁棒性，其公式如下-込"X")^")， M-")为加载系统开环标称数学模型的最小相位部分。
尸2^^W或^)、2Y + 2.^.一",2'其中n为使込")存在的最小
自然数，n为奇数时取前者，n为偶数时取后者。F2(s)亦可选用两种传递函数的 组合。
其参数r2 、 &的调节由系统拉压力传感器的检测噪声频率和加载系统的位 置干扰频率共同决定，其最终调整的结果需使G")能同时满足对低频位置干扰 和高频检测噪声的抑制。
二自由度内模力控制模块输出的加载力控制信号输出给电机驱动器，电机 驱动器通过电机电流控制输出所需的电机电流，使电机实时输出所需的加载力 矩，加载力矩通过齿轮齿条系统对转向系统转向器齿条进行直线运动力加载。
在加载电机采用直线电机的情况下，直线电机动子与转向系统转向器的齿 条直接相连，直线电机动子直接对转向器齿条进行直线运动力加载；加载力传 感器(如拉压力传感器)安装在直线电机动子与转向系统转向器齿条之间，用 于对实际的加载力进行测量；转角传感器安装在转向系统里或用位移传感器(如 直线位移传感器)对加载系统电机动子的直线位移进行测量以换算得到转向盘 转角信号。在加载试验装置采用直线电机的情况下，加载试验装置的控制方案 与上述加载电机采用旋转电机的例子相同。
采用旋转电机及减速机构亦可对转向系统中的转向轴进行加载，加载试验 装置的控制方案与前述的对转向系统中的齿条进行加载的例子相同，但拉压力 传感器将更改为扭矩传感器。
图6是本发明的转向系统用电动加载试验装置在原地转向过程中加载控制效果。
图7是本发明的转向系统用电动加载试验装置在车速信号为25km/h时， 一定转向情况下加载控制效果。
图8是本发明的转向系统用电动加载试验装置在闭环控制后系统频域分析图。
从以上图中可以看到本转向系统用电动加载试验装置能准确模拟该装置 可以准确模拟汽车在各种行驶工况下转向系统所受到的回正力(或力矩)以及
转向轮摆振和不平路面等诸干扰因素所造成的高频(20hz—40hz)振动力(或力矩)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用 本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改， 并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此， 本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明 做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种汽车转向系统用电动加载试验装置，其特征在于包括加载电机驱动器、加载电机及减速机构、运动变换机构、加载力传感器、加载运动传感器和控制器，加载力传感器安装在加载机构输出端与转向系统转向器齿条之间，用于检测实际的加载力信号；转角传感器安装在转向系统里或在加载系统增加转角或位移传感器用于对转向盘转角进行检测。
2、 根据权利要求l所述的汽车转向系统用电动加载试验装置，其特征在于该加载电机为旋转电机，所述的加载电机与减速机构相连接构成减速增扭装置， 减速机构和运动变换机构中的输入部件相连将电机的旋转运动转变为直线运动， 运动变换机构中的输出部件与转向系统的转向器齿条相连对转向器齿条进行直线运动力加载。
3、 根据权利要求l所述的汽车转向系统用电动加载试验装置，其特征在于 该加载电机为直线电机，直线电机的动子直接与转向系统的转向器齿条相连输出 直线运动与加载力。
4、 根据权利要求1至3中任一所述的汽车转向系统用电动加载试验装置，其特征在于其加载力频域响应特性截止频率大于10HZ。
5、 根据权利要求4所述的汽车转向系统用电动加载试验装置，其特征在于 其满足进行汽车操纵稳定性国标试验的要求，并且能够准确模拟各种行驶工况下 转向系统所受到的回正力/力矩以及转向轮摆振和不平路面等诸多干扰因素所造 成的高频振动力/力矩。
6、 根据权利要求5所述的汽车转向系统用电动加载试验装置，其特征在于 所述的"高频"的范围是20hz—40hz。
7、 使用权利要求1所述的汽车转向系统用电动加载试验装置的方法，其特 征在于将转向盘转角以及车速信号输入到控制器根据车辆模型实时生成动态的 转向系统加载指令力信号，加载指令力信号、拉压力传感器检测到的实际加载力 信号与转角或位移信号一起输入到控制器的前馈补偿模块加PID力闭环控制模 块，通过各模块计算出加载力控制信号并通过电机驱动器输出所需的电机电流， 使电机实时输出加载力矩或力，该加载力矩或力通过运动变换机构或直接对转向 系统转向器齿条进行直线运动力加载。
8、 使用权利要求1所述的汽车转向系统用电动加载试验装置的方法，其特 征在于将转向盘转角以及车速信号输入到控制器根据车辆模型实时生成动态的 转向系统加载指令力信号，加载指令力信号、拉压力传感器检测到的实际加载力 信号与转角或位移信号一起输入到二自由度内模力控制模块中，通过各模块计算 出加载力控制信号并通过电机驱动器输出所需的电机电流，使电机实时输出加载 力矩或力，该加载力矩或力通过运动变换机构或直接对转向系统转向器齿条进行 直线运动力加载。
9、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于该前馈补偿模块包括摩擦力 前馈补偿和对加载系统减速机构及运动变换机构的惯量及其它等效干扰力的干扰估计前馈补偿；摩擦力前馈补偿模块的输入信号为对转角传感器信号或位移传感器提供的位移信号，对该信号进行微分得到的相应的速度信号，摩擦力前馈补 偿模块对加载系统内部的摩擦力分不同运动方向进行补偿，补偿力的大小与加载系统传动机构移动的速度成一定数学关系；干扰估计前馈补偿模块的输入信号为 拉压力传感器检测到的实际的加载力信号y和系统力控制输出量m ，输出为对干 扰的估计rf', d、,丄.FW-m，其中M为加载系统的标称数学模型，F("为滤波器环节；PID力闭环控制模块对加载指令力信号和拉压力传感器检测到的实际的加载力信号之差进行PID算法的计算，其结果与前馈补偿模块的计算结果相加作 为加载力控制信号输出给加载装置电机驱动器。
10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于该二自由度内模力控制模块 的输入信号为加载指令力信号和拉压力传感器检测到的实际的加载力信号，输出为加载力控制信号；所述的二自由度内模力控制模块包括两个控制器^(力和 ^2("， G("主要用来调整加载系统的目标值跟踪特性，其参数的调节由系统希望达到的闭环带宽决定；G")主要用来调整加载系统的干扰抑制特性和鲁棒性，其参数的调节由系统拉压力传感器的检测噪声频率和加载系统的位置干扰频率共同决定；二自由度内模力控制模块输出的加载力控制信号输出给电机驱动器。
全文摘要
一种汽车转向系统用电动加载试验装置，车速信号以及转角传感器或位移传感器检测到的转向盘转角输入到控制器，控制器根据车辆模型计算实时生成动态的转向系统加载指令力信号，加载指令力信号、拉压力传感器检测到的实际加载力信号与转角传感器或位移传感器检测到的转角或位移信号一起输入到控制器的前馈补偿模块和PID力闭环控制模块(控制方案1)或二自由度内模力控制模块(控制方案2)中计算出加载力控制信号，对转向系统转向器的齿条进行直线运动力加载。本发明的系统响应快，能准确模拟汽车在各种行驶工况下转向系统所受到的回正力以及转向轮摆振和不平路面等诸多干扰因素所造成的高频(20Hz-40Hz)振动力。
文档编号G01M17/06GK101377453SQ200710045460
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月31日 优先权日2007年8月31日
发明者卓桂荣, 臻 张, 慧 陈 申请人:同济大学