一种面向路况的EPS试验台转向阻力矩加载方法与流程

本发明涉及电动助力转向系统领域，特别是涉及一种面向路况的eps试验台转向阻力矩加载方法。

背景技术：

电动助力转向系统作为汽车上的一个主要的部件，它的性能的好坏是影响驾驶员操作安全性、稳定性和舒适性的关键。因此为了设计出更符合要求的电动助力转向系统，必须对开发中的电动助力转向系统软硬件进行大量测试，检测电动助力转向产品的相关性能参数，正确判断电动助力转向系统的各项性能指标，经过改进后使其更具安全性、操控性和市场竞争力。电动助力转向的核心竞争力在于算法，算法的发展必然会依赖于大量的试验进行检验和修正，大量的试验不可能都放在整车上进行，因为传统的电动助力转向系统实车试验具有开发周期长，耗费财力和人力大、参数变量无法实时采集，工况难以实现等缺点。eps试验台就是针对这一情况研制的，而在eps试验台架的开发与设计过程中，阻力矩的加载是关键的因素之一，而对于阻力矩的大小及其控制的研究更是必要的条件和重要的前提。

当前常用的eps试验台架多采用螺旋弹簧或其它简单的线性负载加载装置来模拟作用于转向系统的地面阻力，同时这些试验台架的转向阻力矩没有考虑整车的行驶参数和多工况下的路况差异，从而eps试验台输出的转向阻力矩不能有效的模拟出地面阻力作用于转向系统上的实际情况，因此，这种加载方式使得eps试验台只能从趋势上对eps系统进行简单的检测与分析。

根据以上描述，传统的eps试验台转向阻力矩加载方式具有诸多问题。因此迫切需要提供一种面向路况的eps试验台转向阻力矩加载方式，从而提高eps试验台检测eps性能的能力，进而促进eps系统的发展。

技术实现要素：

针对上述背景中的问题，本发明提供一种面向路况的eps试验台转向阻力矩加载方法，以解决eps试验台无法提供多工况条件下的转向阻力矩的问题。

本发明采用的技术方案的步骤如下：

一种面向路况的eps试验台转向阻力矩加载方法，用于输出多工况下的转向阻力矩，提高eps试验台检测eps系统性能的能力，包括步骤：

a.分析行驶参数和整车参数，建立三自由度车辆模型，输出汽车正常行驶况，工况下的转向阻力矩；

b.建立汽车行驶的多工况环境，即不同等级的路面模型和不同路面附着系数的路面模型；

c.结合上述步骤a和步骤b，在车辆模型中，输出不同工况环境下的转向阻力矩；

d.在步骤c的基础上，建立遗传算法优化的模糊pi控制系统，控制无刷直流电机输出不同工况环境下的转向阻力矩；

所述步骤a分析行驶参数和整车参数，行驶参数如侧倾、侧向和横摆等；整车参数如前轴重、轴距和轮胎特性等，根据上述分析在simulink中建立垂向力子系统、轮胎子系统、转向子系统等，然后整合各个子系统建立三自由度整车模型，进而输出转向阻力矩。转向阻力矩分为原地转向阻力矩和行车转向阻力矩，原地转向阻力矩由路面摩擦阻力矩和重力引起的回正力矩组成；行车转向阻力矩由重力引起的阻力矩和侧向力引起的阻力矩组成，转向阻力矩公式如下：

路面摩擦引起的阻力矩：

上式中μ是附着系数；g是前轴重量；p是胎压。

重力引起的回正力矩：

msz＝g·dn·φ·δ(2)

上式中dn是主销内移量；φ是主销内倾角；δ是前轮转角；g是前轴重量。

侧向力引起的回正力矩：

上式中η2是转向系逆效率；r为汽车转向半径；r是前轮直径；γ是主销后倾角；δ是前轮转角；g是前轴重量。

所述步骤b建立汽车行驶的多工况环境，路面等级分为a-h级，不同等级路面振动不同，a-h级路面的随机振动逐级递增，进而造成转向阻力矩不同。本专利根据isoscz/wd4标准路面谱，采用正弦叠加原理分析了8种等级路面状态下的不平度样本，同时通过分析路面的纵横向长度、迭代次数、空间频率的上下限、垂向位移z、纵向间隔y、横向间隔x等，建立a-h级路面模型，路面的功率谱密度公式如下：

上式中ω为空间频率，表示单位长度中某一谐量出现的次数(次/m)；ω0为参考空间频率；gq(ω0)为路面不平度系数，是参考空间频率下的路面功率谱密度值；w为频率指数，一般取w＝2。

同时不同工况的路面附着系数也有很大的不同，如混凝土路面和冰雪路面附着系数相差极大，同样会对转向阻力矩造成很大的影响。研究相关文献可知不同路面的附着系数分别为：沥青或混凝土(干)路面的μ为0.75，沥青(湿)路面的μ为0.45～0.6，混凝(湿)路面的μ为0.7，砾石路面的μ为0.55，土路(干)路面的μ为0.65，土路(湿)路面的μ为0.4～0.5，雪(压紧)路面的μ为0.15，冰路面的μ为0.07。

所述步骤c输出不同工况环境下的转向阻力矩，首先分析不同等级路面即路面不平度对转向阻力矩的影响。路面不平会引起车辆的振动，此时车轮和路面之间的铅垂载荷fz不是常量，而是随时间变化的，则四分之一车辆模型或者称作三质量系统如下：

上式中，m1，m2，m3的质量分别为一个车轮质量，一个车轮上对应的车身质量，一个车轮上对应的人体质量，c1为轮胎弹性常数，c2为车身悬架弹簧刚度，c3为座椅弹性常数之半，k2位车身悬架阻尼系数，k3为座椅阻尼系数之半。

同时可以得出，车辆的动态前轴重公式如下：

gdyn＝g+fzdyn(9)

则由公式(8)可知，路面的不平振动会产生轮胎载荷的变化，由公式(9)可知，轮胎载荷的变化会影响到前轴重量的变化，又由公式(2)和(3)可知，前轴重量的变化会影响到侧向力和重力引起的回正力矩的变化，并且由公式可以具体得出路面不平度对转向阻力矩的影响。

然后分析不同路面附着系数对转向阻力矩的影响，由公式(1)可知，μ会影响到路面摩擦引起的阻力矩。

所述步骤d将步骤c获得的多工况下的转向阻力矩通过电机输出，首先为了获得更加准确地pi控制参数kp和ki，建立模糊pi控制系统，控制电机的速度环，把电机的速度和给定速度作为误差输入到模糊pi控制器中。

然后为了获得更加准确地模糊控制系统，用遗传算法离线优化模糊pi控制器的模糊规则和隶属度函数，最终用优化好的模糊pi控制器控制无刷直流电机输出转向阻力矩。

附图说明

图1是三自由度整车模型示意图

图2是不同等级路面模型

表1是不同路面附着系数表

图3是多工况环境转向阻力矩输出示意图

图4是模糊控制器生成的kp

图5是模糊控制器生成的ki

图6是遗传算法流程图

图7是遗传算法优化模糊pi控制系统示意图

图8本发明实施的整体流程图

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示

第一步：分析行驶参数，如侧倾、侧向和横摆等；分析整车参数如前轴重、轴距和轮胎特性等，根据上述分析建立垂向力子系统、轮胎子系统、转向子系统等，然后整合子系统建立三自由度整车模型，输出正常工况即不考虑路面不平度和路面附着系数变化时的转向阻力矩。

如图2

第二步：建立汽车行驶的多工况环境，路面等级分为a-h级，不同等级路面振动不同，a-h级路面的随机振动逐级递增，进而造成转向阻力矩不同。本专利根据isoscz/wd4标准路面谱，采用正弦叠加原理分析了8种等级路面状态下的不平度样本，同时通过分析路面的纵横向长度、迭代次数、空间频率的上下限、垂向位移z、纵向间隔y、横向间隔x等，建立a-h级路面模型，路面的功率谱密度公式如下：

上式中ω为空间频率，表示单位长度中某一谐量出现的次数(次/m)；ω0为参考空间频率；gq(ω0)为路面不平度系数，是参考空间频率下的路面功率谱密度值；w为频率指数，一般取w＝2。

如表1所示

第三步：同时不同工况的路面附着系数也有很大的不同，如混凝土路面和冰雪路面附着系数相差极大，同样会对转向阻力矩造成很大的影响。研究相关文献可知不同路面的附着系数分别为：沥青或混凝土(干)路面的μ为0.75，沥青(湿)路面的μ为0.45～0.6，混凝(湿)路面的μ为0.7，砾石路面的μ为0.55，土路(干)路面的μ为0.65，土路(湿)路面的μ为0.4～0.5，雪(压紧)路面的μ为0.15，冰路面的μ0.07。

如图3所示

第四步：输出不同工况环境下的转向阻力矩，首先分析不同等级路面即路面不平度对转向阻力矩的影响。路面不平会引起车辆的振动，此时车轮和路面之间的铅垂载荷fz不是常量，而是随时间变化的，则四分之一车辆模型或者称作三质量系统如下：

上式中，m1，m2，m3的质量分别为一个车轮质量，一个车轮上对应的车身质量，一个车轮上对应的人体质量，c1为轮胎弹性常数，c2为车身悬架弹簧刚度，c3为座椅弹性常数之半，k2位车身悬架阻尼系数，k3为座椅阻尼系数之半。

同时可以得出，车辆的动态前轴重公式如下：

gdyn＝g+fzdyn(9)

则由公式(8)可知，路面的不平振动会产生轮胎载荷的变化，由公式(9)可知，轮胎载荷的变化会影响到前轴重量的变化，又由公式(2)和(3)可知，前轴重量的变化会影响到侧向力和重力引起的回正力矩的变化，并且由公式可以具体得出路面不平度对转向阻力矩的影响。

第五步：然后分析不同路面附着系数对转向阻力矩的影响，由公式(1)可知，μ会影响到路面摩擦引起的阻力矩。

如图4和图5所示

第六步：由于pi控制系统需要精确的被控对象，这里建立模糊pi控制器，把电机的输出速度n和给定的输入速度n*之差作为误差e，结合误差的变化率ec输入到模糊控制器中，根据特定的模糊规则和隶属度函数，模糊控制器输出合适的kp和ki到pi控制器中，优化pi控制系统，建立模糊pi控制器，图4和图5分别为模糊控制器生成的kp和ki。

如图6和图7所示

第七步：模糊pi控制器中的模糊规则和隶属度函数都是由一些专家总结出来的，对本发明要控制的无刷直流电机并不一定是最优的规则和隶属度函数。这里用遗传算法同时优化模糊pi控制器的模糊规则和隶属度函数，首先把模糊规则和隶属度函数进行十进制编码，然后按照设定的遗传代数、种群规模、交叉率、变异率等进行选择、交叉、变异操作，到达指定代数后解码输出模糊规则和隶属度函数。把优化后的规则和隶属度函数输入到模糊pi控制器中，最终用优化好的模糊pi控制器控制无刷直流电机输出转向阻力矩。