專利名稱：汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于汽車技術領域，涉及加載試驗裝置，尤其是一種汽車轉向系統(tǒng) 用電動加載試驗裝置。
背景技術：
目前測試汽車轉向系統(tǒng)如EPS系統(tǒng)的性能的加載系統(tǒng)主要是應用被動加載 方式，如彈簧加載等、主動加載方式，如液壓加載或氣動加載。彈簧加載通過 調節(jié)彈簧的預緊力來模擬汽車轉向時的地面阻力的大小，然而彈簧加載模擬的 地面阻力與彈簧的位移成線性關系并且不隨車速而改變，在試驗過程中不能實 時反應輪胎和地面之間的接觸關系。采用液壓或氣動進行加載的轉向系統(tǒng)加載 裝置，雖然能彌補上述被動加載裝置的不足，但由于液壓和氣動加載裝置本身 具有較強的非線性、動態(tài)響應性差，對加載系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響，不能滿 足在各種行駛工況下對轉向系統(tǒng)進行主觀和客觀評價的要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了改善常規(guī)的轉向系統(tǒng)用加載裝置的性能，提供一種能 夠對轉向系統(tǒng)進行實時動態(tài)力加載的小型輕量化的電動加載試驗系統(tǒng)，用于模 擬路面?zhèn)鬟f給轉向系統(tǒng)的各種負載力(或力矩)。該裝置可以準確模擬汽車在各種 行駛工況下轉向系統(tǒng)所受到的回正力(或力矩)以及轉向輪擺振和不平路面等諸 多干擾因素所造成的高頻(20hz—40hz)振動力(或力矩)。
為達到以上目的，本發(fā)明的技術方案是 一種汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試
驗裝置，包括加載電機驅動器、加載電機(如直流或交流旋轉電機或直線電機) 及減速機構(如渦輪蝸桿)、運動變換機構(如齒輪齒條機構、滾珠絲杠機構， 但在加載電機使用直線電機的情況下不用運動變換機構)、加載力傳感器(如拉 壓力傳感器)、加載運動傳感器(轉角傳感器如光電編碼器或位移傳感器如直線 位移傳感器)和控制器。在采用旋轉電機的情況下，所述的加載電機與減速機 構相連接構成減速增扭裝置，減速機構和運動變換機構(如齒輪齒條機構)中 的輸入部件(如齒輪)相連將電機的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，運動變換機構(如 齒輪齒條機構)中的輸出部件(如齒條)與轉向系統(tǒng)的轉向器齒條相連對轉向
器的齒條進行直線運動力加載；在采用直線電機的情況下，直線電機的動子直 接與轉向系統(tǒng)的轉向器齒條相連輸出直線運動與加載力。拉壓力傳感器安裝在 直線運動力加載機構輸出端與轉向系統(tǒng)轉向器齒條之間，用于檢測實際的加載 力信號；轉角傳感器安裝在轉向系統(tǒng)里或在加載系統(tǒng)增加轉角或位移傳感器用 于對轉向盤轉角進行檢測。轉向盤轉角以及車速信號輸入到控制器實時生成動 態(tài)的轉向系統(tǒng)加載指令力信號，加載指令力信號、拉壓力傳感器檢測到的實際 加載力信號與轉角或位移信號一起輸入到控制器的前饋補償模塊和PID力閉環(huán) 控制模塊(控制方案l)或二自由度內(nèi)模力控制模塊(控制方案2)中，通過各 模塊計算出加載力控制信號并通過電機驅動器輸出所需的電機電流，使電機實 時輸出加載力矩(或力)，并通過運動變換機構統(tǒng)(或直接)對轉向系統(tǒng)轉向器 齒條進行直線運動力加載。本發(fā)明與現(xiàn)有技術的區(qū)別主要包括1) 2種控制方 法；2)采用直線電機對齒條進行加載的方式；3)加裝了拉壓力傳感器；4) 一 個轉角傳感器或位移傳感器可用于加載裝置運動的檢測及轉向盤轉角檢測。
所述的控制方案1:前饋補償模塊包括摩擦力前饋補償和對加載系統(tǒng)減速 機構及運動變換機構的慣量及其它等效干擾力的干擾估計前饋補償。摩擦力前 饋補償模塊的輸入信號為對轉角傳感器信號或齒條位置提供的位移信號，對該 信號進行微分得到相應的速度信號，摩擦力前饋補償模塊對加載系統(tǒng)內(nèi)部的摩 擦力分不同運動方向進行補償，補償力的大小與齒條移動的速度成線性關系；
干擾估計前饋補償模塊的輸入aw信號為拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力
信號少和系統(tǒng)力控制輸出量加，輸出為對干擾的估計"'，^-y.丄.尸W-m，其中
^為加載系統(tǒng)的標稱數(shù)學模型，^"為濾波器環(huán)節(jié)。PID力閉環(huán)控制模塊的輸入 信號為加載指令力信號和拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力信號，PID力閉環(huán) 控制模塊對加載指令力信號和拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力信號之差進 行PID算法的計算，其結果與前饋控制模塊的計算結果一起作為加載力控制信 號并輸出給電機驅動器，電機驅動器通過電機電流控制輸出所需的電機電流， 使電機實時輸出所需的加載力矩(或力)，加載力矩(或力)通過運動變換機構
(或直接)對轉向系統(tǒng)轉向器齒條進行直線運動力加載。
所述的控制方案2: 二自由度內(nèi)模力控制模塊的輸入信號為加載指令力信號 和拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力信號，輸出為加載力控制信號；所述的
二自由度內(nèi)模力控制模塊包括兩個控制器G(力和G("， 0")主要用來調整加載
系統(tǒng)的目標值跟蹤特性，其參數(shù)的調節(jié)由系統(tǒng)希望達到的閉環(huán)帶寬決定；&")主 要用來調整加載系統(tǒng)的干擾抑制特性和魯棒性，其參數(shù)的調節(jié)由系統(tǒng)拉壓力傳 感器的檢測噪聲頻率和加載系統(tǒng)的位置干擾頻率共同決定。二自由度內(nèi)模力控 制模塊輸出的加載力控制信號輸出給電機驅動器，電機驅動器通過電機電流控 制輸出所需的電機電流，使電機實時輸出所需的加載力矩(或力)，加載力矩(或 力)通過運動變換機構(或直接)對轉向系統(tǒng)轉向器齒條進行直線運動力加載。 由于采用了以上技術方案，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用一個小型輕 量化的電動加載試驗裝置實時模擬轉向系統(tǒng)所受到的包括回正力在內(nèi)的各種負 載力，對于新型轉向系統(tǒng)如電動助力轉向系統(tǒng)等的開發(fā)與評價提供了良好的試 驗設備。
圖1是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置的系統(tǒng)結構示意圖。 圖2是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置控制方案1原理框圖。 圖3是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置控制方案2原理框圖。 圖4是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置控制方案1中摩擦前饋補償 原理圖。
圖5是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置控制方案1中干擾前饋補償
原理圖。
圖6是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置在原地轉向過程中加載控制效果。
圖7是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置在一定轉向工況中加載控制效果。
圖8是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置在閉環(huán)控制后系統(tǒng)頻域分析圖。
具體實施例方式
以下結合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
由圖1所示， 一種汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置，包括加載電機驅動 器、加載電機(如永磁同步電機或直流電機)及減速機構(如渦輪蝸桿)、運動 變換機構(如齒輪齒條機構)、加載力傳感器(如拉壓力傳感器)、加載運動傳 感器(如轉角傳感器或位移傳感器)和控制器。所述的電機與減速機構相連接 構成減速增扭裝置，減速機構和齒輪齒條機構中的齒輪相連將電機的旋轉運動 變?yōu)橹本€運動，齒輪齒條機構中的齒條與轉向系統(tǒng)的轉向器齒條相連對轉向器
齒條進行直線運動力加載；拉壓力傳感器安裝在直線運動力加載機構的齒條輸 出端與轉向系統(tǒng)的轉向器齒條之間，用于檢測實際的加載力信號；轉角傳感器 安裝在加載系統(tǒng)電機軸上用于對電機轉角進行測量，對電機轉角進行比例折算 得到轉向盤轉角。轉向盤轉角以及車速信號輸入到控制器實時生成動態(tài)的轉向 系統(tǒng)加載指令力信號，加載指令力信號、拉壓力傳感器檢測到的實際加載力信
號與轉角或位移信號一起輸入到控制器的前饋補償模塊和PID力閉環(huán)控制模塊 (控制方案l)或二自由度內(nèi)模力控制模塊(控制方案2)中，通過各模塊計算
出加載力控制信號并通過電機驅動器輸出所需的電機電流，使電機實時輸出加 載力矩，并通過齒輪齒條系統(tǒng)對轉向系統(tǒng)轉向器齒條進行直線運動力加載。
如圖2所示，所述的控制方案l:前饋補償模塊包括摩擦力前饋補償、對
加載系統(tǒng)減速機構及齒輪齒條機構的慣量及其它等效干擾力的干擾估計前饋補 償。摩擦力前饋補償模塊的輸入信號為轉角傳感器信號或齒條位置提供的位移 信號，對該信號進行微分得到相應的速度信號，摩擦力前饋補償模塊對加載系 統(tǒng)內(nèi)部的摩擦力分不同運動方向進行補償，補償力的大小與齒條移動的速度成
線性關系，如圖4所示；
干擾估計前饋補償模塊的輸入信號為拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力
信號y和系統(tǒng)力控制輸出量^，輸出為對干擾的估計d'。如圖5所示，系統(tǒng)受到
的實際干擾假設為d,則 p ，其中戶為加載系統(tǒng)的開環(huán)特性函數(shù)，為了 便于"工程實現(xiàn)，取^,="一7(力-w，既把加載系統(tǒng)減速機構及運動變換機
構的慣量及其它等效干擾力"用其估計值^來補償，其中M為加載系統(tǒng)的開環(huán)標 稱數(shù)學模型，F(xiàn)(s)為濾波器環(huán)節(jié)。
PID力閉環(huán)控制模塊的輸入信號為加載指令力信號和拉壓力傳感器檢測到 的實際的加載力信號，PID力閉環(huán)控制模塊對加載指令力信號和拉壓力傳感器檢 測到的實際的加載力信號之差進行PID算法的計算，其結果與前饋控制模塊的 計算結果一起作為加載力控制信號并輸出給電機驅動器，電機驅動器通過電機 電流控制輸出所需的電機電流，使電機實時輸出所需的加載力矩，加載力矩通 過齒輪齒條系統(tǒng)轉換為對轉向系統(tǒng)的轉向器齒條進行直線運動力加載。
如圖3所示，所述的控制方案2: 二自由度內(nèi)模力控制模塊的輸入信號為加 載力指令力信號和拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力信號，輸出為加載力控 制信號；所述的二自由度內(nèi)模力控制模塊包括兩個控制器^("和a")， G("主 要用來調整加載系統(tǒng)的目標值跟蹤特性，其公式如下 ^(力=^_(力*^(力，
M-w為加載系統(tǒng)開環(huán)標稱數(shù)學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為使e'w存在的最小自
然數(shù)，n為奇數(shù)時取前者，n為偶數(shù)時取后者。Fl(s)亦可選用兩種傳遞函數(shù)的組 合。其參數(shù)n、 4的調節(jié)由系統(tǒng)希望達到的閉環(huán)帶寬決定，其最終調整的結果需 使^")能滿足對系統(tǒng)閉環(huán)帶寬的要求；
e^)主要用來調整加載系統(tǒng)的干擾抑制特性和魯棒性，其公式如下-込"X")^")， M-")為加載系統(tǒng)開環(huán)標稱數(shù)學模型的最小相位部分。
尸2^^W或^)、2Y + 2.^.一",2'其中n為使込")存在的最小
自然數(shù)，n為奇數(shù)時取前者，n為偶數(shù)時取后者。F2(s)亦可選用兩種傳遞函數(shù)的 組合。
其參數(shù)r2 、 &的調節(jié)由系統(tǒng)拉壓力傳感器的檢測噪聲頻率和加載系統(tǒng)的位 置干擾頻率共同決定，其最終調整的結果需使G")能同時滿足對低頻位置干擾 和高頻檢測噪聲的抑制。
二自由度內(nèi)模力控制模塊輸出的加載力控制信號輸出給電機驅動器，電機 驅動器通過電機電流控制輸出所需的電機電流，使電機實時輸出所需的加載力 矩，加載力矩通過齒輪齒條系統(tǒng)對轉向系統(tǒng)轉向器齒條進行直線運動力加載。
在加載電機采用直線電機的情況下，直線電機動子與轉向系統(tǒng)轉向器的齒 條直接相連，直線電機動子直接對轉向器齒條進行直線運動力加載；加載力傳 感器(如拉壓力傳感器)安裝在直線電機動子與轉向系統(tǒng)轉向器齒條之間，用 于對實際的加載力進行測量；轉角傳感器安裝在轉向系統(tǒng)里或用位移傳感器(如 直線位移傳感器)對加載系統(tǒng)電機動子的直線位移進行測量以換算得到轉向盤 轉角信號。在加載試驗裝置采用直線電機的情況下，加載試驗裝置的控制方案 與上述加載電機采用旋轉電機的例子相同。
采用旋轉電機及減速機構亦可對轉向系統(tǒng)中的轉向軸進行加載，加載試驗 裝置的控制方案與前述的對轉向系統(tǒng)中的齒條進行加載的例子相同，但拉壓力 傳感器將更改為扭矩傳感器。
圖6是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置在原地轉向過程中加載控制效果。
圖7是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置在車速信號為25km/h時， 一定轉向情況下加載控制效果。
圖8是本發(fā)明的轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置在閉環(huán)控制后系統(tǒng)頻域分析圖。
從以上圖中可以看到本轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置能準確模擬該裝置 可以準確模擬汽車在各種行駛工況下轉向系統(tǒng)所受到的回正力(或力矩)以及
轉向輪擺振和不平路面等諸干擾因素所造成的高頻(20hz—40hz)振動力(或力矩)。
上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用 本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改， 并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此， 本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明 做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1、一種汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置，其特征在于包括加載電機驅動器、加載電機及減速機構、運動變換機構、加載力傳感器、加載運動傳感器和控制器，加載力傳感器安裝在加載機構輸出端與轉向系統(tǒng)轉向器齒條之間，用于檢測實際的加載力信號；轉角傳感器安裝在轉向系統(tǒng)里或在加載系統(tǒng)增加轉角或位移傳感器用于對轉向盤轉角進行檢測。
2、 根據(jù)權利要求l所述的汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置，其特征在于該加載電機為旋轉電機，所述的加載電機與減速機構相連接構成減速增扭裝置， 減速機構和運動變換機構中的輸入部件相連將電機的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動， 運動變換機構中的輸出部件與轉向系統(tǒng)的轉向器齒條相連對轉向器齒條進行直線運動力加載。
3、 根據(jù)權利要求l所述的汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置，其特征在于 該加載電機為直線電機，直線電機的動子直接與轉向系統(tǒng)的轉向器齒條相連輸出 直線運動與加載力。
4、 根據(jù)權利要求1至3中任一所述的汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置，其特征在于其加載力頻域響應特性截止頻率大于10HZ。
5、 根據(jù)權利要求4所述的汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置，其特征在于 其滿足進行汽車操縱穩(wěn)定性國標試驗的要求，并且能夠準確模擬各種行駛工況下 轉向系統(tǒng)所受到的回正力/力矩以及轉向輪擺振和不平路面等諸多干擾因素所造 成的高頻振動力/力矩。
6、 根據(jù)權利要求5所述的汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置，其特征在于 所述的"高頻"的范圍是20hz—40hz。
7、 使用權利要求1所述的汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置的方法，其特 征在于將轉向盤轉角以及車速信號輸入到控制器根據(jù)車輛模型實時生成動態(tài)的 轉向系統(tǒng)加載指令力信號，加載指令力信號、拉壓力傳感器檢測到的實際加載力 信號與轉角或位移信號一起輸入到控制器的前饋補償模塊加PID力閉環(huán)控制模 塊，通過各模塊計算出加載力控制信號并通過電機驅動器輸出所需的電機電流， 使電機實時輸出加載力矩或力，該加載力矩或力通過運動變換機構或直接對轉向 系統(tǒng)轉向器齒條進行直線運動力加載。
8、 使用權利要求1所述的汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置的方法，其特 征在于將轉向盤轉角以及車速信號輸入到控制器根據(jù)車輛模型實時生成動態(tài)的 轉向系統(tǒng)加載指令力信號，加載指令力信號、拉壓力傳感器檢測到的實際加載力 信號與轉角或位移信號一起輸入到二自由度內(nèi)模力控制模塊中，通過各模塊計算 出加載力控制信號并通過電機驅動器輸出所需的電機電流，使電機實時輸出加載 力矩或力，該加載力矩或力通過運動變換機構或直接對轉向系統(tǒng)轉向器齒條進行 直線運動力加載。
9、 根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于該前饋補償模塊包括摩擦力 前饋補償和對加載系統(tǒng)減速機構及運動變換機構的慣量及其它等效干擾力的干擾估計前饋補償；摩擦力前饋補償模塊的輸入信號為對轉角傳感器信號或位移傳感器提供的位移信號，對該信號進行微分得到的相應的速度信號，摩擦力前饋補 償模塊對加載系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦力分不同運動方向進行補償，補償力的大小與加載系統(tǒng)傳動機構移動的速度成一定數(shù)學關系；干擾估計前饋補償模塊的輸入信號為 拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力信號y和系統(tǒng)力控制輸出量m ，輸出為對干 擾的估計rf', d、,丄.FW-m，其中M為加載系統(tǒng)的標稱數(shù)學模型，F(xiàn)("為濾波器環(huán)節(jié)；PID力閉環(huán)控制模塊對加載指令力信號和拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力信號之差進行PID算法的計算，其結果與前饋補償模塊的計算結果相加作 為加載力控制信號輸出給加載裝置電機驅動器。
10、根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于該二自由度內(nèi)模力控制模塊 的輸入信號為加載指令力信號和拉壓力傳感器檢測到的實際的加載力信號，輸出為加載力控制信號；所述的二自由度內(nèi)模力控制模塊包括兩個控制器^(力和 ^2("， G("主要用來調整加載系統(tǒng)的目標值跟蹤特性，其參數(shù)的調節(jié)由系統(tǒng)希望達到的閉環(huán)帶寬決定；G")主要用來調整加載系統(tǒng)的干擾抑制特性和魯棒性，其參數(shù)的調節(jié)由系統(tǒng)拉壓力傳感器的檢測噪聲頻率和加載系統(tǒng)的位置干擾頻率共同決定；二自由度內(nèi)模力控制模塊輸出的加載力控制信號輸出給電機驅動器。
全文摘要
一種汽車轉向系統(tǒng)用電動加載試驗裝置，車速信號以及轉角傳感器或位移傳感器檢測到的轉向盤轉角輸入到控制器，控制器根據(jù)車輛模型計算實時生成動態(tài)的轉向系統(tǒng)加載指令力信號，加載指令力信號、拉壓力傳感器檢測到的實際加載力信號與轉角傳感器或位移傳感器檢測到的轉角或位移信號一起輸入到控制器的前饋補償模塊和PID力閉環(huán)控制模塊(控制方案1)或二自由度內(nèi)模力控制模塊(控制方案2)中計算出加載力控制信號，對轉向系統(tǒng)轉向器的齒條進行直線運動力加載。本發(fā)明的系統(tǒng)響應快，能準確模擬汽車在各種行駛工況下轉向系統(tǒng)所受到的回正力以及轉向輪擺振和不平路面等諸多干擾因素所造成的高頻(20Hz-40Hz)振動力。
文檔編號G01M17/06GK101377453SQ200710045460
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權日2007年8月31日
發(fā)明者卓桂榮, 臻 張, 慧 陳 申請人:同濟大學