基于粒子群优化算法的汽车EPS系统参数优化设计

基于粒子群优化算法的汽车EPS系统参数优化设计 基于粒子群优化算法的汽车 EPS 系统参数优化设计 1112赵景波 ～贝绍轶 ～张兰春 ～陈大宇 (1.江苏技术师范学院机械与汽车工程学院，常州 213001; 2.上海汽车集团股份有限公司技术中心, 上海 201804) 摘 要:电动助力转向系统,EPS,与汽车性能的协调是其装车时考虑的首要因素之一。应用多体 动力学软件 ADAMS 建立电动助力转向及汽车动力学模型～提出兼顾转向轻便性和汽车侧向行驶稳 定性的目标函数。基于粒子群优化算法,PSO,对 EPS 系统参数进行优化～得到最优解。最后～ 进行仿真分析和实车试验。结果明～EPS 参数全局优化后～转向盘操纵力矩峰值降低32.2% ～侧 向加速度峰值降低 29.1%～最大超调量降低 41.5%～汽车转向轻便性和侧向行驶稳定性均得到明显 改善。 关键词:汽车,电动助力转向,EPS,粒子群优化,优化 中图分类号: TP29; U463.4 文献标识码:A 文章编号:1004-731X (2011) 12-2788-05 On PSO-based Parameter Optimization of Automotive Electric Power Steering System 1112ZHAO Jing-bo, BEI Shao-yi, ZHAN Lan-chun, CHEN Da-yu (1. School of Mechanical & Automotive Engineering, Jiangsu Teachers University of Technology, Changzhou 213001, China; 2. SAIC Motor Technical Center, Shanghai 201804, China) Abstract: The coordination between electric power steering (EPS) system and vehicle is one of the key factors when loading tests. The simulative model of EPS and vehicle was established by multi-body dynamics software ADAMS. The objective function considering steering portability and lateral stability of vehicle was proposed. The key parameters of EPS system were optimized based on particle swarm optimization (PSO), and optimum solutions were obtained. Simulation analysis and real vehicle tests were made. The results show that the steering wheel peak torque decreased by 32.2%, lower lateral acceleration peak by 29.1% and the maximum overshoot by 41.5% after global optimization. The automotive handiness and lateral driving stability were improved. Key words: automobile; electric power steering; EPS; particle swarm optimization; optimization [1] 废气污染小等优点。EPS 系统具有很大的发展前景 。 引 言EPS 系统与汽车之间具有相互制约、相互影响、相互协 与传统的液压转向系统相比，EPS 系统直接通过电动 调的关系，与汽车性能的协调是其装车时考虑的首要因素之 机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作， 一。由于 EPS 系统的非线性、不确定性和时变性，利用多 在不进行转向时几乎没有动力消耗，使汽车具有更好的燃油 体动力学软件 ADAMS 建立 EPS 系统及汽车模型，充分考 经济性;同时具有轻型小巧、装配迅速、易于调整、噪声及 虑轮胎、衬套等橡胶元件的非线性特征影响。在兼顾转向系 统性能和汽车动态性能的基础上，提出反映转向系统和汽车 动态性能的综合评价指标函数，运用粒子群优化算法进行优 化分析，并进行实车试验。 收稿日期:2010-05-08 修回日期:2010-07-18 基金项目:国家自然科学基金(50875112);江苏省高校自然科学基金 1 汽车 EPS 构造及工作原理 (11KJD580001);江苏省道路载运工具新技术应用重点实验室开放基金 (BM2008206010)EPS 系统构成及工作原理如图 1，主要由车速传感器、 作者简介:赵景波(1980-), 男, 山东寿光人, 博士, 讲师, 研究方向为汽 车转向盘转矩传感器、电动机电流传感器、控制器、功率驱动 动态性能模拟与控制、汽车电子技术、控制理论及其应用;贝绍轶 电路、故障指示灯、离合器和直流电动机等组成。控制器根 (1968-), 男, 山东泰安人, 博士, 副教授, 研究方向为汽车动态性能模拟 与控制、汽车电子技术;张兰春(1980-), 男, 山东寿光人, 博士, 教授, 讲师, 研究方向为汽车机电一体化技术及应用;陈大宇(1978-), 男, 黑龙江 哈尔滨人, 硕士, 研究方向为汽车电子技术。 http:?www.china-simulation.com 第 23 卷第 12 期 Vol. 23 No. 12 2011 年 12 月赵景波，等:基于粒子群优化算法的汽车 EPS 系统参数优化设计 Dec., 2011 据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力函数的自变量为模型中的扭杆检测扭矩，建立的 EPS 多体 转矩，向电动机和离合器发出控制信号，通过功率驱动电路 动力学仿真模型如图 3 所示。 控制直流电动机的转动，电动机的输出经过减速机构减速增 扭后，驱动齿轮齿条机构，产生相应的转向助力。通过精确 助力扭矩的控制算法，可任意改变电动机的转矩大小，使传动机构获 得所需的任意助力值。同时，控制器对系统进行实时故障诊 断，一旦发生故障，将中断对电动机的电压供给，并点亮转 [2]向系统故障警示灯，同时将故障类型以代码的形式存储。 (a) 电动助力转向总成 转矩 转矩传感器 车速 电压 减速机构 电流离合器 电动机 齿轮齿条 (b) 助力力矩 图 1 EPS 系统构成及工作原理 图 3 EPS 系统模型 2 汽车多体动力学模型 2.2 悬架系统模型 为分析汽车的操纵动力学特性，运用 ADAMS/Car 软件 汽车前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为非独立单纵 建立包含 EPS 转向系统、悬架系统、动力和传动系统、轮 臂式悬架。根据试验测得的减振器阻尼和弹簧刚度，以及设 [3]胎系统的汽车多体动力学模型。 计硬点，在 ADAMS/Car 模块中建立悬架系统模型，如图 4 所示。 2.1 EPS 系统模型 在 ADAMS/Car 模块中建立某小型轿车的 EPS 系统模 型，转向系统为齿轮-齿条转向系统，系统模型结构如图 2 所示。 转向节臂 转向盘 转动铰 球铰 车 圆柱铰转向轴 转向横拉杆 身 (a) 前悬架多体动力学模型 万向铰万向铰 转向齿条 转向万向节 万向铰 固定铰 齿轮铰 转向器壳体 转向小齿轮 图 2 EPS 系统模型结构 EPS 系统模型采用 ADAMS/Car 的力库工具箱，在转向 (b) 后悬架多体动力学模型 轴上施加一个力矩元素，通过调用函数来确定力矩的大小， 图 4 悬架系统模型 http:?www.china-simulation.com • 2789 • 第 23 卷第 12 期 Vol. 23 No. 12 2011 年 12 月赵景波，等:基于粒子群优化算法的汽车 EPS 系统参数优化设计 Dec., 2011 6.0 - - -优化前 80 4.0 - - -优化后 2.0 60 0.0 40 -2.0 -4.0 20 -6.0 0.0 -1000.0 -500.0 500.0 1000.0 0 方向盘转角/? 0 20 40 60 80 100 进化代数图 6 方向盘正弦输入对比结果 (a) 在线性能 3.33.0 - - -优化前 -2 - - -优化后 2.4 80 1.8 60 1.2 在线值离线值0.6 40 0.0 20 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 0.0 1.0 9.0 10.0 时间/s 0 (a) 汽车侧向加速度对比结果 0 20 40 60 80 100 进化代数2.0 - - -优化前 (b) 离线性能 - - -优化后1.5 图 5 粒子群优化过程 1.0 4 仿真计算及分析 汽车侧倾角/? 0.5 根据建立的多体动力学模型，在 ADAMS/Car 中进行仿 真计算，参数列表如表 2 所示。方向盘输入为正弦输入，在 0.0 参数优化前后分别进行仿真比较，结果如图 6 所示。参数优 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 0.0 1.0 2.0 9.0 10.0 时间/s 化后的转向盘转矩比优化前的转向盘转矩下降约 1 Nm ，转 向系统轻便性得到提高。 (b) 汽车侧倾角对比结果 图 7 方向盘角阶跃输入对比结果 转向盘转矩/Nm 参数列表表 2 侧向加速度/ms利用粒子群优化算法对 EPS 系统参数进行全局优化后， 参数名称参数值系统性能得到提高，改善了转向轻便性，提高了汽车的侧向 汽车质量(kg) 1330 行驶稳定性和安全性。 1.125 质心至前轴距(m) 质心至后轴距(m) 1.210 3400*1575*1670 长、宽、高(mm) 5 实车试验及分析 1360/1355 前/后轮距(mm) 针对优化前后的 EPS 参数，设计实车试验系统，进行 165/65R13 轮胎规格实车试验。试验采用某小型轿车，试验系统原理如图 8 所示。 试验系统由以下部分组成:ZL-1 型转向参数测试仪、VG400 设定车速为 60 km / h ，输入为转向盘转角 90: 的阶跃 型陀螺仪(Grossbow 公司产品);自主开发的电动助力转向系 输入，在 ADAMS/Car 中进行方向盘角阶跃输入仿真，结果 统控制器;由 WaveBook 512H 便携式数据采集系统、试验 如图 7 所示。 用计算机、处理软件 DASYLab8.0 组成的信号采集系统。 由图 7(a)可看出，参数优化前的汽车侧向加速度阶跃输 根据 GB/T6323.2-1994《汽车操纵稳定性试验方法 转向 入响应超调量较大，过渡时间较长，整个系统稳定性较差， 瞬态响应试验(转向盘转角阶跃输入)》和 GBT6223.5-1994 优化后的汽车侧向加速度阶跃输入响应有较小的最大超调 《汽车操纵稳定性试验方法 转向轻便性试验》提出的试验 量和较短的过渡时间，有更好的稳定性。侧倾角阶跃输入响 方法，在标准的实验场地和环境下进行实车试验。 应也具有相同的效果。 http:?www.china-simulation.com • 2791 • 第 23 卷第 12 期 系统仿真学报Vol. 23 No. 12 2011 年 12 月Journal of System Simulation Dec., 2011 从图 9(a)可看出，在对E PS 参数进行全局优化后，转向 盘操纵力矩峰值由 5.9 Nm 下降到 4.0 Nm ，降低 32.2%， 试 侧向加速度在整个转向周期过程中，系统参数优化后的方向盘扭矩始终 验 陀 横摆角速度Wave 较参数优化前的方向盘扭矩要小，系统参数优化提高了转向 车 螺 Book 仪 侧倾角轻便性，使驾驶员转向更为轻便。由图 9(b)可看出，优化后 计数据 EPS 算 俯仰角的汽车侧向加速度较优化前显著减低，侧向加速度峰值由 采集 控 车速机 2 2 制 系统 方向盘扭矩3.47 m/ s降低到 2.46 m/ s，最大超调量由 35.2 % 下降到 器 扭矩 转向 转 方向盘转角20.6 % ，分别降低 29.1%和 41.5%，改善了汽车的动态性能。 参数 向 测试 粒子群优化算法对改善转向轻便性和车辆侧向行驶稳 系 仪统 定性是有效的，该算法能够找到目标函数的最优点。由于试 验车辆为小型轿车，故目标函数的建立着重考虑车辆的动态 图 8 实车试验系统 特性，从试验结果也可以看出，侧向加速度的改善效果比转 向盘操纵力矩的改善效果更好。 转向盘转角阶跃输入试验和转向轻便性试验的车速分 别设定为 60 km / h 和 10 km / h 。其中，转向盘转角阶跃输 2 入使侧向加速度达到 3 m/ s，转向盘起跃速度为 200: / s ， 6 结论 试验结果如图 9 所示。 (1) 汽车 EPS 系统的粒子群优化算法，可兼顾转向轻便 性和车辆侧向行驶稳定性、协调 EPS 与汽车性能的关系， 10 8 对于指导 EPS 的设计开发、提高转向操纵安全具有重要的 - - -优化前 6 - - -优化后工程应用意义。 4 (2) 粒子群优化算法对 EPS 系统参数的优化，可找到目 2 标函数的最优点;EPS 系统参数进行全局优化后，汽车转向 0 扭矩/Nm 轻便性和侧向行驶稳定性均得到改善，提高了转向轻便性， -2 改善了汽车的动态性能。 -4 -6 参考文献: -8 -10 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 NAGAI Masao. Perspectives of research for enhancing active safety [1] 方向盘转角/? based on advanced control technology [J]. Journal of Automotive (a) 转向轻便性试验对比结果 Safety and Energy, 2010, 1(1): 14-22. 贝绍轶, 赵景波, 刘海妹, 等. 含转向特殊工况的汽车 EPS 电动机 [2] 控制策 略 [J]. 系统仿真 学报 , 2009, 21(18): 5886-5891. (BEI 3.5 Shao-yi, ZHAO Jing-bo, LIU Hai-mei, et al. Automotive EPS Motor 3 Control Strategy Including Special Steering Situations [J]. Journal of -22.5 system simulation (S1004-731X), 2009, 21(18): 5886-5891.) 陈军. MSC. ADAMS 技术与工程分析实例[M]. 北京: 中国水利水 2 [3] 电出版社, 2008. 1.5 宗长富, 郭孔辉. 汽车操纵稳定性的客观定量评价指标[J]. 吉林 [4] 工业大学学报(自然科学版), 2000(30): 1-6. 侧向加速度/ms1 - - -优化前 朱丽莉, 杨志鹏, 袁华. 粒子群优化算法分析及研究进展[J]. 计 - - -优化后算机工程与应用, 2007, 43(5): 24-27. [5] 0.5 侯志荣, 吕振肃. 基于 MATLAB 的粒子群优化算法及其应用[J]. 0 计算机仿真, 2003, (20): 68-70. [6] 3 4 0 1 2 5 6 7 8 汽车操纵稳定性试验方法-转向瞬态响应试验(转向盘转角阶跃输 时间/s 入) [S]. GB/T6323.2-1994. [7] (b) 转向盘角阶跃输入试验对比结果 汽车操纵稳定性试验方法-转向轻便性试验[S]. GBT6223.5-1994. 图 9 实车试验对比结果 [8] http:?www.china-simulation.com • 2792 •