A method for the performance analysis and optimisation of an EPS system for racing cars

The purpose of this work is to develop a method to analyse and optimise the performance of an electric power steering (EPS) control system for racing cars. Two vehicle models have been used to evaluate the interaction between the racing car and the power steering system: the first is a multi-body model, validated with the telemetry data provided by the manufacturer, while the second model is a simple single track model. Numerical data obtained with the multi-body have been found to reproduce with a good accuracy the experimental data. The electric power steering system has been modelled by the manufacturer. A feedforward control logic is implemented. Different standard tests have been simulated to analyse the performances of the whole EPS-vehicle system, some of the vehicle metrics defined by the ISO standards have been selected as performance indices of the system. These performance criteria have been considered as objective functions for a multiobjective optimisation problem. The design variables of the optimisation problem are the power steering control parameter values. Global sensitivity analysis (GSA) techniques have been used in order to get an insight into the relationship between the design variables and the objective functions, to analyse the relationship between the objective functions themselves, and to compare rigorously the two vehicle models outputs. The Pareto-set of the optimal solutions has been computed, and final design solutions have been selected; the system performance improvements are relevant. Additionally, a different control strategy has been presented and analysed, which includes a friction compensation loop, with the purpose of reducing the effects of friction on the steering system, improving the so called on-centre handling. Finally, as the maneuvers considered in the optimisation process are performed at a constant vehicle speed of 100km/h, an analysis on how the system performances are affected by the vehicle speed has been performed and a boost curve reduction as function of vehicle speed has been presented.

L'obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di una metodologia il cui scopo è quello di analizzare e ottimizzare le prestazioni di un sistema di servosterzatura elettrico (EPS) per vetture da competizione. Per valutare come il sistema EPS interagisca con il veicolo sono stati utilizzati due modelli: il primo è un modello multi-corpo, validato con dati di telemetria forniti dal costruttore, mentre il secondo modello è un semplice modello monotraccia. E' stato mostrato come i dati numerici ottenuti tramite simulazione del modello multi-body riproducano con una buona accuratezza i dati sperimentali forniti. Il servosterzo elettrico è stato modellato dal costruttore. E' stata implementata una logica di controllo di tipo feedforward. Diverse manovre definite da normativa sono state simulate con l'obiettivo di analizzare le prestazioni del sistema complessivo EPS-veicolo; alcune delle misure riferite al comportamento del veicolo definite dalle normative ISO, sono state scelte come indici di prestazione del sistema. Questi indici sono stati considerati come le funzioni obiettivo di un problema di ottimizzazione multiobiettivo. I parametri di controllo del servosterzo elettrico costituiscono le variabili di progetto del problema. Tecniche di analisi di sensitività globale sono state utilizzate al fine di ottenere una panoramica dei legami tra le variabili di progetto e le funzioni obiettivo, per analizzare il legame tra le funzioni obiettivo stesse, e per comparare in modo rigoroso le risposte dei due modelli di veicolo. E' stato calcolato l'insieme di soluzioni ottime secondo Pareto, tra le quali sono state scelte alcune soluzioni di progetto; i miglioramenti ottenuti dal punto di vista delle prestazioni del sistema sono rilevanti. Inoltre, è stata presentata e analizzata una differente strategia di controllo, che include una logica per la compensazione dell'attrito, il cui scopo è quello di ridurre gli effetti dell'attrito nel sistema di sterzo, permettendo di migliorare l'on-centre handling del veicolo. Infine, poichè le manovre che sono state considerate nel processo di ottimizzazione sono state simulate alla stessa velocità costante di 100km/h, è stata eseguita un'analisi delle prestazioni del sistema al variare dalla velocità del veicolo, ed è stata proposta una possibile curva di riduzione dell'assistenza per velocità più elevate.