汽车电动助力转向系统建模及控制算法研究

摘要

汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统、机械液压动力转向系统，到电控液压动力转向系统，直到更为节能、操纵性能更好的电动助力转向(Electric Power Steering System简称EPS)等几个阶段。EPS是汽车动力转向的发展方向，相比较于以往的转向系统有安全、环保、节能、装置灵活、调整简单等优越之处。EPS在国外已经成功应用于很多车型上，目前国内的研究开发还处于发展阶段，近年来一直是国内汽车转向的研究热点，具有广阔的应用前景。 本文论述了EPS的特点、工作原理、结构组成、国内外的研究现状；通过对汽车EPS的动力学、运动学和转向系统的负载特性分析，用牛顿定律和物理知识建立了机械转向系统和EPS数学模型，分析了系统机械参数对系统特性的影响：并对EPS的稳定性能进行了分析：对助力特性进行了理论上的分析，探讨了直线型助力特性特征参数的确定方法。 常规控制方法用于系统建模精确且控制目标单一的情况，而EPS是一个非线性的多输入多输出系统，助力系统参数变化、干扰和模型简化过程的误差使得采用传统方法设计的控制器的性能会变差，所以要保证系统性能必须使闭环系统具有鲁棒性。在数学模型和助力特性研究基础上，根据汽车运行过程中转向的不同工况，研究了不同工况下控制算法选择的边界条件，重点研究了基于Hoo的EPS助力控制算法，回正控制算法，阻尼控制算法。由于EPS存在的摩擦力矩和转动惯量会严重影响到轮胎的回正性能，同时还会引起转向时的粘滞感，导致助力跟随性变差，所以在系统控制中加入摩擦补偿，阻尼补偿与惯量补偿来解决上述问题。最后，对EPS的稳定性进行了分析。 在以上研究的基础上，建立了EPS的纯数字仿真平台。通过仿真研究证明所建立的数学模型是正确合理的，采用的控制算法兼顾了系统的助力特性、回正特性、阻尼特性和鲁棒特性等诸方面。为了实现系统功能进行了EPS控制器设计。系统硬件由电动机驱动电路、电流测量电路、传感器接口、报警灯与继电器驱动电路等组成；系统软件以MPKLAB-IDE调试环境为基础，采用C语言编程技术，模块化设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2汽车EPS的关键技术及控制难点

1.3汽车EPS发展现状

1.4 EPS系统存在的主要问题及解决的方案

1.5论文研究的主要内容

1.6 小结

2汽车转向系统模型研究

2.1汽车EPS的原理介绍

2.2汽车EPS数学模型建立

2.2.1转向阻力FTR研究

2.2.2机械转向系统数学模型

2.2.3 EPS系统的数学模型

2.3汽车EPS助力特性分析

2.3.1汽车转向阻力分析及计算

2.3.2最大助力特性曲线

2.3.3 EPS稳定性与助力增益的关系分析

2.4小结

3汽车EPS控制策略的研究

3.1 EPS控制的目标

3.2 EPS控制策略及H∞控制器的设计

3.2.1 EPS的基本控制策略控制模式选择的边界条件研究

3.2.2基于H∞的EPS助力控制研究

3.2.3回正控制算法的设计

3.2.4阻尼控制算法的设计

3.2.5 EPS的三种补偿研究

3.3汽车EPS控制器稳定性分析

3.4 小结

4 EPS仿真研究

4.1系统仿真参数取值

4.2机械齿轮齿条无助力转向系统仿真

4.3EPS系统动力学及控制算法仿真子系统

4.3.1 EPS系统的Simulink模型

4.3.2 汽车EPS的仿真结果

4.3.2 EPS肋力特性仿真研究

4.3.3 EPS回正特性仿真研究

4.3.4 EPS阻尼特性仿真研究

4.3.5EPS鲁棒特性仿真研究

4.4小结

5 电动力转向控制系统方案设计

5.1电动助力转向控制系统的基本结构

5.2EPS控制系统硬件设计方案

5.3 EPS控制程序软件流程图

5.4 小结

6结论与展望

6.1主要结论

6.2后续研究工作的展望

致 谢

参考文献

附 录