全地形车电动助力转向系统控制器的研究

摘要

电动助力转向(EPS)系统凭借节能环保和优良转向性能在多种车型上的装配率不断提高。全地形车广泛应用于林业、农业、探险和军事等领域，因其多行驶于沙滩、坑洼和山地等复杂地形，存在转向沉重和容易产生驾驶疲劳等问题。对全地形车电动助力转向系统中的关键部件控制器进行研究，有助于提升全地形车转向手感和品牌竞争力。
　　为研究在全地形车上装配电动助力转向系统的可行性，根据整车参数计算助力电机转速和输出转矩大小，根据全地形车紧急避让工况和转向轻便性要求计算减速机构的减速比。对全地形车摇杆式转向系统和助力电机受力分析并建立Simulink仿真模型，分析设计了适用于全地形车的改进型助力特性曲线，使用曲线拟合法说明了曲线确立过程。设计了复合模糊PID控制算法，将Carsim建立的整车与子系统模型和Simulink建立的模型进行联合仿真，验证了控制策略的有效性。
　　围绕全地形车助力转向需求，基于Altium Designer设计了DSP主控单元、LIN通信、供电处理转换和信号采集处理等电路，采用驱动和H桥电路实现助力电机双向转动，基于Multisim以传感器供电电路为例说明了仿真计算过程。采用模块化设计思想，基于MPLAB平台对AD和ICx模块进行配置，采用算术平均滤波法和递推平均滤波法对信号进行软件滤波。设计了随速算法和复合模糊PID算法程序，按照双极性控制方式对PWM输出信号进行配置。利用开机自检和实时监测故障程序保护系统安全运行。
　　为进行软硬件联调，搭建了全地形车转向系统模拟台架，测试了EPS控制器极限功耗、双极性控制效果、控制器助力跟踪响应速度。为获取实际助力输出数据，利用综合性能试验台进行了输入扭矩/马达电流特性和输入/输出扭矩特性等测试，得到了改进型助力特性曲线最大助力电流、曲线对称性、随速特性、最大输出扭矩、扭矩波动值等参数，结合实车试验，说明本文设计的全地形车EPS控制器控制助力输出大小满足要求，助力转向过程手感平滑，对EPS在全地形车上的装配提供了基础，有助于全地形车转向系统性能的提高。

目录

摘要

1 绪论

1．1 全地形车及其转向系统概述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电动助力转向系统国内外研究现状

1．2．2 全地形车国内外研究现状

1．3 研究目的和意义

1．4 本文研究的主要内容

2 全地形车EPS系统部件匹配

2．1 全地形车转向参数分析

2．1．1 车辆静态转向阻力矩

2．1．2 转向系传动比和效率

2．1．3 驾驶员期望转向力矩

2．2 助力电机匹配设计

2．2．1 助力电机选型及布置位置确定

2．2．2 助力电机输出转矩和转速要求

2．2．3 目标电机主要参数及电磁转矩系数测定

2．3 减速机构减速比校核

2．4 扭矩角度转向传感器匹配设计

2．5 本章小结

3 全地形车建模及EPS系统控制策略研究

3．1 基于Simulink的EPS模型建立

3．1．1 转向系统模型

3．1．2 助力电机模型

3．2 EPS助力特性曲线研究

3．2．1 助力特性曲线形式设计

3．2．2 助力特性曲线拟合

3．3 基于复合模糊PID的助力跟踪控制研究

3．3．1 控制策略原理分析

3．3．2 控制算法设计过程

3．3．3 转向跟踪仿真

3．4 基于Carsim的整车模型及联合仿真

3．4．1 整车和子系统参数设置

3．4．2 Carsim与Simulink联合仿真

3．5本章小结

4 电动助力转向系统控制器硬件设计

4．1 EPS控制器硬件总体设计

4．1．1 EPS控制器架构及设计目标

4．1．2 EPS控制器设计时序及外围信号分析

4．2 EPS控制器主控单元、通信及供电电路设计

4．2．1 EPS控制器DSP及LIN通信电路

4．2．2 EPS控制器供电电路设计

4．3 EPS控制器信号采集电路设计

4．3．1 点火信号采集

4．3．2 扭矩及角度信号采集

4．3．3 发动机转速与车速信号采集

4．3．4 助力电流信号采集

4．4 EPS控制器驱动电机电路设计

4．5 器件选型计算和仿真设计实例

4．5．1 建立仿真模型

4．5．2 器件功耗和热分析

4．6 电路可靠性及优化设计

4．7 本章小结

5 电动助力转向系统控制器软件设计

5．1 软件系统总体设计

5．1．1 软件总体程序流程

5．1．2 软件程序设计模块化

5．2 控制器信号采集处理模块设计

5．2．1 AD采集程序设计

5．2．2 ICx输入捕捉程序设计

5．2．3 数字滤波程序设计

5．3 控制器控制算法模块设计

5．4 基于双极性的电机驱动模块设计

5．4．1 DC BM双极性PWM控制方式

5．4．2 PWM模块驱动控制设置

5．5 控制器故障诊断模块设计

5．5．1 开机自检及实时故障监测程序设计

5．5．2 故障软件判别设计

5．6 本章小结

6 电动助力转向系统控制器试验测试分析

6．1 模拟台架试验

6．1．1 控制器极限功耗测试

6．1．2 双极性控制及死区测试

6．1．3 助力电流阶跃响应测试

6．1．4 故障报警试验

6．2 综合性能试验

6．2．1 扭矩传感器信号特性测试

6．2．2 空载转动力矩特性测试

6．2．3 输入扭矩／电机电流特性测试

6．2．4 输入／输出扭矩特性测试

6．3 实车试验

6．3．1 测试设备介绍

6．3．2 测试步骤及结果

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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