集成AFS和EPS的转向控制系统研究

摘要

转向系统是汽车的一个重要组成部分，其性能直接影响着汽车的操纵稳定性。AFS(主动前轮转向)通过电机实时地改变转向传动比，低速时，转向传动比较小，提高了汽车转向的灵敏性和操纵性;高速时，转向传动比较大，提高车辆的稳定性和安全性;同时，AFS还可以对车辆实施稳定性控制，使车辆行驶更稳定。EPS(电动助力转向)通过助力电机给转向系统提供助力，控制助力电机的输出力矩大小就可以协调汽车的低速转向轻便性和高速路感，并且通过回正控制可以提高转向系统的回正性能。
　　 现有AFS大多在液压助力转向系统基础上，采用行星齿轮机构实现主动转向，但系统复杂且存在着液压系统的弊端;EPS不能实现变传动比控制和主动转向干预以提高系统的操纵稳定性。因此，将AFS和EPS结合起来不仅可以避免液压系统的弊端，并且可以大大地改善汽车的操纵稳定性，因此集成AFS和EPS的转向系统具有重要的理论和实际意义。
　　 本文首先分析和选择了AFS和EPS的安装布置方式，然后建立了研究本文课题所需的动力学模型，主要包括转向系统的动力学模型、AFS和EPS执行电机模型、魔术公式轮胎模型以及整车模型，并通过多体动力学软件Adams/Car对整车模型进行了仿真验证;
　　 其次，在所建动力学模型的基础上，以横摆角速度增益为定值的思路设计出了AFS变转向传动比规律函数，并进行了仿真分析;设计出AFS稳定性控制的模糊PID控制器，并在车辆不足转向和过度转向工况下对AFS稳定性控制进行了仿真分析，得出AFS稳定性控制适用的范围;
　　 然后，建立了转向阻力矩数学模型，根据转向阻力矩的仿真结果和助力特性曲线的设计原则;设计出了一种新型的助力特性曲线，经过分析这种助力特性曲线在低速时具有比直线型、曲线型助力特性曲线更好的轻便性，而在高速时具有比直线型更好且与曲线型相当的路感，对新型助力特性曲线的助力特性进行了仿真分析;
　　 最后，总结了集成AFS和EPS的转向系统应具有的控制策略，对基于AFS附加转角的EPS力矩补偿控制和回正控制进行了深入研究，并提出了相应的控制算法，最后通过仿真对控制效果进行了分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 转向系统的发展概况

1．2 本课题研究的目的及意义

1．3 AFS和EPS及二者集成控制的研究现状

1．3．1 AFS的研究现状

1．3．2 EPS的研究现状

1．3．3 AFS与EPS集成控制的研究现状

1．4 本文研究内容

1．5 本章小结

第2章 车辆动力学模型的建立与验证

2．1 转向系统布置方案的分析与选择

2．2 转向系统动力学模型

2．2．1 主动转向系统动力学模型

2．2．2 电动助力转向系统动力学模型

2．2．3 AFS和EPS的执行电机模型

2．3 轮胎模型

2．3．1 轮胎侧向力数学模型

2．3．2 回正力矩数学模型

2．3．3 轮胎特性仿真分析

2．4 整车动力学模型

2．4．1 二自由度整车仿真模型

2．4．2 二自由度整车参考模型

2．4．3 整车虚拟样机模型

2．4．4 整车模型仿真验证与分析

2．5 本章小结

第3章 AFS控制系统的分析与设计

3．1 AFS转向传动比的设计与分析

3．1．1 AFS变转向传动比的设计

3．1．2 AFS变转向传动比规律的仿真分析

3．2 基于AFS的车辆稳定性控制

3．2．1 期望的横摆角速度

3．2．1 稳定性控制的控制器设计

3．2．3 AFS稳定性控制仿真分析

3．3 本章小结

第4章 EPS控制系统的分析与设计

4．1 转向阻力矩建模与分析

4．1．1 转向阻力矩建模

4．1．2 转向阻力矩模型的仿真分析

4．2 EPS助力特性曲线的研究

4．2．1 助力特性曲线的分类及设计原则

4．2．2 新型助力特性曲线的分析与设计

4．3 仿真分析

4．3．1 驾驶员模型

4．3．2 EPS助力电机的控制

4．3．3 EPS助力特性的仿真分析

4．3 本章小结

第5章 AFS与EPS集成控制研究

5．1 AFS和EPS集成控制策略分析

5．2 基于AFS附加转角的EPS力矩补偿控制

5．2．1 EPS力矩补偿策略研究

5．2．2 EPS力矩补偿策略的仿真分析

5．3 集成转向的回正控制研究

5．3．1 车辆转向回正状态的判断

5．3．2 回正控制策略的研究

5．3．3 回正控制的仿真分析

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录