电动助力转向系统控制策略研究与控制器开发

摘要

转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置,其性能直接影响到汽车的操纵性能和稳定性能。由于电动助力转向系统(EPS.ElectricPower Steering)既能改善驾驶者的转向操纵感觉,又能减轻驾驶者的体力消耗,还能提高汽车的转向性能和安全性,且有利于环保,符合现代汽车电子化、智能化发展的要求,已成为现代动力转向技术研究的焦点。
　　 首先,详细分析了EPS系统的基本构造及工作原理。运用拉格朗日方法得到电动助力转向系统的微分动力学方程,为了便于进一步的分析,将微分方程转化为状态空间方程,通过动态时域分析方法对所建模型初始状态下的性能进行分析。
　　 接着,针对电动助力转向系统是一个多输入多输出,且含有一定程度非线性、时变环节的机电系统,具有结构性摄动和非结构性摄动等不确定性因素,引入了鲁棒控制策略,研究了性能指标和权函数的选择,并利用Matlab软件对控制策略进行仿真,研究了助力误差和路感的控制效果,验证控制策略的有效性。
　　 再次,在ECU的硬件电路设计方面,本文主要涉及单片机芯片的选择、电机驱动电路设计与改进、过电流保护电路、继电器控制电路、电磁离合器控制及检测电路、信号采集电路(扭矩信号处理电路和车速及发动机转速信号处理电路)、电源电路、故障输出电路等。并且采用相关的硬件抗干扰的措施和方法。完成了控制器电路板设计工作,并进行了实物的研制。在软件方面,研究了EPS系统ECU的软件组成和工作流程图及算法实现。
　　 最后,对开发的控制器硬件进行了部分测试,重点测试了与直流助力电机系统相关的硬件电路,特别是关键信号,如PWM信号、车速信号等。对研制的ECU在试验台架上实现功能试验、助力电流特征试验的实验验证。硬件电路测试和台架试验结果表明EPS控制器能可靠、稳定工作,并能初步实现助力功能。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外发展与研究现状

1.2.1 国内外发展现状

1.2.2 国内外研究现状

1.3 本课题研究内容

第二章 电动助力转向系统机构及动力学建模

2.1 电动助力转向结构方案

2.2 转向系统数学模型

2.2.1 EPS执行器

2.2.2 机械执行机构

2.3 状态空间模型

2.4 初始状态下性能分析

2.5 本章小节

第三章 电动助力转向控制策略研究与设计

3.1 电动助力转向控制目标

3.2 鲁棒控制理论

3.2.1 H∞标准问题

3.3 性能指标和权函数的选择

3.4 EPS控制系统鲁棒控制器设计

3.5 仿真分析

3.5.1 助力误差控制效果分析

3.5.2 路感控制效果分析

3.6 本章小结

第四章 电动助力转向系统控制器的硬件实现与优化

4.1 系统硬件设计的主要内容

4.2 单片机主控芯片选择

4.3 单片机及外围电路

4.3.1 单片机复位电路

4.4 直流电机的控制

4.4.1 直流电机的PWM控制

4.4.2 继电器控制电路

4.4.3 电磁离合器的控制及检测电路

4.4.4 电机驱动电路设计

4.4.5 MOSFET驱动电路改进设计

4.4.6 电机过流保护电路

4.5 数据采集及处理电路

4.5.1 扭矩信号处理电路

4.5.2 车速及发动机转速信号处理电路

4.6 电源电路

4.7 故障输出电路

4.8 硬件抗干扰措施

4.9 EPS控制器电路板设计

4.10 本章小结

第五章 软件设计

5.1 主程序设计

5.2 信号采集程序

5.2.1 模拟信号采集程序

5.2.2 数字信号采集程序

5.2.3 数字滤波程序

5.3 PWM输出程序

5.4 本章小结

第六章 电动助力转向控制系统台架试验研究

6.1 台架试验总体方案

6.2 控制器硬件测试实验

6.2.1 5V电源电路测试

6.2.2 车速信号处理电路测试

6.2.3 MOSFET电压测试

6.2.4 PWM信号测试

6.3 台架试验及结果分析

6.4 本章小结

第七章 全文总结和展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间所发表的学术论文