汽车电动助力转向系统的模糊神经网络控制及优化设计

摘要

电动助力转向(EPS)是近年来发展起来的汽车工程领域的高新技术，代表着汽车动力转向技术的发展方向。EPS是一个机械装置和电气装置紧密结合的系统，要使EPS系统按所设计的控制方法实现优良的转向操纵性能，必须深入研究EPS子系统与整车大系统之间的性能匹配问题，其中，EPS助力特性的匹配以及EPS助力电机转动惯量、减速机构传动比、扭矩传感器刚度的匹配设计是决定EPS及整车转向操纵性能的关键问题。本文主要对电动助力转向系统的控制方法和EPS主要参数的匹配及试验技术进行了研究和探讨。 首先，对汽车电动助力转向系统的结构及其动力学特性进行分析，建立了三自由度汽车模型与EPS系统集成的数学模型。在此基础上，通过对EPS助力特性的分析，给出了装有EPS系统的汽车转向操纵性能的评价标准，对转向灵敏度和转向路感这两个重要指标进行了深入研究，并建立了EPS主要设计参数和控制参数的稳定性判别准则。 其次，在分析常用的三种助力特性曲线的基础上，提出了助力特性的设计原则。通过对常规助力控制和阻尼控制模式的分析，提出了基于模糊T—S模型的模糊神经网络方法来确定助力电机的目标电流，用单神经元自适应控制器跟踪目标电流的EPS控制策略，将常规助力控制和阻尼控制集成到一个控制算法中。仿真结果表明，该控制策略对抑制汽车高速行驶时转向盘回正时的摆振现象有一定的效果，并能较好地满足助力要求。 然后，从结构选择和参数匹配两个方面分别研究了助力电机、减速机构及扭矩传感器的匹配问题。通过仿真计算，分析了EPS主要参数对汽车的转向灵敏度、路感、转向盘把持力矩及整车动态性能的影响，给出了EPS主要参数的设计原则。从理论上分析了EPS助力电机与减速机构传动比、转向系传动比以及转向盘转速之间的匹配关系，以转向灵敏度和转向路感为目标函数，建立了EPS系统参数的多目标优化设计模型，并采用遗传算法对EPS系统的主要参数进行了优化设计。 最后，设计开发了以ARM S3C44BOX单片机为核心的EPS控制器及相应的控制软件。为了验证所设计的EPS控制系统的实际效果，设计了采用微型客车轮胎及悬架零部件的1/4车辆EPS试验台，进行了相关的试验。试验结果表明，在原地和车速为5km/h的工况下，转向轻便性分别提高了69.5％和56.3％。电机电流能够很好的跟踪转向阻力矩的变化。在车速为5Km/h的工况下，路面的随机输入对转向盘的把持力矩峰值影响降低了40.9％，转向手感较好。试验结果与仿真结果基本吻合，表明采用本文设计的电动助力转向系统及其控制方法和优化匹配方法正确，具有较好的应用效果。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1汽车动力转向系统概述

1.2电动助力转向系统的简介

1.2.1电动助力转向系统的组成和工作原理

1.2.2电动助力转向系统的类型

1.2.3电动助力转向系统的特点

1.3电动助力转向系统的关键技术及发展现状

1.3.1电动助力转向系统的关键技术

1.3.2电动助力转向系统国内外发展情况

1.5本文的主要研究内容

第二章电动助力转向系统数学模型与其特性研究

2.1电动助力转向系统的建模

2.1.1线性三自由度汽车转向模型

2.1.2 EPS的动态模型

2.1.3汽车转向模型与EPS系统集成的状态空间方程

2.2仿真模型的探讨

2.3电动助力转向系统主要性能指标及其稳定性分析

2.3.1电动助力转向系统助力特性分析

2.3.2电动助力转向系统性能的主要评价指标

2.3.3装有EPS系统的汽车转向灵敏度函数与转向路感函数

2.4 EPS稳定性分析

2.5本章小结

第三章EPS控制系统设计及仿真研究

3.1 EPS系统的三种控制模式

3.1.1常规助力控制

3.1.2阻尼控制

3.1.3回正控制

3.2电动助力转向系统的PD控制及仿真分析

3.3基于模糊神经网络控制的EPS研究

3.3.1模糊和神经网络结合的必然性

3.3.2助力控制目标电流的确定

3.3.3目标电流的跟踪

3.4电动助力转向系统仿真模型建立

3.5仿真计算及结果分析

3.6本章小结

第四章电动助力转向系统关键部件的结构及参数的匹配分析及优化

4.1助力电机匹配设计

4.1.1电机结构匹配

4.1.2助力电机转动惯量的匹配分析

4.2助力电机减速机构匹配分析

4.2.1助力电机减速机构类型

4.2.2蜗轮蜗杆减速机构

4.3扭矩传感器匹配分析

4.3.1扭矩传感器的选择

4.3.2扭矩传感器刚度的匹配分析

4.4 EPS对车辆横摆角速度增益和特征车速的影响

4.5电机输出转矩与轴荷、减速机构、转向系传动比的匹配

4.6电动机与减速机构传动比的匹配

4.6.1电机转速与转向盘转速的匹配

4.6.2电动机K值与减速机构的匹配

4.7基于遗传算法的多目标优化设计

4.7.1遗传算法简介

4.7.2基于遗传算法的EPS主要参数的多目标优化

4.8本章小结

第五章控制器设计

5.1 EPS控制系统的总体框架

5.2电动助力转向系统微控制器的设计

5.3 EPS的软件设计

5.3.1 EPS软件流程图

5.3.2单神经元PID算法程序

5.3.3 A/D采集程序

5.3.4 PWM控制程序

5.3.5车速信号采集程序

5.4本章小结

第六章台架设计和试验研究

6.1 EPS试验台架设计

6.2 EPS台架的试验方法及内容

6.3试验结果及分析

6.3.1助力特性试验

6.3.2助力电流跟踪效果试验

6.3.3抗干扰试验

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1研究工作总结

7.2工作展望

参考文献

致 谢

读研期间参加科研工作及发表学术论文情况