纯电动汽车电动助力转向系统机理研究与设计

摘要

随着现代控制理论和微电子技术的发展，电动助力转向系统(EPS)已经成为近年来车辆工程领域中的一个研究热点，越来越受到大专院校、科研机构和汽车厂家的关注。本论文以纯电动汽车的转向轴式电动助力转向系统为主要研究对象，采用理论分析、计算机系统仿真、台架和实车实验研究相结合的方法，对轴助力式EPS的工作机理进行了深入系统的研究，主要研究内容如下：
　　 1、详细分析了电动助力转向系统的工作原理及其特点，其后对系统的控制策略和算法进行了深入研究，通过分析车辆和驾驶员对转向控制的要求和特点，确定了对助力特性的基本要求。
　　 2、在电动助力转向控制中采用了助力控制、回正控制、阻尼控制和补偿控制等控制策略，同时分析和比较了三种助力特性曲线，提出了适用于纯电动汽车EPS的理想助力模型，由该模型得到的助力特性曲线为小转角时为直线型而大转角时为斜率变化较大的二次曲线，并给出了实现该特性曲线的基本算法，该算法在以后的计算机仿真和实际控制器设计及台架和实车实验中检验了其正确性。确定的该助力模型及由此得出的助力曲线，很好地兼顾了转向轻便性和路感的关系。
　　 3、将ADAMS动力学仿真软件引入到EPS系统中，进行纯电动汽车整车ADAMS建模，在ADAMS/car中建立了包括前/后悬架、转向系统、前后车轮及路面谱在内的整车多体动力学仿真模型，并进行了整车稳态转向仿真试验。同时还在Matlab/Simulink环境中建立了电动助力转向系统新型助力特性的曲线控制策略和控制器的控制模型，将ADAMS/car中所建立的整车模型通过软件接口导入到MATLAB/simulink中，与MATLAB中建立的EPS控制系统的仿真模型连接起来，将ADAMSMS/car与Matlab/Simulink相结合，进行复杂的联合仿真分析。仿真结果说明以ADAMS中建立的整车动力学模型与MATLAB中建立的控制系统的数学模型联合起来研究电动助力转向系统是有效的。同时，仿真结果也证明了本文提出的控制策略和算法的正确性和有效性。
　　 4、进行了EPS系统的软硬件设计，从硬件和软件上开发了基于纯电动汽车的电动助力转向系统，实现了EPS的主要功能。详细分析了EPS系统的关键零部件的选用及匹配原则，针对ECU输入和输出信号的不同特点进行了分析，设计了相应的处理控制电路。助力电机采用直流永磁有刷电机，由4个NMOS管构成的H桥驱动，其控制采用脉宽调制PWM和助力电机电流Fuzzy_PID的反馈控制。系统软件分上下两层，上层完成控制策略与算法，下层完成助力电机电流的闭环控制，并给出主要软件模块流程图，为进一步模拟试验提供了实验基础。
　　 5、研究了电动助力系统台架实验方案。对实验需要的各种车辆运行工况的信号的模拟方法进行了分析和确定，电动机的转速、车速、直接由信号发生器输入ECU，转向扭矩信号和转角信号取自传感器，然后输入ECU，转向阻力矩采用弹簧模拟，完成了EPS实验台架的设计，并在该台架上进行了有无EPS助力的对比试验。实验结果表明加入EPS后转向轻便性大大提高，随后进行了相关的实车实验。
　　 6、提出了低速转向情况下的柔性电流过渡方法的算法并加以实现，可以大大减少因为电流大的波动导致的方向盘的抖动。
　　 7、进行了软硬件系统的抗干扰性和可靠性研究，并进行了与纯电动汽车上层控制器的通信实验研究。
　　 本文的理论分析、计算机仿真与台架、实车的实验结果吻合良好，对于电动助力转向系统的基础研究、设计开发及其应用具有重要的理论意义和现实意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1课题来源

1.2汽车转向系统概述

1.3电动助力转向系统的特点

1.4电动助力转向系统的分类及工作原理

1.5国内外电动助力转向研究现状

1.5.1国外研究现状

1.5.2国内研究现状

1.6电动助力转向系统的应用发展趋势

1.7论文研究意义

1.8论文的主要研究内容及研究的技术路线

第2章纯电动汽车EPS控制策略和算法研究

2.1纯电动汽车情况介绍

2.1.1纯电动车基本情况

2.1.2整车布置

2.2 EPS控制策略及算法

2.2.1助力控制模式及控制策略

2.2.2回正控制模式

2.2.3阻尼控制模式

2.2.4 EPS工作模式的判断算法

2.2.5 EPS的补偿控制算法

2.3纯电动汽车转向助力特性曲线设计方法与步骤

2.3.1小转角时直线型助力曲线参数的确定

2.3.2大转角时曲线型助力特性参数的确定

2.4 EPS助力控制算法研究

2.4.1助力电流常用的控制算法

2.4.2模糊控制技术在EPS中的应用

2.4.3对EPS助力曲线中柔性启动／停止的电流控制算法研究

2.5本章小结

第3章纯电动汽车整车ADAMS建模

3.1整车建模理论

3.1.1 ADAMS建模步骤

3.1.2整车建模的假设

3.2整车建模参数准备

3.3整车子系统建模

3.3.1设置建模的基本环境

3.3.2悬架的建立

3.3.3转向系统的建立

3.3.4轮胎模型的建立

3.3.5电动车车身模型的建立

3.3.6车辆动力系统建模

3.4整车的装配

3.5整车的调试

3.6本章小结

第4章电动助力转向控制系统建模及联合仿真

4.1转向系统的动力学模型的建立

4.2联合仿真系统的实现

4.2.1联合仿真的基本方法

4.2.2联合仿真系统的实现

4.3联合仿真结果的分析

4.3.1典型工况下情况对比

4.3.2对仿真结果的分析

4.4本章小结

第5章电动助力转向控制系统软硬件的实现

5.1电动助力转向系统ECU的硬件结构

5.2微处理器

5.3各种输入信号的处理

5.3.1扭矩信号及转角信号的处理

5.3.2车速信号的处理

5.3.3车辆驱动电动机转速信号的处理

5.3.4与内燃机汽车的区别

5.4电机驱动电路

5.4.1直流电机的控制方式

5.4.2电动机PWM调压控制

5.4.3 PWM信号开关频率的选择

5.4.4 H桥驱动电路

5.4.5 H桥驱动电路死区时间的考虑

5.4.6电路的保护设计

5.5电机实际电流的检测

5.6离合器控制电路

5.7 EPS控制器软件设计概述

5.7.1 EPS控制程序的总流程图

5.7.2基本助力子程序流程图

5.7.3 A/D采样子程序流程图

5.7.4回正控制子程序流程图

5.7.5阻尼控制子程序流程图

5.7.6数字滤波子程序

5.8 EPS控制器的可靠性及安全性

5.9本章小结

第6章电动助力转向系统台架及实车实验

6.1电动助力转向系统台架实验的必要性

6.2电动助力转向系统实验台架的组成

6.3台架实验及结果分析

6.3.1车速信号的模拟

6.3.2相关信号的采样

6.3.3基本台架实验内容及结果评价

6.4实车实验

6.4.1装车实验

6.4.2测试项目和结果

6.5本章小结

第7章总结与展望

7.1研究工作总结

7.2本文主要创新点

7.3后期工作的展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果