汽车电动助力转向与稳定性控制系统集成控制关键技术研究

摘要

近年来汽车作为运载工具在世界范围内迅速发展和普及，并迅速朝着智能电子化的方向发展。汽车电动助力转向系统(Electronic power steering system，EPS)和汽车稳定性控制系统(Electronic Stability Program，ESP)作为转向和制动领域内广泛应用的电控系统，两者之间的集成控制问题是研究的热点。本文针对汽车电动助力转向与稳定性控制系统的集成控制开展深入的理论与试验研究。
　　论文首先回顾EPS和ESP系统的发展，介绍两系统的基本工作原理，总结目前国内外的研究现状，并引出汽车底盘集成控制问题的研究方向。
　　根据转向系统的机械和电气结构，建立EPS系统的输入、输出模型。综合考虑汽车在原地转向、中低速转向时的转向轻便性能、中高速转向时的操纵稳定性以及路感方面的要求，设计了EPS多模式控制策略和方法，分别对助力模式、回正模式、阻尼模式、跛行模式进行建模仿真分析。
　　根据集成系统的传感器配置，提出了基于回正力矩的路面附着系数估计方法，并采用非线性观测器对汽车的纵侧向速度进行观测，为ESP系统提供必要的状态参数估计。针对汽车在极限失稳工况时，汽车的实际模型与线性二自由度模型发生较大偏差，常规的线性控制器无法达到最佳的效果，设计的横摆力矩控制器采用基于输出反馈的非线性H∞控制。
　　在分析EPS系统和ESP系统之间相关性的基础上，对集成控制的架构进行了设计，即采用分层集成控制架构。在考虑汽车行驶过程中的转向轻便性和操纵稳定性之间耦合作用的基础上，从转向轻便性、操纵稳定性的角度出发，通过决策分配设计集成控制规则，运用模糊控制的方法设计了EPS/ESP集成控制的上层决策控制器。
　　在对比研究国内外驾驶员在环试验台的基础上，采用基于NI PXI与DYNAware的集成系统驾驶员在环试验台的解决方案，使用DYNAware提供的三维动画DYNAanimation组建了完整的“人—车—环境”闭环驾驶环境。依据自行设计搭建的集成系统驾驶员在环试验平台以及实车试验，对提出的EPS/ESP集成控制方法进行验证，结果表明集成控制对于改善汽车底盘的综合性能有着显著作用。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 EPS研究现状

1．2．1 汽车动力转向系统的分类及特点

1．2．2 EPS的组成

1．2．3 EPS性能及特点

1．2．4 EPS的发展趋势

1．3 ESP研究现状

1．3．1 ESP的发展历程

1．3．2 ESP系统组成

1．3．3 ESP的基本工作原理

1．4 集成控制研究现状

1．5 本论文主要的研究内容

第二章 电动助力转向系统多模式控制研究

2．1 引言

2．2 EPS动力学建模与分析

2．2．1 机械转向系统数学模型

2．2．2 EPS系统的数学模型

2．2．3 整车EPS系统分析

2．3 EPS多模式控制研究

2．3．1 助力模式控制

2．3．2 回正模式控制

2．3．3 阻尼模式控制

2．3．4 跛行模式控制

2．4 本章小结

第三章 汽车稳定性控制系统非线性直接横摆力矩控制研究

3．1 基于非线性状态观测器的车速估计

3．1．1 非线性状态观测器

3．1．2 纵向车速估计模型的建立

3．1．3 侧向车速估计模型的建立

3．2 基于输出反馈的非线性H∞的ESP控制

3．2．1 ESP控制策略

3．2．2 直接横摆控制器设计

3．2．3 仿真分析

3．3 结论

第四章 基于决策分配的EPS与ESP集成控制研究

4．1 ESP与EPS集成控制系统硬件结构与控制体系

4．1．1 集成控制的控制方式

4．1．2 EPS与ESP分层集成控制

4．2 路面附着系数估计

4．3 ESP与EPS控制策略设计

4．4 仿真分析

4．5 结论

第五章 EPS／ESP集成系统驾驶员在环试验及实车试验研究

5．1 引言

5．2 集成控制系统驾驶员在环试验台的设计

5．2．1 试验台方案的选择

5．2．2 硬件在环试验台需要实现的功能

5．2．3 集成控制硬件在环试验台方案设计

5．3 集成系统驾驶员在环试验台的研制

5．3．1 试验台机械结构设计

5．3．2 试验台电气系统部件选型及设计

5．4 基于快速控制原型的驾驶员在环试验

5．4．1 集成系统快速控制原型的试验方法与模型参数设置

5．4．2 基于快速控制原型的驾驶员在环试验

5．5 基于实体控制器的实车试验

5．5．1 EPS与ESP实体控制器开发

5．5．2 实车试验

5．6 本章小结

第六章 全文总结

6．1 结论

6．2 创新点

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况