基于CarSim的电动助力转向系统仿真与硬件在环验证

摘要

随着汽车技术的发展，电动助力转向系统因为具有节能、环保、调整方便、结构紧凑等优点，已成为汽车动力转向技术发展的方向，具有广阔的市场前景。本文依据ECU开发“V”模式流程图中的设计仿真和硬件在环，围绕电动助力转向系统控制策略和硬件在环仿真试验平台等方而进行了研究。
　　首先，以某款小型SUV车作为仿真对象，对EPS系统的机械转向部分和助力电机部分进行了动力学分析。对下层控制策略，设计了直线型助力特性曲线;对上层控制策略，选择了EPS系统的电机控制，设计了基于传统PID控制和滑模变结构控制两种算法的助力控制和PD算法的回正控制。
　　然后，在MATLAB/Simulink中建立EPS系统机械、助力电机和控制器三部分的仿真模型进行仿真，并将结果进行了对比和分析。为了完善仿真结果，利用汽车动力学仿真软件CarSim中完善的整车模型，与Simulink中建立的EPS系统模型进行了联合仿真，并且针对控制算法部分，在CarSim中搭建满足国标试验的工况，进行联合仿真验证本文设计的助力控制算法和回正控制算法的有效性。仿真结果表明:装载了EPS系统时的转向盘转矩明显小于无EPS系统时，表明了本文设计的EPS系统可以使转向轻便性得到提高;在加入回正控制后，转向盘能比未加入回正控制更加快速地回到中间位置，且基本消除残余角;对比PID控制和滑模变结构控制可知，后者因为其结构可变，可达到更好的助力效果。
　　最后，选择NI公司的PXI进行对于EPS系统的硬件在环平台的搭建，按照有关国家标准进行了仿真试验。此平台的搭建基于CarSim和LabVIEW RT的联合仿真。硬件在环台架试验结果表明，此平台能够达到在实验室环境下，利用CarSim整车模型，进行相关的转向性能的试验，验证所设计的EPS控制器的效果，且效果明显。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 硬件在环仿真与CarSim软件在国内外的应用现状

1．2．2 EPS系统控制策略的国内外研究现状

1．3 课题来源及研究意义

1．4 本文主要研究内容

第二章 电动助力’转向系统简介与动力学分析

2．1 EPS系统简介

2．1．1 EPS系统的结构

2．1．2 EPS系统的类型

2．1．3 EPS系统的工作原理

2．1．4 EPS系统的特点

2．2 EPS系统动力学分析

2．2．1 转向盘和转向柱

2．2．2 转矩传感器

2．2．3 助力电机

2．2．4 齿轮齿条机构

2．2．5 系统的状态空间表达式

2．3 本章小结

第三章 EPS控制策略的研究

3．1 EPS系统要求达到的控制目标

3．2 所选车型参数

3．3 EPS系统的电机控制

3．4 EPS系统基本控制类型

3．4．1 助力控制和助力补偿控制

3．4．2 回正控制

3．4．3 阻尼控制

3．5 EPS系统助力特性

3．5．1 助力特性曲线设计要求

3．5．2 助力特性曲线类型

3．5．3 助力特性曲线的设计

3．6 PID助力控制

3．7 滑模变结构助力控制

3．7．1 滑模变结构控制原理

3．7．2 滑模变结构控制器的设计

3．8 回正控制策略的设计

3．8．1 回正控制的实现

3．8．2 控制模式的判断

3．9 本章小结

第四章 EPS系统仿真模型的建立及分析

4．1 机械转向系和电机模型的建立

4．1．1 机械转向系统模型

4．1．2 直流电机模型

4．2 EPS系统控制器模型的建立

4．3 EPS系统控制仿真主要参数

4．4 EPS系统仿真分析

4．4．1 EPS系统常用评价指标

4．4．2 有无EPS系统的控制效果对比

4．4．3 转向轻便性仿真结果分析

4．4．4 回正控制

4．5 本章小结

第五章 基于CarSim的EPS系统联合仿真

5．1 CarSim软件简介

5．2 EPS系统联合仿真原理

5．3 EPS系统联合仿真的创建

5．3．1 整车模型的设置

5．3．2 车辆外部环境和运行工况设置

5．3．3 CarSim输入输出设置

5．4 仿真结果分析与对比

5．4．1 有无EPS系统效果对比

5．4．2 转向轻便性

5．4．3 回正控制

5．5 EPS控制策略的联合仿真

5．5．1 助力控制策略的联合仿真

5．5．2 回正控制策略的联合仿真

5．5．3 仿真结果与分析

5．6 本章小结

第六章 EPS系统硬件在环试验研究

6．1 LabVIEW实时仿真

6．1．1 实时操作系统简介与实时平台的选择

6．1．2 LabVIEW实时模块简介

6．2 硬件在环概述

6．3 硬件在环方案

6．3．1 LabVIEW RT和CarSim联合步骤

6．3．2 机械硬件方案

6．3．3 转角信号采集模块

6．3．4 方向盘转矩信号采集模块

6．3．5 负载机构

6．3．6 整车信号发送模块

6．4 硬件在环试验

6．4．1 转向轻便性试验

6．4．2 回正性试验

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况