電動(dòng)轉(zhuǎn)向器控制系統(tǒng)研究.pdf

1、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)代表了汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的未來發(fā)展方向，符合汽車技術(shù)電子化的要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(Electfic Power Steering System)是一種新型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、節(jié)能環(huán)保及控制精確等優(yōu)點(diǎn)，它能實(shí)現(xiàn)助力大小隨車速變化而調(diào)整，比較好地解決了在助力轉(zhuǎn)向中，駕駛員獲得不同轉(zhuǎn)向路感的問題。目前該技術(shù)主要用在轎車的前輪轉(zhuǎn)向中，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。 論文從汽車

2、操縱穩(wěn)定性要求出發(fā)，分析了與轉(zhuǎn)向密切相關(guān)四輪車輛的橫向運(yùn)動(dòng)，建立了四輪車輛橫向動(dòng)力學(xué)模型。研究了由于車輛轉(zhuǎn)向引起的側(cè)傾導(dǎo)致輪胎垂直載荷的重新分配的問題。進(jìn)一步對(duì)影響轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的側(cè)偏力和回正力矩的特性，分別從輪胎壓力、垂直載荷和路面狀況等方面進(jìn)行分析和研究，建立了車輛的輪胎模型。將得到的車輛模型和輪胎模型連接起來，構(gòu)建了研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛轉(zhuǎn)向仿真平臺(tái)并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。 分析和研究了電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分和電氣部分的各構(gòu)成環(huán)節(jié)

3、，并對(duì)各部分進(jìn)行了參數(shù)化處理。在進(jìn)行電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和受力分析的基礎(chǔ)上，采用等效轉(zhuǎn)換的方法，建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二自由度機(jī)械模型。在分析助力電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了助力電機(jī)模型。在分析電控單元控制模塊的組成的基礎(chǔ)上，建立了電控單元模型。在研究三者之間的傳遞關(guān)系的基礎(chǔ)上，將機(jī)械系統(tǒng)模型、助力電機(jī)模型和電控單元模型合成為完整的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模型。再將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模型引入車輛模型和輪胎模型構(gòu)成的仿真平臺(tái)中，由此建立了含有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模型、輪胎模型和

4、車輛模型的完整電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 通過分析車輛和駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向控制的要求和特點(diǎn)，確定了助力特性的基本要求。在電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制中采用了助力控制、補(bǔ)償控制、回正控制和阻尼控制等控制策略。在助力控制的研究中，分析和比較了三種助力特性曲線，確定了本系統(tǒng)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的基本助力控制算法。針對(duì)助力電機(jī)慣性和摩擦等環(huán)節(jié)的存在，采用了根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的補(bǔ)償控制算法。在回正控制中，采用了依據(jù)方向盤轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的回正控制算法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)

5、向盤快速回正。同時(shí)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制中引入了阻尼控制，防止在車輛高速行駛或路面不平時(shí)，出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向盤振蕩。為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的不同控制要求，在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略中，采用了多種控制算法?？紤]到EPS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析中進(jìn)行的理想化處理，車輛在使用中載荷的變化等引起控制對(duì)象模型參數(shù)的不確定性以及傳感器噪聲、路面干擾等難題，為了滿足助力轉(zhuǎn)向跟蹤性、路感要求和穩(wěn)定性的性能指標(biāo)，建立了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的廣義模型，分析和確定了滿足各種性能指標(biāo)要求的權(quán)函數(shù)

6、，采用Matlab魯棒控制工具，設(shè)計(jì)了基于H<,∞>的混合靈敏度魯棒控制器，并對(duì)引入控制器后的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有強(qiáng)的魯棒性。 在理論研究基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制單元ECU(Electric Control Unit)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)電控單元的輸入和輸出信號(hào)的不同特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的處理控制電路。其中扭矩輸入信號(hào)采用了三路處理模式，兩路作為扭矩信號(hào)，一路直接經(jīng)窗口比較器通過H橋控制助

7、力方向。助力電機(jī)采用直流永磁電機(jī)，由NMOS管構(gòu)成的H橋驅(qū)動(dòng)，控制采用脈寬調(diào)制PWM和助力電機(jī)電流PID的反饋控制。從轉(zhuǎn)向安全角度出發(fā)，針對(duì)助力系統(tǒng)出現(xiàn)失效時(shí)，設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)和處理電路。 最后研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的方案。對(duì)實(shí)驗(yàn)需要的各種車輛運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的模擬方法進(jìn)行了分析和確定，實(shí)際車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)速度、車速、轉(zhuǎn)向扭矩信號(hào)采用儀器模擬輸入ECU，轉(zhuǎn)向阻力矩采用磁粉制動(dòng)器模擬，設(shè)計(jì)和完成了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，并在該臺(tái)架上進(jìn)