基于模糊控制的电动助力转向系统的研究与开发

论文摘要

汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后,国内外轿车和轻型汽车采用电动助力转向（Electric Power-assisted Steering,简称EPS）系统逐步取代传统液压助力转向系统。电动助力转向系统采用电动机直接提供助力,助力大小由电控单元（ECU）控制,具有助力大小可调、路感良好、环保、节能和维修方便等优点,是当前汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。本文首先论述了EPS系统的特点、工作原理和结构,对EPS系统的关键部件如转矩传感器、电动机以及电子控制单元等进行了详细的说明,为系统开发和部件选型提供了依据。接着从助力特性和控制策略两方面对EPS系统进行了深入细致的研究。设计了基于模糊控制的电动机助力电流的决策方法,得到了在不同车速和转向盘力矩输入下的助力特性曲线,曲线表明基于模糊控制的助力控制策略是符合实际EPS系统在转向过程中对助力的要求的;并对提高汽车驾驶舒适性和操纵稳定性的转向阻尼控制和回正控制策略进行了讨论。在此基础上,建立EPS系统仿真模型,设计了电动机电流的PID和自适应模糊PID控制器。仿真结果表明,电流控制器针对目标电流具备较高的响应速度和良好的跟踪性,所制定的助力控制策略和电流控制方法可以很好满足实际转向系统的使用要求。最后,给出了一整套EPS系统ECU硬件设计方案,详细介绍了永磁无刷直流电动机的驱动电路和电动机与EPS系统控制策略相对应的三种工作模式。根据EPS系统的功能要求,给出了ECU软件组成和工作流程图。本文所研究的内容为EPS系统的开发提供了重要理论基础和设计方法,具有实际指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车动力转向技术的发展
• 1.1.1 动力转向系统概述
• 1.1.2 传统液压助力转向系统
• 1.1.3 电控液压助力转向系统
• 1.1.4 电动助力转向系统
• 1.1.5 汽车动力转向技术的发展趋势
• 1.2 电动助力转向系统的关键技术
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的研究目的与主要内容
• 第2章 EPS 系统的工作原理与部件选型
• 2.1 EPS 系统的结构和工作原理
• 2.2 EPS 系统的分类
• 2.3 EPS 系统的主要部件
• 2.3.1 转矩传感器
• 2.3.2 车速传感器
• 2.3.3 电动机
• 2.3.4 电磁离合器
• 2.3.5 减速机构
• 2.3.6 电子控制单元
• 2.4 本章小结
• 第3章 EPS 系统助力特性和控制策略的研究
• 3.1 EPS 系统的控制目标
• 3.2 助力特性理论分析
• 3.2.1 路感及路感强度
• 3.2.2 助力特性的概念
• 3.2.3 EPS 系统助力特性曲线
• 3.3 EPS 系统的转向助力控制
• 3.3.1 电动机助力电流的决策
• 3.3.2 EPS 系统助力特性图
• 3.3.3 EPS 系统助力控制模糊控制器的实现
• 3.4 EPS 系统的转向阻尼控制
• 3.5 EPS 系统的转向回正控制
• 3.6 本章小结
• 第4章 EPS 系统建模与仿真结果分析
• 4.1 电动助力转向系统建模
• 4.1.1 电动助力转向系统的动力学结构
• 4.1.2 电动助力转向系统的动力学方程
• 4.1.3 EPS 系统仿真模型的建立
• 4.2 电动机目标电流的控制策略
• 4.2.1 PID 控制策略
• 4.2.2 自适应模糊 PID 控制策略
• 4.3 仿真结果及其分析
• 4.3.1 电动机电流控制仿真结果与分析
• 4.3.2 EPS 系统助力控制仿真结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 EPS 系统的ECU 硬件及软件实现
• 5.1 ECU 硬件概述及基本构成单元
• 5.2 单片机系统电路设计
• 5.2.1 MC9Sl2DP256 单片机的特点
• 5.2.2 MC9Sl2DP256 单片机系统电路设计
• 5.3 驱动控制电路设计
• 5.4 EPS 系统永磁无刷直流电动机的三种基本控制方式
• 5.4.1 电动机常规控制
• 5.4.2 电动机阻尼控制
• 5.4.3 电动机回正控制
• 5.5 传感器接口设计
• 5.6 EPS 系统软件实现
• 5.6.1 系统初始化模块
• 5.6.2 主程序模块
• 5.6.3 主循环模块
• 5.6.4 电流闭环控制模块
• 5.6.5 传感器输入信号的数字滤波模块
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录