电动助力转向系统回正及阻尼控制策略研究与实现

论文摘要

近十年来,电动助力转向系统(Electric Power Steering,简称EPS)由于其具有节能、环保、主动安全性和良好的操纵稳定性等优势,在越来越多类型的汽车上成为标配;其控制模式已经从最初的助力控制向回正、阻尼和补偿控制等综合模式发展,并且其功能也进一步加强。目前国内对控制策略的研究主要集中在助力控制上,关于回正控制和阻尼控制的研究很少,而回正控制和高速阻尼控制对汽车行驶转向过程的操纵稳定性和安全性有着重要的影响。针对这种情况,论文选用转向柱助力式EPS系统作为研究对象,对EPS系统回正控制和阻尼控制策略进行了探讨和研究。论文首先介绍了EPS系统的发展情况,在分析EPS系统结构和工作原理及各种不同控制模式的基础上,建立了EPS系统的动力学模型和电气模型,以及汽车二自由度模型和轮胎阻力模型,为控制策略研究与仿真分析打下基础。论文对回正控制策略和阻尼控制策略进行了分析和研究。回正控制策略采用回正和主动阻尼控制相结合的控制方法,设计了一种方向盘转角观测器,以方向盘转角作为目标控制量实现回正控制,改善汽车低速回正过程中的回正不足和高速回正超调的状况;提出一种四象限阻尼控制策略,以电机转角为控制量,通过给助力电机施加反向电流,实现在不同车速和转向工况提供不同阻尼力矩,改善汽车高速行驶操纵稳定性和转向“路感”;针对汽车行驶过程中的路面随机干扰和传感器噪声等对EPS控制系统的影响,采用卡尔曼滤波方法来滤除干扰及噪声信号,提高EPS控制系统的抗干扰能力。论文采用Matlab/Simulink软件,根据系统的数学模型,搭建了EPS系统回正控制和阻尼控制仿真模型及基于卡尔曼滤波的信号处理仿真模型,并进行了仿真分析。仿真结果表明了所设计的回正控制策略和阻尼控制策略的正确性和有效性,卡尔曼滤波方法对改善EPS控制系统的抗干扰能力的可行性。在硬件和软件设计中,采用施加助力力矩和反向阻尼力矩相结合的开关管控制方法,改变现有的回正控制方法中,回正力矩不可控的情况;阻尼控制采用施加反向阻力矩方法,改变传统阻尼控制中将电机短路方法导致阻尼力矩有限的情况;硬件设计包括电机驱动电路,输入输出接口电路等;软件包括回正控制、阻尼控制、AD采样及中断等。同时在EPS试验台架上对回正和阻尼控制策略及卡尔曼滤波方法进行了验证,结果表明所设计的的控制系统达到了预期效果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2.1 课题研究的目的
• 1.2.2 意义
• 1.3 国内外关于EPS 系统控制策略的研究现状
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 汽车 EPS 系统概述及数学模型建立
• 2.1 汽车EPS 系统概述
• 2.1.1 EPS 系统主要构成和其工作原理
• 2.1.2 EPS 系统关键部件介绍
• 2.1.3 EPS 系统分类
• 2.1.4 EPS 系统优点
• 2.2 EPS 系统受力分析
• 2.2.1 驾驶员操纵力矩
• 2.2.2 助力电机产生的转向力矩
• 2.2.3 转向阻力距
• 2.3.汽车横向动力学模型的确立
• 2.4 前轮侧偏力矩模型
• 2.5 EPS 数学模型的建立
• 2.5.1 转向盘和转向柱输入轴数学模型
• 2.5.2 转向柱输出轴的数学模型
• 2.5.3 齿轮齿条数学模型
• 2.5.4 助力电机数学模型
• 2.5.5 EPS 系统动力学状态空间模型的构建
• 2.6 本章小结
• 3 EPS 控制策略研究与仿真分析
• 3.1 EPS 的控制目的
• 3.2 EPS 控制策略分类
• 3.3 回正控制特性理论分析与研究
• 3.3.1 回正控制的引入
• 3.3.2 回正控制策略
• 3.3.3 方向盘转角观测器
• 3.3.4 EPS 系统回正控制仿真模型建立
• 3.3.5 EPS 系统回正控制仿真分析
• 3.4 阻尼控制特性理论分析与研究
• 3.4.1 阻尼控制策略的引入
• 3.4.2 不同电机产生阻尼控制的方式
• 3.4.3 基于四象限的阻尼控制策略
• 3.4.4 EPS 阻尼控制仿真模型及仿真分析
• 3.4.5 阻尼控制仿真分析
• 3.5 系统信号处理
• 3.5.1 卡尔曼滤波的引入
• 3.5.2 系统模型的描述
• 3.5.3 卡尔曼滤波信号处理的仿真与结果分析
• 3.6 本章小结
• 4 系统硬件及软件设计
• 4.1 EPS 结构及功能划分
• 4.1.1 系统硬件总体设计
• 4.2 系统控制芯片选型
• 4.3 电机驱动控制单元设计
• 4.3.1 永磁有刷直流电机驱动理论
• 4.3.2 直流电机驱动模式
• 4.3.3 电机功率驱动电路设计
• 4.4 数据采集单元
• 4.5 通信单元
• 4.6 主要功能模块软件设计
• 4.6.1 PWM 中断子程序
• 4.6.2 外部中断及定时器软件实施思路及软件流程
• 4.6.3 ADC 采样电路软件实施思路
• 4.7 控制模式切换程序设计
• 4.8 本章小结
• 5 台架试验及结果分析
• 5.1 实验设备简介
• 5.2 负载信号的模拟
• 5.3 EPS 台架试验及结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B 仿真参数