汽车电动助力转向系统的设计与控制技术研究

论文摘要

本论文在国家科技型中小企业创新基金“基于冗余容错的汽车电动助力转向系统的研发”（05C26115101374）和四川省科技厅重点科技攻关项目“汽车电动助力转向系统（EPS）研究与开发”（03GG008-001）的资助下，以转向管柱助力式EPS系统为研究对象，借助现代控制理论、现代设计方法和计算机仿真技术，紧密结合EPS产品开发的关键技术，着重研究转向管柱助力式EPS系统的总体设计方案、控制过程的理论模型与动态性能、EPS系统的控制策略、鲁棒容错控制原理与方法、提高转向跟随性的途径和方法、分析转向回正控制方法等关键技术问题。主要研究成果如下：（1）在对电动助力转向系统功能需求分析的基础上，提出了转向管柱助力式EPS系统的总体设计方案，应用三维CAD技术进行了系统的结构设计。通过分析EPS转向系统的组成和结构形式，确定了系统总体性能参数。详细分析了EPS所涉及的技术领域以及关键技术问题，确定了研发EPS系统的需要解决技术难点问题。（2）通过对EPS系统组成中各部件包括助力电动机、扭矩传感器和齿轮齿条传动轴、方向盘等环节的分析，建立了EPS系统的动力学模型，并进一步变换得到了适合控制的状态方程模型。通过对初始系统模型的动态性能仿真，分析了其初始状态下的性能表现，指出了研究对象非控制状态下的动态性能非常脆弱。为此，提出了基于极点配置的状态反馈控制策略。利用状态反馈与极点配置，在实现状态反馈极点配置时，利用状态观测器或状态估计器取得系统的状态信号。讨论EPS系统模型满足一定系统性能约束条件下控制的助力特性、路感特性。（3）在探讨状态反馈控制下电动转向系统的转向路感问题的基础上，提出了在方向盘固定时转向阻力矩作用下方向盘反向转矩（Th）与转向阻力矩（T1）之比就能够代表EPS系统的转向路感的评价方法。通过建立以T1为输入，Th为输出的状态方程，来研究当转向阻力矩（T1）变化时，方向盘反向转矩（Th）的变化规律，从而得出状态反馈控制下的EPS系统路感特性。（4）分析了制约EPS系统转向跟随性提高的因素，提出了角跟随性是影响EPS跟随性能提高的主要因素的观点。采用在动态过程中PID参数模糊自整定的控制算法，将线性PID控制与模糊控制两者结合起来，组成的模糊PID控制，在动态过程中使PID参数得到改变，以便提l木本文受国家科技型中小企业创新基金（编号：05C26115101374）、四川省重点科技攻关项目（考i}号：030G008一D01）j奄助高EPS系统角跟随性控制响应速度，达到提高EPS系统转向跟随性的目的。（5）提出了主动回正控制的概念。建立了EPS系统回正时的状态空间模型，制定了基于全状态反馈的PD控制算法。通过对提出的控制算法进行仿真验证，结果表明本文的算法可提高转向盘的回正性和稳定性。（6）基于容错控制技术提出了针对传感器故障的、基于能观（或能检）意义上的功能冗余容错的概念并进行了证明。给出了能观意义下传感器重要度的概念和计算公式。该方法能有效地帮助我们确定EPS系统传感器配置的数量，并且该方法对一般系统传感器数量的确定具有普遍性意义。（7）针对EPS实际系统中存在的不确定性，作者提出了采用基于鲁棒容错控制技术制定EPS系统控制策略和控制器的设计方法。分别针对传感器故障的基于状态反馈鲁棒容错控制、基于Riccati型方程的鲁棒容错控制、基于状态观测器鲁棒容错控制，应用Lyapunov稳定性理论和Lyapunov方程，研究了EPS在参数摄动的线性不确定性条件下对传感器失效时具有完整性鲁棒容错控制的规律，得出了系统完整性鲁棒容错控制的充分条件，提出了EPS的完整性鲁棒容错控制设计方法和步骤。通过数值仿真分析，研究了EPS系统容错控制器对于给定参数、在传感器故障条件下的容错控制的实现问题。（8）将余度容错技术应用于EPS系统控制器的设计中，以两台8086CPU为主机和备份机，组成非表决式的双机冗余系统。每台CPU作为另一CPU的热备份，双机在任务级上同步运行。着重讨论了EPS控制器双机容错系统实现的比较、状态诊断、切换、同步等容错关键技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 电动助力转向系统的基本工作原理与特点
• 1.2 电动助力转向系统分类
• 1.3 国内外EPS技术发展现状
• 1.3.1 EPS控制技术的国外研究进展
• 1.3.2 国内发展EPS所开展的工作
• 1.4 电动助力转向系统的发展趋势
• 1.5 论文项目技术路线及论文研究的主要工作
• 2 管柱助力式EPS系统设计方案及关键技术分析
• 2.1 对电动助力转向系统的性能要求分析
• 2.2 管柱助力式EPS总体设计方案
• 2.2.1 管柱助力式EPS总体结构方案
• 2.2.2 基于UG平台的EPS参数化三维设计方法
• 2.2.3 管柱助力式EPS组件的选型设计与功能分析
• 2.2.4 EPS主要技术性能指标
• 2.3 电动助力转向系统控制策略分析
• 2.4 EPS系统关键技术分析
• 2.4.1 智能控制技术在汽车中的应用
• 2.4.2 EPS系统与整车性能相匹配
• 2.4.3 传感器技术
• 2.4.4 电机及电力驱动技术
• 2.4.5 故障检测与诊断技术
• 2.4.6 可靠性技术
• 2.4.6.1 EPS中可靠性技术的重要性
• 2.4.6.2 保障可靠性指标的设计技术
• 2.4.6.3 电磁兼容（EMC）设计技术
• 2.4.6.4 热设计技术
• 2.4.6.5 耐环境设计
• 2.4.6.6 软件可靠性设计
• 2.4.6.7 容错控制技术的应用
• 2.5 研发EPS系统需要解决的关键技术问题
• 3 管柱助力式EPS系统动力学模型与算例分析
• 3.1 管柱助力式EPS系统的动力学数学模型
• 3.2 EPS系统的动力学状态空间模型
• 3.3 EPS系统的初始状态下性能分析与算例
• 3.2.1 EPS系统的稳定性
• 3.2.2 EPS系统的可控制性、可观测性分析
• 3.2.3 EPS系统的初始动态特性与算例分析
• 3.4 制定EPS控制策略需达到的技术指标
• 4 基于状态反馈及状态观测器的控制策略研究
• 4.1 状态反馈与极点配置
• 4.2 EPS系统基于极点配置的状态反馈动态特性分析
• 4.3 EPS系统状态观测器的设计
• 4.4 状态反馈控制下的EPS系统路感特性研究
• 4.4.1 路感的来源
• 4.4.2 驾驶员路感对转向系统的要求
• 4.4.3 路感的定义与EPS系统路感可调性分析
• 4.4.4 EPS受控系统路感研究方法
• 4.4.5 方向盘固定时EPS系统的状态方程
• 4.4.6 路感算法仿真
• 4.5 本章小结
• 5 基于PID参数模糊自整定控制原理的EPS跟随性研究
• 5.1 模糊控制器的组成
• 5.2 PID控制
• 5.3 汽车电动助力转向系统跟随性问题
• 5.4 提高EPS系统跟随性的控制策略研究
• 5.5 基于参数模糊自整定PID控制的汽车电动助力转向系统跟随性研究
• 5.5.1 PID参数模糊自整定的控制算法数学模型
• 5.5.2 常规PID控制
• 5.5.3 PID参数动态模糊自整定控制策略
• 5.5.3.1 PID参数整定原则
• 5.5.3.2 参数自整定PID模糊控制策略
• 5.5.3.3 模糊控制规则的建立
• 5.6 软件仿真及仿真结论
• 5.7 附录:相关计算程序
• 6 基于状态反馈的EPS系统主动回正控制策略研究
• 6.1 主动回正控制及主动回正控制策略
• 6.1.1 汽车转向回正作用的产生机理
• 6.1.2 回正力矩与车速的关系
• 6.1.3 主动回正控制及主动回正控制策略
• 6.2 汽车电动助力转向系统回正状态建模
• 6.3 基于状态反馈PD控制的EPS主动回正控制策略研究
• 6.4 汽车转向回正性能评价
• 6.5 程序仿真及算例分析
• 6.6 附录:相关计算程序
• 7 冗余容错技术及其在EPS系统容错控制中的应用
• 7.1 容错控制概述
• 7.1.1 容错控制问题的提出
• 7.1.2 容错控制的分类
• 7.1.3 容错控制技术中存在的问题及其发展趋势
• 7.1.4 容错控制在汽车转向系统中的应用前景
• 7.1.5 电动助力转向容错控制需要解决的问题
• 7.2 EPS针对传感器失效的可容错性研究
• 7.2.1 EPS系统传感器故障容错性定义与证明
• 7.2.1.1 EPS系统传感器故障容错性定义
• 7.2.1.2 定义的证明
• 7.2.2 传感器冗余度的列表分析与重要度计算方法
• 7.3 线性不确定系统的完整性鲁棒容错控制
• 7.3.1 系统的动态不确定性
• 7.3.2 向量范数与矩阵范数
• 7.3.3 基于状态反馈的线性不确定系统完整性鲁棒容错控制
• 7.3.3.1 问题描述
• 7.2.3.2 针对传感器故障的具有完整性鲁棒容错控制器的设计
• 7.3.4 基于Riccati型方程的线性不确定系统鲁棒容错设计方法
• 7.3.4.1 问题描述
• 7.2.4.2 主要结论和设计步骤
• 7.3.5 基于状态观测器的线性不确定系统鲁棒容错控制
• 7.3.5.1 基于状态观测器的EPS系统鲁棒容错问题描述
• 7.2.5.2 主要结论和设计步骤
• 7.4 基于状态反馈的线性不确定系统完整性鲁棒容错算法仿真及仿真结论
• 7.5 基于Riccati型方程和基于状态观测器鲁棒容错控制的系统仿真结论
• 7.6 汽车电动助力转向系统控制器双机容错研究
• 7.6.1 余度技术引进的必要性
• 7.6.2 双机容错系统关键技术
• 7.6.3 EPS控制器的组成
• 7.6.4 EPS双CPU系统的组成及功能
• 7.6.5 EPS双CPU控制系统的试验方法
• 7.7 本章总结
• 8 全文总结与今后工作展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 论文中的创新点
• 8.3 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢