汽车电动助力转向系统的控制方法与仿真分析

论文摘要

随着汽车电子化技术的发展,电动助力转向(Electric Power Steering,简称EPS)系统代表未来动力转向技术的发展方向,正逐步取代传统液压助力转向系统。电动助力转向系统具有体积小、重量轻、结构简单、安装和维修方便、节能环保等优点,更重要的是采用电动机直接提供助力,可随车速变化调整助力大小,可广泛应用于轿车、货车等众多车型,国外已有多家汽车公司采用此种先进的转向系统。由于国外技术垄断的限制,我国汽车产业急需研究开发这种高新技术产品,因此对电动助力转向系统进行研究和开发时十分必要的。本学位论文旨在研究汽车电动助力转向系统的动力学分析、控制策略以及建模仿真,为电动助力转向系统的设计与开发提供理论基础和设计方法。首先,通过大量查阅国内外相关文献技术资料,总结分析了EPS系统的特点、结构和工作原理,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。其次,在比较分析直线型、折线型和曲线型助力特性曲线的基础上,提出了基于模糊控制的EPS系统助力控制策略,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简要讨论;再次,建立了车辆二自由度的简化模型,并在此基础上建立了EPS系统的动力学模型,设计了电动机PID调节器,开发了基于MATLAB/Simulink的EPS系统动力学仿真软件。仿真结果表明,电流调节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策略可以很好满足实际转向系统的使用要求。最后,构建了基于PC机的EPS系统台架试验装置。给出了详细的硬件设计框图,根据EPS系统功能要求,EPS控制系统软件采用模块化设计思想,也给出了系统各个功能模块的程序流程图。通过此试验装置完成了台架组装、调试,也取得了一些有价值的参考数据,为后续系统更多试验的开发奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 汽车转向系统综述
• 1.2 电动助力转向系统的特点
• 1.3 电动助力转向系统的关键技术
• 1.4 国内外电动助力转向系统研究现状
• 1.5 电动助力转向系统的发展前景
• 1.6 本文研究的背景、意义和研究内容
• 第二章 电动助力转向系统EPS的简介
• 2.1 EPS系统的结构及其工作原理
• 2.2 EPS系统的分类
• 2.3 EPS系统主要部件介绍及选型
• 2.3.1 电子控制单元ECU
• 2.3.2 转矩传感器
• 2.3.3 车速传感器
• 2.3.4 电动机电流传感器
• 2.3.5 控制电动机总成
• 2.3.5.1 电动机
• 2.3.5.2 减速机构
• 2.4 本章小结
• 第三章 EPS系统助力特性分析和控制策略研究
• 3.1 EPS系统控制目标
• 3.2 EPS助力特性理论分析
• 3.2.1 助力特性的概念
• 3.2.2 转向路感及路感强度
• 3.2.3 助力特性曲线类型
• 3.2.4 助力特性曲线特征参数确定
• 3.3 EPS系统转向助力控制及仿真分析
• 3.3.1 模糊控制的概念和特点
• 3.3.2 采用模糊控制的原因分析
• 3.3.3 助力电流的模糊控制器的设计
• 3.3.3.1 Fuzzy Logic 模块介绍
• 3.3.3.2 各参量的定义及模糊化
• 3.3.3.3 建立模糊推理规则
• 3.3.3.4 反模糊化
• 3.3.4 助力特性图及仿真分析
• 3.4 EPS系统转向回正控制
• 3.5 EPS系统转向阻尼控制
• 3.6 EPS系统控制策略分析
• 3.6.1 EPS系统电机控制策略分析
• 3.6.2 EPS系统电机电流控制策略分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 EPS系统动力学模型的建立与仿真分析
• 4.1 车辆的二自由度动力学模型
• 4.2 EPS系统动力学模型及状态方程
• 4.2.1 建立EPS系统的物理模型
• 4.2.1.1 降阶建模思想
• 4.2.1.2 EPS系统受力分析
• 4.2.1.3 EPS系统的动力学结构
• 4.2.2 建立EPS系统的动力学状态方程
• 4.3 建立EPS系统仿真模型
• 4.3.1 机械转向系统模型的建立
• 4.3.2 电动机模型的建立
• 4.3.3 控制器模型的建立
• 4.4 电机的目标电流的控制策略
• 4.4.1 PID控制原理
• 4.4.2 PID调节器的参数整定
• 4.4.3 电动机PID调节器的设计
• 4.5 仿真结果及其分析
• 4.5.1 电动机的电流调节仿真结果及分析
• 4.5.2 EPS系统助力控制仿真结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 EPS系统台架试验装置设计
• 5.1 EPS系统的硬件控制系统框图
• 5.2 硬件介绍
• 5.2.1 工业控制计算机
• 5.2.2 多功能数据采集卡
• 5.2.3 车速信号模拟
• 5.2.4 PWM 电机驱动控制器
• 5.3 EPS控制系统软件设计
• 5.3.1 PCI-1712 板卡驱动简介
• 5.3.2 控制系统主函数设计模块
• 5.3.3 信号采集程序设计模块
• 5.3.3.1 模拟信号采集子程序
• 5.3.3.2 车速信号测量子程序
• 5.3.3.3 数字滤波程序
• 5.3.4 助力目标电流决策设计模块
• 5.3.5 PI电流闭环控制设计模块
• 5.3.6 PWM子程序设计模块
• 5.3.7 判断转向子程序模块
• 5.4 EPS系统台架试验装置的试验情况
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录1 电动助力转向系统台架试验装置设计图纸
• 附录2 电动助力转向系统台架试验装置实物图
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢