基于饋能型ESC的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計理論與控制方法研究.pdf

1、現(xiàn)有重型商用車普遍采用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），而HPS容易造成車輛高速“發(fā)飄”，使駕駛員缺乏轉(zhuǎn)向“路感”，而且HPS存在大量的無功損耗，因此研究適用于重型商用車的低能耗、兼顧低速轉(zhuǎn)向輕便性和中高速轉(zhuǎn)向“路感”的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。在乘用車和輕型商用車出現(xiàn)的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)由于電機功率的限制，不適用于重型商用車。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECHPS)在HPS的基礎上通過電控裝置調(diào)節(jié)液壓系

2、統(tǒng)的流量或壓力，結(jié)合了HPS助力大和EPS可變助力特性的優(yōu)點，是一定時期內(nèi)重型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可行的發(fā)展方向，而已有的ECHPS方案不能很好地解決HPS存在的問題，因此，本文提出了基于饋能型電磁轉(zhuǎn)差離合器(ESC)的新型電控液壓助力轉(zhuǎn)向(E-ECHPS)系統(tǒng)。以某型大客車為研究對象，對E-ECHPS系統(tǒng)的設計理論和控制方法開展研究，主要內(nèi)容如下:
　　根據(jù)轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向助力跟隨性的要求，研究了液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大壓力和最大流量的匹配

3、方法，計算得到了原型大客車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大壓力和最大流量，以此作為設計ESC的依據(jù);結(jié)合系統(tǒng)的最大流量和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍設計了E-ECHPS轉(zhuǎn)向泵的流量特性，從而確定了ESC的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍;根據(jù)整車對ESC的技術要求設計了ESC的原型樣機，為研究ESC的控制提供載體。
　　建立了包括磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程在內(nèi)的ESC數(shù)學模型，由于各方程在abc坐標系下的電感參數(shù)是時變的，因此利用Park-Clark變換，推導了

4、dq坐標系下的ESC模型，通過機械特性、輸入-輸出特性、勵磁電流-輸出特性的仿真與試驗對比，驗證了ESC數(shù)學模型的正確性，為ESC的控制研究提供模型基礎。
　　研究了基于磁場定向原理的饋能型ESC控制策略，分別控制PWM整流器交流側(cè)電流的直軸分量和交軸分量，采用PI控制器使實際值跟蹤期望值。將直軸分量的期望值設定為零以實現(xiàn)交流側(cè)電壓和電流同相位，對直流側(cè)電壓進行PI控制以保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，PI控制器的輸出作為交軸分量的期望值;

5、對ESC的輸出轉(zhuǎn)速采用PID閉環(huán)控制。仿真結(jié)果表明，所提出的控制策略有助于提高ESC輸出轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應速度和ESC轉(zhuǎn)差損耗的回收效率，為E-ECHPS的按需功率匹配控制提供了理論基礎。
　　基于按需功率匹配理論，提出了E-ECHPS系統(tǒng)的壓力和流量匹配方法。由于液壓系統(tǒng)實際所需的壓力取決于轉(zhuǎn)向阻力矩和駕駛員操縱轉(zhuǎn)矩，因此設計了基于駕駛員偏好轉(zhuǎn)矩的隨速可變助力特性;液壓系統(tǒng)實際所需的流量由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角速度和車速決定，據(jù)此設計了基于轉(zhuǎn)向

6、盤轉(zhuǎn)角速度和車速的E-ECHPS流量控制曲線。由于系統(tǒng)流量與轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速即ESC轉(zhuǎn)速成正比，因此通過對ESC輸出轉(zhuǎn)速的控制可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功率匹配。E-ECHPS系統(tǒng)的按需功率匹配是在滿足轉(zhuǎn)向功率匹配的基礎上對ESC的轉(zhuǎn)差損耗進行回收，由此制定了E-ECHPS的控制策略。
　　在分析HPS能耗的基礎上，提出了HPS節(jié)能的途徑，對比HPS和E-ECHPS的功率消耗，揭示了E-ECHPS的節(jié)能機理;通過綜合工況下HPS和E-ECHPS的仿真

7、，定量比較兩者的能耗，仿真結(jié)果顯示E-ECHPS的功耗相比HPS降低約30％。從轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應和轉(zhuǎn)向盤中間位置操穩(wěn)性三個方面考察了E-ECHPS的操縱穩(wěn)定性，通過雙紐線仿真對比HPS和E-ECHPS的低速轉(zhuǎn)向輕便性，結(jié)果表明E-ECHPS的轉(zhuǎn)向輕便性比HPS提高了約43.6％，HPS和E-ECHPS的階躍轉(zhuǎn)向和中間位置小轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果表明，E-ECHPS的中高速轉(zhuǎn)向“路感”顯著增強。
　　為了提高E-ECHPS車輛的高

8、速緊急轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，提出了基于微分幾何反饋跟蹤的E-ECHPS控制方法。建立了高速緊急轉(zhuǎn)向的非線性動力學模型，推導了仿射非線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程，運用微分幾何理論對系統(tǒng)進行精確線性化，在此基礎上研究了線性參考模型反饋跟蹤控制策略，通過階躍轉(zhuǎn)向仿真和單移線仿真，驗證了控制方法的正確性。
　　構(gòu)建了饋能型ESC的試驗系統(tǒng)，對饋能型ESC的輸出轉(zhuǎn)速，PWM整流器交流側(cè)電壓/電流、直流側(cè)電壓和超級電容電壓/電流等性能指標進行測試，試驗結(jié)果表明，