汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計與控制技術研究.pdf

1、本論文在國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金“基于冗余容錯的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)”和四川省科技廳重點科技攻關項目“汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)研究與開發(fā)”的資助下，以轉(zhuǎn)向管柱助力式EPS系統(tǒng)為研究對象，借助現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代設計方法和計算機仿真技術，緊密結(jié)合EPS產(chǎn)品開發(fā)的關鍵技術，著重研究轉(zhuǎn)向管柱助力式EPS系統(tǒng)的總體設計方案、控制過程的理論模型與動態(tài)性能、EPS系統(tǒng)的控制策略、魯棒容錯控制原理與方法、提高轉(zhuǎn)向跟隨性的途徑和方法、分析轉(zhuǎn)

2、向回正控制方法等關鍵技術問題。主要研究成果如下： (1)在對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能需求分析的基礎上，提出了轉(zhuǎn)向管柱助力式EPS系統(tǒng)的總體設計方案，應用三維CAD技術進行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計。通過分析EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)形式，確定了系統(tǒng)總體性能參數(shù)。詳細分析了EPS所涉及的技術領域以及關鍵技術問題，確定了研發(fā)EPS系統(tǒng)的需要解決技術難點問題。 (2)通過對EPS系統(tǒng)組成中各部件包括助力電動機、扭矩傳感器和齒輪齒條傳動軸、方

3、向盤等環(huán)節(jié)的分析，建立了EPS系統(tǒng)的動力學模型，并進一步變換得到了適合控制的狀態(tài)方程模型。通過對初始系統(tǒng)模型的動態(tài)性能仿真，分析了其初始狀態(tài)下的性能表現(xiàn)，指出了研究對象非控制狀態(tài)下的動態(tài)性能非常脆弱。為此，提出了基于極點配置的狀態(tài)反饋控制策略。利用狀態(tài)反饋與極點配置，在實現(xiàn)狀態(tài)反饋極點配置時，利用狀態(tài)觀測器或狀態(tài)估計器取得系統(tǒng)的狀態(tài)信號。討論EPS系統(tǒng)模型滿足一定系統(tǒng)性能約束條件下控制的助力特性、路感特性。 (3)在探討狀態(tài)反饋

4、控制下電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向路感問題的基礎上，提出了在方向盤固定時轉(zhuǎn)向阻力矩作用下方向盤反向轉(zhuǎn)矩(T<,b>)與轉(zhuǎn)向阻力矩(T<,1>)之比就能夠代表EPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向路感的評價方法。通過建立以T<,1>為輸入，T<,b>為輸出的狀態(tài)方程，來研究當轉(zhuǎn)向阻力矩(T<,1>)變化時，方向盤反向轉(zhuǎn)矩(T<,b>)的變化規(guī)律，從而得出狀態(tài)反饋控制下的EPS系統(tǒng)路感特性。 (4)分析了制約EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向跟隨性提高的因素，提出了角跟隨性是影響EP

5、S跟隨性能提高的主要因素的觀點。采用在動態(tài)過程中PID參數(shù)模糊自整定的控制算法，將線性PID控制與模糊控制兩者結(jié)合起來，組成的模糊PID控制，在動態(tài)過程中使PID參數(shù)得到改變，以便提高EPS系統(tǒng)角跟隨性控制響應速度，達到提高EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向跟隨性的目的。 (5)提出了主動回正控制的概念。建立了EPS系統(tǒng)回正時的狀態(tài)空間模型，制定了基于全狀態(tài)反饋的PD控制算法。通過對提出的控制算法進行仿真驗證，結(jié)果表明本文的算法可提高轉(zhuǎn)向盤的回正性

6、和穩(wěn)定性。 (6)基于容錯控制技術提出了針對傳感器故障的、基于能觀(或能檢)意義上的功能冗余容錯的概念并進行了證明。給出了能觀意義下傳感器重要度的概念和計算公式。該方法能有效地幫助我們確定EPS系統(tǒng)傳感器配置的數(shù)量，并且該方法對一般系統(tǒng)傳感器數(shù)量的確定具有普遍性意義。 (7)針對EPS實際系統(tǒng)中存在的不確定性，作者提出了采用基于魯棒容錯控制技術制定EPS系統(tǒng)控制策略和控制器的設計方法。分別針對傳感器故障的基于狀態(tài)反饋魯棒

7、容錯控制、基于Riccati型方程的魯棒容錯控制、基于狀態(tài)觀測器魯棒容錯控制，應用Lyapunov穩(wěn)定性理論和Lyapunov方程，研究了EPS在參數(shù)攝動的線性不確定性條件下對傳感器失效時具有完整性魯棒容錯控制的規(guī)律，得出了系統(tǒng)完整性魯棒容錯控制的充分條件，提出了EPS的完整性魯棒容錯控制設計方法和步驟。通過數(shù)值仿真分析，研究了EPS系統(tǒng)容錯控制器對于給定參數(shù)、在傳感器故障條件下的容錯控制的實現(xiàn)問題。 (8)將余度容錯技術應用于