電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)μ分析與綜合控制及試驗(yàn)研究.pdf

1、電動助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering System，以后簡稱EPS)比傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)緊湊及性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外學(xué)者、生產(chǎn)廠家的研究熱點(diǎn)。近年來，許多學(xué)者在系統(tǒng)建模、助力特性規(guī)則、EPS控制原理、控制方法、試驗(yàn)手段等方面進(jìn)行了卓有成效的研究，取得了大量研究成果，而且，各種類型的EPS產(chǎn)品先后研制出來，其應(yīng)用范圍從最初的微型轎車向大型運(yùn)輸車輛發(fā)展，然而，新的課題又?jǐn)[到了汽車工程師們面前。如

2、在微型車輛上行之有效的助力控制策略應(yīng)用到重型運(yùn)輸車輛上將不再適應(yīng)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在參數(shù)攝動和外部干擾的影響下，系統(tǒng)性能降低等等，這些都會給汽車行駛的安全性帶來不利影響。為了解決EPS發(fā)展過程中出現(xiàn)的新情況，本文從EPS控制基本原理入手，較系統(tǒng)地進(jìn)行了助力特性規(guī)律研究，提出了基于載荷、車輛速度、方向盤轉(zhuǎn)矩的助力電動機(jī)理想助力扭矩的特性曲線；利用方向盤轉(zhuǎn)角信號判斷駕駛員的操作意圖，分析了轉(zhuǎn)向助力控制、回正助力控制、回正阻尼控制的控制原理；針對轉(zhuǎn)向

3、助力過程中存在的參數(shù)攝動、外部干擾等不確定性影響，首次提出了用μ控制理論來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向助力控制系統(tǒng)，并對μ控制理論設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的參數(shù)攝動線性分式變換理論、外部干擾權(quán)函數(shù)建模等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了EPS試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了臺架試驗(yàn)和實(shí)車道路試驗(yàn)。
　　 首先，分析了影響轉(zhuǎn)向力矩大小的因素，建立了轉(zhuǎn)向力矩動力學(xué)模型，結(jié)合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能要求和特點(diǎn)，對助力特性進(jìn)行了較系統(tǒng)研究。提出了新型助力特性曲線，即結(jié)合載荷、車輛

4、速度和方向盤轉(zhuǎn)矩三個(gè)方面因素確定電動機(jī)理想助力扭矩的MVT型助力特性曲線，提高了轉(zhuǎn)向助力效果。
　　 其次，在分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制原理的基礎(chǔ)上，利用方向盤轉(zhuǎn)角信號和方向盤扭矩信號來判斷駕駛員的操作意圖。針對駕駛員在轉(zhuǎn)向過程中不同的操作意圖提出了轉(zhuǎn)向助力控制策略、回正助力控制策略和回正阻尼控制策略，并給出了阻尼助力線和回正助力線，對回正助力控制和回正阻尼控制給出了數(shù)學(xué)判定條件；應(yīng)用自適應(yīng)模糊PID控制和比例控制策略對回正過程進(jìn)

5、行綜合控制研究。仿真結(jié)果表明控制策略效果明顯。
　　 第三，對于EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最基本的轉(zhuǎn)向助力控制，首次提出了用μ控制理論進(jìn)行系統(tǒng)分析和綜合的思路。眾所周知，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)建模過程中會存在不同程度的簡化和建模誤差；在車輛實(shí)際運(yùn)行狀況下，模型中的參數(shù)會不同程度的改變；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會受到外界干擾力矩的影響；控制器性能會受到傳感器噪聲的影響，等等。而現(xiàn)代控制理論要求系統(tǒng)模型非常精確，因此模型的參數(shù)攝動和外界的各種干擾不可避免的影響EPS

6、控制系統(tǒng)的性能，造成系統(tǒng)性能惡化和不穩(wěn)定。本文利用μ控制理論分析電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)動力學(xué)模型中的參數(shù)攝動、傳感器測量噪聲、外界干擾(路面傾斜、側(cè)向風(fēng))力矩等不利干擾的影響，在求解控制器的過程中應(yīng)用權(quán)函數(shù)建模和線性分式變換理論對這些不確定性進(jìn)行了處理，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向助力過程的μ控制器。μ分析的結(jié)果表明該控制器具有更好的魯棒穩(wěn)定性和性能魯棒性。
　　 第四，根據(jù)新的控制策略，研究開發(fā)了以ARM S3C44BOX單片機(jī)為微處理器的EPS

7、控制器硬件，控制單元具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號采集和系統(tǒng)控制功能，同時(shí)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想開發(fā)了相應(yīng)的軟件程序。將控制硬件與軟件進(jìn)行集成調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期效果。
　　 第五，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了包含輪胎及懸架結(jié)構(gòu)的新型電動助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺架系統(tǒng)，用來模擬車速、載荷、結(jié)構(gòu)參數(shù)和道路行駛條件對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩的影響。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了助力特性曲線臺架試驗(yàn)研究、控制器抗干擾試驗(yàn)和回正性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本吻合。表明本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置可以模擬實(shí)車行