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基于车辆稳定性的电动助力转向系统控制算法研究

樊杰  
【摘要】:对于电动助力转向系统的研究与开发,控制器是一项关键技术,而控制算法又是控制器的核心。目前,国内外的EPS研究学者主要致力于研究EPS的助力控制方面,很少将整车的操纵稳定性考虑到EPS控制算法当中。而汽车操纵稳定性是当今汽车研究的一个重要课题。影响汽车在高速时操纵稳定性的方面有很多,其中转向系统对驾驶员的力反馈作用对汽车操纵稳定性有很大影响。EPS系统的优势就在于可以通过软件算法改变助力电机输出力矩,助力矩的改变就可以调节转向系统的力反馈特性。因此,有必要将车辆稳定性的因素考虑到原有EPS控制算法当中。 方向盘转矩补偿控制算法就是基于车辆稳定性对EPS控制算法的一个补充改进。它通过反馈的横摆角速度等车辆行驶状态变量,决策方向盘转矩的补偿值,与方向盘转矩传感器输入的值相叠加,之后进入EPS助力控制算法当中,按照助力特性输出电机助力矩。这样,通过助力矩的改变调节了高速行驶的车辆的转向力反馈,致使EPS转向系统能够对车辆的稳定性起到积极影响,它通过影响驾驶员的感觉使其对方向盘的操纵更为合理,稳定性随之提高,获得本质的改善。 论文的主要研究内容包括: 1.对EPS助力控制算法进行研究。讨论了助力特性曲线的定义及分类,选取直线型助力特性曲线,确定了基准车速下的三个主要的助力特征参数,计算一些典型车速的车速感应系数,并通过拟合的方法得到整个车速范围内车速感应系数,这样就确定了全车速范围的助力特性曲线。然后对回正控制算法进行研究,利用方向盘转角及转角速度对回正状态进行判别,基于理想的回正参考模型,设计滑模控制算法控制回正过程,解决了PID控制对于高速和低速回正工况需要调节PID参数的问题。再之后,研究了电机电流控制算法,通过增量式PID控制方法,保证电机能够按照助力需求提供助力矩。 2.在EPS助力控制算法研究的基础上,对考虑了车辆稳定性因素的EPS方向盘转矩补偿控制算法进行研究。通过对横摆角速度,车速,侧向加速度等设定门限,来对EPS方向盘转矩补偿控制的进入及退出进行状态判别,制定了进入与退出的判别流程。以二自由度汽车模型作为能够保持车辆稳定性的理想行驶状态,在此基础上,考虑轮胎附着极限等行驶条件,计算出理想横摆角速度。由横摆角速度传感器获得的车辆反馈横摆角速度与计算出的理想目标横摆角速度的差值,作为模糊控制算法的控制变量,模糊控制算法能够克服系统的非线性,得到方向盘力矩的补偿值。再通过一些其它行驶变量对补偿值加以修正和限值。 3.基于MATLAB/SIMULINK平台,建立基于车辆稳定性的电动助力转向控制系统仿真平台。仿真平台包括整车动力学模型、EPS控制系统模型、驾驶员模型及GUI图形用户界面四部分。整车动力学模型包括轮胎动力学模型、车轮车身模型及EPS转向系统动力学模型等。驾驶员模型的建立使得能够建立完整的人车闭环系统,为仿真提供了充分的条件。 4.讨论了有关EPS性能和车辆稳定性方面的评价方法及评价指标。在仿真平台的基础上,根据评价方法的要求和评价指标,对控制算法进行仿真验证。所研究的助力特性曲线能够保证低速和原地转向过程的转向轻便性。滑模回正控制算法能够使车辆达到良好的回正效果,并且效果优于PID控制。仿真中,电机的实际电流能够很好地跟随目标电流,验证增量式PID控制算法的有效性。仿真结果表明EPS方向盘转矩补偿控制算法能够改善车辆转向系统的力反馈,为驾驶员提供更多的“路感“,有效得提高了车辆行驶的稳定性。


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