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《吉林大学》 2013年
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基于转向性能的电动助力转向控制参数灵敏度分析及优化

李绍松  
【摘要】:汽车电动助力转向(Electric Power Steering,EPS)系统在提供转向助力、减轻驾驶员操纵负担的同时,也能够提高汽车转向性能和驾驶舒适性,进而提高汽车的主动安全性。目前,EPS系统在国内外已经成为很多车型的标配,但在EPS系统开发过程中,EPS控制参数的确定主要依赖调试人员的实车主观感觉,同时转向性能与EPS控制参数之间存在多参数和多性能的相互影响,在一个工况匹配好的控制参数,在另一个工况可能不适用,导致EPS控制参数实车调试和标定周期较长且效果不理想。因此,理清转向性能与EPS控制参数的影响关系,获得满足转向性能要求的EPS控制参数取值,为EPS控制参数实车调试和标定提供理论指导,能够有效加快EPS系统匹配进度,缩短EPS系统开发周期。 结合国家高技术研究发展计划(863计划)课题―电动汽车底盘及整车控制关键技术‖(课题编号:2012AA110904)和吉林省重大科技专项―奔腾混合动力轿车电动助力转向系统匹配与开发‖(编号:20106001),本文搭建EPS系统与车辆模型联合仿真平台,通过模型仿真手段进行EPS控制参数与转向性能的灵敏度分析,理清转向性能与EPS控制参数间的敏感性关系,并在灵敏度分析研究结果基础上优化EPS控制参数,确定获得理想转向性能时的EPS控制参数。同时,考虑到EPS可以主动输出力矩,在EPS传统控制功能基础上,充分利用EPS系统现有传感器信号,开发EPS附加控制功能,在不增加EPS系统硬件成本情况下提高汽车转向性能。 论文的具体研究内容如下: (1)搭建EPS系统与车辆模型联合仿真平台 通过模型仿真手段从提高汽车转向性能角度对EPS系统进行研究,实现以车辆性能预测为基础开发EPS系统,能够有效节约EPS系统开发费用,缩短EPS系统研发周期。车辆模型是仿真平台的重要组成部分,为了实现对车辆系统的高精度描述,车辆模型选用CarSim商用软件;同时,为了方便对EPS系统的研究,基于Matlab/Simulink建立EPS系统模型,搭建EPS系统与车辆模型联合仿真平台。联合仿真平台的参数来源是保证模型精度的重要环节,为此基于KC试验台对某车型车辆参数和EPS总成特性进行测试,并对EPS总成特性的测试方法进行详细描述。 (2)基于转向性能的EPS控制参数灵敏度分析 作为电子技术与转向系统相结合的产物,EPS系统在提高汽车转向性能方面有很大潜力。但在EPS系统开发过程中,对转向性能与EPS控制参数的影响关系认识不十分明确,EPS控制参数的确定主要依赖调试人员的主观感觉,导致EPS系统开发周期较长。因此,理清转向性能与EPS控制参数间的敏感性关系,掌握转向性能评价指标与EPS控制参数的影响关系,能够为EPS控制参数实车调试和标定提供理论依据和指导。本文对EPS控制参数与转向性能灵敏度分析时,确定了考察的转向性能及具体评价指标,给出了灵敏度分析的EPS控制参数及变化水平,最后基于Isight软件确定出EPS控制参数与转向性能的灵敏度关系。 (3)基于转向性能的EPS控制参数优化 在EPS控制参数与转向性能灵敏度分析研究结果基础上,筛选确定对转向性能敏感性较高的EPS控制参数作为优化对象,基于转向性能优化确定获得理想转向性能时的EPS控制参数,对加快EPS系统匹配进度,指导EPS系统开发有重要意义。基于转向性能优化EPS控制参数时,确定了汽车转向性能的优化目标,并在EPS控制参数与转向性能灵敏度分析研究结果基础上,确定优化的控制参数及约束条件。同时,针对转向性能与EPS控制参数间存在的耦合现象,建立转向性能的综合评价指标进行多目标优化,确定出满足各转向性能要求的EPS控制参数取值。 (4)开发EPS附加控制功能 充分利用EPS系统现有传感器信号,在不增加系统硬件成本基础上,开发EPS附加控制功能,实现以附加软件形式提高汽车转向性能,进而掌握EPS附加控制功能的核心技术,缩小国内EPS产品与国外同类产品的差距。针对无转角传感器情况下EPS汽车回正控制实现困难问题,提出无转角传感器下的EPS主动回正控制方法,基于卡尔曼滤波估计轮胎回正力矩,以此为基础确定回正控制补偿电流,改善汽车回正性能;同时,提出EPS衰减转向盘冲击力矩控制方法,采用高通滤波处理方法区分有用路感信息和路面冲击力矩,并在估计的路面干扰力矩基础上,确定路面冲击补偿控制电流,衰减路面冲击产生的转向盘冲击力矩,提高EPS汽车抗路面冲击性能,进而提高驾驶的舒适性。 (5)搭建永磁同步电机EPS试验平台,对优化后的汽车转向性能和EPS附加控制功能进行实车试验验证 采用矢量控制方法进行永磁同步电机的底层驱动控制,开发永磁同步电机EPS原型控制器,并针对国内某品牌车型进行EPS实车改装,搭建永磁同步电机EPS实车试验平台。以优化确定的EPS控制参数为基础,结合主观评价人员的主观评价结果,调整确定EPS原型控制器中的控制参数,并进行EPS转向性能客观评价试验,验证优化后EPS样车的转向性能。同时,针对开发的EPS附加控制功能设定试验工况,验证无转角传感器下的EPS主动回正控制和EPS衰减转向盘冲击力矩控制方法的实车控制效果。 本文取得的创新性成果如下: (1)针对EPS系统开发过程中,对EPS控制参数与转向性能的关系不明确,控制参数的确定主要依赖调试人员的实车主观感觉,调试周期较长的现象,基于转向性能客观评价指标对EPS控制参数进行灵敏度分析及优化。确定EPS控制参数与转向性能评价指标的影响关系,在此基础上筛选确定对转向性能敏感性较高的EPS控制参数进行优化,确定满足转向性能要求的EPS控制参数取值,指导EPS控制参数的实车调试和标定,提高实车调试和标定效率。 (2)助力特性是EPS基本助力控制实现的关键,体现的是EPS助力大小和方向随驾驶员手力和车速的变化规律。多点折线拟合曲线助力特性在折线型助力特性的基础上,通过增加节点数量,能够达到曲线型助力特性的效果,具有很好的实际应用价值。针对多点折线拟合曲线助力特性多个助力调节特征点设计难的问题,对多点折线拟合助力特性进行转矩区域划分,确定EPS助力特性具体转矩区域与转向性能的灵敏度关系,指导EPS助力特性参数的设计。 (3)充分利用EPS系统现有传感器信号,开发EPS附加功能控制算法,在不增加EPS系统硬件成本基础上,以附加软件形式提高汽车转向性能。针对无转角传感器的EPS汽车回正难解决问题,在准确估计轮胎回正力矩基础上,进行无转角传感器下的EPS主动回正控制,改善汽车回正性能;同时,开发EPS衰减转向盘冲击力矩控制方法,提高EPS汽车的抗路面冲击性能,进而提高驾驶的舒适性。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:U463.4

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