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《吉林大学》 2019年
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面向驾驶品质的汽车电动助力转向方法的研究

雍文亮  
【摘要】:随着控制、传感、通信和电子技术的飞速发展,汽车工业已经从一百多年前的纯机械系统逐渐向信息物理系统迈进,大量先进传感和控制算法应用到汽车产品上,汽车工业进入数字化时代,电控转向技术成为汽车转向系统的主要发展方向。当前,汽车在全世界范围内迅速普及,电动助力转向系统(Electric Power Steering system,EPS)在汽车上得到广泛应用,随着科技的发展和物质生活水平的不断提高,人们对汽车转向的驾驶品质提出更高要求,不仅要求汽车易驾驶,当存在外界干扰时,汽车具有良好的稳健性,毋需驾驶员频繁修正转向,驾驶员能够根据已有驾驶经验良好操控不同车型的汽车,还要求汽车的驾驶感觉良好,能够提供舒适的转向力感反馈,在使用一段时间后或者在颠簸道路上行驶后汽车的转向性能不会下降,驾驶感觉不发生改变。驾驶品质成为国际汽车产品的核心竞争力之一。为了保证汽车具有良好的驾驶品质,一方面,汽车厂商依赖工程标定方法,通常在汽车产品开发后期,通过主观评车师进行实车场地试验迭代修正EPS助力特性,从而调校汽车转向驾驶感觉,然而,经典EPS通过驾驶员操作力矩和车速的非线性二维场直接计算助力矩,其耦合了人的驾驶意图和车辆动力学特性等因素,加大了转向感觉标定难度,标定工作量大、成本高;另一方面,汽车厂商纷纷提高汽车底盘系统的制造、装配精度和车轮定位精度要求,汽车零部件企业也不断提高零部件加工精度要求,转向机采用精密机械加工,以保证转向系统的生产一致性,然而,经典EPS通过开环控制方式实现助力,使用一段时间后或者在颠簸道路上行驶后,汽车的功能部件性能衰退,将会导致汽车转向特性改变,难以保证转向性能的一致性。因此,使用低成本开发制造平台制造出具有高水平驾驶品质的汽车成为国际汽车的发展愿景和技术难题之一。本文针对经典EPS通过转向盘力矩和车速的非线性场直接计算助力矩,耦合了人的驾驶意图和车辆动力学特性等因素,加大了转向感觉的标定难度的问题,提出了一种EPS助力特性分解方法,为EPS助力特性设计提供理论依据,减小转向感觉的标定难度;针对经典EPS采用开环的控制方式不能解决汽车转向性能下降的问题,基于现有转向助力机构和车载传感,提出一种基于转向角闭环的EPS控制方法,提高汽车转向的驾驶品质和转向性能一致性;提出一种基于路面类型分级的EPS控制策略,提高在不同类型路面上转向路感和稳定性。本文的主要研究内容如下:第一,汽车转向动力学模型及经典EPS控制方法研究。建立了汽车转向动力学模型和功能完备的经典EPS控制模型,通过仿真和实车场地试验对比分析,验证了模型的准确性,为车辆动力学特性的测试标定、电控系统功能开发和汽车转向感觉的调教提供虚拟测试、验证平台,通过虚拟试验替代实车场地试验大幅缩短调校周期、降低车型匹配难度、节约开发成本。第二,转向助力稳态特性的动力学机理及计算方法研究。针对经典EPS通过转向盘力矩和车速的非线性场直接计算助力矩,耦合人的驾驶意图和车辆动力学特性等因素,加大了转向感觉标定难度的问题,首先从生理学的角度分析了人体对汽车运动的感知机理,从控制的角度分析了驾驶员的转向操作行为,继而提出以侧向加速度和转向角作为中间变量,将EPS助力特性分解为驾驶风格、汽车操纵动力学逆特性和转向系统动力学逆特性三大功能模块,基于模型标定了汽车操纵动力学和转向系统动力学的稳态逆特性,采用差分进化算法对现有实际汽车驾驶风格进行了辨识,为EPS助力特性的设计提供了理论依据,降低了转向感觉的设计和调校难度。第三,基于转向角闭环的EPS控制方法研究。针对经典EPS采用开环的控制方式不能解决汽车转向性能下降的问题,基于内模原理,提出带直馈和前向通道逆系统校正的EPS转向角闭环控制方法。通过在系统的前向通道上采用转向系统动力学的稳态逆特性来校正转向系统的非线性特性,从而将被控系统归一化,大大减小了控制器设计难度。采用高斯-牛顿迭代算法辨识了等效被控系统的传递函数,探索了控制器参数多目标设计方法,通过H∞范数非光滑优化算法对控制器参数进行了鲁棒设计,提高了系统鲁棒性。所提出的控制方法保证了汽车驾驶品质和转向性能的一致性,同时统一了转向助力和回正控制,亦不需要额外的动态补偿,降低了转向机的制造、装配精度要求,使得采用低成本开发平台制造的汽车具有高水平驾驶品质成为可能。第四,不同类型路面上的转向路感控制。提出一种基于路面类型分级的EPS控制策略,基于典型路面数据进行了路面类型识别,根据不同路面类型对控制目标进行修正,提高了在不同类型路面上的转向路感和转向稳定性,试验结果表明,算法具有较好的工况适应性。最后,通过理想的转向感觉设计了汽车驾驶风格,在驾驶模拟器环境下试验验证了本文提出的EPS控制方法在汽车转向性能一致性控制方面的有效性和架构优越性,能有效提高汽车驾驶品质,工况适应性好,能有效降低转向机设计和制造难度,通过合理的汽车驾驶风格设计,使得采用低成本开发平台制造的汽车具有高水平驾驶品质成为可能。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:U463.4

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