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汽车电动助力转向系统动力学分析与控制方法研究

刘照  
【摘要】:电动助力转向系统(EPAS)代表未来动力转向技术的发展方向,它具有体积小、重量轻、结构简单、安装和维修方便、节能环保的优点,更重要的是它具有优越的性能如可随车速变化调整转向助力大小从而可获得不同的转向路感,可广泛应用于轿车、货车等众多车型,国外已有多家汽车公司采用此种先进的转向系统。我国汽车产业急需研究开发这种高新技术产品,因此对这种转向系统进行研究和开发是十分必要的。 本学位论文旨在研究汽车电动助力转向系统的动力学分析、建模、控制以及与之相关的车辆操纵动力学的一般规律,为电动助力转向系统的设计与开发提供理论基础,填补国内在该领域的研究空白,提高国内电动助力转向系统研究水平。本文的研究成果主要有: 对EPAS中的两种助力传动机构方案即蜗轮蜗杆机构和差动轮系机构方案进行了运动学和动力学分析与比较,考察了它们对转向性能如灵敏度和手感的影响,并通过算例比较了它们的异同,得到的一些结论对于在不同车型上EPAS的应用具有指导意义。 通过对转向力矩形成机理及影响它的因素分析,结合汽车操纵动力学模型、转向系统动力学模型和轮胎侧偏特性的半经验模型,建立了较完善的转向力矩动力学模型,并通过数值计算考察了车速、转角差、切向力等对转向力矩的影响,这对于后续转向助力特性曲线的设计和控制策略研究打下了理论基础。 通过对EPAS组成中各部件包括助力电动机、传感器和脉宽调制(PWM)等环节的分析,建立了EPAS系统的动力学模型,并进一步变换得到了适合控制的状态方程模型。 提出了评价EPAS与汽车综合系统操纵性能的指标如转向灵敏度、路感,并通过汽车操纵动力学和EPAS系统动力学的综合分析,推导了转向灵敏度和路感的表达式,然后考察了EPAS系统各参数(包括助力机构传动比、电动机转动惯量等)对这两个指标的影响,在此基础上建立了其稳定性准则。最后在满足稳定性准则约束条件和最大化目标函数——转向路感的基础上,建立了电动助力转向系统参数的优化设计模型,并给出了算例。 在提出转向助力特性曲线设计原则的基础上,结合转向路感和汽车操纵稳定性,提出了线性和非线性助力特性曲线的设计方法,并分别推导了这两种类型的助力特性曲线的转向路感,提出了它们必须满足的路感条件。这为EPAS系统的实际应用打下了理论基础。 考虑到EPAS系统中存在的控制对象模型的不确定性和传感器噪声、路面干扰等难 WP=5 题,提出了一个基于 控制理论中混合灵敏度方法的鲁棒控制器设计方法,得到了控制器,并通过数值仿真与常规的超前——滞后控制器进行了比较,验证了其有效性。 独立地开发了一个基于MATLAB/Simulink的EPAS系统和车辆系统动力学仿真软件,这对于验证各种控制方法的有效性、缩短系统开发时间提供了重要的理论依据。 研制了EPAS系统试验装置包括硬软件系统,并利用此试验装置进行了助力性能试验,对基于混合灵敏度方法设计的EPAS鲁棒控制器进行了验证。


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