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电动助力转向系统操纵性能及控制策略研究

李欣  
【摘要】: 随着电动助力转向(Electric Power Steering,简称EPS)系统越来越被广泛应用在轿车上,人们对EPS系统的操纵性能要求也越来越高,这给EPS系统控制器的设计提出了极大的挑战。 本论文针对EPS系统在汽车转向与回正工况下的各项操纵性能要求及其影响因素,设计一种内外环双层结构的控制器。所设计的控制器首先在EPS系统模型中进行仿真分析,然后进行软硬件实现,并在台架和实车试验中对仿真结果进行验证,从而证明本文设计的控制器能够有效提高EPS系统的操纵性能。主要的研究内容和成果概括如下: 一、建立了EPS系统的动力学模型和简化的两自由度汽车模型。通过分析EPS系统原始动态性能,提出系统中存在的不确定因素,并详细分析了不确定因素对操纵性能造成的影响。针对EPS系统的各项操纵性能要求,设计一种内外环双层结构的控制器,包括主环路控制和伺服环路控制。针对汽车在行驶过程中的转向和回正工况,主环路控制分为转向控制策略和回正控制策略。 二、在主环路转向控制策略中,提出了一种由分段多项式确定助力特性曲线的方法,此方法确定的助力特性曲线能够为驾驶员提供比较好的“手感”,但同时也为EPS系统带来了非线性因素。为了实现EPS系统在不确定干扰因素影响下的转向操纵性能,设计了保证EPS系统时滞相关鲁棒镇定的H∞鲁棒模糊状态反馈控制器。仿真结果表明,所提出的转向控制策略能够保证转向过程中的操纵性能要求:提高转向轻便性和“路感”,改善转向跟随性和转向力矩平顺性,使系统具有鲁棒稳定性。 三、在主环路回正控制策略中,为了克服转向系统的参数摄动、外界干扰以及非线性摩擦,采用基于参考模型的滑模控制算法实现EPS系统的回正控制,并设计滑模观测器观测不可直接测量的状态量。仿真结果表明,所提出的回正控制策略不仅能够实现EPS系统在汽车低速时的回正性能,而且能够提高汽车高速时的操纵稳定性。 四、提出EPS系统伺服环路控制策略的设计方法。针对助力电机存在的两大扰动因素:摩擦和外部干扰,采用基于干扰观测器的PID控制算法。仿真结果表明,所提出的伺服环路控制器对于干扰起到了很好的抑制作用,目标电流的跟踪性能得到很大的改善。 五、从硬件和软件上设计EPS系统双层结构控制器。设计开发EPS系统的试验台架,进行转向轻便性和转向跟随性的操纵性能试验。将EPS样机安装在某型号的轿车上进行转向和回正性能实车试验,试验结果验证了所建立的EPS及两自由度汽车模型及参数的正确性,进一步证明本文提出的控制策略能够实现EPS系统操纵性能要求。 本文针对EPS系统的操纵性能要求及其不确定影响因素,研究、设计并实现一种双层结构控制器。通过仿真及试验,验证了本文所提出的内外环双层结构控制器较传统的单层结构PID控制器,更能满足EPS系统的操纵性能要求,具有一定的理论价值和实用价值。


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