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汽车线控转向系统能效提升方法及优化控制

赵慧勇  
【摘要】:线控转向技术是实现汽车智能化、网联化、电动化的关键技术之一。作为线控转向系统的重要元件,路感电机和转向电机是汽车低压电气系统中较大的耗能元件,其在频繁转向中产生的能耗及由此带来的汽车电源系统的负荷变化及汽车节能减排问题不可忽视。为此,本文开展了汽车线控转向系统能效提升方法与优化控制的研究。首先基于汽车动力学知识,采用Carsim-Simulink联合仿真的方式构建线控转向系统仿真平台。基于该仿真平台,测试了定传动比、变传动比、PID计算传动比三种传动比控制模式的线控转向汽车的跟随特性和稳定性。之后,通过分析汽车常见转向工况的转向能耗,得出了线控转向能耗大于助力转向能耗的结论,提出了基于结构改进和原系统结构参数优化的能效提升方法。并以电驱动转向单元为例进行了能效提升的结构参数优化分析,建立了该电驱动转向单元的参数化模型,得到了机械系统随压力角变化的效率曲线、系统效率区域分布云图及最优参数取值云图,提出了一种两挡减速比的设计方案。该方案在双移线转向工况中的仿真结果表明:综合能效提升在5%之内。接着,采用低能耗的可控变阻尼单元,完成了电驱动转向单元和转向盘单元的能效提升结构改进设计。可控变阻尼单元是采用根据变容积原则设计的电驱动变阻尼旋转式液压阻尼器,也可用于动力方向切换。文中给出了该阻尼器叶片的导轨曲线的方程,建立了阻尼器数学模型,提供了阻尼系数的计算和调整方法。仿真表明,该阻尼器可实现大范围阻尼系数的调正。基于该阻尼器,完成了具有节能功能的电驱动转向单元和转向盘系统结构改进设计。以在电机和小齿轮之间增加旋转动力换向装置为特点的电驱动转向单元,具有让来自轮胎的回正力矩在某些时候通过动力换向装置直接传递到底盘的功能,而不通过电机,从而降低转向能耗。为此,采用能耗最优预测控制原则,设计了阶跃控制和跟踪控制两种控制模式及控制算法,通过预测一段时间内转向电机在转角跟随模式和阶跃递增模式下的能量消耗,选择能量消耗低的控制模式实现能效的提升。这种控制策略在Carsim-Simulink的联合仿真验证结果表明:在弯道工况的能耗节约近80%,但在双移线工况中,由于转角速度大,无法实现能量节约。改进后的转向盘系统的结构特点为:采用扭转弹簧、电机、阻尼器组成新型转向盘装置,使得路感力矩基本由扭转弹簧、阻尼器等提供,减少路感电机的作用时间和输出力矩。为此,设计了非线性PID控制算法控制进行阻尼器的变阻尼系数控制,制定了转向盘转向、保持、回正、自由回正工况的算法与策略,实现了转矩跟踪、转角回正控制,及各工况之间的自动切换控制。基于Carsim-Simulink联合仿真的结果表明,这种控制策略节能效果良好,弯道工况节能达到80%,双移线工况达到45%。最后,完成了线控转向系统的试验台架的初步设计。该台架采用国外Senso-drive系统为转向盘系统进行路感力矩模拟、转向盘回正控制,基于飞度电动转向器、MPC5604P单片机、驱动电路组成的电驱动转向单元进行前轮转向控制模拟,由MPC5604P单片机、交流伺服电机、支架、转向节、主销组成的回正力矩模拟单元模拟转向过程的回正力矩。三者通过CAN总线通讯,实现线控转向的控制验证。


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