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汽车电动转向器动力学建模与控制仿真分析

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汽车电动转向器动力学建模与控制仿真分析

摘要汽车电动转向器是一种新型的汽车转向助力系统。文章先对EPS系统原理及结构进行说明,介绍了三种EPS典型助力曲线,建立了机械转向系统数学模型、EPS系统数学模型,文中提出了EPS系统控制目标,说明了EPS系统的PID控制策略,介绍了电动助力转向系统中的三种控制模式助力控制模式,回正控制模式,阻尼控制模式,文章重点研究助力控制。并建立了机械转向系统、EPS系统和基于PID控制的系统三种数学模型,然后应用MATLAB的SIMULINK模块进行运动仿真,通过调整参数和分析参数,来研究系统稳定性随参数变化的影响。仿真结果表明,所设计的PID控制对能对转向系统模型进提供助力控制,同时能使系统满足很好的动态性能。关键词电动转向器;助力控制;MATLAB/SIMULINK;仿真IIABSTRACTELECTRICPOWERSTEERINGISANEWAUTOMOTIVEPOWERSTEERINGSYSTEMTHISARTICLEFIRSTONTHEPRINCIPLEANDSTRUCTUREOFEPSSYSTEMAREDESCRIBED,THREEKINDSOFTYPICALEPSPOWERCURVEISINTRODUCEDINTHISPAPER,THEMATHEMATICALMODELOFTHESYSTEM,THEEPSSYSTEMMATHEMATICALMODELOFTHEPUREMECHANICALSTEERINGSYSTEMISESTABLISHEDINTHISPAPER,THETARGETCONTROLOFEPSSYSTEM,THECONTROLSTRATEGYOFEPSSYSTEMOFPID,THISPAPERINTRODUCESTHREEKINDSOFCONTROLMODEOFELECTRICPOWERSTEERINGINPOWERCONTROLMODE,RETURNCONTROLMODE,THEDAMPINGCONTROLMODE,THISPAPERFOCUSESONTHESTUDYOFPOWERCONTROLUNDERPUREMECHANICALSTEERINGSYSTEM,EPSSYSTEMANDPIDPOWERCONTROLOFEPSSYSTEMBASEDONTHEMATHEMATICALMODEL,THEAPPLICATIONOFMATLAB/SIMULINKSIMULATION,PARAMETERS,ANDANALYSISOFINFLUENCEPARAMETERSONTHESTABILITYOFTHESYSTEM,ANDTHEUSEOFPIDCONTROLSTRATEGYFORPOWERCONTROLOFTHEMODEL,ANDTHATTHESYSTEMCANMEETTHEDYNAMICPERFORMANCEISVERYGOODKEYWORDSELECTRICPOWERSTEERING;ASSISTCONTROL;MATLAB/SIMULINK;SIMULATIONV目录摘要IABSTRACTII目录V1绪论111本课题的研究背景和意义112国内外的发展概况113本课题应达到的要求22电动转向系统的动力学模型321电动转向系统的结构和工作原理322EPS典型助力曲线523EPS动力学的模型7231机械转向系统数学模型7232EPS系统的模型824EPS稳定性与转向助力增益分析10241转向助力增益的确定10242EPS稳定性与转向助力增益关系113EPS系统控制分析1631系统控制的目标1632EPS系统的控制策略1633系统的控制模式1734系统的补偿控制18341补偿控制原理18342补偿控制的作用184EPS系统的仿真与分析1941MATLAB/SIMULINK仿真平台的介绍1942系统仿真参数取值1943机械转向系统仿真与研究20431机械转向系统的SIMULINK模型20432汽车机械转向系统在阶跃输入时不同参数下的仿真研究22433不同参数对系统性能影响的仿真分析2844EPS转向系统仿真与研究28441EPS系统的SIMULINK模型28442EPS系统加入PID控制的SIMULINK模型30443EPS系统加入PID控制的仿真与分析3245不同系统的比较仿真与分析365结论与展望4051主要结论4052不足之处及未来展望40VI致谢41参考文献41附录42汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究11绪论11本课题的研究背景和意义目前汽车已经走入寻常百姓家中,人们对汽车需求逐渐增大。随着科学技术的不断发展,对汽车操纵性能的要求也日益提高。为了能使车辆停车或低速时,能够使方向盘转动轻松操作,又能够使汽车在高速行驶平稳,随着转向系统不断地向前发展,从机械式转向系统,到机械液压动力转向系统,再到电控液压助力转向系统,直至现代的节能,操纵性能更好的EPS阶段。现代汽车技术追求节能、舒适和安全等三大目标。节能与环境保护密切相关联,是当今全球性最热门和最受关注的话题之一。电动转向器是一种新型的汽车转向系统,EPS系统能够根据车辆的状况,提高操纵性能、回正稳定性能、抗干扰性能,这些控制是在并不需要改变硬件而通过软件来实现。传统的液压转向系统只具有单一的特性曲线,并不具备提高上述性能的能力。虽然在液压动力转向系统中装有电子伺服系统,构成了电控液压助力转向系统,虽然能够获得可变操纵力特性,但响应性能和传动效率等原有系统的固有缺陷并没有得到很好的改善。电动助力转向系统的优势体现在下面几个方面1采用电能做能源,利于环保。EPS产品的重复利用率相当高。传统的液压转向系统的回收利用率只有85左右,而EPS中的95可以再回收利用,另外EPS还可以降低了产生的噪声1。2与液压系统相比,降低了燃油消耗。与传统的液压系统相比,在不转向情况下和在转向情况下,燃油的消耗也得到不同种程度的降低。3改善了车辆的回正性能。通过试验可以容易得到从最低车速到最高车速的一系列的回正性能曲线,转矩性能能使电动转向系统转向能力得到显著的提高,同时提供了与车辆动态性能相适应与转向回正性能,而传统的液压助力转向系统没有此功能。4增强了转向跟随性能,减小了转向迟滞效应。在EPS中,助力机构和电机直接相连,其能量直接可用于车轮的转向。EPS可系统利用惯性减振器的作用,使车轮的反转和转向前轮摆振很大的程度减小,从而使汽车EPS的抗扰动能力大大增强。12国内外的发展概况由于EPS元件少,所以方便组装,并特别适合于使用在小排量发动机的微型车。一些发达国家,电动助力转向器比较成熟。1988年2月,日本在铃木CERVO的汽车配备了EPS系统,然后应用到奥拓车。在此之后,EPS在日本得到迅速发展。日本HONDA公司,德国ZF和TRW公司,也已经开发自己的EPS。本田在爱克NSX跑车配备了EPS,市场反应效果良好。DAIHATSU的MIRA汽车,三菱汽车MINICA也配备了EPS系统2。欧洲和美国研发EPS投入了巨大的财力和人力。德尔福汽车成功为大众波罗、欧宝和菲亚特PUNTO开发了EPS。TRW自1998年以来,开发的EPS最初应用于乘用车,但以后用在福特嘉年华和MAZDA323F的汽车,两大汽车公司TRW和德尔福EPS生产能力已达40万台,并在全球汽车零部件市场销售3。在2000年,德国梅赛德斯奔驰和西门子汽车两家公司共同投资6500万英镑4。无锡太湖学院学士学位论文2目前,EPS已被应用在汽车上,其优异的性能已得到公认。随着直流电动机性能的不断改进,EPS助力能力将进一步地提高,并进一步扩大其应用范围,并将可能在动力转向领域中占据主要地位。根据某公司的预测,2020年全世界所生产的轿车中将有50装有EPS。尤其是混合动力汽车HEV、低排放汽车LEV、电动汽车EV和燃料电池汽车FCEV四大“EV”车,将能够构成汽车未来发展的主题,带来EPS光明的应用前景5。EPS技术在国外日趋成熟。为了以进一步扩大市场份额,日本JTEKT、日本SEIKO、韩国万都、美国DELPHI、德国ZF等相继在中国成立了EPS生产企业,这些企业占据并垄断着国产车型EPS市场。在中国,EPS研究起步较晚,国内汽车电子行业的整体发展落后,再加上国外的技术垄断和封锁,可以实现大规模生产的国内生产商少,导致装配率较低。数据显示,2009年,国内汽车产销量1300万以上,但EPS只有14装配率,外商独资企业和合资企业占约81的EPS市场,而当地企业只占有约9的市场份额。自主品牌奇瑞A3,荣威,夏利N5和吉利豪情等高端车装备EPS,其他品牌很少装配的EPS,而荣威系列和奇瑞A3自主汽车产品,高价格,但销量不大,合资车标准EPS类型主要有一汽丰田,一汽大众迈腾,一汽丰田皇冠和锐志,一汽丰田RAV4,上海大众SKODAOCTAVIA,东风本田CRV,广汽丰田汉兰达,上海排量20升大众TIGUAN。这些高端汽车的市场销售,价格均超过15万6。国内部分院校,科研机构和企业的EPS技术的研究和开发已初见成效。中国太平洋世纪汽车系统有限公司,通过了收购通用汽车的耐世特汽车转向系统业务,有可能获得EPS核心技术7。13本课题应达到的要求本文首先对EPS的工作原理及国内外现状作了分析,分别建立了机械转向系统数学模型、EPS动力学的数学模型,同时粗略介绍电动转向系统中的三种控制模式助力控制模式,回正控制模式,阻尼控制模式。通过数学模型和PID控制理论进行助力控制模式MATLAB\SIMULINK仿真分析。1论述了EPS系统的特点、优点、主要类型以及研究现状和发展前景。2介绍了EPS系统的组成和工作原理。3应用MATLAB\SIMULINK软件分别建立机械转向系统、EPS系统、基于PID控制的EPS的模型,进行EPS仿真,最后给出PID控制策略。4给出本文研究的结论、不足之处和展望。汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究32电动转向系统的动力学模型21电动转向系统的结构和工作原理图21是典型的转向轴式电动助力转向系统结构简图,电动助力系统是根据机械转向系统的基础上进行改进的。图21EPS系统结构简图8该电动助力转向系统主要由四部分构成,分别为机械转向装置、转向助力机构、扭矩传感器和ECU控制装置。1、助力电机助力电机的主要功能是根据控制单元的指令输出合适的助力转矩,是电动转向器的动力源,采用无刷永磁式直流电动机。。表21是本课题所采用电机的参数。采用电机的参数表EPS12类型直流电机最大电流35A额定电压12V额定转速1210RMP额定扭矩176NM感应系数150ΜH电枢绕组电阻015Ω无锡太湖学院学士学位论文42、离合器离合器使用电磁式离合器,它案装在减速机构一侧。根据车速的快慢来控制离合器的控制单元,其作用是确保EPS只能在预先设定的车速范围内工作。如果停车或车速低于设定值,接合离合器,电机提供助力。当超过设定车速时,切断离合器,电机将停止工作,转向系统转为手动转向。另外,如果电机发生故障时,离合器也将自动分离。3、扭矩传感器扭矩传感器由钢球、扭杆、滑块、电位器和环等构成。它的工作原理为将扭杆检测的方向盘扭矩的方向和大小,经钢球、滑块、环转换为机械位移信号,再经电位器转换为电压信号,输入控制单元。图22为扭矩传感器特性曲线,横坐标为方向盘的扭矩,纵坐标为扭矩传感器输出电压值。由图上可以看到扭矩传感器有两个输入端,分为主信号MAIN端和副信号SUB端。这两个信号都进入控制单元,并作为输入信号。方向盘不转动,即在中间位置,两个信号电压都为25V。方向盘右转时,MAIN端电压大于25V,右转扭矩与MAIN端电压成比例的增大,一般情况下,EPS中方向盘最大输入扭矩为5NM,此时,MAIN端电压为5V。方向盘左转时,MAIN端电压小于25V,方向盘左转随受到的扭矩增大,MAIN端电压成比例的减小。MAIN端和SUB端的原理相似,只是符号相反。4、控制单元控制单元的主要功能是根据车速信号和扭矩传感器,当逻辑分析和计算后,发出指令,来控制离合器和电机的动作,控制器ECU的基本组成如图23所示。图22扭矩传感器特性曲线汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究5图23ECU的组成结构105、减速机构减速机构采用蜗轮蜗杆传动方式,通过电机与电磁离合器连接,能起到增大助力扭矩和减速的作用,它的传动比决定了放大直流电动机输出扭矩的倍数。为了提高使用寿命和降低噪声,减速器蜗轮可采用树脂材料制造。22EPS典型助力曲线图24EPS典型助力曲线EPS的助力特性具有多种曲线形式,图24为三种典型EPS助力特性曲线13。1、直线型助力特性图24A为直线型助力特性曲线。其特点是在助力变化区,助力与方向盘扭矩成线性关系。直线型助力特性是在助力区域范围内,方向盘力矩和助力力矩成线性关系。该助力特性曲线可用以下函数表示为无锡太湖学院学士学位论文6DMAXDMAXDMAXD0D0DD0DD00TTITTTTTVKTTI21式中,I为电动机的目标电流;DT为方向盘输入扭矩;MAXI为电动机的最大工作电流;KV为助力特性曲线的斜率;0DT为汽车转向系统开始助力时的方向盘输入扭矩;MAXDT为转向系统能够提供最大助力时的方向盘输入扭矩。2、折线型助力特性图24B所示为折线型助力特性曲线。其特点是在助力变化区,助力扭矩与方向盘扭矩成分段函数的关系。该助力特性可用函数以下表示为DMAXDMAXDMAXD1D0D1D11DD2100D10DD00TTITTTTTVKTTVKTTTTTVKTTIDDDD22式(22),1VK、2VK分别为助力特性曲线的斜率;1DT为助力特性曲线斜率由1VK变为2VK时的方向盘输入扭矩。3、曲线型助力特性图24C为典型曲线型助力特性。它的特点是在助力变化区,助力与方向盘输入扭矩成非线形关系,曲线型助力特性是在助力变化区域范围内,助力转矩与转向盘转矩成非线性关系。该助力特性曲线可用以下函数表示为DMAXDMAXDMAXD0DD0DDT00TTITTTFVKTTI23式中,VK为助力特性曲线的斜率;DTF为助力特性曲线的函数。通过分析三种不同的助力特性曲线可知,直线型助力特性最简单,控制系统设计方便,并且在运用中能够调整;曲线型助力特性复杂,不易便调整;折线型助力特性则介与两者之间。从设计、调整和使用的角度看,采用直线型助力特性可以很好地满足实际要求。汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究723EPS动力学的模型231机械转向系统数学模型首先对汽车机械转向系统的结构和动力学性能进行分析,通常机械转向系统采用齿轮齿条式机械转向系统,模型如图25所示。图25机械转向系统模型可得到如下运动方程HHHSRHSDHHFBRXKTJ21XTRRRSSRHSFFXBRRXKXM22RTTRXKF23上式为所建立的机械转向系统的动力学方程,其参数详见表22表22机械转向系统采用的参数变量含义变量含义RX齿轮齿条的位移SK转向柱的刚度M转向横拉杆的质量SR主动小齿轮半径RB转向横拉杆的阻尼系数DT方向盘扭矩H方向盘转角HF系统非线性特性HJ转向柱的转动惯量XF系统非线性特性HB转向柱的阻尼系数TK系统负载系数无锡太湖学院学士学位论文8232EPS系统的模型EPS系统是一个强耦合,非线性多变量系统,建立如图26所示的EPS系统模型。图26EPS系统模型为了建立EPS系统动力学方程,将图26所示的简化EPS模型分割成三个组件,这三个组件的主要运动变量分别是方向盘转角H、齿条平移位移RX和电机转角M。1方向盘转向轴组件运动方程如图27所示,为该部件受力分析,根据理论力学相关公式,根据受力分析可以的得到运动方程为图27方向盘转向轴部件HHHSRHSDHHFBRXKTJ242齿轮齿条运动方程如图28所示,为该部件受力分析。列如下运动方程为汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究9图28齿条部件XSRMSMTRRRSSRHSFRGXRKFXBRRXKXM253电机运动方程如图29所示,为该部件受力分析。根据受力分析可以的得到运动方程为图29电机组件MMMAMMMFBTTJ26电动机的等效电路如图28所示15图210电动机等效电路MEAAAKVILRI27AAMIKT28无锡太湖学院学士学位论文10将式27和28拉式变换得如下式LSRKVSIMEAA29SIKSTAAM210将29代入210得到下式LSRKVKSTMEAAM211助力扭矩方程SRMMARXGKT212扭矩传感器测量值SRHSSRXKT213以上式为所建立的EPS动力学方程,其参数详见表23表23EPS参数表变量含义变量含义M齿条齿轮的质量HJ转向柱的转动惯量RB齿轮齿条的阻尼系数SK转向柱的刚度MT电机输出扭矩HB转向柱的阻尼系数AT电机阻力扭矩SR主动小齿轮半径R电机电枢电阻M助力电机转动角度L电机电枢电感MJ助力电机转动惯量AI电机电枢电流MK助力电机刚度AK电机扭矩常数MB助力电机的阻尼系数EK电机的反电动势常数TRF转向横拉杆作用力AV电枢电压HF非线性特性XF非线性特性MF非线性特性G助力电机传动比TK系统负载系数24EPS稳定性与转向助力增益分析241转向助力增益的确定根据图26EPS的模型动力学方程可知,转矩传感器测得ST和电动机提供的AT可以用下面两个等式表示汽车电动转向器动力学建模与控制仿真研究11SRHSSRXKT214SRHSAARXKKT215转向助力增益AK,其取值的大小与汽车的车速大小有关。另外,其取值与汽车的类型有关。不同的车速下的助力值也不相同。查相关资料,可得到如下式0MAXVVTEKKTA216可以表示如下/14003542010HKMVEKVA217根据上式可计算在H/KM400大概的助力增益系数,具体数据见表24表24助力增益系数车速KM/H助力增益系数01024102021203016304014242EPS稳定性与转向助力增益关系EPS助力转矩由图25B助力特性曲线来确定,得到如下的运动方程SARTRRSSRHSRRTXKXBRRXKXM218将式215代入式218得到下式SSAHSSARTRRSSRHSRRKKRKKXKXBRRXKXM219将式219进行拉式变换得到如下式1222SKRKSXKRKRKKSBMSHSSARTSSSSAR220根据式220可得到如下传递函数为TSSSSARSSAHRKRKRKKSBMSKRKSSXSG22211221无锡太湖学院学士学位论文12传递函数1SG反映方向盘转角H和齿轮齿条位移RX之间的动态关系。001020304050607080000200040006000800100120014时间T/S齿轮齿条位移XR/MKA0图211方向盘转角单位角阶跃输入响应KA0001020304050607080910000200040006000800100120014时间T/S齿轮齿条位移XR/MKA1图212方向盘转角单位角阶跃输入响应KA1

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