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汽车电动助力转向系的模糊控制摘要电动助力转向系统( e p s ) 是驾驶员转向时的助力装置，和传统的液压助力转向系统相比，它具有经济、环保等特点。对e p s 研究的主要任务是提出e p s 的控制策略，并与已有的控制策略进行比较分析，用提出的方法进行系统开发；其目的是通过仿真分析与试验研究，验证其对于汽车的操纵稳定性是否有进一步的提高。在控制策略方面，对汽车转向模型和e p s 受力进行了分析，建立了e p s数学模型与p d 控制方法；通过对e p s 助力特性的分析，研究了e p s 的模糊控制方法，针对p d 控制与模糊控制存在的问题提出了e p s 的混合模糊p d 控制方法，并运用m a t l a b 进行仿真分析；在系统开发方面，设计了基于s t c 8 9 c 5 2 单片机的控制系统，其原理是：以扭矩信号与汽车速度信号为依据，通过相应的控制规则控制电动机目标电流。通过仿真结果表明，与p d 控制相比混合模糊p d 控制无论是从系统稳定时间还是超调量来说都明显减小，抗干扰性明显提高，这说明采用混合模糊p d 控制协调了汽车的操纵轻便性和“路感 的矛盾；在试验分析中，一定速度下助力电流与转向力矩有较好的跟随性，不同速度，输入相同的力矩，助力电流随着车速的增加而减小，这进一步说明混合模糊p d 控制较好的解决了转向系统“轻”与“灵 的矛盾，改善了汽车的操纵稳定性。当然，对于e p s 来说其控制方法仅仅是其改善性能的一个方面，传感器、电动机等各部件对e p s 的总体性能也有很大影响，只有各方面的性能不断提高才可能进一步扩展e p s 的应用前景。关键词：e p sp d 控制混合模糊p d 控制助力特性f u z z yc o n t r o lo fa u t o m o b i l ee l e c t r i cp o w e rs t e e i u n ga bs t r a c te l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mi sp o w e rd e v i c ew h e nt h ed r i v e rt u m d e c o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，i th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fe c o n o m i c ，a n de n v i r o n m e n t a l t h em o s t l ym i s s i o no fr e s e a r c he p si sa d v a n c ec o n t r o ls t r a t e g ya n dc o m p a r ew i t hc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e n ，u s et h i sm a n n e rf i n i s ht h es y s t e me x p l o i t a t i o n ；t h ea i mi st h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt e s tr e s e a r c ht ov a l i d a t et h i sm a n n e rw h e t h e ro rn o tc a ni m p r o v ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y o nt h ec o n t r o ls t r a t e g ys i d e ，a n a l y s i ss t e e r i n gm o d e lo fa u t o m o b i l ea n dt h es t r e s so fe p s ，e s t a b l i s h e dt h em a t h sm o d e la n dp dc o n t r o lm e t h o do fe p s ；t h r o u g ha n a l y s et h e a i df o r c ec h a r a c t e r i s t i co fe p s ，r e s e a r c ht h ef u z z yc o n t r o lm e t h o do fe p s ，f o rt h ee x i s t e n tp r o b l e mo fp da n df u z z yc o n t r o la d v a n c et h ep d f u z z yh y b r i dc o n t r o lm e t h o d ，a n du s em a t l a bs o f t w a r ef i n i s hs i m u l a t i o na n a l y s i s ；o nt h es y s t e md e v e l o p m e n ts i d e ，d e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mb a s eo ns t c 8 9 c 5 2s i n g l ec h i pm i c y o c o ，t h ee l e m e n t si s ：a c c o r d i n gt ot o r q u ea n ds p e e ds i g n a la n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lr u l ec o n t r o lt h ea i mc u r r e n to fe l e c t r o m o t o r s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e ，c o m p a r ew i t hp dc o n t r o lp d f u z z yh y b r i dc o n t r o ln om a t t e rf r o ms y s t e ms t a b l et i m eo ro v e r s h o o ta m o u n ti sd i s t i n c t n e s sm i n i s h ，a n t i - j a m m i n gc h a r a c t e ra l s oi m p r o v e ，i ti l l u m i n a t et h a tu s ep d f u z z yh y b r i dc o n t r o lc a nc o o r d i n a t et h ec o n t r a d i c t i o no fv e h i c l eh a n d l i n ga n dp o r t a b i l i t ya n d s t e e r i n gf e e l i n g ；i nt h ea n a l y s et e s t ，i nc e r t a i n t ys p e e dp o w e rc u r r e n ta n ds t e e r i n gt o r q u eh a v eb e t t e rf o l l o wc h a r a c t e r , t h i sm o r ei n d i c a t ei i ip d - f u z z yh y b r i dc o n t r o lc a ns o l v et h e l i g h t a n d q u i c k c o n t r a d i c t i o no fs t e e r i n gs y s t e m ，i m p r o v et h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y c e r t a i n l y , f o re p si m p r o v et h ec o n t r o lm e t h o di so n l yo n es i d e ，s e n s o r , e l e c t r o m o t o re t ch a v eg r e a te f f e c tt oe p s ，o n l ye a c hs i d ec a p a b i l i t yi m p r o v e ，i tc a nm o r ee x p a n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c t so fe p s k e yw o r d s ：e p s ；p dc o n t r o l ；p d f u z z yh y b r i dc o n t r o l ；a i df o r c ec h a r a c t e r i s t i ci v广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明学位论文原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。论文作者签名：2 0 0c j f 年6 月( 7 日，l学位论文使用授权说明本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容；按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文：在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间：妊口时发布口解密后发布( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定)论文作者签名：j 乙磊导师签名：氆天氓五为年多月z z 1 t广西大学硕士学位论文汽车电动助力转向系的楔糊控制第一章绪论汽车转向系统是指用来改变或保持汽车行驶方向的机构，它的功能是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向，使汽车保持直线运动或转向运动状态，因此汽车转向系统直接影响汽车的操纵性和稳定性【l j 。而对于转向系统来说还要求它具有安全可靠，节能环保的特点。汽车转向系统分为两大类：机械转向系统( m a i l 戚s t e e r i n g ，简称m s ) 和动力转向系统。完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统，借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统，动力转向系统又可分为液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) 和电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 1 2 1 。动力转向系统与机械转向系统相比其优点在于：当转向轴负荷较大时，仅靠驾驶员的体力作为转向力难以顺利转向，而动力转向系统就是在机械转向系统的基础上加设一套转向助力装置，转向助力装置减轻了驾驶员操纵转向盘时的作用力1 3 j 。1 1e p s 的主要特点随着汽车技术的发展，对汽车的节能、环保、操控、经济性等方面提出了新的要求，传统的h p s 。越来越不能满足这些方面的要求，而结合最新电子技术和控制技术的e p s在这些方面显著改善汽车各项性能。与传统的h p s 相比，e p s 的特点主要表现在：1 e p s 有效的提升了汽车的经济性传统的h p s 需要发动机带动转向油泵，使液压油不停地流动，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力；而e p s 仅在需要转向时才提供给电机能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机【4 】。此外，能量的消耗还与转向盘的转向及当前的车速有关，当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在e c u 的控制下开始工作，并输出相应大小及方向的转矩作为转向助力力矩【4 j 。另外，当汽车在较冷的冬季起动时，传统的h p s 反应较慢，只有液压油预热后才能正常工作；而e p s 对冷天气不敏感，系统即使在4 0 时也能正常工作，因此可以快速起动，由于e p s 没有起动时的预热，节省了能量，且不使用液压泵，避免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性【5 j 。实验表明，装有e p s 与装有h p s 的车辆相比：h p s 效率一般在6 0 7 0 ，而e p s 可高达9 0 以上；在不转向时，e p s 可以降低燃油消耗2 5 ；在转向时，可以降低5 5 1 5 】。e p s 更环保，更经济。h p s 的液压管路接头存在漏油问题，容易造成环境污染，而e p s 不存在漏油问题，其为电子控制，对环境几乎没有污染；另外，h p s 以液压泵为动力装置，噪音较大，而e p s 以电机为动力装置，相对来讲噪音较小【4 】。统计发现车辆9 0 以上的行驶过程不需要转向，e p s 以蓄电池为能源，以电机为动力元件，且可独立于发广西大掌硕士学位论文汽车电动助力转向系的模糊控制动机工作，不转向时不消耗电力，因此它几乎不直接消耗发动机燃油，进而减少废气排放，提高了经济性p j 。2 e p s 改善了汽车的操纵性对于传统的h p s ，获得可变转向力矩非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件。转向助力不能随车速而改变，这样就使得车辆在低速转向时转向沉重，在高速转向时转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，进而降低了行驶时汽车的操纵稳定性和驾驶员的安全感，而e p s 提供的助力大小可以方便的通过软件调节f 5 】。在低速时，e p s 可以提供较大的转向助力，提高车辆的转向轻便性；随着车速的升高，e p s 提供的转向助力可以逐渐减小，驾驶员输出的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感 ，提高了车辆的操纵稳定性。在低温下起动发动机，由于h p s 低温下液压油的粘度较大，转向时输出的作用力较高使得转向系统产生一定的迟滞效应1 6 j 。在e p s 中，旋转力矩产生于电机，没有液压助力，增强了转向车轮对转向盘的随动性，因而其低温运行状况好于前者。3 e p s 结构紧凑，装配匹配性好，易于布置与h p s 相比，e p s 取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，而它的电动机、离合器、减速装置、转向杆等部件装配成为了一个整体，这样既使助力转向系统没有了管道、控制阀等液压部件，又使其结构紧凑、质量轻便，留出的空间还可以用于安装其它部件，一般e p s 的质量比h p s 质量轻2 5 左右【6 j 。实际上在传统的h p s 中，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的5 3 ，如软管漏油和油泵漏油等故障，e p s不存在这些问题，因此采用e p s 可以提高汽车的可维护性，降低了助力转向系统的故障发生率【7 】。e p s 采用模块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等，不但节省了费用，而且对于不同的车型只要调整助力特性就可以满足不同车型的需要，为设计不同的系统提供了极大的灵活性，且更易于生产线装配。1 2e p s 国内外发展现状1 2 1e p s 国外发展现状1 9 8 8 年2 月，日本铃木汽车公司首先在其c e r v o 轿车上安装了k o y o 公司研发的转向柱型e p s ，随后又将其应用在a l t o 车上【8 1 。1 9 9 0 年，日本本田汽车公司也在其运动型轿车n s x 上安装了其自主研发的齿条型e p s ，此后e p s 在日本得到迅速发展，如大发汽车公司的m i r a 轿车、三菱汽车公司的m i n i c a 轿车、本田公司的雅阁轿车等都先后安装了e p s l 9 1 ，本田汽车公司开发的e p s 如图1 1 所示。此外k o y o 、n s k 、s h o w a 等公司也先后开发出各自的e p s 。2汽车电动助力转向蔗的橇糊控* u图i - 1 本田公司开发的e p sf i g 1 - 1 h o n d a c o m p a n y l s e p s p r o d u c t出于节能环保的考虑欧美等国的汽车公司也相继对e p s 进行了开发和研究，虽然比日本晚了近1 0 年时闻，但是欧美国家的开发力度比较大，美国的t r w 和d e l p h i 等公司相继推出各自的产品，t r w 公司将航空技术应用于e p s 的开发，3 - 1 9 9 6 年推出自己的e p s ，并在福特f i e s t a 和马自达3 2 3 f 上进行试验；d e l p h i 公司属下的s a g i l m w 公司于1 9 9 9 年首次研制成功e p s 并使用在大众的p o l o 、菲亚特的p u l l t o 车掣。此外，德国的z f 公司，英国的l u e a s 公司也研伟u 出轿车用e p s 。现今国外的e p s 的助力形式是从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也在进一步加强。新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在w a g o n r + 车上的e p s是一个负载璐面车速感应型助力转向系统t n l 由d e l p h i 公司为f u n t e 车开发的e p s为全范围助力型，它设置了两个开关，其中个用于郊区，另个用于市区和停车。当车速太于7 0k m h 后，这两种开关设置的程序则是一样的，用以保证汽车在高速时有合适的路感市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑 6 1 。据t r w 公司预测，到2 0 1 0 年，全世界生产的每3 辆轿车中就有1 辆装各e p s ，特别是低排放汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车将构成未来汽车拉展的主体，这给e p s 带来了更加广阔的应用前景t 1 2 jo1 22 e p s 国内发屣现状目前，我国一些高校和部分企业已经开始对e p s 开展研究。2 0 0 0 年9 月，我国科技部、财政部以及国家税务总局联合公布，使得e p s 成为汽车高新技术零部件产品之一。1 9 9 8 年吉林大学首先在团内进行了轿车用e p s 的研究，其试验样机已在捷达、北斗星及夏利2 0 0 0 纯电动轿车上歼展了相关性能试验，获得了较好的试验效果。同时清华太广西大掌硕士掌位论文汽车电动助力转向系的模糊控制学在昌河铃木c h 6 3 5 0 轿车上对其开发出e p s 样机也进行了相关试验。从未来发展方向看，e p s 的应用范围将逐渐从微型轿车向大型轿车、客车以及货车方向发展。例如，北京理工大学目前正在开展了纯电动大客车e p s 的研究工作。另外天津大学、华中科技大学、江苏大学、合肥工业大学、武汉理工大学等院校也在开展e p s 的研究。在企业研究方面，上汽集团正在与国外汽车零部件公司开展e p s 研究工作；南汽集团转向器公司开发的e p s 产品，经试验表明效率高，能耗少，可以获得较好的转向助力特性，通过软件修正可以修改其助力特性；南方航空动力机械公司开发的e p s 进行了相关道路试验，其e p s 适用排量在1 8 l 以下或前轴重9 0 0 k g 以下的电动车、混合动力车危打口o1 2 3e p s 发展趋势及主要问题随着汽车工业的不断发展，人们对于汽车的安全性，经济性也有了不断的提高。而对于转向系统来说，就是要求它具有较好的操纵稳定性和较高的燃油经济型，因此说e p s 的发展潜力巨大，它势必要替代传统的液压助力转向系统，而电子与控制技术的不断进步，也为这一趋势提供了重要保证。e p s 虽然得到了快速发展，但还面临着一些急待解决的问题，主要有以下几点：1 电动机的性能及控制方法是e p s 进一步发展的关键因素之一。因为电动机的性能是影响控制系统性能的主要因素，电动机本身的性能及其与e p s 的匹配都将影响到转向操纵力、转向“路感 等问题，电动机的控制方法直接影响着电动机的输出特性1 5 ，因此说选用合理的电动机和控制方法十分必要。2 e p s 还需要进一步提高控制系统性能并降低控制系统的制造成本。只有不断改进硬件系统控制性能，才能提高汽车的操纵性，只有进一步降低制造成本，才能满足更多汽车的使用要求。3 e p s 的控制信号不能仅仅依靠车速和扭矩信号，还要根据转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种与汽车转向特性相吻合的信号进行综合控, ! j t s l ，以获得更好的转向“路感 与转向轻便性。1 3 论文的主要工作1 3 1 论文研究的主要任务和目的e p s 的控制方式多种多样，最早的e p s 系统采用固定助力输出的控制方式，即发动机启动，e p s 助力电机开始工作，驾驶员转向时助力电机以固定扭矩输出，它不考虑驾驶员输入力矩与车速等情况，显然这种控制形式考虑因素比较单一，难以满足转向轻便与“路感”的要求。之后又开发了e p s 的p 型控制方式，即比例控制方式，其控制原理4广西大学硕士掌位- y e 文汽车电动助力转向系的模糊控制为：随着驾驶员转向时输入力矩的增大电机输出力矩也不断增大，与固定输出控制方式相比这种控制方式较好的解决了转向轻便性的问题，但“路感问题并没有解决，此外这种控制方式还存在一个重要问题，即控制信号受n 多 i - 界干扰时会对助力电机输出影响很大，容易出现安全事故。目前在e p s 中广泛采用p d 控制方式：这种控制方式以e p s的数学模型为依据，它是一种线性控制方式，其较好的解决了固定输出控制与p 控制存在的问题，能够的满足汽车操纵稳定性的要求，但这种转向控制方式也不够完美，这主要是因为汽车转向系统的非线性特性，单纯采用线性系统进行模拟很难达到精确性，此外p d 控制的控制参数不能随时调整也限制了e p s 的进一步发展，因此说进一步研究e p s 的控制方式对于满足汽车操纵稳定性和行驶的安全性是十分必要的。在e p s 控制方式研究方面，清华大学的季学武、陈奎元等人认为助力转矩偏差是跟踪性能和转向路感的重要参考，而方向盘转矩和转向轴转矩噪声是引起助力转矩偏差的主要因素i l z l ；他们建立了e p s 线性数学模型的空间状态方程，采用鲁棒控制算法设计了控制器【i3 】；并仿真分析了闭环系统方向盘转矩和转向轴转矩噪声对助力转矩偏差的响应】【1 4 j 。江苏大学的徐建平、何仁等人也研究了e p s 系统的建模问题。他们根据简化的动力学方程，暂不考虑摩擦、阻尼等非线性环节，建立了以电动机为核心的e p s 的线性状态空间模型；采用p i d 为控制算法，以助力曲线得到的理想控制电流与实际电机电流差值为控制目标，并利用m a t l a b 软件，进行了仿真分析l l 引。东南大学的李书龙、许超等人分析e p s 影响转向系统性能的主要关键因素，并从车速、转向扭矩以及p i d 控制的局限性等角度详细分析采用模糊控制的可行性与相对优势，在此基础上提出电动助力转向系统模糊控制的模型【1 6 1 。天津大学的许镇琳、王豪等人研究了e p s 基于综合目标函数的误差反向传播的学习算法，设计了e p s 用于离散化转向助力特性的b p 神经网络结构，并进行了离线训练，在电动助力转向综合试验台上实现了在线控制与全车速范围的非线性转向助力1 1 7 j 。论文通过对e p s 的动力学模型和转向助力特性的分析，得到e p s 的p d 与模糊控制策略，从而进一步推导出e p s 的混合模糊p d 控制方法，并开发出与之相应的控制系统，通过仿真模拟与试验研究，验证它是否对汽车转向的轻便性和“路感 有进一步的提高。1 3 2 论文研究的主要内容论文研究的主要内容：1 分析并建立e p s 的动力学模型，并讨论转向助力特性。2 建立控制系统的混合模糊p d 控制策略，并进行仿真研究。3 在仿真的基础上，开发基于单片机的e p s 控制系统，包括电路设计，程序设计等。4 对己开发系统进行相关试验，分析系统对于汽车的操纵性的影响。5 得出本文研究的结论和今后发展建议。汽丰电动助力转向蔗的捶糊控制第二章e p s 基本概述与模型控制分析2 1e p s 的基本概述2 1ie p s 的工作原理e p s 是在机械转向机构的基础上，增加了信号传感器、电子控制单元和转向助力电机等组成的系统。l2345l 中央控制单元( e c u ) 2 方向盘3 方向盘转角传感器4 转向扭矩传感器5 转向轮6 拉杆7 转向助力电动机8 离台器9 驱动小齿轮1 0 推杆图2 - 1电动助力转向系统原理图f i g 1e l e m e n t a v d i a g r m n o f e p $e p s 原理图如图2 1 所示。当驾驶员旋转方向盘时，转向助力系统开始工作。安装于转向柱上的方向盘扭矩传感器将方向盘上检测到的旋转角度和旋转扭矩信号，咀电压信号的方式送至中央控制单元( e c u ) 。与此同时。作用在方向盘上的扭矩经过传递驱动装置传递给转向输出轴，车速传感器将检测到的车速信号传递给e c u 。e c u 队转向扭矩、发动机启动信号、车速等信号为依据，通过存储在e c u 中的控制算法算出相应的助力扭矩并控制助力电动机工作。此时，助力电动机驱动的助力齿轮( 驱动小齿轮)带动转向齿条移动，且移动方向与方向盘输出轴的移动方向相同，从而实现电动助力转向。如果方向盘不转向，则系统不工作处于等待调用状态。2 12e p $ 的种类e p s 按照助力系统布置形式主要分为三种【”l ，如图2 - 2 所示。 $ 自自# 自_ 最m t u镲1 、舔! 墨痧”p( 劬转向柱型( b ) 齿轮型( 0 齿条型图2 - 2 不同类型的电动助力转向系统f i g 2 - 2 d i f f e r e n t s t r u c t u r e o f e p sl 转向柱型助力转向系统( c - e p s )转向柱型助力转向系统，如图2 - 2 ( a ) 所示。这种e p s 的电动机、e c u 和扭矩传感器都安装在转向柱的位置，其结构简单，价格便宜，易于安装是目前应用最广的e p s 。但这种助力转向系统的助力电动机安装在方向盘下方，受到安装空间和转向机构的机械强度等问题的限制，因此助力电动机的体积较小，输出扭矩不大，所以，这种类型一般只用在小型轿车上。2 齿轮型助力转向系统( p e p s )齿轮型助力转向系统，如图2 2 ( b ) 所示。这种e p s 的助力电动机安装在转向器的齿轮轴上，与p e p s 结构相比，其优点是由于安装位置不同对于连接机构部分的机械强度没有特殊要求，但系统所处的工作环境较为复杂苛刻，因此成本也较高：由于这种类型的e p s 助力电机不安装在转向盘下方，因此可以安装较大的助力电机从而获得较高的助力扭矩，因此它可以应用于中型车辆。3 齿条型助力转向系统c r - e p s )齿条型助力转向系统，如图2 2 ( c ) 所示。r - e p s 的助力电动机安装在转向机构的齿条上，这种类型的e p s 的特点是：其助力电动机具有大减速比，从而减小系统惯性，与前两种类型相比，助力电动机的传动效率较高，系统输出功率大，更适合用于大型车辆。但这种e p s 的成本更高，由于受到安装空间的限制，在安装配置上也受到了较大的制约。2 13 e p s 的主要部件e p s 的关键部件包括扭矩和车速传感器、电动机和电子控制单元( e c u ) 等部分，。夕，广西大学硕士掌位论文汽车电动助力转向系的模糊控制如图2 3 所示，e p s 的主要组成部件。1 2“1o 987651 电动机2 电位器3 扭矩传感器接插线4 电动机接插线5 开关支架6 转向盘锬装置7 吸能套管8 扭矩传感器9 蜗轮1 0 减振垫片11 蜗杆1 2 下支架图2 3 电动助力转向系统组成f i g 2 - 31 1 1 ec o m p o s i n go fe p s1 扭矩传感器与车速传感器扭矩传感器是利用扭轴把扭矩转换成扭应力或扭转角，再转换成与扭矩成一定关系的电压信号的传感器，扭轴的形式有实心轴、空心轴、矩形轴等。在e p s 中扭矩传感器主要测量驾驶员输入的扭矩信号。车速传感器主要测量汽车速度，这两路信号是控制器判断输出的基础。2 。电动机电动机的功能是根据e c u 的指令输出合适的辅助扭矩，是e p s 的动力源。因为电动机对e p s 的性能有很大影响，所以e p s 对电动机有很高要求，不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、而且要求可靠性高，易控制，为此在e p s中多采用永磁式直流电动机，而设计时常针对e p s 的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理，如沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等。此外，电动机的安全性也是其重要考核指标。3 电子控制单元( e c u )e c u 的任务是接收扭矩和车速等信号，并进行逻辑分析与计算，然后发出指令。此外e c u 还通过采集电动机的电流、电压、发动机工况等信号判断系统工作状况是否正常，以实现安全保护和自我诊断功能。e c u 通常采用单片机系统或数字信号处理器等作为控制单元。由于汽车的行驶工况千差万别，而e p s 又多安装在发动机附近，因此发动机发出的热辐射、电磁以及噪声干扰对e p s 的e c u 有很大影响；另外元件的磨损、路面条件的变化等也会给系统带来很多不确定性，这些工况都对e c u 的控制方法和硬件8广西大学硕士掌位论文汽车电动助力转向系的模糊控制系统提出很高的要求，因此，对于e p s 的控制算法和系统硬件的研究是提高e p s 控制系统性能的重要方面。2 2 汽车转向系统力学分析2 2 1 汽车转向运动状态概述在汽车转向系统中，首先是从转向系统的模型进行分析，通过建立物理及数学模型进而建立系统的控制模型。汽车的运动是通过车辆坐标系来描述的，如图2 - 4 所示，该坐标系是以汽车质心0为坐标系原点，以平行于地面汽车前进方向为x 轴，以平行于地面指向驾驶员左侧方向为y 轴，以垂直于地面指向汽车上方为z 轴，与转向系统有关的主要运动参量为：车厢角速度在z 轴上的分量横摆角速度国，汽车质心速度在) ，轴上的分量侧向速度，汽车质心加速度在y 轴上的分量侧向加速度口，等【1 9 l 。图2 - 4 车辆坐标系与汽车的主要运动形式f i g 2 - 4v e h i c l ec o o r d i n a t es y s t e ma n dm a i nm o v e m e n tf o r m so fa u t o m o b i l e汽车运行时有两种状态：分别为稳态和瞬态，例如汽车做匀速直线运动或匀速圆周运动这属于稳态，当汽车做加速、减速或由匀速直线运动变为匀速圆周运动的中间过程这些都属于瞬态1 2 0 j 。转向过程就是一个瞬态响应的过程，在转向力的作用下汽车的一些运动指标发生变化，如汽车的横摆角速度缈，、侧向速度1 ，等。汽车的转向过程是人根据外界的环境状况如路面状况、交通状况、气候等因素对汽车发出的控制指令；汽车根据驾驶员发出的指令按照自身的物理特性改变汽车的运动状态，外界因素( 如风速、路况等因素) 和汽车的自身特性等综合因素又通过转向系统反馈给驾驶员；驾驶员根据这些综合因素判断并发出相应的控制指令，如此不断反复循环，驾驶汽车行驶前进【2 1 1 。由此可见，在人一汽车系统中，通过驾驶员把系统的输出参数反馈到输入控制过程中，所以人汽车系统是一个闭环系统。如图2 5 所示。9广西大学硕士掌位论文汽车电动助力转向系的模糊控制图2 - 5 人车闭环系统简图f i g 2 - 5d i a g r a mo fm a n - a u t o m o b i l ec l o s e d - l o o ps y s t e m2 2 2 线性二自由度汽车模型分析等)通过引入系统的汽车动力学模型来分析e p s 系统对于汽车操纵稳定性的影响，在建立e p s 系统模型前，首先分析简化后的线性二自由度汽车模型。在建立线性二自由度汽车模型的过程中做以下假设：忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动，即忽略汽车沿z 轴的位移，绕y轴的俯仰角与绕x 轴的侧倾角均为零；汽车沿x 轴的前进速度“视为不变，且不考虑地面切向力和空气阻力的作用；汽车的侧向加速度限定在0 4 0m s 2 以下，轮胎侧偏特性处于线性范围；忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用；因此，汽车只有沿y 轴的侧向运动与绕z 轴的横摆运动两个自由度【1 9 】。其模型如图2 6 所示。图中参数分别表示为：万一前轮转角e 。、c ：一前、后轮侧向反作用力( 侧偏力)、口，一前、后轮的侧偏角、口2 一刖、庙杞网侧倔角、u ，汽车前、后轴中点的速度一质心的侧偏角孝一与z 轴的夹角”、卜质心速度分别沿x 轴y 轴方向的速度彩，横摆角速度a 、蝴心到前、后轴的距离三一轴距图2 - 6 线性二自由度汽车模型f i g 2 - 6t h el i n e a ra u t om o d e lo ft w of r e e d o md e g r e el o广西大掌硕士学位论文汽车电动助力转向系的模糊控制前面提到了与转向系统有关即与操纵稳定性有关的三个量：侧向加速度q 、横摆角速度，侧向速度，下面分别对这三个量进行分析。y0图2 7 汽车质心速度的分量f i g 2 7a n a l y z eo fv e h i c l e sc e n t r o i dv e l o c i t y首先确定加速度分量，如图2 7 所示，分别有，时刻和，+ f 时刻汽车运行的两种状态，在f + 出时刻，车辆坐标系中质心速度的大小与方向均发生变化，而车辆坐标系的纵轴与横轴的方向亦发生变化。所以沿x 轴速度分量的变化为：【( 甜+ a u ) c o sa o 一( v + a v ) s i na 0 卜群u + a u - v a o a v a o - 1 , 1 a u v a o( 2 一1 )由于0 较小，则c o s a 0 l ，s i na o 9 ，并忽略二阶微量a v a o 。对“一v 目取极限就有：au y a 臼a ，= l i m 一= “一，缈，_ 0a f即：a 工= 五一v 缈，( 2 - 2 )同理有：口。= n o ) ，+ 矽( 2 3 )根据牛顿公式可知：只= 聊曰，= m ( z i 一1 ，国，) 、f y = 历口j ，= m ( u o ，+ 廿)l( 2 - 4 )m ：= l 西，j由图2 3 可知，沿y 轴方向的合力和绕质心的力矩有= c 。c o s 万+ e ：丝= 嵋。c o s 万一晖：j( 2 - 5 )考虑到万角较小，式( 2 5 ) 可以写成：l = k l 口。+ k 2 口：1m ：= a k ，口。一b k2 口2j( 2 - 6 )3 - - 西大学硕士掌位论文汽车电动助力转向系的模糊控制其中k 。、k ：为前后轮胎侧偏刚度。通过图2 - 3 可知式( 2 6 ) 中q 、t 2 ：可用式( 2 7 )表示。口。；一( 万一孝) ：+ 堕一万口：坐：一堕f( 2 7 )由于( 2 4 ) 式等于( 2 6 ) 式，将( 2 7 ) 式代入( 2 6 ) 式并整理得：( 毛+ k 2 ) f l + ( a k , 一) 笠一k j 8 = m ( 9 + u e o r ) “l( a k l b k 2 ) f l + ( 口2 k i b 2 k 2 ) 生一a k l 万：i z d ) ，i( 2 8 )在式( 2 8 ) 中未知量为彩，、专，由力学知识可知移即为侧向加速度口。，因此建立了线性二自由度微分方程。2 3e p s 动力学分析2 3 1e p s 受力分析如图2 8 所示，e p s 的受力分析，主要有驾驶员作用在方向盘上的操纵力扭矩z ，电动机的助力扭矩乙，汽车的阻力矩瓦。驾驶员的操纵扭矩工，驾驶员对汽车的操纵力矩主要有两种作用形式：首先是改变汽车行驶方向时驾驶员作用在方向盘上的切向力产生的力矩；其次为了保持行驶方向不变( 包括直线运动和圆周运动) 时驾驶员保持方向盘不偏转所产生的力矩。电动机助扭矩瓦，是为了提高汽车操纵的轻便性由助力电机产生的，它的大小由e c u 以扭矩信号和车速信号为依据，通过助力控制规则得到的。汽车的阻力矩l ，主要由绕主销的阻力矩和转向系的阻力矩两大部分组成。绕主销阻力矩又分为原地转向阻力矩和行车转向阻力矩两种，原地转向阻力矩是指汽车静止不动t w图2 - 8e p s 受力分析f i g 2 - 8f o r c ea n a l y s i s eo fe p s转向时，由于轮胎转向时发生变形，并与路面之间产生滑转，由此产生的阻力矩；行车1 2广西大掌硕士掌位论文汽车电动助力转向系的模糊控制转向阻力矩主要是汽车行驶过程中由于轮胎变形，与地面滑转产生的，其产生形式与原地转向阻力矩相同，但不同点在于，在行驶过程中滚动增加，与原地转向相比阻力减小。转向系阻力矩主要包括转向系摩擦力矩、转向系复原力矩和转向系惯性力矩三部分。转向系摩擦力矩主要是指转向系的各部间所产生的干摩擦阻力矩的总和；转向系复原力矩主要由转向系内回位弹簧、内橡胶衬套等弹性部件弹性变形后由回复力产生的力矩；转向系惯性力矩主要由转向系各部分在运动状态变化引起。在图2 8 中其余参数分别为：配驾驶员输入转角，以转向柱转动惯量，色转向柱阻尼系数，k 扭杆刚度，色电动机转角，g 电动机减速机构传动比，瓦输出轴输出扭矩，包小齿轮转角，以输出轴转动惯量，眈输出轴阻尼系数。由动力学方程可知：，见+ b ，以= c k ，( 以一见)( 2 - 9 )以包+ 眈包= l k ( 见一见) 一l g( 2 - 1 0 )0 。：见+ 皂( 2 1 1 )u在顺时输入_ 定的转角时电机输出的转角不变，则由( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 得：( 以一正) 幺+ ( 盈一忍) 幺= 瓦一乙g 一互( 2 - 1 2 )令d = j 。一，b = b 。一b ，和b 分别表示转向轴等效转动惯量和转向轴等效阻尼系数。则式( 2 1 2 ) 可以写为：7以+ b 见= l 一乙g 一( 2 - 1 3 )在式( 2 - 1 3 ) 中构筑了输入力矩与输出力矩的关系。在式( 2 9 ) 中k ( 包一色) 表示传感器检测到的信号，即传感器的输入信号，因此输入力矩又可以写为：正= k ，( 包一见)( 2 - 1 4 )2 3 2e p s 电机模型在e p s 系统中电动机为系统提供助力，是重要的执行部件，它的特性直接影响着整个系统的运行状况。e p s 系统中的助力电机主要采用永磁直流电机，这是由于转向系统对e p s 的要求所决定的。在所有的执行电机中，直流电动机的工作特性最好，在一般的调速控制系统中，大多选用直流电机，和其它电机相比，直流电动机体积小，效率高，出力大，起动转矩大，过载能力强，动态特性好，控制方便，这些特点正好满足了e p s系统的要求。因此十分有必要分析永磁直流电动机的工作特性，为转向系统的控制模型1 3广西大学硕士学位论文汽车电动助力转向系的模糊控制的建立打下基础。永磁直流电动机等效电路模型如图2 - 9所示，电路图中各参数分别表示为：i 表示电动机电枢电流，材表示电路电源两端电压，三表示永磁直流电动机的电感，r 表示为电动机电阻( 包括电刷，换向器以及两者之间的电阻) ，n 表示电动机转速，e 表示电动机电枢反电动势，表示电动机转动部分的阻尼系数，。表示电动机转子的转动惯量。由电动机的原理可知，永磁直流电机电路的基本方程式为【2 2 】：材：r i + z , a i + p斑图2 - 9 永磁直流电机等效电路f i g 2 - 9e q u i v a l e n tc i r c u i to fp e r m a n e n tm a g n e td cm o t o r( 2 - 1 5 )已= 厶鲁+ 蚝先( 2 1 6 )在式( 2 1 5 ) 中电动机电枢反电动势口可以表示为：p=km 万上式中k 表示电动机电枢反电动势系数，当电流稳定时，省去一阶小量，式( 2 - 1 5 )可以简化为：u = r i + k 。刀( 2 - 1 7 )而式( 2 1 6 ) 又可以写为：乙= k ，f( 2 - 1 8 )式中k 表示电动机转矩系数。在电动机中转速刀= 乡。2 刀，与( 2 1 1 ) 式联立则有：甩：堡丝二型2 万通过式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 合并，乙：地竺筹盟剑1 4( 2 1 9 )可以得到永磁直流电动机的力矩输出方程( 2 2 0 )广西大掌硕士学位论文汽车电动助力转向系的模糊控制2 4e p sp d 控制分析p d 控制是p i d ( 比例积分微分) 控制的一种特殊形式即比例一微分控制，p i d 控制器作为最早实用的控制器已有半个世纪，目前仍在工业控制领域广泛应用。p 控制即比例控制，它是最简单的一种控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当控制系统仅有比例控制时系统输出存在稳态误差团】。d 控制即微分控制，在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关系。在自动控制系统中的克服误差的调节过程可能会出现振荡甚至失稳，其产生的原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，从而具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化【2 4 1 ；解决的办法就是使抑制误差的作用的变化“超前 ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零；而在p ( 比例) 控制中，比例项的作用是放大误差的幅值，从而加剧震荡，因此说在控制器中仅引入“比例 项往往是不够的，而需要增加“微分 项，它能预测误差变化的趋势，这样就产生p d ( 比例微分) 控制器，它能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以说对于有较大惯性或滞后的被控对象，p d ( 比例微分) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性，它是一种线性控制器【2 副。控制部分r + 一u ( 0c ( 0 。被控对象r ( 0 砌e 一微分卜- j、(yj -图2 1 0 p d 控制结构图f i g 2 - 1 0a s s u m p t i o nd i a g r a mo fp dc o n t r o lp d 控制结构图如图2 1 0 所示，它根据给定值，( ，) 与实际输出c ( f ) 构成控制偏差，即e ( t ) = 厂( ，) 一c ( t