（电力电子与电力传动专业论文）汽车电动转向系统（eps）控制策略研究.pdf

天津大学硕士学位论文a b s l 限a c t a b s t r a c t a u t oe 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 san e w t e c h n i q u ea n dc o n s t r u c t i o n i np o w e rs t e e r i n g ，a n dt h ea n a l y z em e t h o do ft 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 s y s t e m c a n tb e c o m p l e t e l ya p p l i c a b l et oe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ms o w en e e d t or e s e a r c ht h em o d e la n dc o n t r o ls t r a t e g i e so f t h ee p s d m s f i c a l l y t h et h r e e f r e e d o mn o n l i n e a rs t r o n gc o u p l i n gd y n a m i cm a t hm o d e lo ft h es y s t e m i se s t a b l i s h e di nt h i s p a p e r a n dr e s e a r c h e s o ni n f l u e n c et o s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c p r o d u c e db yt h ep r e d i g e s tm o d e la n di t sp a r a m e t e r t h ea s s i s tc h a r a c t e r ，t u r n i n g f o l l o w i n gc h a r a c t e ra n dt u r n i n gr o a df e e l i n gc h a r a c t e ra r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o no n t h ep r e d i g e s tm o d e l t h ea s s i s tc h a r a c t e ri sak e yt e 。h n i q u ei ne p ss y s t e mb a s i n go na n a l y s i so n d i s c r e t en o n l i n e a ra s s i s tc h a r a c t e rc u r v e ，ak i n do fn e wa s s i s tc h a r a c t e ra n a l y s i s m e t h o dg r o u n do nm u l t i l a y e rf o r e w o r dn e u r a li sp u tf o r w a r di tm a k e su s eo ft h e g e n e r a l i z a t i o nf u n c t i o no f n e u r a l t of i t t i n gt h ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea ta n ys p e e d ， o v e r c o m i n ge f f e c t i v e l yb l i n dz o n eg e n e r a t e db y d i s c r e t ea s s i s tc h a r a c t e r v a l i d a t e db y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h i sm e t h o dp r o v e dt ob ew o r k a b l e ，v a l i da n di ng e n e r a l u s et od i f f e r e n tm o d e l t h ee p s s y s t e mm u s tb ee q u i p p e d w i t ha d e q u a t e f r e q u e n c yb a n d t of u l f i l lf o l l o w p e r f o r m a n c eo f a s s i s tm o t o rw h e ns t e e r i n gw h e e lt u r n e df l e e t l y a tt h es a m et i m e ，i t s h o u l dw e l lm a t e r i a l i z e s t e e r i n g r o a df e e l i n g f o rt h i sp u r p o s e ，a c c o r d i n gt ot h e s y s t e m sc o n s t r u c t i o n ，i l l u s t r a t i n gb yd y n a m i cc o m p e n s a t o ra n a l y s i so f t o r q u es e n s o r ， w ea p p l yr o o tl o c u sm e t h o dt od e s i g nd y n a m i cc o m p e n s a t o ro ft h et o r q u es e l l s o r , v a l i d a t e db ye x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n r e s e a r c h i n go nt h es y s t e m sr o b u s t n e s s i st h ei m p o r t a n tw o r ko ft h ep a p e r w b i l et h ee p s s y s t e mi sam u l t i i n p u t & m u l t i - o u t p u tn o n l i n e a rs y s t e m , c o n s i d e r i n g t h ee r r o rd u r i n gm o d e l i n g ，m e t h o d so fd e s i g n i n gt h es y s t e mc o n t r o l l e ra r ep u tf o r w a r d w i t ht h ei - lr o b u s tc o n t r o lt h e o r y i nd e s i g n i n gh o oc o n t r o l l e r ，w ea d o p tt w om a i n m e t h o d s f i r s tw ei n t r o d u c em i x e d s e n s i t i v i t ym e t h o db a s e do nf r e q u e n c y - d o m a i n t h es e c o n di sl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t i e sm e t h o d 、t h ev a l i d a t i o no ft h ed e s i g n e d c o n t r o l l e ri sv e r i f i e d b y t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n s i m u l a t i n g r e s u l to fs y s t e m c h a r a c t e r i s t i ca n di d e a lc h a f a c t e r i s t i c i ti sa l s oc o n f i r mb yt h ea b i l i t yo fr e s t r a i n d i s t u r b w h i c hc o n t r o l l e ri sf i tt ot h es y s t e mi sv a l i d a t e db yt h es i m u l a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m a s s i s tc h a r a c t e r m u l t i l a y e r f o r e w o r dn e u r a ln e t w o r kd y n a m i cc o m p e n s a t e h 。r o b u s tc o n t r o lm i x e d s e n s i t i v i t y l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t i e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蔽竿签字日期：弦叩年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：强岛军 签字日期： 嘶年f 月7 日 新铭：後堪 签字日期：州年月g 目 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 汽车转向系统是控制其行驶路线和方向的重要装置，它直接影响汽车的操纵 性和稳定性。对于汽车转向系统，除了要求其工作安全可靠、操纵轻便、机动性 好、高效节能外，还要求它能够在各种工况( 包括直线行驶、正常转向、快速转 向、原地转向等) 下，根据不同的行驶速度和路面状况，提供最佳的路感。 汽车转向系统根据能源的不同可以分为机械转向和动力转向两大类。机械转 向系统以驾驶员的体力为转向能源，其中所有的传力部件都是机械的，其可靠性 较高，受外界干扰较小。但由于驾驶员自身力量的限制，机械转向系统输出的转 向力矩较小，应用范围受限制，目前在汽车行业单独应用机械转向的很少。动力 转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统，正常情况下汽 车转向所需能量只有一小部分由驾驶员提供，而在高速行驶时，增加转向力矩。 动力转向系可较好地解决转向轻便与转向灵敏之间的矛盾，提高行驶的安全性和 舒适性。所以大多数载重汽车及5 0 的轿车采用动力转向系统，微型轿车也准 备安装动力转向装置。 动力转向系统按照提供动力方式的不同可分为以下三类：气压式、液压式( 又 可进一步分为机械液压式和电液式) 和机电式( 简称为电动助力转向系 统) 。气压式动力转向系统主要应用于部分载重量为3 7 吨，并采用气压制动 系统的客车和货车，因为气压系统的工作压力较低，载货量大的货车不宜采用此 种转向系统。液压式动力转向系统采用液压作为动力，利用油泵建立一定的压力， 再经过控制阀来调整压力油的流量，根据汽车的行驶状态，控制转向系统。液压 式动力转向系统作为一种辅助系统，它所起的作用主要取决于油压的高低，因此 系统中对油压的流量控制最为重要。液压式动力转向系统控制方式有机械一液压 式和电子控制式两种，其中电子控制式液压动力转向系统通过电控单元e c u 自 动调整转向盘的操作力，提高了操纵舒适性和转向灵敏度，保证了高速行驶的稳 定性，工作时无噪声，工作滞后时间短，可吸收来自不同路面的冲击。液压式动 力转向系统是目前汽车上主要采用的转向助力方式，其中较典型的有凌志、皇冠 等高档轿车上使用的“渐进式”动力转向系统p p s ( p r o g r e s s i v e p o w e r s t e e r i n g ) 。 国内桑塔纳、富康和奥迪等几种主要轿车也采用了液压式动力转向系统。 在液压式动力转向中，电控液压动力转向器e h p s ( e l e c t r o n i ch y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，e h p s ) 是目前比较成熟的产品，它是应用电力电子技术对液压 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 助力转向系统进行改进后开发的一种新型节能液压式动力转向系统。它与传统的 液压助力转向系统相比，有以下优点： ( 1 ) 、降低了能源消耗。传统的液压助力转向系统的液压泵直接由汽车的发 动机驱动，泵必须按发动机在最低速运行时能提供最大助力的泵油流速设计。换 句话说，泵总是以最大流速工作。因此当不需要助力或所需助力较小时，造成了 能量和燃料的浪费。而在e h p s 系统中，油泵从发动机中解放出来，利用单独的 电机驱动油泵。根据不同的情况，电机在控制单元的作用下可以运行在不同的工 作模式，以控制油泵流速，从而产生相应的助力。这种按需提供助力大大节省了 能量和燃料的消耗。 ( 2 ) 、结构紧凑，占用空间小，便于安装。e h p s 系统将储油罐、油泵、控 制器( e c u ) 和电机集于一体，采用密封式的包装，省去了传统液压助力系统中 连接到发动机上的皮带、滑轮及连接整个系统的软管和管道，简化了结构，缩小 了体积，节省大量的安装时间。 ( 3 ) 、具有可编程的助力特性。通过灵活的软件编程，依据车速可以得到舒 适的转向路感，具有可编程的助力特性。 ( 4 ) 、提高了可控性、可靠性，具有更高的安全性。由于本系统使用由独立 电源供电的电机来驱动油泵，使得在车行驶的过程中即使发生了发动机不工作的 情况，e h p s 系统仍然能提供助力，而且一旦电控助力失效，其机械助力仍然起 作用。 ( 5 ) 、维护方便。e h p s 采用密封式的结构，所以除了检查机械磨损和是否 漏油外，不需要其它方面的维护。使得维护更为方便。 它利用电子传感器把汽车运行中的各种非电量信号转变为电信号，采用微机 精确地控制动力转向系统中压力油的流量；再由压力油控制执行机构进行转向动 作。它除了可应用于普通的液压式动力转向器适用场合外，还可应用于高级轿车。 它根据汽车的运行状态控制动力转向辅助系统的工作如根据车速、转向工作量 ( 转向盘的转角、扭矩) 以及车轮侧滑量等因素控制转向过程中的油流量。这个 复杂的工作过程由电子控制器完成。 e h p s 系统虽然与传统h p $ 系统相比有了较大得改进，也使得液压动力转向 系统日趋成熟和完善。但与此同时，也使得该系统结构更复杂、价格更昂贵，而 且仍然不能克服液压动力转向系统的些固有缺点，如液压传动噪声大、效率低、 能耗大、转向盘中间位置路感差等。目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上。 【l 】 现代汽车技术追求高效节能，高舒适性和高安全性等三大目标。前一项目标 与环境保护密切相关，是当代全球性最热门得话题，后两项目标是汽车朝着高性 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 能化方向发展必须研究和解决的重要课题。转向系统的高性能化是指该系统能够 根据车辆的运行状况和驾驶者的要求实行多目标控制，以获得较强的路感、较轻 的回正稳定性、较高的抗干扰能力和较快的响应性，而且这些控制是在基本不改 变硬件的条件下通过改写软件便可实现。液压动力转向系统由于其固有的那些缺 陷，不能满足现代汽车高性能的要求。为此，世界各国的专家学者们利用具有高 控制性、高判断功能的电子技术大力研究开发一种新型的动力转向系统。【1 】 电动助力转向系统e p s ( e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ) 是一类近些年出现 的新型动力转向系统。它使用电动机的动力帮助驾驶员进行转向。依据助力电机 助力位置不同可分为转向轴式电动助力转向系统( c e p s ：c o l u m n e p s ) 、齿轮 轴式电动助力转向系统( p e p s ：p i n i o n - e p s ) 及齿条轴式电动助力转向系统 ( r _ e p s ：r a e k - - e p s ) 。该系统采用了最新的电力电子技术和高性能的电机控制 技术应用于汽车转向系统。它的研究领域涉及微电子控制、电力传动控制技术、 计算机控制技术、经典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论、汽车工程学 等，它是多学科技术的综合应用。它一般由扭矩传感器、车速传感器、电控单元 ( 控制器) 、电动机、离合器和减速机构等组成。当转动转向盘时，扭矩传感器 溯出施加于转向轴的扭矩，并产生一个电压信号。与此同时，速度传感器测出汽 车的速度，也产生一个电压信号。这两个信号经a d 转换后被送往控制器，经 过控制器运算处理后，传送给电动机一个合适的电流以产生扭矩，经减速机构减 速以增加扭矩，施加在汽车的转向机构上得到一个与工况相适应的转向作用力。 该系统与液压助力转向系统相比：能显著改善汽车动态性能和静态性能、降 低能源消耗、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境污染；同时该系统 结构简单，占用空间小，布置方便。此外，电动助力转向系统独立于汽车发动机 由蓄电池提供动力，不受发动机工作的影响。一个完整的电动助力转向系统还应 包括故障诊断与安全保护系统。当发生故障时，能停止助力，并发出报警信号， 显示所记忆的异常内容如传感器本身异常、车速传感器异常以及电动机工作是否 正常，蓄电池是否正常工作等等，并在出现故障后，自动恢复到手动控制方式转 向。所有这些突出优点是液压转向系统所无法比拟的，所以e p s 是动力转向发展 的必然趋势。“”。1 1 2 e p s 系统国内外发展状况 1 2 1 e p $ 系统发展情况 汽车是一种高新技术高度集成的产品，此产品依赖于各个系统高度的电子 化，才能进行信息交流，实现综合性控制。电力电子技术的飞快发展为市场提供 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 了优质廉价、高性能、高集成的电子器件。控制理论和信息技术的进步，为建立 实用性的控制策略和方法，奠定了理论基础和技术支撑。因此，在2 0 多年前难 以实现的电动助力转向系统( e p s ) ，国外如今已经实用化，并进入小批量生产 阶段，由于它具备了现有液压助力转向系统不可比拟的特点，该系统一出现就受 到人们的青睐，市场前景广阔。 1 1 电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月铃木公司首先在 c e r v o 车上装备e p sf 4 1 ，随后还用在a l t o 车上。在此之后，电动助力转向技术如 雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司， 美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司，德国的z f 公司，都相继研制出各自 的e p s 。如：大发汽车公司在m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司在m i n i c a 车 上装备了e p s 5 1 ；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装e p s ，$ 2 0 0 0 轿车的动 力转向也将倾向于选择e p s 卅；d e l p h i 汽车公司已经为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出e p s 。 t r w 从1 9 9 8 年开始，投入了大量的人力、物力和财力用于e p s 的开发。 他们最初针对客车开发转向轴助力式e p s ，目前小齿轮助力式和齿条助力式e p s 的开发也获得成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 己经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等【7 l 。m e r c e d e s - b e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司正共同投资 开发e p s ，他们的目标是到2 0 0 2 年装车，年产3 0 0 万套，成为全球e p s 制造商。 他们计划开发出适用于汽车前桥负载超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成 为e p s 的装备目标。 经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿 车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中 型轿车已经安装e p s ，本田还甚至在其a c u r an s x 赛车上装备了e p s 瞵j 。e p s 的助力形式也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 也进一步加强。日本早期的e p s 仅仅在低速和停车是提供助力，高速时e p s 将 停止工作。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 提供汽车的操纵稳定性。 目前，国内对该系统的研究和开发还处于起步阶段，e p s 系统研究已被我国 列为高新科技产业项目之一，已有部分高校和企业联合，形成“产、学、研”为 一体的研究和开发，但还没有真正的应用于实车中。 国内的一些轿车也选装了电动助力转向系统。如最新下线的“北斗星”选装 了进口的转向轴式的电动助力转向系统，马自达6 2 6 、广州本田雅阁轿车也选装 了电动助力转向系统。 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 各国对e p $ 的评价及i ：p s 发展前景“1 美国德尔福公司宣称，“e p s 系统表明我们有能力向全世界的用户提供尖端 的先进的转向系统，它是德尔福下一代精品的代表作。” t r w 公司认为：从长远发展看，目前轿车上广泛使用的l i p s 将被逐渐淘汰， 取而代之的是e p s 。 英国的卢卡斯公司认为：e p s 是轿车动力转向技术未来的发展方向，对于h p s 来说无疑是一场技术革命。 日本本田公司认为：e p s 完全具备了作为二十一世纪汽车动力转向系统的必 要条件。电子控制是汽车各个系统信息交换不可缺少的手段，由此车辆的各个系 统才能向高度集成的综合性控制性发向发展。 2 0 0 0 年9 月，我国科技部、财政部和国家税务局联合公布，将e p s 列为汽 车零部件“高新技术产品”之一。 e p s 的前景是可观的，首先在注重环保和石油资源的国家，如日本和欧洲各 国将获得快速推广。 据美国德尔福公司预测，2 0 0 1 年后，顶级轿车将全部安装e p s 。t r w 公司估 计，到2 0 1 0 年，全世界轿车的动力转向系统中，e p s 占1 3 。 德国z f 公司估计，2 0 0 1 年以后，欧洲市场e p s 的供销量约占3 。 英国卢卡斯公司认为，e p s 在轿车上正在成为标准配置，而不是选装件，自 1 9 9 6 至2 0 0 6 年，欧洲市场上的a 、b 、c 级轿车安装e p s 的比例将由3 5 增加到 7 0 。 目前，e p s 系统每年正以9 1 0 的增长率在快速发展。到2 0 0 5 年，e p s 的产量由目前的1 5 0 万套增加到8 0 0 万套，2 0 0 7 年将达到11 4 0 万套，即产量正 以1 3 0 1 5 0 万套年的速度在增加，按此增长速度发展下去，用不了几年e p s 将 完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。 1 2 3e p s 系统理论研究达到的水平 国内外对电动助力转向系统的理论研究不多，国内大部分文献只介绍了国外 转向系统的发展概况f 】p 1 4 1 ，部分文献从影响汽车系统操纵稳定性的角度分析 转向系的特性，分析中对汽车系统动力学模型进行了简化，忽略了一些因素，不 能客观实用地反映汽车实际行驶运动要求。文献 1 5 】、 1 6 分析了车辆基本运动 的力学性质，阐明了作用于轮胎上的力产生的机理与性质，讨论了转向装置对车 辆运动的影响。文献 1 7 1 在对轮胎特性进行线性化假设的前提下，忽略了转向系 统的摩擦与间隙，分别讨论了四轮车辆的单轨和双轨模型：考虑了影响操纵系统 天津大学硕士学位论文第一章绪论 稳定性的因素，并给出了转向力矩与车速、转弯曲车半径、转向系传动比等参数 之间的关系。文献 1 8 1 9 2 0 1 介绍了神经网络在汽车工程中的应用，分析了四轮 车辆的主动控制方案，讨论了车辆动态模型离线与在线辩识。文献 2 1 1 介绍了四 自由度汽车建模与实时仿真研究，讨论了汽车操纵稳定性问题与数学模型的建 立。近年来，j s c h e n 采取p d 控制，得到理想的稳态扭矩，并避免了扭矩在中频 段的高传递率，采用超前补偿器消除p d 控制器无法解决的噪音问题口2 1 。s u g i t a n i 提出转向系统操纵的手感取决于控制系统获取路面环境的信息的多少，并给出了 h i n f i n i t y 控制器【2 3 1 。z a r e m b a ，a t 分析了电动助力转向系统开发中的控制和路 感问题，按照转向系统的性能要求，提出了对校正器增益、相位滞后和零极点位 置的约束，针对变结构控制器，提出了一种非线性约束的最优化方法，其控制规 律使目标函数( hs u b 2 范数) 取极小值，从而使操纵手感得到改善【2 4 】。m c c a n n 分析了电动助力转向系统中助力电机参数对汽车操纵稳定性的影响，通过采用核 摆角速度和横向加速度反馈，系统获得了良好的稳定性 2 53 。b u r t o n 对电动助力 转向系统中驱动电路的m a t l a b 模型进行了仿真 2 6 1 。文献 2 7 1 在对转向系统中 存在的振动进行分析后，提出了一个降低振动和保持路感的校正器。b a d a w y 对 e p s 系统进行建模并对模型进行了简化，验证了简化模型的有效性，在此基础上 设计了控制器并讨论了影响转向性能的因素【2 ”。g r e g g ，r d 指出了e p s 完整的 系统构成，并利用手动转向系统的精确模型及m a t r i x - x 包，对整车进行计算机 模拟，而使e p s 的性能得到优化 2 9 3 0 我国e p s 系统的研究还处于起步阶段，理论研究还不成熟。 1 3 研究e p s 系统存在的主要问题及解决的方案 e p s 系统是个非线性的多输入多输出系统，包括三大部分：转向轴、齿条 轴和电机。考虑到可能的影响因素，该系统的输入包括转向盘力矩、传感器噪声、 路面扰动及各部件的非线性摩擦等，输出包括电机所需的助力力矩、电机转角、 齿条位移、转向盘转角等。 当前e p s 系统的控制器的设计通常是建立在系统的简化和精确模型的基础 之上，因此系统的鲁棒性较差【3 0 1 。由于模型的简化必然要带来模型的截断误差， 同时系统精确的模型对环境的适应性差。e p s 系统是一个多变量强耦合的非线性 系统，同时系统存在未建模动态以及参数变化和外部的干扰，因此线性系统控制 对其显得无能为力，为了实现e p s 系统的控制必须进行鲁棒控制器设计。可以 采用h 0 0 控制或变结构控制设计控制器来克服系统未建模动态和外界的干扰特 性，同时对于系统不可测状态设计鲁棒观测器或则采用有限的状态设计动态输出 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 反馈。为了实现强耦合状态变量的解耦，可以采用微分代数实现非线性状态解耦， 达到输入输出一对一的控制效果。 e p s 系统对电机的控制与常规的电机控制不同，它不但需要考虑电机的控 制，更重要的是必须满足e p s 系统的控制要求。为了满足该系统的特性，控制 系统的控制策略分为三种控制两种补偿，即常规控制、回正控制、阻尼控制、摩 擦补偿及惯性补偿。常规控制实现对转向系统的助力，回正控制改善转向系统的 回正性能，阻尼控制可有效抑制电机的超调，两种补偿克服了由于该系统的非线 性因素所造成的电机响应慢、助力特性变差等的不利影响。 在控制系统中，实现控制的核心是准确求出助力特性，即转向盘力矩和电机 助力力矩之间的关系。不同车速时的助力特性不同。传统的解决办法是按照车速 分段拟合，得到的是一族依据不同车速所形成的曲线。使用该曲线计算会由造成 一定的助力盲区，从而形成一定的控制误差。神经网络具有非线性函数的任意逼 近能力，可有效解决转向特性盲区的计算，减小控制误差，从而获得更为合理的 助力特性曲线。 依据以上所述e p s 系统的控制策略，对该系统的特性包括助力特性、跟随 特性、回正特性以及转向路感等进行深入研究，使设计的e p s 系统具有对转向 盘力矩的快速响应、良好的转向路感，同时衰减路面的扰动，减少传感器的噪声。 应用以上控制理论对e p s 系统进行深入的分析和研究，不但对该系统的发展 打下良好的理论基础，而且可将研究的结论应用于实际的控制系统设计中，更为 重要的是，它为系统的工程化设计提供了理论上的参考依据。 1 4 本课题研究的主要内容及论文框架 鉴于e p s 系统目前的发展状况及我国e p s 系统研究处于起步阶段的现状，从 我国现有条件出发，对该系统进行深入、细致的研究，对于拓展电气传动技术的 应用、加快国产汽车的电子化发展以及提供未来电动汽车、智能汽车自动驾驶技 术支持，将会有深远的意义。 1 4 1 研究的主要内容 本课题主要从控制理论的方面对电动助力转向系统的控制策略进行了初步 的研究。研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) e p s 系统性能分析及数学模型建立。 ( 2 ) 转向助力特性研究。该控制系统的关键是获得助力曲线。由于国外对 该曲线的研究处于保密状态，所以此项研究为关键技术之一。采用建立的数学模 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 型，依据系统中各输入输出的关系及各部件的参数，采用有限的状态设计动态输 出反馈，利用微分代数实现非线性状态解耦，达到输入输出一对一的关系，即在 某一特定车速下的输入转向盘力矩和助力电机力矩关系。 ( 3 ) 车速和助力特性关系研究。不同车速对应的助力曲线不同，该关系可 等价于车速和轮胎力的关系，而轮胎力是不可测的。该算法需要全状态反馈，但 因传感器造价过于昂贵，不能直接测量而无法得到。因此，设计鲁棒观测器的来 对轮胎力进行观测就很有意义了。拟应用滑模观测器来观测汽车轮胎纵向和横向 的状态、轮胎力等，得到车速和助力特性的关系。 ( 4 ) 系统动态补偿分析。e p s 系统必须有足够的带宽来满足转向盘快速转 向时电机的跟随性，同时还体现充分的“转向路感”。设计动态补偿器，保证控制 系统的稳定性、保持一定的带宽，同时减小系统振荡，使系统暂态性能和稳态性 能都能满足系统的要求。 ( 5 ) 设计h 。控制器，进行系统特性分析。根据氏控制理论，充分考虑存 在的各种不确定因素以及模型参数与实际对象的参数在一定范围内的偏差， 同 时针对系统的频域分析，设计h 。控制器，利用该控制器对整个系统进行仿真， 得到系统的特性分析，如助力特性、跟随特性、转向路感以及回正特性分析等。 1 4 2 论文框架 本文首先在第二章建立了系统的三自由度非线性动态数学模型，在结合实际 系统简化模型基础上对模型的参数及其对系统性能的影响进行了分析，并对系统 的特性进行了基于简化模型的研究。第三章研究分析了系统离散及全车速下的助 力特性；第四章对系统转向传感器测量信号输出进行补偿研究，应用根轨迹法设 计超前滞后校正补偿器的方法，以改善系统动、静态性能。第五章重点研究系统 的鲁棒性，概要阐述了h 。控制理论，并分别用基于混合灵敏度法和线性矩阵不 等式法的比控制理论设计了系统的鲁棒控制器，并经仿真验证所设计控制器的 有效性及鲁棒性。该章是本文研究的重点。最后对整个论文进行了总结。 天津大学硕士学位论文第二章e p s 系统的模型与动态特性分析研究 2 1 引言 第二章e p s 系统的模型与动态特性分析研究 如第一章所述，e p s 系统的结构和布置形式多种多样。e p s 系统的电机多为 直流有刷电机或永磁无刷电机，端电压为1 2 v 、2 4 v 或4 2 v 。根据电动机布置位 置不同，e p s 可分为：转向轴式电动助力转向系统( c e p s ：c o l u m n - e p s ) 、齿轮 轴式电动助力转向系统( p - e p s ：p i n i o n e p s ) 及齿条轴式电动助力转向系统 ( r - e p s ：r a c k - - e p s ) 三种，如图2 一l 所示嘲。 舔： d 图2 - 1e p s 系统典型助力形式 a ) 转向轴助力式b ) 小齿轮助力式c ) 齿条轴助力式( 双小齿轮) d ) 齿条轴助力式( 空 心电机) 转向轴助力式e p s 的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相 连，直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式e p s 的电动机和减速机构与小齿轮 相连，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式e p s 的电动机和减速机构则直接驱 天津大学硕士学位论文第二章e p s 系统的模型与动态特性分析研究 动齿条提供助力。 不同形式的e p s 系统，除物理模型和系统参数有差别外，其动态模型基本 相同。下面我们以p - e p s 系统为例来分析e p s 系统的模型。 2 2 p - e p s 系统模型建立 2 2 1p - e p s 系统物理模型的建立 p e p s 系统由转向传感器、车速传感器、微电脑控制单元( e c u ) 、电机和 助力机构等组成。系统工作时，转向传感器把转向盘的转向力矩信号送入e c u ， 同时车速传感器采集的车速信号及发动机信号也送入e c u 。e c u 根据发动机的 信号确定提供助力的时机。当需要提供助力时，e c u 根据转向力矩信号值和车 速信号值，依据转向助力特性表，计算出提供助力所需的助力力矩值，控制助力 电机，实现助力转向。 依据以上的分析，将各部件由实物抽象为物理模型如图2 2 所示。 圭 图2 - 2p e p s 系统物理模型 2 2 2p e p s 系统三自由度动态数学模型的建立 由图2 2 所示的物理模型，可得到p e p s 系统的三自由度动态数学模型 如图2 3 所示。 天津大学硕士学位论文 第二章e p s 系统的模型与动态特性分析研究 图2 - 3p e p s 系统三自由度动态数学模型 依据牛顿运动定理，针对系统的三大部分建立如下e p s 系统的非线性模型： i ，。包+ 6 。0 c + 世。0 。= e 兰2 + 瓦+ f o ( o 。，允)( 2 1 ) r 口 m x ，+ 6 ，t ：鍪蛾一生) + 坠( 臼。一生) 一+ f r ( x r , 2 r ) ( 2 - 2 ) r p，pr pr p 厶六十6 。0 。= l 疋+ ，卅 。，0 。)( 2 3 ) 式中乃为转向盘力矩( h i m )x 。m ，b ，分别为齿条的位移量( m ) 、质量( 瞻) 和阻尼 系数( n s r a d ) ；0 c , 以，k 。，b 。分别为转向轴的旋转n ( r a d ) 、旋转转动。 贯l ( k g m 2 ) 、 刚性系数( n r a d ) 、阻尼系数( n s r a d ) ；0 为转向轴齿轮半径( m ) ：既，j 。，k 。，气 分别为电机的旋转角( r a d ) 、转动运动惯量( k g m 2 ) 、刚性系数( n l r a d ) 及阻尼系数 ( n s r a d ) ：g 为电机至齿轮轴的减速比；e 。为轮胎转向阻力及回正力矩等作用 于齿条上的转向阻力，六，和厶是模型中的非线性摩擦项。 式( 2 1 ) 为转向轴的动态方程。其中二l 为小齿轮转过的角度，0 为转向盘 ，p 转过的角度，k 。p 。一b 为转向传感器的输出，即测量到的转向盘转矩信号，兀 | p 为转向盘的力矩输入。 式( 2 2 ) 齿条轴的动态方程。其中生( 眈与转向轴力引起的齿条位移， r pr p 里坠( 巳一堕) 为助力电机经减速机构后引起的齿条位移。 l p l p 式( 2 3 ) 为电机的动态方程。其中t 为电机的输出力矩经减速机构后提供 天津大学硕士学位论文第二章e p s 系统的模型与动态特性分析研究 的助力力矩，司表示如f ： = 傩。( 吼一竺生)( 2 4 ) t p l 为电机的给定电磁力矩。乙值的大小决定于电机的给定电流大小。在本 系统的计算中，l 值由力矩传感器给出，可表示如下： 咒= 世。k 。徊。一马( o k 。丘，) ( 2 5 ) ， 式中k 。是转向助力增益。该值定义了转向“路感”p ”。有关足。与转向路感的关 系详见2 4 3 节。 2 3 p e p s 系统模型分析 2 3 1p e p s 系统模型简化 由e p s 系统上节所建立的非线性模型可知，忽略系统中的工，f 和厶非线 性摩擦项即构成系统如下的简化模型： 巩帕舢硝c 毒+ 乃 ( 2 啕 脓，也= 等峨一马r + 警p ，一争一( 2 。)r pr r p l ，以+ 6 。d ，= 乙一乃 ( 2 - 8 ) 2 3 2 转向阻力的简化 转向阻力主要受转向时车轮与地面的摩擦力、回正力矩及转向系统中各 种摩擦力和力矩的影响，同时它还与车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的 转速等有关。因此，用公式准确描述转向阻力e 。有相当大的困难。文献 3 从理 论上给出了计算e 。的近似公式，但实际应用十分不便。本文从理论与实际应用 出发，给出了以下的简化计算公式： f m = k 。x ? + f r 式中k ：为弹性系数；f 为路面对轮胎产生的随机扰动。在实际计算中 一随机信号n x n 系统中，使计算更接近于实际情况。 ( 2 - 9 ) f 作为 天津大学硕士学位论文第二章e p s 系统的模型与动态特性分析研究 2 3 3 助力力矩疋分析 由e p s 系统的工作原理可知，r 与车速和转向盘的输入力矩有关，我们定 义下式来表达它们之间的关系： r o = ，( 乃，v )( 2 一l o ) 式中乃为转向盘力矩；v 为汽车速度。在不同汽车速度下，l l 为一族非 线性曲线，该族曲线表征了电动助力转向系统的助力特性。 由前面的模型分析可知，转向助力力矩t 一般如( 2 4 ) 式所示。由于臼。、 x 在实际的应用中不易测得，而系统能通过转向力矩传感器直接测得的量为转向 轴力矩t ，可近似于转向盘输入力矩乃，故在车速一定的情况下，助力力矩t 的 值最终决定于乃。 由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 及( 2 8 ) 可知，该族非线性的助力曲线由不同的助力增 益k 决定。 2 ，3 ，4 k 。值分析 对于不同车型，电动转向系统的参数不同，而在不同车速下所需要提供的助 力值大小不同，根据经验与仿真分析对于某一种车型，世。与车速，的关系我们 可以表示如下： k 。= t e 一“( o v v 一) ( 2 - 1 1 ) 式中t 、k 为系数，根据不同车型以及不同电动助力转向系统取不同的值。置。 随车速、，的增大而成指数减小。增大置。，相应地增加了电机提供的转向助力。 因此，k 描述了驾驶员的转向“路感”。由于不同类型的汽车的转向“路感”不 同，所以式( 2 8 ) 的函数关系应当根据不同车型具体确定。足。值的选取必须满 足式( 2 5 ) 中规定的条件。这是从系统稳定性角度分析得到的结论。 对式( 2 6 ) ( 2 - 8 ) 及式( 2 - 9 ) 进行拉普拉斯变换后，可以得到以下传递 函数： 蚴丁o o d 丝弓秽 ( 2 - 1 2 ) 1 n o v ，o 式中一。) = 。( s ) + ( t k 。) 鱼竺享 生 一小等一竽 天津大学硕士学位论文第二章e p s 系统的模型与动态特性分析研究 以( j ) = j 。s 2 + b c s + 世。 d 。( s ) = j 。s 2 + 6 。5 + x 。 以( 。) ：脚：他+ 毕+ k ， ，p 该传函h 。定义了转向系统的跟随性能。通过对多项式a 。( s ) 的分析，可得 到满足系统稳定的条件：4 。( s ) = 1 7 1 c 6 s 6 + a 。s s 5 + + a ，d 的所有根的实部为负。由 赫尔维茨稳定判据可知：， 0 ，a ； 0 。由这两个不等式可得到： 蜀k 呱+ 糕+ 筹蓑筹弘埘 式( 2 1 3 ) 中后两项含有小参数j 。、，所以k 。可表示为： 弘k m 鲁 ( 2 _ 1 4 ) 由此可以看出，助力增益k ，的取值只有满足式( 2 1 4 ) 时该系统才能稳定 工作。 2 4 基于模型的系统动态特性研究 2 4 1 助力特性 该控制系统的核心是准确求出助力特性，即转向盘力矩乃和电机提供的助 力力矩之间的关系。应用该助力特性，可实现微电脑控制。对式( 2 4 ) ( 2 - 8 ) 进彳亍拉普拉斯变换后，得到以下传递函数： 7 1 h 。( s ) = 罟 d 。( 。：。一! ：! 挚一! ! ! ! ! ! ! 挚) 2 _ 1 5 式中各系数定义见式( 2 - 1 2 ) 。 该传递函数描述了助力特性的动态特性。其稳态值如下式所示： 粉涨a协旧 由式( 2 1 6 ) 可以看出，影响该助力特性的稳态值为减速比g 及助力增益值 k 。设计大的减速比g 时，可增加助力力矩，减小电机惯量，但增大了整个装 1 4 天津大学硕士学位论文第二章e p s 系统的模型与动态特性分析研究 置的尺寸；设计小的减速比g ，可减小传动装置的尺寸，减小摩擦，改善汽车的 回正特性。设计减速比g 时一般按整个系统需要提供的助力比例确定。设计完减 速比g 后，系统提供助力值的大小由助力增益值k 。确定。k 。值如何选取见2 33 节。 2 4 2 转向随从性 由