（计算机应用技术专业论文）基于gps的汽车电动助力转向控制器的研究与设计.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： i i i ii ii iii i i rl l l ll l l i i l y 18 0 8 9 2 3 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h e a p p l i c a t i o n o fg p si nt h e r e s e a r c ha n dd e s i g no f e l e c t r o n i cp o w e r s t e e r i n g c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： s y s t e m s o n gh a i f e n g p r o f z h a n gg u o y i n m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l o g y j a n u a r y ，2 0 1 0 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y a 厂 气 1 d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：旅蹲蟀 日期：山，d 年；月jd 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可回在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：杀舟群导师( 签字) ：胆彳j 5 i 矿 日期：a ，o 年；月加日 孙年i 月知日 卜 氐 哈尔滨下程大学硕十学位论文 摘要 车辆的转向系统是实现驾驶员的操作意图、控制车辆行驶状态和整车操 纵稳定性的最重要系统。电动助力转向系统是目前研究及应用的热点，该系 统具有部件少、结构简单、节能环保、便于安装维护等特点，是未来动力转 向技术的发展方向，有望作为汽车的标准件，在动力转向系统中占据主导地 位。 本文首先在总结国内外文献的基础上，阐述电动助力转向领域国内外研 究现状和g p s 在汽车操纵稳定性研究中的国内外研究现状，指出开展g p s 在汽车前轮转向稳定性研究中的重要意义。 其次，在研究e p s 系统结构和工作原理的基础上，应用运动学和动力学 的理论知识建立电动助力转向系统动力学模型和二自由度车辆模型，提出了 运用g p s 实时差分定位技术的原理，结合i n s 传感器，测量汽车的横摆角速 度、质心侧偏角和速度等汽车状态参数的方法，分析了测量系统的测量误差， 应用c a r s i m 和s i m u l i n k 软件联合仿真，验证了二自由度车辆模型应用在车辆 稳定性控制领域的可行性。 再次，分析了车辆失去稳定性的原因，在此基础上重点分析了横摆角速 度和质心侧偏角对车辆稳定性的影响，提出了基于g p s 的车辆稳定性控制策 略。设计了基于g p s 的e p s 控制器，重点介绍了控制器的组成、主控制芯片、 g p s 接口电路设计以及转向电机的驱动电路设计。 最后，通过开环控制试验、转向不足控制试验、转向过度控制试验和质 量分布不均控制试验验证了所设计的基于g p s 的车辆稳定性控制策略的正 确性和基于g p s 的e p s 控制器的实用性。 关键词tg p s ；电动助力转向；操纵稳定性；稳态圆周试验；转向过度试验； 转向不足试验 囊 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t v e h i c l e s s t e e r i n gs y s t e m i st h em o s ti m p o r t a n ts y s t e mt oa c h i e v et h e i n t e n t i o no ft h ed r i v e r so p e r a t i o n , c o n t r o lt h ev e h i c l es t a t e m e n ta n dh a n d i n g s t a b i l i t y e l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi s t h ef o c u so ft h er e c e n t l yr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o n s i th a st h ec h a r a c t e r i s t i co ff e wc o m p o n e n t ，s i m p l ea r c h i t e c t u r e ， e n e r g y s a v i n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , e a s yf i xa n dm a i n t e n a n c e i ti s t h e d i r e c t i o no ft h ef u t u r ep o w e rs t e e r i n gt e c h n i q u e i ti sh o p e f u lt ob et h es t a n d a r d c o m p o n e n t i ti st h em a i n t e n a n c eo f p o w e rs t e e r i n g f i r s t ，i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fg p si nt h er e s e a r c ho f v e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t ya n de p sb a s e do nt h ep u b l i s h e dp a p e r s i tc a l lb e c o n c l u d e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fg p si sa ni m p o r t a n tm e t h o di nv e h i c l e f i o n t s t e e r i n gh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yr e s e a r c h s e c o n d ，b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ea r c h i t e c t u ra n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f e p s u s i n gt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c st oe s t a b l i s ht h ee p sm o d e l a n db i c y c l e m o d e l p r o p o s e dt h em e t h o do fm e a s u r et h es l i pa n g l ea n dy a wr a t eu s i n gg p s r e a l - t i m ed i f f e r e n t i a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g ya n di n ss e r s o r , a n a l y s e dt h ee r r o r so f t h es y s t e m u s i n gc a r s i ma n ds i m u l i n ks o f t w a r ec o - s i m u l a t i o n ，v e r i f yt h eb i c y c l e v e h i c l em o d e lu s e di nt h ef i e l do fv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o li sf e a s i b l e t h i r d ，a n a l y s e dt h er e a s o n sf o rt h es t a b i l i t yo ft h ev e h i c l et ol o s e f o c u s eo n t h ei m p a c to fv e h i c l es t a b i l i t yb yt h ey a wr a t ea n ds l i pa n g l e p r o p o s e dg p s - b a s e d v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls t r a t e g y d e s i g n e dt h eg p s - b a s e de p sc o n t r o l l e r f o c u s e s o nt h ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o l l e r , m a s t e rc o n t r o l l e r , g p si n t e r f a c ec i r c u i t ，a n d s t e e r i n gm o t o rd r i v ec i r c u i t f i n a l l y , v e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so fg p s - b a s e dv e h i c l es t a b i l i t y c o n t r o l s t r a t e g ya n dt h eu t i l i t y o fg p s - b a s e dc o n t r o l l e rb yo p e n l o o pc o n t r o lt e s t ， u n d e r s t e e rc o n t r o lt c s t ，o v e r s t e e rc o n t r o lt e s t ，u n e v e nd i s t r i b u t i o no fq u a l i t y c o n t r 0 1t 毛s t k e y w o r d s ：g p s ：e p s ；h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ；s t e a d y s t a t e c o r n e r i n g e x p e r i m e n t ：o v e rs t e e r i n ge x p e r i m e n t ：u n d e rs t e e r i n ge x p e r i m e n t 童 卜 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究的目的与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外电动助力转向控制技术的研究现状2 1 2 2 国内电动助力转向控制技术的研究现状。4 1 2 3g p s 在汽车稳定性控制上运用的国外研究现状。6 1 2 4g p s 在汽车稳定性控制上运用的国内研究现状一7 1 3 本文的研究内容8 1 4 本文组织结构：8 第2 章基于g p s 的e p s 总体设计及建模仿真1o 2 1e p s 系统结构和工作原理1 0 2 2 电动助力转向系统动力学模型的建立1 0 2 3 二自由度车辆模型l 3 2 4g p s 测量系统在e p s 中的应用1 5 2 4 1g p s 测量系统的组成1 6 2 4 2g p s 测量系统的功能。1 7 2 4 3g p s 测量系统的测量误差18 2 5 基于c a r s i m 的仿真分析1 9 2 5 1c a r s i m 动态模拟试验平台的组成1 9 2 5 2c a r s i m 车辆整车模型的建立2 0 2 5 3 驾驶员模型及仿真道路环境建立2 0 2 5 4 模型参数的输入及输出2 l 2 5 5c a r s i m 与m a t l a b 的联合仿真2 1 2 6 本章小结2 5 第3 章车辆稳定性控制策略及试验分析2 6 哈尔滨 二程大学硕十学位论文 皇i i i i 宣宣i 萱萱宣i i i i i i i i i i i i i i 萱i i i 宣i i 宣萱葺i 宣i i i 置i i i 宣宣萱i i i | i 皇i i i i 3 1 汽车失稳的判断2 6 3 2 横摆角速度和质心侧偏角对车辆稳定性的影响2 8 3 2 1 横摆角速度对汽车稳定性的影响2 8 3 2 2 质心侧偏角对汽车稳定性的影响3 0 3 3 基于g p s 的车辆转向稳定性控制策略3 1 3 3 1g p s 在车辆转向稳定性控制中的应用3 l 3 3 2 车辆转向稳定性问题分析3 2 3 3 3 车辆转向稳定性控制策略3 4 3 4 本章小结3 7 第4 章基于g p s 的e p s 控制器设计3 8 4 1 基于g p s 的e p s 控制器组成。3 8 4 2 基于g p s 的e p s 控制器控制芯片3 9 4 3g p s 接收器的接口电路设计4 0 4 3 1g p s 简介4 0 4 3 2g p s 接口定义说明4 l 4 3 3g p s 协议解析4 2 4 3 4 控制器与g p s 的硬件接口电路设计4 4 4 3 5g p s 信息采集软件设计4 6 4 4 转向电机驱动电路4 6 4 4 1 u 1 8 4 的引脚功能定义4 6 4 4 2h 桥式汽车电动助力转向电机驱动原理4 7 4 4 3 汽车电动助力转向电机驱动器电路设计4 8 4 5 本章小结5 0 第5 章基于g p s 的汽车电动助力转向试验分析5 1 5 1 试验简介51 5 2 试验过程及结果分析5 l 5 2 1 开环控制试验5 2 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 5 。2 2 转向不足控制试验5 2 5 2 3 转向过度控制试验5 4 5 2 4 质量分布不均控制试验5 5 5 3 本章小结5 6 结 论5 7 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 3 致谢“ 个人简历6 5 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 汽车助力转向系统依次经历了以机械助力转向、液压助力转向、电控液 压助力转向等为主流的阶段，目前处于研究及应用热点的是电动助力转向 ( e l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n g ，e p s ) 系统。传统的机械助力转向机构复杂，已 较少使用；液压电控助力转向装置在发动机工作时，不论是否转向，都会消 耗发动机的功率，增加发动机的动力消耗；而电动助力转向系统具有部件少、 结构简单、便于安装维护等特点，它通过电机、减速增加转矩机构实现助力 转向。不仅如此，e p s 的能耗是液压助力转向系统能耗的1 3 以下，且前者 比后者使整车油耗下降可达3 一5 ；采用电动助力转向系统的汽车，在转 向时由蓄电池向电机提供较大的驱动电流，而在直线行驶过程蓄电池仅向电 机提供很小的控制电流，并且e p s 控制系统可根据路况及车况调整、控制电 机的助力( 或阻尼) 状态，可在降低对发动机瞬时功率要求的同时减少能耗， 节约能源，并大大提高驾驶的转向舒适性及行驶安全性。 本课题结合黑龙江省自然科学基金重点项目“基于g p s 的汽车稳定性控 制系统研究 。在研究传统电动助力转向系统的基础上，将g p s 信息融入到 汽车电动助力转向控制系统中，针对g p s 测算的汽车质心侧偏角和横摆角速 度得到汽车状态，进行数据融合处理，将处理所得数据输入到电子控制单元 中，从而计算出汽车控制信号，实现信号对汽车前轮转向的主动控制，增强 汽车行驶稳定性。 e p s 结合了电子技术、信息技术、计算机控制技术，是一种很有发展前 景的汽车电子产品，它是未来动力转向技术的发展方向，有望作为汽车的标 准件，在动力转向系统中占据主导地位。因此，有必要做深入研究，开发高 性能的e p s 系统。 哈尔滨t 稃大学硕十学佗论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外电动助力转向控制技术的研究现状 1 9 9 0 年，本田首先在n s k 车上应用电枢电压控制方法。该方法利用电 机电压开环控制算法，将扭矩传感器采集到的驾驶员施加在方向盘上的扭矩 和车速传感器采集到的车速信号经过放大整形处理后输入到电动助力转向系 统电控单元中，通过查表法得到助力电机参考电压，计算后得出对应的p w m 占空比，以此来控制助力电机电压，最终达到控制助力转矩的目的，实现电 动助力转向系统的助力控制。该控制方法属于开环控制，其特点是控制系统 简单，但是控制精度不高，控制系统的跟踪性能较差，故1 9 9 7 年日本本田的 a c c o r d 6 型轿车上采用了电流反馈闭环控制【1 1 。 助力电机电流典型的控制方法如图1 1 所示。助力电机电流控制方法利 用电流反馈闭环p i d 控制算法进行助力控制。将方向盘扭矩传感器检测到的 方向盘扭矩和车速传感器检测到车速输入到事先制定好的“车速电流表” 中，通过查表确定应该施加给助力电机的理论电流值，同时将此电流值与电 流传感器实际采集到的助力电机电流值做差，将差值送入p i d 调节器，最终 输出p w m 电机控制信号，从而达到助力控制的目的。该方法的突出的优点 是能实时控制，控制精度较高，在早期的电动助力转向系统的研究与开发较 多采用这种控制方法。 i 扭矩传感器i - r l l 叫m h 助l 帆 i 车速传感器i - 司萨。 图1 1 典型的助力电机电枢电流控制方法 同时，电枢电流控制方法也存在一些无法避免的缺点。比如，以此控制 算法为基础设计的电动助力转向控制系统容易产生转向震动，系统的抗干扰 性较差，无法获得较好的转向路感等等。 2 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 近年来，国外许多学者先后将神经网络控制理论、模糊控制理论、h o o 控制理论、模糊p i d 控制理论等先进的控制理论应用在电动助力转向系统的 控制算法中，在抑制路面干扰、控制转向盘路感、减少传感器噪声、提高转 向盘的转向回正性能等方面取得了一定的研究成果 国外学者主要进行了以下几方面的研究工作。本田公司的t o s h i n o r i t a n a k a 等人提出了电动助力转向控制系统的软硬件实现方法，该方法在助力 控制、回正控制、阻尼控制等方面控制较为出色，本田公司认为在不久的将 来电动助力转向系统将取代液压动力转向系统，成为车辆动力转向的主导系 统p 1 ；t na k a y m a 等人介绍了装备电动助力转向系统的m i r a ，a l t o 等车型， 指出车辆的电动助力转向系统不但要实现基本转向助力功能，还要进一步提 高转向系统的性能，该系统应具有更多的控制功能【4 1 。 j s c h e n 于1 9 9 8 年从动态特性的角度出发采用固定转向盘的方法对电动 助力转向系统进行了研究。最终得出结论，引起转向盘的转向振动的原因是 由于当助力增益较大时，转向盘固定转矩与转向齿条载荷之间传递函数的频 率较宽，允许高频的路面激励干扰通过转向总成传递到方向盘上。此外，为 了有效地抑制转向盘的转向振动，他还设计了比例微分控制器并进行了仿真 试验【5 1 。 1 9 9 9 年，m a s h i k ok u r i s h i g e 等人为了减少电动助力转向系统的传感器数 量，提出了应用观测法和反电动势法来估计助力电机角速度的方法。该方法 可以有效的抑制由于助力增益较大时所产生的转向盘震动，对电动助力转向 系统的操纵性能有一定得改善，能够满足实际控制的需要【6 】。 1 9 9 7 年，n o b u os u g i t a n i 等人为获得特定的转向盘转向路感，设计了一 种h o o 控制器，试验表明，用h o o 控制理论所设计的控制器获得了较好的路 感，并且对来自路面的干扰有一定得抑制作用【7 1 。 1 9 9 8 年，a t z a r e m b a 等人以获得良好的路感为目标，应用h o o 最优控 制理论设计了控制器。并通过仿真和台架试验验证了控制系统的效果，但其 所设h o o 计控制器没有考虑到控制系统的鲁棒性【8 】。 哈尔滨丁科人学硕十学何论文 1 9 9 9 年，m z xo u y a n g 等人利用神经网络参考模型自适应控制方法设计 了包含神经网络动态补偿和p i d 控制算法的控制器，试验仿真结果表明，该 控制器从非线性动态特性方面对电动助力转向系统进行了有效的补偿，增强 了电动助力转向系统的动态自适应性【9 】。 2 0 0 0 年，t o s l l i ok o h n 等人以提高电动助力转向系统的鲁棒性能为出发 点，建立了电动助力转向系统的数学模型，并采用h o o 控制理论研究了由于 轮胎自身弹性系数变化对助力性能的影响。仿真和台架试验结果表明，所设 计的控制系统具有较好的鲁棒性【1 0 】。 2 0 0 1 年，g e n eyl i a o 进行了电动助力转向控制系统模型和整车虚拟样 机模型的机电一体化仿真，仿真结果和试验结果的对比表明，机电一体化仿 真是评价电动助力转向系统性能和车辆操纵性能的有效手段【1 1 1 。 2 0 0 2 年，j i h o o nk i m 等人利用p i d 控制算法对电动助力转向系统的基 本助力控制和回正控制策略进行了研究，该p i d 控制算法的所确定的助力电 机的控制电压不是由助力电机参考电流和助力电机工作电流确定，而是直接 由转向盘参考转矩和测量转矩确定。通过硬件在环仿真结果表明，电动助力 转向系统获得了较好的回正性能和助力性能【陀】。 综上所述，国外对电动助力转向控制系统的研究主要在转向助力、转向 回正和路感控制的控制算法方面。在控制算法的研究方面主要集中在p i d 控 制、h o o 控制、神经网络控制等经典控制算法。对通过转向来控制车辆行驶 稳定性的研究尚未见报道。 1 2 2 国内电动助力转向控制技术的研究现状 国内对电动助力转向系统控制技术的研究工作刚刚起步，主要处于试验 室研发阶段【1 3 15 1 。北京航空航天大学刘峰等为完成电动助力转向系统的实车 道路试验，设计了e p s 辅助测试系统，包括测试系统的硬件设计方案和软件 实现方法，使用结果表明，该系统满足e p s 实车道路试验的数据采集需要【16 1 。 吉林大学探讨了装配有电动助力转向系统的车型与其助力特性的匹配原则， 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 对电动助力转向系统的转向性能的客观评价、匹配设计进行了研究；提出了 应该从转向轻便性、转向回正性、转向盘中间位置区域性、转向盘振动、随 动灵敏度和助力特性等方面进行方面建立电动助力转向系统转向性能的评价 指标；设计了基于增量式p i d 控制算法的基本助力控制策略，并通过台架试 验验证了控制策略的有效性【r 卜1 8 】。华中科技大学熊建桥等人参照e p s 传统的 p i d 控制方式，分析电动助力转向系统采用模糊控制的可行性，最后给出了 基于模糊控制的e p s 设计方法及其在工程中的具体实现。实践结果表明，在 e p s 控制系统中采用模糊控制可以使系统具有较强的鲁棒性，在提高系统的 操纵轻便性的同时，能保证驾驶员获得充分的路感，从而获得较为理想的助 力特性【1 9 1 。南京航空航天大学的赵万忠等人，开发了适合纯电动大客车e p s 系统使用的循环球式电动助力转向器，建立了纯电动大客车循环球式e p s 系 统动力学模型及整车二自由度转向模型。仿真结果表明：基于遗传算法优化 的系统参数提高了系统的转向路感和转向操稳性【2 0 】。重庆大学机械传动国家 重点实验室采用p i d 控制方法分别对电机进行助力和回正控制，并结合三自 由度的整车模型( 考虑侧倾影响) 和f i a l a 轮胎模型建立了e p s 整体仿真模 型，分析了e p s 系统对方向盘瞬态响应品质的影响以及路面冲击下汽车纵横 向加速度的变化【2 1 1 。江苏大学王廷宏等人开发了以p h i l i p s 公司8 位单片机 p 8 7 l p c 7 6 8 为核心的电动助力转向控制器，介绍了控制器电源部分、数据采 集及处理部分、单片机及外围电路部分、电机驱动部分及故障诊断和输出部 分的设计方法：并提出一些提高系统抗干扰能力的硬件措施；实验证明系统 助力性能良好，控制器可以满足助力转向系统的要求【2 2 1 。上海交通大学的韩 立膑对电动助力转向控制器的硬件电路及c a n 通信程序设计进行了详尽地 阐述。给出了完整的现代车载电子控制器的设计步骤和方法，论述了功能设 计以及对于电动助力转向控制器有重要影响的散热技术、电磁兼容技术以及 可靠性分析和试验方案【2 3 1 。南京理工大学马星辰通过对装有和不装e p s 系统 的整车虚拟试验的对比研究，分析了e p s 系统的控制效果及其对整车操纵稳 定性的影响。结果表明，闭环p i d 控制的e p s 系统在提高汽车低速行驶转向 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 轻便性和高速行驶转向平稳性方面具有明显作用【2 4 1 。北京科技大学运用基于 电压矢量控制的转矩随动系统，来保证助力电机输出转矩按一定比例跟随转 向盘转矩，设计了一种由双转矩传感器、交流感应电机组成的智能电动助力 转向系统。实验表明：系统转矩跟随准确，响应速度快【2 5 1 。江苏大学阐述了 电动助力转向系统的结构和基本工作原理，建立了以方向盘转角为输入、转 向轴扭矩为输出的线性系统数学模型，定量分析了系统参数对转向轻便性、 跟踪性的影响，并给出了系统控制电路副2 6 1 。天津大学建立了电动转向系统 的动态模型，应用控制理论，分析了该系统动态特性中的助力特性、随从特 性、转向路感以及系统稳定所需的条件，讨论了主要参数的变化对其产生的 影响【2 7 1 。此外，天津大学等单位也对电动助力转向系统控制技术进行了理论 研究，试验成果尚未见报道【2 8 3 0 1 。 1 2 3g p s 在汽车稳定性控制上运用的国外研究现状 美国a u b u r n 大学的b e v l yd m 等人e s t i m a t i o no fc r i t i c a lt i r ep a r a m e t e r s u s i n gg p sb a s e ds i d e s l i pm e a s u r e m e n t s 基于g p s 的速度测量法对轮胎滑移 率、质心侧偏角、轮胎侧偏角这3 个关键汽车参数进行估计。提出把低更新 率的g p s 速度传感器与高频惯性测量装置( 加速度计和速率陀螺仪) 进行融 合，辅以轮胎侧偏刚度更新算法用于提高卡尔曼滤波模型的性能，进而提供 汽车状态参数的精确估计。g p s 被证明有效的运用到汽车导航【3 1 】【3 2 1 。 s t a n f o r d 大学的r y uj 等人提出一种通过对汽车坡度惯性传感器和g p s 接收机的融合来估计汽车关键参数( 质心侧偏角、纵向速度、侧倾角和坡度) 的方法。该方法能够补偿俯仰和侧倾的影响，提高汽车状态参数的估计精度 和传感器偏置误差的估计精度。g p s 被证明能测算出汽车的质心侧偏角和横 摆角角速度【3 3 】。 s t a n f o r d 大学的k i r s t i nl ，r o c k 等“v a l i d a t i n gg p sb a s e d m e a s u r e m e n t sf o r 讯i c l ec o n t r o l 将用g p s 和光电车载路面测 试系统测得的状态参数作对比实验，表明g p s i m u 能够在汽车动态工况下准 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 确地测量汽车速度和侧偏角。在高低不平的路面上g p s i m u 要比光电传感器 更加稳定。此外k i r s t i nl r o c k 设计了汽车状态观测器，用于在g p s 信号失 锁时提供侧偏角信息，观测器估计的值与g p s i m u 不完全匹配，但变化趋势 相同p 4 1 。宝马研究所的s v e na b e i k e r 和s t a n f o r d 大学的j c h r i s t i a ng e r d e s ， k i r s t i nl r o c k 等人研究g p s i n s 在汽车稳定性控制，实现g p s 在汽车稳定 性控制系统的运用。 1 2 4g p s 在汽车稳定性控制上运用的国内研究现状 西华大学李永生“基于g p s 及i m u 的汽车道路试验系统的研究”将g p s 和i m u 的特点相结合，利用g p s 信号的便捷性得到车辆的轨迹、位移、速 度等状态参数，同时，针对g p s “盲区 的影响，在g p s 短时间没有信号时 利用i m u 得到汽车的动态参数，从而保证了汽车性能试验的顺利进行以及试 验结果的可靠性和准确性f 3 5 】。 东南大学刘广孚等“汽车运动参数i m u g p s 组合测试中的数据同步技 术”利用同步电路实现g p s i m u 数据的同步，有效地解决i m u 和g p s 数据 的时间同步问题，实现了对多种汽车运动参数的高频测量与解算【3 6 1 。 南京航空航天大学王乐等人“基于g p s 的汽车操纵稳定性研究”利用传 统仪器l c 5 1 0 0 型光电五轮仪和q c w - 2 型汽车动态测试系统与用r t k 五轮 仪样机测得数据相对比，得出r t k 五轮仪测得结果与传统试验测得结果相吻 厶【3 7 】 口 。 综上所述，可以看出g p s 在汽车稳定性控制系统的应用无论国内国外的 研究大都是稳定性控制和g p s 信号分开研究，两方面结合的研究主要把g p s 当成稳定性控制测试实验仪器运用为主，而把g p s 当控制信号和稳定性控制 结合的研究方面还很少。随着低价g p s 的精度不断提高，运用g p s 控制汽 车精度的进一步提高，研究汽车稳定性控制系统将更加有效的减少交通事故 发生，具有十分重要的意义。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 3 本文的研究内容 综合国内外的研究现状，结合黑龙江省自然科学基金重点项目“基于g p s 的汽车稳定性控制系统研究”，以传统电动助力转向系统为基础，同时将g p s 信息融入到汽车电动助力转向控制系统中，针对g p s 测算的汽车质心侧偏角 和横摆角速度得到汽车状态，进行数据融合处理，将处理所得数据输入到电 子控制单元中，从而计算出汽车控制信号，实现信号对汽车前轮转向的主动 控制，最终达到增强汽车行驶稳定性的目标。具体实现的目标如下： ( 1 ) 研究汽车电动助力转向系统的结构和工作原理。 ( 2 ) 建立适合车辆稳定性控制的g p s 测量系统。 ( 3 ) 建立基于g p s 的e p s 系统动力学模型，并应用c a r s i m 和m a t l a b 软件进行联合仿真验证所建立的模型的正确性和有效性。 ( 4 ) 研究影响车辆转向稳定性的主要因素，提出基于g p s 的车辆转向 稳定性控制策略。 、 ( 5 ) 设计基于g p s 的汽车电动助力转向控制器。 ( 6 ) 利用g p s 接收仪和横摆角速度传感器估计汽车状态，并将所得数 据输入到电子控制单元中，从而计算出汽车控制信号，实现信号对汽车前轮 转向的主动控制，增强汽车行驶稳定性。 1 4 本文组织结构 本文共分五章。 第1 章是绪论部分，介绍了本课题的研究内容、目的与意义，课题的研 究背景以及电动助力转向领域和g p s 在汽车稳定性控制领域中的国内外研 究现状。 第2 章介绍了e p s 的系统结构和工作原理，提出了g p s 测量系统在e p s 中的应用方法，建立了e p s 系统动力学模型和二自由度车辆模型，并应用 c a r s i m 和s i m u l i n k 联合仿真验证了模型应用在车辆稳定性控制领域的可行 性。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 第3 章首先分析了车辆失去稳定性的原因，在此基础上重点分析了横摆 角速度和质心侧偏角对车辆稳定性的影响，最后提出了基于g p s 的车辆稳定 性控制策略。 第4 章设计了基于g p s 的e p s 控制器，重点介绍了控制器的组成、主控 制芯片、g p s 接口电路设计以及转向电机的驱动电路设计。 第5 章是基于g p s 的汽车电动助力转向系统实验分析，主要通过开环控 制试验、转向不足控制试验、转向过度控制试验和质量分布不均控制试验验 证了第3 章所设计的基于g p s 的车辆稳定性控制策略的正确性和第4 章所设 计的基于g p s 的e p s 控制器的实用性。 9 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 第2 章基于g p s 的e p s 总体设计及建模仿真 2 1e p s 系统结构和工作原理 汽车e p s 系统基本组成如图2 1 所示。e p s 系统主要由车速传感器、转 矩传感器、电磁离合器、助力电动机、控制单元( e c u ) 、转向盘、助力电动 机减速机构( 蜗轮蜗杆) 、转向齿条、转向齿轮及转向车轮等组成。 系统基本工作原理是：当汽车转向时，电子控制单元连续接收转矩传感 器的信号和车速传感器的信号，通过控制策略，对助力电机发出控制信号进 行适当助力。方向盘扭矩越大，助力越大，使驾驶员感觉转向轻便；车速越 快，助力越小，保证高速行驶时驾驶员有一定的路感。此外，转向系统还应 对来自路面的干扰有一定的抑制作用，以改善转向盘的手感。 图2 1 电动助力转向系统结构示意图 2 2 电动助力转向系统动力学模型的建立 e p s 系统简化模型如图2 2 所示，主要包括转向柱、减速机构、齿轮齿 条和助力电机，以及e c u 控制单元，根据简化的模型，分别对转向柱、输出 轴、齿条和电机建立转向系统动力学方程： 1 0 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 转向柱：以晓+ 曩馥+ k a = 死+ 恕吃 ( 2 1 ) 输出轴：以怠+ 笆馥= 恕( 皖一只) + g k ( 包一g e e ) 一兀， 齿条： 冀+ 包谚+ 以= 瓦名+ 历 电动机：厶吃+ 吃龟= 乙一k ( 色一g o ) 式中：以一转向柱、转向盘的转动惯量； 忍一转向柱的阻尼系数； 屯一转向杆的刚性系数； 配一转向柱的旋转角； 图2 2e p s 系统简化模型 瓦一作用在转向盘上的转向扭矩： 以一减速机构的转动惯量； 色一减速机构的阻尼系数： 见一输出轴的旋转角； ，- ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 哈尔溟下稃大学硕十学何论文 g 一涡轮蜗杆减速器的减速比； l 一作用在输出轴上的反作用扭矩； 所，一小齿轮及齿条的质量； 统一齿条的阻尼系数； k ，一等效弹簧的弹性系数： t 一齿条的位移； c 一路面的随机信号； 吃一电动机的粘性摩擦系数； 乙一电动机的电磁转矩； k 一电动机和转速机构的刚度； 厶一电动机的惯性矩； 吃一电动机的转角： 乙一小齿轮的半径。 忍、e 、6 ，、吃由试验获得。 假设小齿轮和输出轴之间是通过一个等速双万向节连接，则： 晓= 二l ( 2 5 ) 名 联立方程( 式2 2 ) ( 式2 3 ) ( 式2 5 ) e p s 机械部分动力学模型的微分 方程为： js 苷s + b s 6 s + ks 8 s = t ，+ k s 立 m 胪警卜g 舟* 一讣乃 协6 ， ，户l0 0l 厶吃+ 吃允= t mm ki 以一g 立i 鸠= 坼+ 专 减速机构、小齿轮、齿条等的当量质量： 1 2 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 母= 以+ - 参5 - 减速机构、小齿轮、齿条的当量阻尼系数。 这样，就得到了e p s 系统机械部分的数学模型。该模型主要有三个输入： 转向盘转矩、电动机电磁转矩和路面信号的随机输入。系统模型输出主要包 括电动机助力转矩的大小、转矩传感器检测的转矩大小、转向盘转角、电动 机速度和齿条的位移】。 2 3 二自由度车辆模型 我们采用二自由度车辆模型作为水平方向上的车辆操纵动力学模型，如 图2 3 所示，该模型中各参数的含义如下： 图2 3 二自由度车辆模型示意图 一车辆重心位置的质心侧偏角： 7 一车辆横摆角速度； 万一车辆转向角： u ，c g 一车辆重心位置处的纵向速度； 【厂n c g 一车辆重心位置处的横向速度； f ，一前轮侧偏力； f ，一后轮侧偏力； 口，坝4 偏角： 以一后轮侧偏角； 1 3 对图2 3 做运动学分析可得出下列等式： m g h = c t ，c o s s + f n ， ，：r = ，c o s 8 + b f h ， 式中：t 一车辆的转动惯量 聊一整车质量： 口一前轴距车辆重心的距离： 6 一后轴距车辆重心的距离； 口，c g 一重心处的侧向加速度： 巳，c 口，一前轮和后轮的侧偏刚度； 在线性范围内，前后轮的侧偏力同前后轮的转向侧偏角存在如下关系： 2 一巳，吁 ( 2 8 ) f ，= 一巳，饵 在转向角较小的前提下，轮胎侧偏角可用如下形式来表示： 口，：u , c a + a y 一万 。u , u j ( 2 9 ) c a - b y 现： u c g 如果纵向速度玑c g 为常数，那么二自由度车辆模型可以用如下方式来表 示： u ：c g f - j 2 鐾妻m vb uc gb + z j ini 一巳r 口2 一巳，20 ，l 。 ，：矿j c 口r ，竹 c j f a i 万( 2 1 0 ) 给定车身任意一点处的纵向速度u ，和u y ，那么该点处的侧偏角可以用 下式来表示 = a r c 伽 1 4 ( 2 11 ) 美杪 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 质心侧偏角还可以表示成车辆前进方向y 与速度方向7 之差，即： 夕= 沙一7 ( 2 1 2 ) 将重心处的质心侧偏角如，代入式2 1 0 可得质心侧偏角、横摆角速度 和转向角之间的关系如下： 围一 引一 2 4g p s 测量系统在e p s 中的应用 ( 2 1 3 ) 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是目前世界上应用范围 最广、最实用的授时、测距、导航定位系统。随着电子技术的