（车辆工程专业论文）汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 与传统的转向系统相比，电动助力转向系统具有无可比拟的优势，并逐渐取代液压 动力转向系统成为汽车转向系统的发展趋势。电动助力转向系统采用电动机直接提供助 力，有效地解决了传统液压动力转向系统对轻便性与路感的矛盾，改善了车辆的操纵稳 定性能，准确地实现了低速行驶时的转向轻便性和高速行驶时的良好路感性要求。 本文从电动助力转向系统的助力特性入手，在电动助力转向系统受力分析的基础 上，建立了系统动力学模型，通过对系统特性进行的分析，比较了比例控制和比例加微 分控制对系统特性的影响，确立了以模糊p i d 电流闭环控制算法为主的控制方式。 本文对三种不同形式的e p s 助力特性进行了理论上的分析，在离散助力特性研究的 基础上，探讨了初步确立曲线型助力特性的方法，并提出以神经网络对助力特性曲线进 行离线优化训j 练，通过m a t l a b 工具箱拟合得到了比较理想的电动助力系统的助力特 性表达式。其助力特性的研究方法对不同车型具有通用性。 在此基础上，本文通过m a t l a b s i m u l i n k 建立了带理想助力特性的电动助力转向 系统仿真模型，并将电流控制方法应用于电动机电学模型中，依据电动机的电磁转矩特 性将力矩形式的助力特性转化为电流形式的助力特性，实现了对目标电流的p i d 闭环控 制。并从电动机模型中引出角速度信号用于确定阻尼控制的补偿电流。通过仿真表明， 曲线型的助力特性基本能满足原地转向和低速行驶的轻便性和高速行驶的路感性要求。 关键词：电动助力转向；助力特性；仿真；神经网络 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 s t u d i e so na s s i s tc h a r a c t e r i s t i co f t h ea u t o m o b i l e se l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gb ys i m u l a t i o n a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sm u c hs u p e r i o rt ot r a d i t i o n a ls t e e r i n g , a n di tw i l la l s o t a k et h ep l a c eo fh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mt ob et h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o r a u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n g n l ea s s i s tt o r q u ei sp r o v i d e db ym o t o rd i r e c t l yi ne p ss y s t e m w h i c hr e s o l v e st h ep r o b l e mo ft h eh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e ma n di m p r o v e st h ec h a r a c t e r i s t i c o fs t e e r i n gc o n t r o la n dr e a l i z e se x a c t l yt h er e q u e s to fe a s yo nt h el o ws p e e da n dr o a df e e lo n t h eh i 豇s p e e d f o r 血ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i co fe p s d y n a m i c sm o d e lo ft h es y s t e mo nt h eb a s eo ff o r e e a n a l y s i si sf o u n d e d c o m p a r e d 谢协t h epc o n t r o la n dt h ep dc o n t r o lo nt h es y s t e mr e s p o n s e t h ef u z z yp i di sc h o s e na st h em a i nc o n 廿o lm o d e o nt h es t u d i e so ft h r e ed i f f e r e n ta s s i s tc h a r a c t e r i s t i co fe p s 也em e t h o do ff o u n d i n g c u r v et y p ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci sd i s c u s s e da n dt h ee u r v eo fa s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci st r a i n e d o f f i i n eb yn e u r a ln e t w o r k a n dw i t ht h et o o l b o xo f d a t l a b t h ep e r f e c te x p r e s s i o no fa s s i s t c h a r a c t e r i s t i cc a nb eo b t a i n e d n em e t h o do fs t u d i e so na s s i s tc h a r a c t e r i s t i ca p p l i e st o d i f f e r e n ta u t o m o b i l e i nt h i sp a p e r ，s i m u l a t i o nm o d e lo fe p si sf o u n d e db ys i m u l i n k w i t l lt h ec u r r e n tc o n t r 0 1 t 1 1 ec l o s e dl o o pp i dc o n t r 0 1o fa i mc u r r e n ti sf i n i s h e d t h ec o m p e n s a t ec u r r e n to fd a m p c o n t r o lc a nb eo b t a i n e db v 恤ea n g e lr a t ec a m ef r o m 也em o t o r t h er e s u l to fs i m u l a t i o n i n d i c a t e st h a tt h ec u r v ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc a r lm e e tt h er e q u e s to fb o t ht h oe a s yo nt h ei o w s p e e da n dr o a df e e lo nh i 吐s p e e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ；a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ts i m u l a t i o n ；n e u r a ln e t w o r k 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 盔垄里三查堂堡主堕塞生堂垡堕茎 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盒；查煎澍 导师签名： 窒亟童。 兰16 年月旦日 大连理工大学硕士学位论文 引言 1 汽车转向系统的概述 汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转 向轮( 一般是前轮) 相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。驾驶操纵用来改变 或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。 汽车转向系统根据转向能源的不同可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机 械转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都是机械的，它主要由转向 操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零 部件，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。动力转向系统是在机械转 向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系，它兼用驾驶员的体力和发动机 动力作为转向能源。在正常的情况下，汽车转向所需的大部分力通过转向加力装置提供， 只有小部分由驾驶员提供。同时在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现 汽车的转向操纵“j 。 汽车转向系统一直存在着轻与灵的矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设 计成可变速比，在方向盘小转角时以灵为主，在方向盘大转角时以轻为主。但灵的范围 只在方向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这 种方法不能根本解决这一矛盾。 随着电子技术的发展，电子控制式机械液压动力转向系统应运而生，该系统在 某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向系统的固有 缺憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定 了，不能再对其进行调节与控制。因此传统液压动力转向系统协调转向力与操纵路感的 关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、路感差，甚至感觉汽车发飘， 从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大【j j 。 电动助力转向系统( e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) ，是继液压动力转向 系统后产生的一种动力转向系统。电动助力转向系统由电动机提供助力，助力大小由电 控单元( e c u ) 实时调节与控制，可以较好地解决上述液压动力转向系统所不能解决的矛 盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势。 2 电动助力转向系统的发展与现状 电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。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 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 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 。经过2 0 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。 在我国，电动助力转向的开发还处于起步阶段，国产电动助力转向渐有产品问世a 本项目具有较高的学术价值，研究结果对指导电动助力转向的国产化开发具有重要的现 实意义。电动助力转向可以应用在轿车、微型面包车、轻型客车和轻型货车等车型上， 这几种车型在我国的年产量超过3 0 0 万辆，因此应用前景广阔。 e p s 是现代汽车转向系统的发展方向，已被我国列入高新科技产业项目之一。目前， 预计e p s 的需求量将以1 0 的速度递增，按此发展速度，e p s 不久将占领全部轿车市场。 未来的发展趋势是进一步改善控制性能，使之更好地与不同档次汽车相适应，如增 加汽车转向反馈信号，对车辆回正性能进行控制等；提高系统的可靠性，如采用非接触 式转矩传感器等；降低价格。 随着经济高速发展，轿车的普及率将会越来越高，轿车驾驶转向的轻便性将成为购 车者考虑因素之一。因此该系统的研制与开发对满足社会需求、跟上世界汽车技术发展 进程，具有十分重要的意义。 3 本课题研究的研究目的和意义 对汽车电动助力转向系统的研究是一个复杂的系统工程，其中不仅包含机械结构方 面的优化要求，还包含了控制系统、控制方法等多方面内容，相关内容涉及机械、电子、 传感器、控制论等诸多领域。所以，课题本身不仅对我们自身的知识储备有较高要求， 同时也要求我们必须学会与他人合作，充分发挥团队的能力。 近2 0 多年来，随着计算机和电子技术的迅猛发展，汽车工业和汽车技术也取得了 长足进步。电气、电子技术已经成为解决汽车质量与性能等诸多问题的最佳解决方案。 但是开发一个车辆助力转向综合控制系统需要大量实验来寻找控制规律，需要大量的人 力、物力，而且周期也较长。 汽车转向系统作为改变或保持汽车行驶方向的专门机构，直接影响着汽车的操纵稳 定性和安全性。传统液压助力转向系统的液压泵通过电动机驱动，控制阀的开度与转向 助力成比例关系，因此不能很好地兼顾汽车低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定 性。电控液压助力转向系统尽管解决了上述矛盾，但是无法改变液压助力转向系统无论 转向与否都需要消耗能量的固有缺憾。电动助力转向系统作为一种新型的转向系统，弥 补了传统助力转向系统的缺点，具有节能、环保、高效、安全等优点，是未来转向系统 的发展方向。国外对电动助力转向系统的开发研究从上个世纪8 0 年代开始，目前己经应 太连理工大学硕士学位论文 用到某些车型上；而我国在该领域的研究才刚刚起步，因此对电动助力转向系统的研究 既有理论意义又有实用价值。 我们的研究目标是利用建立好的电动助力转向系统半实物仿真试验平台，进行各种 不同电动助力转向策略的比较研究( 利用m a t l a b s i m u l i n k 等设计计算软件) ，从中 选出最适合的方案，并由此建立一套在实际应用中真正切实可行的控制方案。 4 本课题的选题和解决的问题 本课题是在电动助力转向系统试验平台的基础上，对电动助力转向系统的结构和力 学模型进行了分析，对电动助力系统的助力特性曲线进行了研究，其主要内容如下： 1 ) 在建立以方向盘转角为输入、转向轴转角为输出的系统传递函数的基础上，分 析助力系统特性； 2 ) 应用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k ，仿真分析用不同控制方法控制电动机时的系 统特性，并研究控制参数变化对系统特性的影响规律； 3 ) 对电动助力转向系统特性进行优化： 4 ) 利用软件工具描绘出电动助力转向系的转向助力特性曲线； 5 、对助力特性曲线进行分析，建立电动助力转向系统仿真模型，找出影响转向助 力特性的主要因素。 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 1 电动助力转向系统的工作原理和组成 1 1 电动助力转向系统的工作原理 电动助力转向系统是在传统的机械转向系统的基础上增加了电动机以及其它一些 辅助装置，如信号传感装置、电子控制装置和转向助力机构等。典型的电动助力转向系 统主要由以下部件组成：扭矩传感器、车速传感器、电流传感器、电子控制单元( e l e c t r i c c o n t r o lu n i t 简称e c u ) 、电动机和带离合器的减速机构，系统结构框图如图1 1 所示。汽 车在转向过程中，控制单元根据需要驱动电动机工作，不转向时，电动机不工作；转向 时，扭矩传感器把检测到的驾驶员作用在方向盘上的扭矩的大小和方向信号f 叠a d 转换 后传给电子控制单元，电子控制单元同时接收车速传感器传来的车速信号，根据车速传 感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小；同时电动机的电流 控制电路把电流传感器检测到的电路实际电流与助力电流进行比较，然后输出一个斩波 信号驱动离合器闭合，通过减速机构将助力传到转向机构上从而实现助力转向。 图1 1 电动助力转向系统结构图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f e p s 1 2 电动助力转向系统的分类h 1 按照转向助力机构位置的不同，电动助力转向系统可以分为转向柱助力式、转向器 小齿轮助力式和齿条助力式。 大连理工大学硕士学位论文 转向柱助力式转向系统的扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体， 安装在转向柱上。经由与万向节、中间轴与齿轮齿条转向机构连接。齿轮齿条的速比可 为常数或变数。 小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体， 只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。 齿条助力式转向系统的转矩传感器单独安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一 起安装在转向器的齿条处提供助力。 1 3 电动助力转向系统的组成嘲 1 3 1 扭矩传感器 扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在方向盘上的力矩大小和方向，以及方向盘转 角的大小和方向。为了实现上述目的该装置使用一个电位计，这种电位计输出两个彼此 独立的系统扭矩信号，即主信号和副信号，控制器同时监控两个信号，并用副信号来检 查主信号是否正确。 目前在实际中用得较多的是在转向轴位置加一拉杆，通过拉杆检测输入轴和输出轴 的相对扭转位移得到扭矩。扭杆式电位计传感器其结构图如图1 2 所示。扭矩传感器感应 部分包括两个线圈和一个滑套( 铁芯) 。转向轴助力式转向系统的转向轴从中间断开， 上段为输入轴，下段为输出轴，输入轴与输出轴之间用扭杆连接。传感器滑套被套在输 出轴外，固定在扭杆上的导向销插入传感器滑套的斜槽中，导向销既可随输出轴一同转 动，也能沿传感器滑套的斜槽作上下移动。当转向阻力较小时，转动方向盘后，滑套和 转向输出轴一起转动，滑套不做上下运动；当转向阻力较大时，转向力矩增大，扭杆发 生扭转，输入轴和输出轴的转角不同，相应的导向销和滑套的转角也不同，导向销将迫 使滑套上下移动。这时滑套( 铁芯) 外围的两个线圈可检测到运动的大小和方向，从而 获得转矩的大小和方向。 另外也有采用体积小、精度高的非接触式扭矩传感器。非接触式扭矩传感器中有一 对磁极环，其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气 间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化，其结构图如图1 3 所示。非接触式扭矩传感 器的优点是体积小，精度高；缺点是成本较高。 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 圈1 2 扭杆式扭矩传感器结构图 f 瑭1 2s n u c t u r eo f t o r s i o n a lr o dt o r q u es e n s o r 图1 3 非接触式扭矩传感器 f i g 1 3n o n - c o n t a c t t o r q u es e n s o r 1 3 2 车速传感器 车速传感器常采用电磁感应式。当汽车行驶时，固定在变速箱内侧的测速齿盘转动， 与固定在变速箱壳体上的车速传感器产生相对移动，车速传感器获得连续的正弦信号， 信号频率与车速成正比。另外，车速也可以从仪表盘中获得。 1 3 3 电动机 电动助力转向系统的电动机是在已经大批量生产的汽车用电动机的基础上进一步 改进而成的，功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的助力扭矩，是电动助力转向系 统的动力源，多采用永磁式直流电动机。 电动机对系统的性能有很大影响，是系统的关键部件之一，所以电动助力转向系统 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。为了增强转向操纵时驾驶员的手感，并降低噪声和振动， 设计时常针对电动助力转向系统的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理。 1 3 4 减速机构 电动助力转向系统的助力减速机构与电动机相连，是放大电动机的输出扭矩并将其 传递至转向柱上的重要组成部分，在系统中占有重要位置。助力机构设计应考虑汽车上 转向机构安装空间的大小，结构应尽量简单、紧凑，正向转动效率要高而逆向转动效率 要适当，并要保证转动惯量和摩擦、间隙尽可能的小。这样既能保证一定的转向轻便性 和路感，又能有适当的转向灵敏度。目前，减速机构有助力方式和位置推动方式两种形 大连理工大学硕士学位论文 式。助力方式主要有蜗轮蜗杆机构和齿轮箱变速机构；位置推动方式主要有差动轮系机 构。蜗轮蜗杆机构结构简单，传动比大，便于安装，但需要通过离合器与转向柱相连， 主要用于转向轴助力式电动助力转向系统，如图1 4 所示。差动轮系机构不需离合器，但 效率底，体积较大，安装时需要较大的空间，如图1 5 所示。 图1 4 蜗轮蜗杆式减速机构 f i g 1 4w o r m a n d - w h e e ls p e e d - d o w no r g a n 图1 5 差动轮系减速机构 f i g 1 5d i f f e r e n t i a lw h e e ls p e e d d o w no r g a n 1 35 电子控制单元 电子控制单元( e c u ) 的功能是根据扭矩传感器和车速传感器的信号，进行逻辑分析 与计算，发出指令，控制电动机和离合器的动作。因此，控制系统与控制算法是电动助 力转向系统的关键之一。控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境；控 制算法应快速准确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。此 外，控制单元还应该具有安全保护和自我诊断功能。控制单元通过采集电动机的电流、 发电机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助 力将自动取消，同时进行故障诊断分析。 1 4 电动助力转向系统的基本控制模式 电动助力转向系统的基本功能是根据转向作用力产生助力力矩。电动助力转向系统 的控制器有两种型式：一种是以车辆的行驶速度旌控，叫速度型控制器；另一种是以发 动机的运转速度旌控，称转速型控制器。目前广泛采用是速度型控制器，即系统在每一 个车速下都可得到最优化的转向作用力。图1 6 为系统助力特性示意图【1 们。此外，系统 还根据转向转矩变化率、转向角速度和转向角进行控制以改善瞬态转向灵敏度。 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 珏轧自潍郴 1 焉轴蝴删e 、 刮 ：_ ：丝譬j 避 图1 6 系统助力特性示意图 f i g 1 6s k e t c hm a po f a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c 根据汽车转向行驶的不同情况要求，e p s 按不同的控制方式进行控制，通常来说对 应根据汽车转向行驶的不同情况有三种基本控制方式。汽车在低速行驶过程中进行转向 时，电控单元对电动机进行普通控制，使电动机具有较好的转向响应，使转向操纵轻便 灵敏。汽车在高速行驶过程中进行转向时，电控单元通 x 立f e t 驱动电路对电动机进行回 正控制或阻尼控制。当方向盘回转到中间位置时，电控单元对电动机进行回正控制，使 电动机产生个与转速成正比的阻力矩。在转向过程中将方向盘释放时，电控单元对电 动机进行阻尼控制，此时电动机短路，供给电压为零，电动机将产生一个与电动机转动 力向相反的转矩，使驾驶员能够获得适度的路感。 1 4 1 普通控制 普通控制( 助力控制) 是e p s 的基本控制模式。其控制过程主要是：根据车速传感 器测得的车速信号和方向盘力矩传感器测得的方向盘力矩信号，调用助力特性控制表， 并根据电动机的电磁转矩特性确定助力电流，以获得适当的助力转矩。 1 4 2 阻尼控制 阻尼控制是e p s 为提高汽车高速直线行驶稳定性和减小路面冲击对方向盘的影响而 采用的一种控制模式。阻尼控制是在普通控制确定的目标电流之上补偿阻尼控制电流， 其主要是通过引入电动机转速的方法来实现。 阻尼控制可以衰减汽车高速行驶时出现的方向盘抖动现象，消除转向车轮因路面输 入引起的摆振现象。阻尼控制原理是当电动机绕组发生短路时，电动机将会产生一个大 小与其转速成正比的反向转矩，电控单元就是利用这一特性对电动机迸行阻尼控制的 大连理工大学硕士学位论文 1 4 2 回正控制 在方向盘回正时对e p s 进行的控制为回正控制，目的在于改善系统的回正性能。转 向时前轮回正力矩使转向轮向恢复直线行驶的状态变化。在汽车低速行驶过程中，当方 向盘转动后回到中间位置时，电控单元使电动机电流迅速减小，使转向车轮迅速回正； 而在汽车高速行驶过程中，当方向盘转动后回到中间位置时，电控单元将使电动机电流 逐渐减小，对转向车轮产生回正阻尼，使汽车具有稳定的转向特性。 当车辆的使用因素发生变化，系统的回正特性随之改变。如回正力矩过大引起方向 盘位置超调，可以利用电机阻尼抵消超调量。如回正力矩不足引起方向盘不能回到中间 位置，则需要对助力电流进行补偿，其原理与阻尼控制相似。回正控制的控制过程为： 首先判断方向盘是否处于回正状态，当助力电机旋转方向和转向输入的旋转方向相反， 进行回正控制，否则进行助力控制。回正控制同样需要电动机角速度估算值。 综合普通控制、阻尼控制和回正控制的结果，就得到我们所需要的目标电流。 在正常转向过程中，我们采用普通控制模式；当作用在方向盘上的力减小，方向盘 在回正力矩作用下有回正趋势时，采用回正控制模式，促使电动机的助力转矩随旅加在 方向盘上的力的减小而平稳下降。因为电动转向系统含有电动机、减速传动机构等部件， 具有较大的转向系统摩擦力和惯性矩，若无回正控制，会使系统在低速时转向回正性能 不良。采用回正控制后，侧向加速度低的区段回正性能得到改善，但侧向加速度高的区 段却出现回正过量现象，此时我们采用阻尼控制模式来解决这个问题。采用阻尼控制模 式后，在车辆高速转向行驶放松方向盘后，侧滑角速度能迅速收敛，改善了高速时的转 向稳定性。 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 2 电动助力转向仿真系统的初步研究 2 1m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台的介绍 系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤其 是指利用计算机去研究数学模型的方法。计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、 计算机程序设计仿真结果显示、分析与验证等环节。 m a t l a b 语言是由美国n e wm e x i c o 大学的c l e v em o l e r 于1 9 8 0 年开始开发的，它的 两个最显著的特点( 强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能) 使得它成为国际控 制界最广泛应用的计算机工具。同时m a t l a b 所具备的强有力的各种工具箱提供的丰富 的专用函数，为设计研究人员避免重复繁琐的计算和编程，更快、更好、更准确地进行 控制系统分析和设计提供了极大的帮助。 s i m u l i n k 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离 散或者两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口， 与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、更方便、灵活的优 点。同时用s i m u l i n k 仓l j 建的模型可以具有递阶结构，用户可以采用从上到下或从下到上 的结构创建模型。可以从最高级开始观察模型，然后用鼠标双击其中的子系统模型，来 检验下一级的内容，依次类推，从而可以看至u 整个模型的细节，帮助用户理解模型的结 构和各个模块之间的关系。在模型建立以后，用户可以通过s i m u l i n k 的菜单命令或者在 m a t l a b 的命令窗口输入命令来对它进行仿真。通过s c o p e 模块和它的画图模块，在仿 真的同时，可以观察仿真的结果。 但是在实际应用中，通常会发现有些过程用普通的s i m u l i n k 模块不容易搭建，可以 使用s i m u l i n k 3 持的s f u n c t i o n 格式，用m a t l a b 语言或c 语言等写出描述过程的程序， 构成s f u n c t i o n 模块，像标准的s i m u l i n k 模块那样直接调用。 s - f u n c t i o n 是系统函数( s y s t e m f u n c t i o n ) 的简称，是采用非图形化的方式描述一个 功能的模块( 区别与s i m u l i n k 的系统模块) ，是s i m u l i n k 的运作核心。s - f u n c t i o n 有三种 表现方式：框图形式、m 文件形式、m e x 文件形式。其中框图表现直观，运行速度比较 快；m a t l a b 的m 文件编写灵活，适应面宽，运行较慢；m e x 文件运行速度最快。在 解决较复杂的问题时，常常需要不同的方法交叉使用。 综合以上因素，本文对电动助力转向系助力特性所进行的仿真研究均在m a t l a b 和s i m u l i n k 中完成。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 理想助力特性 配备电动助力装置的汽车转向系统，应尽可能不悖于驾驶员原有的驾驶习惯，这样 驾驶员才能在转向时得心应手。方向盘力矩与助力矩之间的理想关系应具备以下特点 【l l 】： 1 ) 在输入转向力矩很小的区域，希望助力部分的输出越小越好，助力部分基本不 起作用，以保持较好的路感； 2 ) 在常用的快速转向行驶间，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助力部分发 挥作用，助力效果要明显： 3 ) 原地转向时的转向阻力矩很大，应尽可能发挥较大的助力转向效果，此时助力 矩增幅也应较大； 4 ) 随着车速的升高，方向盘力矩很小时不助力的区域应增大，且在高速行驶至一 定车速时停止助力，以使驾驶员获得良好的路感，保证行车安全： 5 ) 各区段过渡要平滑，以避免操舵力出现跳跃感，且助力矩不能大于同工况下无 助力时的转向驱动力矩，即助力矩应小于转向阻力矩，否则将出现“打手”现象。 将上述特点与原则量化，可得理想的助力特性曲线。由于电动机输出转矩与电流间 存在线性关系，因此该图能够反映出助力矩随行驶工况的变化规律，可以把它作为研究 电动机控制规律的参照。 2 3 控制系统的选择 对助力电动机输出转矩的控制是电动助力转向系统研究的重点。由于电动机的输出 转矩是由其工作电流决定的，因此助力控制可归结为对电动机电流的控制( 如图2 1 ) ， 其控制输入为车速信号和方向盘扭矩信号。在研究初期我们尝试使用单纯的比例控制和 p d 控制等经典控制系统，从仿真结果看它们只能适用于车速变化范围很小、方向盘转角 不大的情况，因此不能从根本上解决各种行驶工况下转向系统轻与灵的矛盾问题。造成 这一现象的原因是控制输入量与输出量间存在非线性映射关系，这种关系被称为电动助 力转向系统的助力特性【1 2 】。 方 图2 1 控制系统框图 f i g 2 1f r a m eo f c o n t i o ls t r a t e g y 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 2 3 1p i d 控制系统 p i d 控制器是最早发展起来的控制系统之一。其控制结构简单，易于实现，适用于 可建立精确数学模型的确定性系统。因此p i d 控制器在工业过程控制中有着广泛的应用。 图2 2 典型的p i d 控制结构 f i g 2 2t y p i o a ls t r u c n 】r eo f p i dc o n t r o l 图2 2 所示为典型的p i d 控制系统结构。可以看出p i d 控制器是由比例、积分和微分 三个环节叠加构成的，各环节分别对误差信号e ( f ) 进行运算，其结果的加权和将构成系 统的控制信号“( f ) 并送给对象模型。p i d 控制器的数学描述为： 砸) = b 【e + 击导( r ) 咖+ 妇笔 ( 2 1 ) 式中：k 。比例环节调整参数 缸积分环节调整参数 颤微分环节调整参数 p i d 控制器各环节所起的作用如下： ( 1 ) 比例环节抑止闭环系统的瞬态偏差信号e ( f ) ，通过增加七。值还可加快系统响应 速度，提高闭环响应的幅值。但七。值不能无限制增加，对于不同的闭环控制系统j j 。的 取值范围不同，超出该限制范围，系统将不稳定； ( 2 ) 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分 的时间常数置，局越大积分作用越弱，反之则越强； ( 3 ) 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变大之 前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 可见，比例环节能够实现转向轻便，微分环节能够实现转向灵敏。但是，p d 控制 器只适用于对线性系统的控制。如将其引入电动助力转向系统，对于一定的行驶工况， 大连理工大学硕士学位论文 通过选择合适的_ j 。和值，尚可获得理想的助力效果，但工况一变则助力效果会变得 不理想，甚至失效。因此，需要采用一种非线性控制系统实现对七。和颤值自适应调整a 2 3 2 模糊神经网络控制系统 对p i d 控制器各环节进行自调整的方法很多，其中模糊推理不失为一种结构简单且 易于实现的方案。模糊推理系统需要依靠专家的经验和知识，若通过i f - t h e n 的模糊条件 语句在控制程序中实现，前文所述的助力特性便是这样的专家经验。但模糊推理系统又 过于依赖专家经验，很难期望它能获得满意的控制效果。 将神经网络技术与模糊推理系统相结合是目前非线性控制领域内一种十分有效和 普遍使用的方法。神经网络的一大特点就是它的自学习功能，如果用理想助力特性曲线 内的输入、输出数据对来训练神经网络，则不仅网络的权值被调整了，模糊输入与模糊 输出的隶属度函数也会得到相应地调整，即专家经验被定量地修订了。即使控制对象的 模型发生变化，我们可以使用新的数据对来对模糊神经网络进行在线训练，使专家经验 得到不断地修订，以达到自适应控制的目的。此外，采用模糊神经网络系统调整p i d 控 制器参数，可以增强电动助力转向系统的干扰抑止能力，且经调整后的助力特性曲线的 各区段过渡更平滑。 2 4 电动助力转向系统模型 电动机的助力作用可以通过扭矩传感器所检测到的扭矩信号确定，扭矩信号越小表 明电动机的助力效果越好。电动助力转向系统可视为线性系统，把方向盘转角鼠设为输 入信号，转向轴转角b 设为输出信号，输出与输入之间的函数关系分析如下1 4 】 1 5 1 ： 最= o l ( t ) 岛= ( 2 2 ) 式中：0 2 转向轴转角； 转向轴角速度； 若电机采用比例加微分( p d ) 控制方式，则有： u = 是。t ( 岛一岛) + 砖( 最一岛) ( 2 3 ) 式中：七比例增益； 以微分增益； 以转向轴为研究对象，建立力矩平衡方程： 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 ，口2 + b 0 2 = r o + 屯( b b ) 一r e ( 2 4 ) 式中：，等效到转向轴上的转动惯量； 减速前的电机助力力矩： 等效到转向柱的转向阻力； b 转向轴有效阻尼系数； 在小转角条件下，轮胎特性可认为是线性的，故作用到转向柱的阻力矩可认为是与 转向角成比例的，即： 霉= 恕岛 ( 2 5 ) 式中：k o 为等效到转向柱的前轮侧偏刚度。 根据电机的特性，电枢电压v 、电磁力矩l 、转速。三者关系为： l = 誓( u k b g , c o ) ( 2 6 ) 式中：乙电机电磁力矩； g 从电动机到转向轴的传动比； t 扭矩常数； 晚电机电磁力常数； r 电机电枢阻力系数； 则电动机对转向柱提供的助力由电动机运行的动力学方程确定： r 已一詈= 厶氏+ 吃色 ( 2 7 ) u 1 式中：厶电动机的转动惯量； 吃电动机的有效阻尼； 巳电动机的转角，钱= g , 0 2 ； 令屯：监 胄 扣学= q 铂 则l = k l u - k 2 c o ( 2 8 ) 将式( 2 5 ) 、( 2 7 ) 代入平衡方程( 2 4 ) 可得： j 0 2 + b 0 2 = g 1 ( l 一厶曰m 一蛾曰m ) + t ( 岛一岛) 一t 岛 ( 2 9 ) 将式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 代入平衡方程( 2 9 ) 整理得： 1 4 大连理工大学硕士学位论文 ( ，+ g 1 z 厶) 9 2 + ( b + 四岛+ g 1 岛+ g l 幻t 局) 口2 + ( g l 七。t 与+ t + 砭) 岛 = g 1 岛t 毛囟+ t ( g l 七，岛+ 1 ) 8 1 令c 】= ，+ 唧厶，d l = g 1 屯岛 c 2 = 日+ 钟吃+ g 1 屯+ g l t 岛 c 3 = tg l 吒墨+ t + 恕 可得简化后的方程： c l 臼2 + q 0 2 + c 3 0 2 = d 1 目1 + g e l ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 描述了以方向盘转角为输入，转向轴转角为输出的线性系统函数关系。对 式( 2 1 0 ) 两边进行拉氏变换： c 1 ，岛0 ) + c 2 j 岛( j ) + g 岛0 ) = 皿蚂( s ) + g o 。( s ) ( 2 1 1 ) 系统的传递函数为： 日( j ) ：婴：终 ( 2 1 2 ) 一 日( j )q ，+ c 2 s + g 、 以s = 加代入上式，可得到系统的频率响应函数： 日( _ ，) 2 i g 历+ j 巧d i ”面 ( 2 1 3 ) 系统的幅频特性为： 4 ( 国) = 1 月( 国) l = 系统的相频特性为： 庐( 国) = 崩( _ ，) = a r c t a n d g , ( ( g c 3 - 一c c l l c 0 2 ) ) o + j - d 】g c 2 g o 。 分析幅频特性研究系统的助力效果：幅值a ( c o ) 很小时说明系统有很好的助力作 用。分析相频特性研究系统的跟踪性能：相位角庐( ) 小，系统的滞后小，响应灵敏度高。 线性系统模型中，l ，、曰是转向系固有参数，t 为扭矩信号系数，焉、k ，为电机系数，且 均为常量，只有口、c 2 、c 3 为可控量，因此在一定范围内选择较大的比例增益k 。( g 大) 和微分增益( c 2 稍大) 就能使幅值爿( ) 和相位角庐( 国) 较小，从而优化转向系的 助力作用和系统的响应灵敏度( 比例增益七。大，系统的助力效果明显，微分增益颤能在 一定程度上补偿系统的响应滞后性，同时也优化了助力作用) 。 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 3 电机助力的控制研究 3 1 电动机模型 魁网 破幽 图3 1 电动助力转向系统的控制过程 f i g 3 1c o n t r o lp r o g r e s so f e p s 系统采用了图3 1 所示的永磁式直流电动机 ”1 ，电动机端电压u 与电感l 、电枢电阻 r 、反电动势常数如、电机角速度、电流i 和时间t 之间的关系如下： u = 罢+ 脚+ 如 ( 31 ) 电动机的动力学模型为： l 一瓦一弓= 厶警 3 2 ) 式中：乙电动机电磁转矩： z 电动机输出转矩； n 电动机转子克服摩擦消耗的转矩，0 = 最m ； 曲电动机转子的角速度，= 2 x = 以k ， 丘为减速机构减速比； l 电动机转子的转动惯量； 如电动机采用电流控制式，则电磁力矩t 与电流i 成正比有； = k ， ( 3 3 ) 式中：月。电动机转矩系数； 根据式( 3 2 ) 可知电动机的输出转矩为： 矗= 七口i - h j 8 4 一七1 b 玳如( 34 ) 电动机的输出转矩经减速机构放大后即为助力转矩t ： 电动机的输出转矩经减速机构放大后即为助力转矩瓦： i a = - = 七1 ( 七d - ，一如。，如一七1 占m3 4 ) ( 3 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 式( 3 5 ) 就是电流控制式的电动机模型【3 4 1 。 图3 2 电动机等效电路圈 f i g 3 2e q m v a l e mc i r c l l i td i a g r a mo f m o t o r 3 2 系统动力学模型的分析 为了能充分地说明控制参数对助力特性的影响，在m a t l a b 中对前面建立的系统传 递函数进行仿真，仿真在相同的转向系统中进行，保持一定的车速，侧向加速度限定在 一定值以下，轮胎侧偏特性处于线性范围，其中系统的结构参数采用文献 1 哪中提供的数 据并结合上节建立的模型得到，参数如下表： 表3 1 参数表 t 曲3 1p 蝴e t e rt a b l e j ( n m j r a d ) o 0 1 厶( - m s r a d ) 0 0 0 2 b ( m s 阳印 o 3 ( - 聊j l r m ) o 0 2 砖( m r a 回 4 0 k ( r e _ ，a ) 0 0 2 拓( 矿s r a 田 o 0 2 k c 州- m | r n 国 6 2 2 2 g 1 3 0 r ( 固 0 1 5 3 2 1 纯比例控制下系统特性的仿真分析 在对比例控制下助力特性进行仿真时，我们从k p = 1 到k p = 2 0 之间以2 5 为步长，对 比例系数分别取值来研究系统在不同比例系数下转向轴转角对方向盘转角的单位阶跃 响应和频率曲线。同时为了能够说明电动助力转向系统能够降低驾驶员的操纵力，我们 汽车电动助力转向系统助力特性的仿真研究 还可以引入无助力转向系统( k p = 0 ) 的单位阶跃响应和频率响应曲线。不同比例系数 下系统的阶跃响应和频率特性分别如图3 3 和3 4 所示。 图3 ，3 不同比例系数下系统的阶跃响应曲线图3 4 不同比例系数下系统的频率特性曲线 f i g 3 3s y s t e ms t e pr e s p o n s eo fd i f f e r e n tp r o p o r t i o n a lc o e f f i c i e n t f i g 3 4s y s t e mf r e q u e n c yr e s p o n s eo f d i f f e r e n tp r o p o r t i o