（车辆工程专业论文）电动助力转向控制策略的仿真研究.pdf

浙江大学硕七学位论文 摘要 摘要 转向系统是主要汽车子系统之一，其性能直接关系到车辆的舒适性和安全 性。随着人们对汽车舒适性和安全性要求的日益提升，转向系在过去的几十年中 经历了机械式、液压式、电控液压式等几个阶段。目前，电动助力转向( 简称 e p s ，e l e c t d cp o w e rs t e e r i n g ) 由于其集环保、节能、安全、舒适为一体，正越 来越受人们的关注。 本文借助浙江省重点区域攻关项目“汽车电动助力转向器开发及关键技术研 究”，在对e p s 深入研究的基础上，以m a t l a b 作为主要仿真计算工具，应用 汽车操纵动力学、经典控制理论和日。控制理论等，对电动助力转向控制策略做 了较为深入的仿真与研究。 本文研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 论文介绍了e p s 发展过程、工作原理、主要类型及优势，阐述了国内外 e p s 控制策略的研究现状。并针对当自口控制策略研究方面所存在的一些问题，确 立了本文的总体研究内容。 2 1 在现有文献资料的基础上，总结归纳出e p s 系统在路感和操纵稳定性方 面的评价方法和评价指标。 3 ) 通过对e p s 系统研究，根据评价指标，建立e p s 系统的数学模型，并得 到e p s 系统的状态空间表达式。 4 1 针对路感和操纵稳定性，分别建立了电机给定电流闭环控制的e p s 简化 模型在简化模型基础之上分析经典p 控制策略和p d 控制策略对于e p s 系统路 感和操纵稳定性的影响，并提出“车速感应型微分系数”这一新的控制策略来解 决现有p d 控制的不足。 7 5 ) 针对经典控制理论的不足，引入h “控制策略。建立了更具有普遍意义 的增广被控对象，并与经典p d 控制进行了对比，得到了较好的结果。 本文对于e p s 控制策略的仿真与研究，对e p s 产品的开发具有一定指导作 用和参考价值。 关键词：电动助力转向；路感；操纵稳定性；比例微分控制；h 。控制 浙江大学硕十学位论文摘要 a b s t r a c t s t e e r i n gs y s t e mi so f l eo ft h em o s ti m p o r t a n ts u b s y s t e m so fa u t o m o b i l e a n di t s p e r f o r m a n c ep l a y sa v i t a lr o l ei nt h ea u t o m o t i v ec o m f o r ta n ds a f e t y w i t ht h eg r o w i n g p u b l i cd e m a n d so nt h ea u t o m o t i v ec o m f o r ta n ds a f e t y , t h es t e e r i n gs y s t e m ，i nt h el a s t s e v e r a ld e c a d e s , h a v ee x p e r i e n c e ds o m ed e v e l o p i n gp e r i o d si n c l u d i n gm e c h a n i c s t e e r i n g , h y d r a u l i cs t e e r i n ga n de l e c t r i c h y d r a u l i cs t e e r i n g s i n c e1 9 8 0 st h ee l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g ( e p s ) i sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo fi t se n v i r o n m e n t a l h a r m l e s s n e s s ，f u e le c o n o m i ca n dc o m f o r t i nv i r t u eo ft h ez h e j i a n gp r o v i n c ek e yp r o j e c t c e p sr e s e a r c h ，t h i st h e s i sm a k e s ad e e pr e s e a r c ho ft h ee p sc o n t r o ll o g i cu s i n ga u t o m o t i v eh a n d l i n gd y n a m i c s ，c l a s s i c c o n t r o lt h e o r ya n dh c o n t r o lt h e o r y t h e f o l l o w i n gp o i n t sa r ef i n i s h e di nt h i st h e s i s ： 1 ) t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fe p sa n di t sf e a t u r e si n c l u d i n g f u n c t i o n , t y p e sa n da d v a n t a g e s ，a n ds u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u sa b o u tt h ee p s c o n t r o ll o g i c t h er e s e a r c hc o n t e n ti sc o n f i r m e db a s e do nt h ep a r t i c u l a rd e f e c t so ft h e e p sc o n t r o ll o g i c 萄b a s e do nt h ea v a i l a b l em a t e r i a l s ，t h em e t h o dt oe v a l u a t et h e r o a df e e l a n d h a n d l i n gs t a b i l i t y i ss u m m a r i z e d 3 ) a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o nt a r g e t s ，t h ee p sd y n a m i cm o d e la n dt h es t a t e s p a c ef o r m u l a t i o na r ee s t a b l i s h e d t h ep r o p e rs i m p l i f i e dm o d e l sm ee s t a b l i s h e dt oa n a l y z ea n dc o m p a r et h e d i f f e r e n ti n f l u e n c e so nt h er o a df e e la n dh a n d l i n gs t a b i l i t yb e t w e e nt h ep r o p o r t i o n c o n t r o ll o g i ca n d p r o p o r t i o n d i f f e r e n t i a lc o n t r o ll o g i c a n da n e wc o n c e p t c h a n g e a b l e d i f f e r e n t i a lg a i n i sp u tf o r w a r dt os o l v et h ew e a k n e s so fp dc o n t r 0 1 毋t oo v e r c o m et h ed e f e c t so ft h ec l a s s i cc o n t r o lt h e o r y , h c o n t r o lt h e o r yi s i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s am o r eu n i v e r s a lg e n e r a l i z e dp l a n ti sb u i l t a n d t h e s i m u l a t i o nr e s u i t sa r ec o m p a r e dw i t ht h eo n e so fp r o p o r t i o n - d i f f e r e n t i a lc o n t r o ll o g i c t h i st h e s i sm a k e sa n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no nt h ee p sc o n t r o ll o g i c a n di t s r e s u l t sa r eh e l p f u la n dh a v er e f e r e n c ev a l u ef o rt h ee p sp r o d u c tr e s e a r c h k e yw o r d s ：e p s ；r o a df e e l ；h a n d l i n gs t a b i l i t y ；p r o p o r t i o n - d i f f e r e n t i a l c 0 n t m l ：日。c o n t r o i 学号 2 0 3 0 8 1 5 4 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及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的 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谢意。 学位敝储签名：卡杖签字吼。6 年；月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解滥姿盘茎有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位沦文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 口6 年 幸议 王月7r 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢仰了救 签字日期：。6 年3 月- ) 日 电话 邮编 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 转向系统是保证汽车行驶的主要汽车子系统之一，其性能直接关系到车辆的 舒适性和安全性。 良好的操纵稳定性和驾驶感觉是转向系追求的目标。回正力矩保证了汽车操 纵稳定性，但增加了驾驶员的转向阻力，尤其是大型车辆的低速转向，驾驶员的 工作强度较高，不利于驾驶舒适性。为了改善这个矛盾，最初想到要增大转向系 中的减速比，不过这时转向就会变得十分迟钝，满足不了转向灵敏的要求，于是 便想到了借助外力。c 2 7 1 c 2 8 1 上个世纪5 0 年代开始出现汽车助力转向系统，在此后的二、三十年中，转 向系统经历了机械式、液压式、电控液压式等几个阶段。由于传统的动力转向系 统有着结构复杂、功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制等缺点，因此汽车工 程师一直在寻求一种更好的助力方式，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好 的回正稳定性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。凹力c 2 8 到了上世纪8 0 年代，人们开始研究电子控制式电动助力转向( 简称e p s ， e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 。在e p s 研究伊始，因为成本问题难以投入商业生产， 在实验室阶段停留了许多年。但是随着控制元件成本大幅度降低，以及人们对于 环保问题关注程度的不断上升，使e p s 这个集环保、节能、安全、舒适为一体 的高科技产品的实际应用成为可能。 目| j ，e p s 正在快速发展。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 将占1 3 。到2 0 0 5 年，e p s 的产量将增加到8 0 0 万套，2 0 0 7 年将达到1 1 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。美国a b i 调查公司预测，随着汽车平台的共享，以及制造商对于 燃油经济性的追求，e p s 将在全世界范围内进一步普及，尤其是在美国和中国。 到2 0 1 0 年电子转向( e p s ，e h p s ，以及r e a r - w h e e lb yw i r es t e e r i n gs y s t e m s ) 的 市场价值将超过8 0 亿美元，而目| j 还不到3 0 亿美元。 我国e p s 研究歼展较晚，目前国内还没有具有独立知识产权的e p s 产品。 国内汽车市场上装有e p s 的车型，如昌河北斗星、广州本田f i t 等，均采用进 口e p s 产品，因此国内e p s 市场潜力巨大。 浙江大学碗士学位论文第一章绪论 1 2 电动助力转向系统简介 1 2 1 基本构造和工作原理 齿轮齿条机构 图1 1e p s 基本结构简图 e p s 系统一般由机械式转向器( 轿车多为齿轮齿条式) 和电子控制伺服系统等 组成，如图1 1 所示。该伺服系统由传感器( 扭矩传感器、方向盘位置传感器、车 速传感器) 、控制器和执行机构( 电机及减速器) 等构成。电机的能源来自车载蓄电 池，其工作电流的大小与方向由控制器控制。 其一般工作过程为| e l l 扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭矩，然后根据 这个扭矩相应给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传感 器的信号，这个传感器一般是和扭矩传感器装在一起的( 有些传感器已经将这两 个功能集成为一体) 。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制 单元的车速信号，根据预先设计好的程序，产生助力指令。这个指令传到电机， 由它产生扭矩传到助力机构上去，这晕的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样， 助力扭矩就传到了转向柱，并最终形成了助力转向。 1 2 2 分类 电动助力转向系统按照辅助电机的布置方式分为一下四种e 2 1 斟1 聊e 7 1 聊 哦7 1 ：转向柱助力式( c o l u m n - a s s i s tt y p ee p s ) 、齿轮助力式( p i n i o n - a s s i s tt y p e 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 e p s ) 、齿条助力式( r a c k - a s s i s tt y p ee p s ) 、直接助力式( d i r e c t d r i v et y p ee p s ) 。 饿愈稳 夕尹户1 ( a )( b )( c ) 图1 2e p s 基本分类 ( 1 ) 转向柱助力式( c e p s ) 转向柱助力式电动转向系统的动力辅助单元、电控单元和扭矩传感器都安装 在转向柱的位置，如图1 2 ( a ) 所示。这种电动助力转向系统结构紧凑，易于安 装在汽车上。助力提供装置可以设计成适用于各种转向柱，如固定转向柱( f i x e d s t e e r i n g c o l u m n ) 、斜度可调式转向柱( t i l t t y p es t e e r i n g c o l u m n ) 和其它形式的转 向柱。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪音的限制，电机的体 积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。 ( 2 ) 齿轮助力式( p e p s ) 如图1 2 ( b ) 所示，齿轮助力式齿轮齿条电动助力转向系统的动力辅助单元 安装在齿轮齿条转向器的齿轮轴上。由于辅助电机不是安装在汽车乘客舱内，因 此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产 生的噪音。可用于中型车辆，提供较大的助力值。同时，由于辅助电机转动惯量 的增大，也给电机的控制带来了难度这种转向系统通过控制和传动比可变的转 3 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 向器齿轮相连接的电机，可以提供很好的转向操纵特性。 ( 3 ) 齿条助力式( r - e p s ) 如图1 2 ( c ) 所示，齿条助力式齿轮齿条电动助力转向系统的动力辅助单元 安装在齿轮齿条式转向器的齿条上，安装于齿条上的具体位置比较自由，因此在 汽车的底盘布置时非常方便。此外，同齿轮助力式相比，可以提供更大的助力值， 用于较大的车辆上。通过调节电控单元的控制参数，也可以获得很满意的转向操 纵特性。 ( 4 ) 直接助力式( d e p s ) 这种电动助力转向系统的动力辅助机构和转向器的齿条组成一个独立的单 元，因此很容易布置在发动机舱内。向齿条直接提供助力可以获得理想的转向操 纵感觉。如图1 2 ( d ) 所示，直接驱动式e p s 的扭矩传感器的安装位置不同于 齿条助力式e p s 。 1 2 3e p s 优势 e p s 相比传统动力转向有如下优势：e 2 1 跏唧3 1 e 1 7 1 吼8 1 ( 1 ) 降低了燃油消耗： 液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，再加上 存在管流损失等因素，浪费了部分能量。相反e p s 仅在需要转向操作时才需要 电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池。而且，e p s 系统能量的消耗与转向盘 的转向及当| ； 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 在控制模块的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力 矩。该系统真正实现了“按需供能”，是真正的“按需供能型”( o n d e m a n d ) 系统。 装有电动转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转 向情况下，装有e p s 的车辆燃油消耗降低2 5 ；在使用转向情况下，燃油消耗 降低了5 5 。 ( 2 ) 增强了转向跟随性 在电动转向系统中，电动机与助力机构直接相连，可以使其能量直接用于车 轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向| j i 轮摆振大大减 小。因此和液压力助力转向系统相比，转向系统的抗扰动能力大大增强。由于旋 转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向 盘的跟随性能。 ( 3 ) 改善了转向回正特性 4 浙江大学硕七学位论文 第一章绪论 当驾驶员使方向盘转动一角度然后松开时，e p s 系统能够自动调整使车轮回 到j 下中。同时其还可让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳 的回正特性。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转 矩特性，这些转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性 能相匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改 造底盘的机械结构，实现起来非常困难。 ( 4 ) 提高了操纵稳定性 汽车操纵稳定性的影响因素很多，转向系统是其重要影响因素之一。传统液 压动力转向由于不能对助力进行实时调节与控制。所以协调转向力与路感的关系 非常困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感， 甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。由于e p s 由电机提供助力，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矛盾，以达到提高操 纵稳定性的问题。 ( 5 ) 提供可变的转向助力 电动转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖 整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速等参数。无论 是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于 停车场操作。 ( 6 ) 采用“绿色能源”，适应现代汽车的要求 电动转向系统应用“最干净”的电力作为能源，完全取代了液压装置，不存在 液压助力转向系统中液态油的泄露问题，可以说该系统顺应了“绿色化”的时代趋 势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，可对构成材料进行再 加工，避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成 污染。 ( 7 ) 系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越 由于该系统具有良好的模块化设计，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，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性， 而且更易于生产线装配。而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单 独设计，发动机部件的空间利用率极高。例如，英国l u c a s 公司的e p s 系统只有 四个组件，即转向管柱及伺服系统总成、转向盘、传动轴和转向器。 ( 8 ) 生产线装配性好 电动转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部 5 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效 率。 1 3e p s 国内外研究现状 国外e p s 研究开展于上世纪8 0 年代，主要集中在一些高校和汽车公司，并 且多家公司已经推出了自己的e p s ，如欧美的d e l p h i 、t r w ，日本的n s k 、y o k o 等，因此他们的研究工作涉及到了e p s 的整个开发、试验、性能评价过程，并 很好地将理论模型和实际产品结合在了一起。 国内e p s 研究始于上世纪9 0 年代，主要是一些高校，如清华大学、吉林大 学、江苏大学等，其中以理论研究居多。虽然落后了国外近1 0 年，但是比起其 他汽车技术的研究而言，起步比较早。但是由于国内汽车市场的限制，多数汽车 厂家在最初阶段对e p s 并没有给予足够的重视。正是由于这个原因，使得目前 国内e p s 的研究多还只是停留在理论模型阶段，即，对e p s 的控制策略进行了 一定的研究，并没有进行大量的试验来验证模型，国内外研究现状存在较大差距。 而且目| i 国内还没有具有独立自主知识产权的e p s 产品。 目前e p s 的研究主要涉及转向系结构的改进、一些关键部件( 传感器、电 机及助力单元) 的研究、e c u 的研究和开发等。 本文主要针对e p s 动力学模型以及控制策略进行一定研究，因此下面着重 介绍一下关于这两方面的研究情况。 1 3 1e p s 动力学模型 e p s 数学模型主要涉及转向系模型、汽车动力学模型、电机模型和传感器模 型等。 转向系模型 转向系可以看作是由一些质量和转动惯量所组成，a l yb a d a w y 等唧1 考虑到 其中一些刚度大的部件往往会带来高频干扰，因此对转向系进行了简化，建立了 转向系的降阶模型。这个简化模型可以用来分析诸如转向力矩、防扰动、防噪音、 路感和操纵稳定性等闭环特性。 国内转向系模型往往借用国外已经简化完成的模型，对模型的整个简化过程 缺乏深入的研究。 汽车动力学模型 随着计算机技术的日益成熟，多自由度汽车动力学模型( 超过2 0 自由度) 已经成为可能。但是在e p s 的研究中主要还是选用较为经典的二自由度模型唧。 6 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 虽然只有考虑两个自由度，但是这种简化分析通常具有较大的实用意义。而且目 前e c u 控制策略所需要的控制信号相对较少，这种二自由度模型已经完全能满 足要求。 电机和传感器模型 电机和传感器是e c u 控制中的关键部件，其模型的精度将直接影响到控制 策略的正确性。目| j e p s 研究中电机多数采用其理论模型唧1 传感器模型一般 采用理想模型，并没有过多考虑其动态特性等因素。 1 3 2e p s 控制策略 目前，e p s 控制策略e 1 1 e 2 2 。1 主要由3 部分组成，如图1 3 所示，即， 助力逻辑、回正逻辑、阻尼逻辑。 图1 3e p s 控制逻辑 助力逻辑用来控制电机向转向柱提供助力的大小，以此来减轻驾驶员的工作 强度。当转向结束时，驾驶员松开双手，这时汽车固有的回正力矩往往能使车轮 自动回正。但是由于转向系固有的摩擦，尤其是在低速时，会使得回正不够充分。 这时就需要回正逻辑来进行控制，使方向盘回到正中。阻尼逻辑常常是同回正逻 辑同时使用的。有时回正，特别是在高速时，容易发生回正过头现象，这同样会 使驾驶员产生不适感。阻尼逻辑就是要减少这种现象的发生，使方向盘恰好回到 正中 目前e p s 控制逻辑中使用最多的是控制理论中较为经典的p i d e 2 2 1 控制。 具体来说，在助力控制中根据不同的被控对象采用p p d 或p i 控制，而在回正和 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 阻尼控制采用p l p l d 控制。通过选择不同的比例系数来达到最优控制。 张钟光伽指出在一定范围内选择不同的比例增益、积分增益和微分增益， 可以使幅频特性和相频特性发生变化，达到优化转向系统的助力作用、控制助力 稳态误差和提高响应的灵敏度的目的。 何仁等忙1 7 1 的研究表明，对于一个设计定型的电动助力转向系统，各机构部 件的许多参数很难改变，可以采用改变电子控制单元中助力增益的方法来使系统 稳定工作，即在控制器设计中采用较小的助力增益。这与a l yb a d a w y 等吨的 研究结果是一致的。 除了p i d 控制之外，人们也在探索其他的控制方法，一些其他控制方法及策 略也运用到e p s 的控制之中。 t a k a y u k ik i f u k u 等啦! 针对e p s 在大型车辆上无法使用的原因之一，即大型 车辆上使用的大功率电机由于其本身大的惯量和摩擦，会使得驾驶员的路感减 少、车轮回正缓慢，提出了两种解决的方法，即，减少电机的摩擦力矩和补偿电 机的惯量和摩擦的损失。通过最后的试验曲线可以看出，这些方法在提高转向系 的响应速度、改善车轮的回正特性方面是很有帮助的。 m a s a h i k ok u r i s h i g 等唧1 开发了一种新的e p s 控制系统，这个系统能在不增 加车辆静态转向操纵力矩的同时，进一步提高e p s 的控制性能。增加助力增益 能够减少转向时的操纵力矩，但是这样在高频3 0 h z 时会使转向盘产生摆振，使 驾驶员产生不适感。为了减少这种摆振，就需要在系统中加入阻尼控制。不过这 就需要知道电机的转速，而这个是无法直接获得的。于是设计了一个观测器来获 得电机的转速，并在系统中加入了阻尼控制。从仿真和实车试验的结果来看，这 种方法对于减少转向盘高频摆振是很有效果的，同时并不牺牲静态转向的轻便 性。 文献 c 1 8 1 c 1 9 1 【c 2 l 】提出了自适应模糊控制。通过与p i d 控制的比较， 发现这种控制方法具有更好的鲁棒性。 邱明等a 1 针对汽车电动助力转向系统是一个非线性的多输入多输出的特 点，提出了h 一鲁棒控制方法，建立了系统状态空日j 方程和增广被控对象矩阵， 在此基础上用h c o 方法极小化系统中各种干扰对被控输出的影响。 n o b u os u g i t a n i 等e 2 2 1 为了使得e p s 系统更好的获得路感，建立了简化的系 统模型，通过选择合理的权函数和控制输出变量，使用h o o 鲁棒控制方法求得控 制器，仿真结果表明不同的权函数能有效缓解路面高频冲击，并能调节路感。 s e r g e i vg u s e v 等e 2 3 1 针对e p s 系统中存在的传感器噪声的问题，利用l m i 方法，求得e p s 控制器，并通过降阶得到易于实现的控制器模型。 8 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 刘照等“1 为减少模型中的不确定性与抑制路面干扰和传感器噪声对控制误 差的影响，采用控制理论中的混合灵敏度设计方法。 张卫冬c 设计了一种基于专家系统的智能电动式电子控制动力转向系统。 该系统实时检测人力作用在方向盘上力矩的值，根掘车速等环境因素控制交流感 应电机以便自动按一定比例输出最佳的转矩。 从e p s 控制策略的发展趋势来看，今后控制信号将不再仅仅依靠车速与扭 矩信号，而是根据转向角、转向速度、横向加速度、i j 轴重力等多种信号进行与 汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。目前已经开始这方面的研 究。r o ym c c a n n e 1 0 1 通过将横摆角速度信号作为反馈信息引入到e p s 的控制中， 用于加强汽车在低附着率的地面上行驶的操纵稳定性。 1 4 本文研究目的和研究内容 1 4 1 研究目的 e p s 在国外已经相当成熟，并在许多车型上作为标配，取得了不错的市场收 益。而目前国内e p s 大批量投产的几乎没有，而且产品还很不成熟和稳定。为 此国内许多高校和汽车相关机构都投入大量的人力、物力对e p s 进行系统的研 究。作为一项汽车电子产品，e p s 的控制策略是研究的重点。目前，国内在控制 策略研究方面已经开展了一定的工作，但还是存在以下问题。 1 1 目前国内对e p s 系统动力学模型进行了一定的研究，得到系统的简化模 型，但是对整个简化过程缺乏详细的推导过程，不利于更好的理解e p s 系统以 及路感和操纵稳定性。 e p s 中对电机的控制较多采用的是电压控制和给定电流闭环控制。但是 目前国内e p s 系统建模仿真分析往往多是针对电机电压控制，而对于后者在这 方面系统的研究几乎没有。 3 l 比例( p r o p o r t i o n ，简称p ) 控制与比例微分( p r o p o r t i o n - - d i f f e r e n t i a l ， 简称p d ) 控制是e p s 助力控制策略中运用和研究最多的控制方法，但是目前对 这两种控制策略在路感和操纵稳定性等方面还缺乏系统的研究，对于其存在的一 些问题也没有提出相应的改进方法 由于所建立的模型是对实际e p s 系统的一种简化，因此其中一些不确定 性往往会被忽略，这样经典控制理论的弊端显现无疑。同时经典控制理论所建立 的控制器也较难根据相应的性能指标对来设计需要的控制器。对此，国内外将鲁 棒控制引入e p s 的控制策略之中，希望能得到鲁棒性更好、性能更优的控制器。 9 浙江大学硕t 学位论文 第一章绪论 目前用于建立鲁棒控制器的模型往往只考虑了路感的情况，同时所采用的模型也 只是针对固定方向盘时的把持力矩e 2 2 1 ，而不是更普遍的转向情况，因此使得增 广被控对象也具有一定局限性。 基于上述分析，e p s 控制策略研究中存在许多需要改进的地方。因此提出“电 动助力转向控制策略的仿真研究”这一课题是十分必要的。本文将借助浙江省重 点区域攻关项目“汽车电动助力转向器开发及关键技术研究一 针对目前e p s 研 究中存在的一些问题展开研究。 1 4 2 研究内容 本文是关于e p s 控制策略的研究，根据目i ； 控制策略研究中存在的一些问 题提出一些自己的观点，主要包括以下几方面。 1 ) 在现有文献资料的基础上，总结归纳e p s 系统在路感和操纵稳定性方面 的评价方法和评价指标，以此作为后面工作的依据和基础。 建立e p s 系统的数学模型，包括转向系模型、汽车动力学模型、电机模 型、传感器模型等。对某些高阶模型进行一定的简化，并给出详细推导过程。 针对路感和操纵稳定性，根据所研究的e p s 系统的特点，分别建立适于 分析e p s 系统的简化模型。 钔在简化模型基础之上，分析经典p 控制策略和p d 控制策略对于e p s 系 统路感和操纵稳定性的影响。利用m a t i a b7 0 的控制工具箱进行仿真，找到关 键参数对系统的影响程度和变化趋势，并提出改进的方法，得到有益于产品设计、 开发的结论。由于项目中电机采用了给定电流闭环控制，因此这里得到的结论也 能弥补国内在这方面研究的不足。 卸针对路感、操纵稳定性和噪声抑制等问题，建立根据普遍意义的e p s 系 统鲁棒控制状态空间及增广矩阵。并通过在m a t l a b7 0 中的仿真来验证何。控 制策略与p d 控制策略相比能有效抑制噪声对系统的影响、改善e p s 系统的稳定 性。 1 5 本章小结 本章首先介绍了电动助力转向系统的发展过程、工作原理、主要类型及优势； 并简要概述了国内外在控制策略方面的研究现状；阐述了本文的研究目的，最后 确定了本文的主要研究内容。 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章e p s 控制策略仿真研究的评价指标 第二章e p s 控制策略仿真研究的评价指标 2 1 引言 任何仿真总是围绕其仿真对象的评价指标来进行的。因此，在建立e p s 动 力学模型以及e p s 控制策略仿真研究之前，有必要首先确定其评价指标，然后 才能根据评价指标特点，来选择不同的简化模型。 转向系是汽车中一个十分重要的组成部分。好的转向系不仅能够根据驾驶员 的转向指令来及时改变车辆的行驶方向( 转向) ，而且能够向驾驶员反映一定的 路面情况，提供一定的路感，来保证车辆的操纵稳定性。同样，这些要求对e p s 系统来说也是适用的。因此，本文将路感和的车辆横摆角速度响应特性作为评价 控制策略的主要指标。 2 2 车辆横摆角速度响应特性 车辆操纵稳定性可通过多种方法来评价，考虑到仿真研究的可行性，本文选 取具有代表性的转向盘角阶跃输入下的车辆横摆角速度响应a 来作为评价标 准。在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一控制系统，用汽车曲线行驶的 时域响应与频域响应来评价，这里也将采用这一方法。 2 2 1 转向盘角阶跃输入下的时域响应 汽车的时域响应可分为不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬态响应。 例如，汽车等速直线行驶是一种稳态。若在汽车等速直线行驶时，急速转动转向 盘至某一转向角，停止转动转向盘并维持此转角不变，即给汽车以转向盘角阶跃 输人，一般汽车经短暂时间后便进人等速圆周行驶的工况。这也是一种稳定的状 态，称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。在等速直线行驶与等速圆周行驶 这两个稳态运动之间的过渡过程便是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称为汽车在 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。 本文中用汽车横摆角速度来表征汽车的状态，即在方向盘角阶跃输入下，用 汽车横摆角速度的稳态和瞬态响应来分析汽车的操纵稳定性。 稳态响应的评价指标a n 汽车的等速圆周行驶，即汽车转向盘角阶跃输人下进人的稳态响应，虽然在 实际行驶中不常出现，却是表征汽车操纵稳定性的一个重要的时域响应，一般也 称它为汽车的稳态转向特性。常用稳态的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态 l l 浙江大学顾t 学位论文第二章e p s 控制策略仿真研究的评价指标 响应。这个比值称为稳态横摆角速度增益，也称转向灵敏度，以符号予) s 表示 汽车的稳态转向特性分为三种类型：不足转向、中性转向和过多转向，见图 2 1 所示。 ? 多鬟 兰 巾隆转f 一 。 不足j季廊 _ _ _ _ _ _ 一 丝 一h 、 夕 d2 0柏 8 d1 1 2 0 ，4 0 伯口1 车速 图2 1汽车横摆角速度稳态增益曲线 中性转向汽车的稳态横摆角速度增益与车速成线性关系。 不足转向汽车的稳态横摆角速度增益与车速不再成线性，而是一条低于中性 转向的汽车稳态横摆增益线，后来有变为向下弯曲的曲线。其稳态横摆角速度增 益达到最大值时对应的车速称为特征车速，是表征不足转向的一个参数，当不足 转向量增加时，特征车速降低。 过多转向汽车的稳态横摆角速度增益与车速曲线则是一直向上弯曲的。其稳 态横摆角速度增益在某个车速( 称为临界车速) 时趋于无穷大。可见，过多转向汽 车达到临界车速时将失去稳定性，因此操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足 转向特性。 瞬态响应评价指标。 瞬态响应是表征汽车在达到稳态过程中的一些特性。例如，当给方向盘一阶 跃输入后，汽车横摆角速度经过一段过程后达到稳态横摆角速度q 。，此过程即 为汽车的瞬态响应。从图2 2 可以看出，它具有以下几个特点： ( 1 ) 时间上的滞后 汽车横摆角速度不能立即达到稳态横摆角速度婢。，而要经过时间f 后才能 日 扣 佰 佃 5 0 熠辫蜊辫妊蝼颦杓稼 浙讧大学硕士学位论文第二章e p s 拧制策略仿真研究的评价指标 第一次达到q 。这一段滞后时问称为反应时间。反应时间短，则驾驶员感到转 向响应迅速、及时，否则就会觉得转向迟钝。也有用到达第一峰值的时自j 来表 示滞后时间的。 ( 2 )执行上的误差 最大横摆角速度q 。常大于稳态值q 。( q 。一o j , 。) 哆。x 1 0 0 称为超调量， 它表示执行指令误差的大小。 ( 3 )横摆角速度的波动 在瞬态响应中，横摆角速度q 以频率n ，在哆。值上下波动。波动的频率m 决 定于汽车动力学系统的结构参数，它也是表征汽车操纵稳定性的一个重要参数。 ( 4 )进入稳态所经历的时间 横摆角速度达到稳态值9 5 1 0 5 之间的时自j 口称为稳定时间，它表明进 入稳态所经历的时间。 倒 捌 囊 嘲 蝠 图2 2转向盘角阶跃输入下的汽车瞬态响应 个别汽车也可能出现汽车横摆角速度q 不能收敛的情况，即q 值越来越大， 转向半径越来越小，而导致汽车产生侧向滑动或翻车的危险，就是上面提到的过 多转向。由此可知，瞬态响应包括两方面的问题：一是行驶方向稳定性，即给汽 车以转向盘阶跃输入后，汽车能否达到新的稳定状况的问题：二是响应问题，即 达到新的稳态之前，其瞬态响应的特性如何。 2 2 2 横摆角速度频率响应特性 浙江大学硕士学位论文 第二章口s 挣制策略仿真研究的评价指标 在汽车操纵稳定性中，常以前轮转角或转向盘转角为输入，汽车横摆角速度 观为输出的汽车横摆角速度频率响应特性来表征汽车的动特性a 。 曩罩仃d 雠d 图2 3横摆角速度频率特性 频率特性可以分为幅频特性和相频特性。在横摆角速度频率响应特性中，幅 频特性反映了驾驶员以不同频率输入指令时，汽车执行驾驶员指令的失真的程 度。幅频特性曲线在低频区接近一水平线，随着频率的升高，幅值比增加，至某 一频率f 时的幅值比达到最大值，此时系统处于共振状态。频率再增高，幅值比 逐渐减少。相频特性反映了汽车横摆角速度q 滞后于转向盘的失真程度。从操 纵稳定性出发，希望幅频特性曲线能平些，共振频率高一些，同频带宽些，以保 证不同工况下失真度较小，都有满意的操纵性能；同时希望相位差小些，以保证 汽车有快速灵活的反应。 2 3 路感及路感强度评价 车辆转向过程中，由于轮胎弹性变形以及i j 轮定位参数会产生沿主销的回正 力矩，回正力矩中包含了汽车的运动状态( 包括路面和车轮之间的附着状态) 。 驾驶员通过转向系感受到汽车运动状态，并产生相应的手力。所谓路感指的就是 这种汽车运动状态与手力之间的关系a 6 1 。 对于助力转向系统而言，路感往往是与转向轻便性相矛盾。因为转向轻便性 要求提供较大助力，来减轻驾驶员的工作强度，即手力。但减少了驾驶员获得的 路面信息和汽车运动状态，即路感交差了，这在车辆高速时特别危险。因此在车 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章e p s 控制策略仿真研究的评价指标 辆低速行驶( 原地转向，泊车等) 时，以轻便性为主，提供较大助力，路感可以 比较模糊。但是在车辆高速行驶时，路感要清晰，以便驾驶员做出准确及时的反 应。 路感强弱通常使用路感强度来表示，路感强度e 可以用下式表示：c 3 7 1 e - 鲁 ( 2 1 ) 其中：1 k 为驾驶员手力；t k 为回正力矩在转向柱上的当量阻力矩。 从式( 2 1 ) 可以看到，路感强度反映的是阻力矩单位变化时所引起的方向盘上 手力的变化量。对于机械式转向系而言，如果不考虑转向系中的摩擦力，那么路 感强度e 1 0 0 。另一种极限工况是，当助力完全和回正力矩相等时，则路感强 度e 0 ，路感完全丧失。一般路感强度在o 和1 之间，根据上文的分析可以得 到，高速时路感强度应该接近1 ，而低速时则可以小些。 不同的汽车类型，不同的行驶环境，需要不同的路感。例如a ”，对于经常 在狭窄拥挤的城市街道中穿行和驻车的车辆而言，要求车辆反应灵敏，转向尽量 轻便，对路感要求并不突出；而对于绝大多数时间在高速公路上行驶的车辆而言， 要求车辆具有高的路感强度，以便驾驶员做出准确及时的判断，安全驾驶。尽管 对于理想路感目前还没有定论，但e p s 将车速作为控制器的输入之一，使得根 据不同车速调节路感成为了可能，弥补了传统液压助力转向系的不足。 除了提供大小适合的路感之外，转向系在车轮受到外界冲击的时候要能够迅 速稳定。同横摆角速度一样，这可以通过角阶跃输入、频率特性等来考察。同时 驾驶员一般喜欢低频的路感e 2 2 1 ，高频的冲击往往会造成驾驶员的不适，即要求 转向系能做到有选择的传递路感。这些都对e p s 控制策略提出了更高的要求。 2 4 本章小结 本章根据e p s 系统的特点，将路感和车辆横摆角速度响应特性作为评价控 制策略的主要指标，并给出了评价的方法，为后文模型的建立及仿真提供了依据。 浙江大学硕十学位论文 第三章e p s 系统分析与建模 3 1 引言 第三章e p s 系统分析与建模 仿真是建立相应物理系统的数学模型在计算机上解算的过程。数学模型是仿 真的基础，只有建立正确的数学模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才 有以及和价值。因此，e p s 系统动力学模型的研究是整个系统仿真的基础和必要 前提，正确、简化的模型能够大大提高仿真的可靠性、精度，并能缩短仿真时间， 提高开发效率。目前国内在这方面也进行了一定的研究，但是对某些模型并没有 给出较为详细的推导过程，这将影响对于整个系统的理解，不利于开发的进程。 因此，本章将针对这一问题，在对e p s 系统深入分析基础之上建立系统的动力 学模型，并给出详细推导过程。为了能很好的分析e p s 系统对于转向路感和车 辆操纵稳定性的影响，主要考虑建立汽车动力学模型、轮胎模型、转向系模型、 电机