（光学工程专业论文）基于eps鲁棒控制策略的路感信息处理方法研究.pdf

保密2 年 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r a s t u d y o nc o n t r o lo fs t e e r i n gf e e lo f e p s s y s t e mb a s e d o nt h er o b u s t c o n t r o im e t h o d sc h o o l ：s c h o o lo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 一 一一 m a j o r ： a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ： q i n gl i u s u p e r v i s o r ：p r o f h u ic h e n m a r c h ，2 0 0 8 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在监年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文。 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月 日 摘要 摘要 转向系统是汽车的最重要人机晃面，要求既能精确地实现驾驶员的转向意 图，同时又能有效地反馈路面信息，达到轻松、安全驾驶的目的。近年来，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 gs y s t e m ，简称e p s ) 由于具有能耗低、 结构紧凑，可提供较好路感等特点，已经开始逐渐代替液压助力转向系统，并 且成为研究的热点。本论文致力于电动助力转向系统反馈路感信息的研究。 首先，建立了电动助力转向系统的动力学模型，并对电动助力转向系统的 稳定性和路感方面进行了分析。然后利用基于日。范数的鲁棒控制方法分别设计 可以改善电动助力转向系统的鲁棒稳定性和路感的鲁棒控制器，实车实验和台 架实验验证了该控制方法的有效性；但是，该方法也有一些不足，即只能针对 某一固定助力增益k a 设计改善路感的鲁棒控制器，而且设计的控制器无法满足 助力增益k a 增大时的系统稳定性要求。 于是本文创新性地提出了利用线性参数变化l p v 控制方法，设计出了考虑 助力增益k a 变化的l p v 控制器，即，该l p v 控制器可以在线根据助力增益k a 的变化进行调整，以适应不同助力增益下的路感和稳定性要求，仿真结果验证 了该l p v 控制算法。 关键词：电动助力转向系统，路感，鲁棒控制，l p v 控制 a b s t r a c t s t e e r i n gs y s t e mi st h em o s t i m p o r t a n ti n t e r f a c eb e t w e e nt h ev e h i c l ea n d t h e d r i v e r i ti sr e s p o n s i b l en o to n l yf o ra c t i n gt h es t e e r i n go r d e rf r o mt h ed r i v e r , a l s of o r p r o v i d i n gt h ep r o p e rs t e e r i n gf e e lt om a k e s u r ea ne a s ya n ds a f ed r i v i n g r e c e n t l y , e 1 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 mh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l ya n dh a sb e e na r e s e a r c hh i t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ei m p r o v e m e n to ft h es t e e r i n gf e e lo f e p s s y s t e m f i r s t ，t h ed y n a m i c so fe p s i sb u i l ta n dt h es t a b i l i t ya n dt h es t e e r i n gf e e lo fe p s s v s t e ma r ea n a l y z e d t h e nt h eh 。 r o b u s tc o n t r o lm e t h o di se m p l o y e dt od e s i g n 觚o s e i ) a r a t er o b u s tc o n t r o l l e r s ，o n eo f w h i c hi sd e s i g n e dt oe n s u r et h er o b u s ts t a b i l i t yo f t h ee p ss y s t e mw h e nt h ea s s i s tg a i nk av a r i e s ，t h eo t h e ro fw h i c hi sd e s i g n e d t o i m p r o v et h es t e e r i n gf e e lo ft h ee p ss y s t e ma ts o m ef i x e da s s i s tg a i nk a h o w e v e r , t h i sm e t h o dc a nn o ts a t i s f yt h er o b u s ts t a b i l i t ya n dt h es t e e r i n gf e e la tt h e s a m et i m e ， e i t h e rt h es t e e r i n gf e e lw h e nt h ea s s i s tg a i nk a v a r i e s t os o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h el p v ( l i n e a rp a r a m e t r i c a l l y v a r y i n g ) c o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e dt oa p p l y t ot h ee p ss y s t e m t h el p vc o n t r o l l e r c a nc h a n g ei t s e l fa c c o r d i n gt ot h ea s s i s tg a i nk a w h i c hi sm e a s u r e do n l i n et oa c h i e v e t h eb e s ts t e e r i n gf e e la n ds y s t e ms t a b i l i t y a td i f f e r e n ta s s i s tg a i n s t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h ee f f e c t i v e n e s so fl p vc o n t r o lm e t h o d o 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 ( e p s ) ，s t e e r i n gf e e l ，r o b u s tc o n t r o lm e t h o d ， l p vc o n t r 0 1m e t h o d 目录 目录 第1 章引言1 1 1 概述。1 1 2 课题研究目的3 1 3 国内外研究现状综述3 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状4 1 3 3 国内外研究现状概述5 1 4 课题研究内容以及意义5 1 4 本章总结6 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析7 2 1 电动助力转向系统工作原理7 2 2 电动助力转向系统基本助力控制8 2 3 电动助力转向系统稳定性分析8 2 3 1 动力学建模9 2 3 1 稳定性分析1 0 2 4 电动助力转向系统路感分析12 2 4 1 路感定义；1 2 2 4 ：- 2 路感分析1 3 2 5 本章小结1 5 第3 章e p s 硬件在环仿真平台与实车试验系统16 3 1 实车试验系统16 3 1 1 实印试验系统的硬1 ，i ：组成17 3 1 2 实印试验系统的软什组成1 8 目录 3 2e p s 硬件在环仿真平台19 3 2 1e p s 硬件在环仿真平台的硬件组成2 0 3 2 2e p s 硬件在环仿真平台的软件组成2 1 3 3 本章小结2 2 第4 章基于e p sh o o 控制策略的路感信息处理方法研究2 3 4 1 基于h o o 范数的鲁棒控制方法概述2 3 4 1 1h o o 控制理论的起源与发展2 3 4 1 2h o o 控制问题2 4 4 1 3h o o 控制器的设计方法2 6 4 2 改善e p s 鲁棒稳定性的鲁棒控制器设计与实车试验验证2 7 4 2 1 改善e p s 鲁棒稳定性的鲁棒控制器设计2 8 4 2 2 降阶后的鲁棒控制器的定点化2 9 4 2 3 实乖试验结果3 0 4 2 4 小结3 2 4 3 改善e p s 路感的鲁棒控制器设计与台架试验验证3 2 4 3 1 电动助力转向系统增广模型的建立3 2 4 3 2 加权函数的选择及鲁棒控制器设计3 6 4 3 3 在e p s 硬件在环仿真平台下的台架实验3 7 4 3 4 鲁棒控制器在不同助力增益下的控制效果仿真4 0 4 3 5 小结4 1 4 4 考虑变助力增益下e p s 路感和稳定性的设计方法探讨4 1 4 5 本章小结4 3 第5 章基于e p sl p v 控制的路感信息处理研究4 4 5 1 线性参数变化l p v 控制方法概述4 4 5 1 1 多胞控制介绍4 5 5 1 2 多胞控制器的设计方法4 8 5 1 3 顶点控制器的设计及算法4 9 i v 目录 3 2e p s 硬件在环仿真平台19 3 2 1e p s 硬件在环仿真平台的硬件组成2 0 3 2 2e p s 硬件在环仿真平台的软1 ；，l ：组成2 1 3 3 本章小结2 2 第4 章基于e p sh o o 控制策略的路感信息处理方法研究2 3 4 1 基于h o o 范数的鲁棒控制方法概述2 3 4 1 1h o o 控制理论的起源与发展2 3 4 1 2h o o 控制问题2 4 4 1 3h o o 控制器的设计方法2 6 4 2 改善e p s 鲁棒稳定性的鲁棒控制器设计与实车试验验证2 7 4 2 1 改善e p s 鲁棒稳定性的鲁棒控制器设计2 8 4 2 2 降阶后的鲁棒控制器的定点化2 9 4 2 3 实车试验结果3 0 4 2 4 小结3 2 4 3 改善e p s 路感的鲁棒控制器设计与台架试验验证3 2 4 3 1 电动助力转向系统增广模型的建立3 2 4 3 2 加权幽数的选择及鲁棒控制器设计3 6 4 3 3 在e p s 硬件在环仿真平台下的台架实验3 7 4 3 4 鲁棒控制器在不同助力增益下的控制效果仿真4 0 4 3 5 小结4 1 4 4 考虑变助力增益下e p s 路感和稳定性的设计方法探讨4 1 4 5 本章小结4 3 第5 章基于e p sl p v 控制的路感信息处理研究4 4 5 1 线性参数变化l p v 控制方法概述4 4 5 1 1 多胞控制介绍4 5 5 1 2 多胞控制器的设计方法4 8 5 1 3 顶点控制器的设计及算法4 9 i v 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转 向系统( m a n u a ls t e e r i n g ，简称m s ) 发展为液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，简称h p s ) ，然后又出现了电控液压助力转向系统( e l e c t r oh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，简称e 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 ) 。 装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担 过于沉重，为了解决这个问题，美国g m 公司在2 0 世纪5 0 年代率先在轿车上 采用了液压助力转向系统1 。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转 向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1 9 8 3 年日本k o y o 公司推出了具备车 速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升 高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系 统自身所具有的许多缺点，是种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过 渡产品。到了1 9 8 8 年，日本s u z u k i 公司首先在小型轿车c e r v o 上配备了k o y o 公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1 9 9 0 年，日本h o n d a 公司也在运 动型轿车n s x 上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了 电动助力转向在汽车上应用的历史乜1 。 相比传统液压动力转向系统，电动助力转向系统具有以下优点： 1 、只在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗 传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都 要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力， 不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。 与液压助力转向系统对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低 燃油消耗2 5 ；在转向时，可以降低5 5 o 。 2 、转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高 速时的操纵稳定性，回币。p e 能好。 第1 章引言 传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改 变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时 转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感 ，降低了高 速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。 电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时， 电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向轻便性；随着车 速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所 需提供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 稳定性。 电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速 时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速间i f 过程r f ，转向盘的振 荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回j 下性能。 3 、结构紧凑，质量轻，牛产线装配好，易于维护保养 电动助力转向系统耿消了液i i 转阳汕泵、油缸、液f 区管路、油罐等i ，1 j 仆， 而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统 结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时i 日j ，易于维护保养。 4 、通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生 产和开发的周期。 由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的 应用。 电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础卜，加装了电机及减速机构、 转矩转角传感器、车速传感器和e c u 电控单元而成。 电助力转向系统的工作原理如下：首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向 盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传 递给e c u ；e c u 根拥内置的控制策略，计锋m 理想的f 1 杯助力力如，转化为f 乜 流指令给电机；然后，电机产生的助力力j 5 l ! 经减速机构放大作用在机械式转向 系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。 电动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面。酬。 硬件技术主要涉及传感器、电机和e c u 。传感器是整个系统的信号源，其 精度和可靠性十分重要。电机是整个系统的执行器，电机性能好坏决定了系统 的表现。e c u 是整个系统的运算中心，因此e c u 的性能和可靠性至关重要。 2 第1 章引言 软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来 决定电机的目标电流，并跟踪该电流，使得电机输出相应的助力矩。故障诊断 与保护程序用来监控系统的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。 1 2 课题研究目的 相比纯机械转向系统，电动助力转向系统在转向管柱中增加了扭杆( 扭矩 传感器) ，以输出当前的方向盘力矩的大小，并反馈到控制器中，由控制器根据 反馈的力矩大小以及车速计算出助力电机应该输出的力矩值。 正是由于扭杆以及该反馈环的存在，如果在控制算法中不添加任何的校正 环节，当助力增益变大时，电动助力转向系统会变得不稳定；同时，由于助力 电机输出一定的力矩来帮助驾驶员转向，必然会削弱驾驶手感，驾驶员无法通 过方向盘力来获得路面的信息。 本课题的研究目的就是通过设计一个控制器，该控制器可以保证在助力增 益改变时电动助力转向系统的稳定性，而且又能够保证在每一个助力增益下让 驾驶员获得必要的路感信息。 1 3 国内外研究现状综述 1 3 1 国外研究现状 国外的电动助力转向技术已同臻完善，日本的h o n d a 汽车公司、n s k 公司、 k o y o 公司、m i t s u b i s h ie l e c t r i c 公司，美国的d e l p h i 公司、t r w 公司，德国 z f 公司等已经开发出多个系列的电动助力转向系统，其应用范围已从最初的微 型轿车向更大型的轿车和商用客车方向发展，电动助力转向系统的助力型式也 从低速范围助力型向高速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加 强。电动助力转向的控制技术也逐渐完善，除传统p i d 控制外，动态补偿技术， 模糊控制，自适应控制技术，鲁棒控制技术及智能控制技术也逐渐在电动助力 转向上得到应用口引。 在电动助力转向系统路感研究方面： 同本本阡1 汽车研发公司的n o b u es u g i t a n i 以及r 本早稻f 日大学的k e n k o 3 第l 章引言 u c h i d a 等，以固定方向盘的电动助力转向系统为研究对象，利用基于h i n f i n i t y 的鲁棒控制方法，以改变从路面阻力矩到扭矩传感器输出力矩的传递特性以获 得更多的路感为设计目标，设计出了鲁棒控制器，通过仿真以及台架实验，验 证了该控制器确实可以改变电动助力转向系统的路感h 1 ，但是，该思路并没有考 虑电动助力转向控制系统中助力增益的变化，助力增益改变了，仍然使用该控 制器并不能获得同样的控制效果，甚至不能保证系统的稳定性。 h e r m e st e c h n o l o g i e s 公司的j s c h e n 等，同样以固定方向盘的电动助力转 向系统为研究对象，利用了更为容易设计的p d 控制器，也成功的改变了从路面 阻力矩到扭矩传感器输出力矩的传递特性，以抑制某些频段的路面干扰，而且 仿真结果也验证了该思路的可行性1 ，但是，这种方法同样没有考虑在电动助力 转向控制系统中助力增益的变化，而且该方法对传感器噪卢也没有抑制作刖。 美刚f o r d 汽车公f i - j 的r a k a nc c h a b a a n 以及美阔w a y n e , j 4 慢大学的l e w a n g 等利用h i n f i n i t y 的鲁棒摔制方法，对电动助力转向系统进i 二j ：了多拱浦0 | l 卡，j ：设汁，包括指令力矩跟踪，路感以及驾驶员t - a ：；s j 矩估计等“，但足该斤法纯 设计过程中并没有考虑电动助力转向系统在助力增益改变时的稳定性问题，只 是在设计出控制器之后通过理论方法证明了该控制器对最大的助力增益也是稳 定的；而且，该控制方法也没有考虑在助力增益变化时的路感问题。 t o y o d am a c h i n ew o r k s 公司的t o s h i ok o h n o ，s h i n j it a k e u c h i 等，以及加拿 大温莎大学的x i a n gc h e n 3 等，利用了h i n f i n i t y 鲁棒控制方法中的混合灵敏度 方法，主要针对噪声抑制以及模型不确定性对电动助力转向系统设计了鲁棒控 制器，但是该方法并没有考虑路感。 1 3 2 国内研究现状 国内对电动助力转向系统的研究成果主要集中在一些有车辆工程研究背景 的高校，如同济人学，占林人学，清华大学，江苏人学等等。其。i j 矽f 究的匮点 集中在电动助力转向控制系统设计，电动助力转向系统助力电机的控制方法， 电动助力转向系统建模与仿真以及电动助力转向系统的匹配设计和客观评价方 法与指标。 在电动助力转向系统控制系统设计与路感研究方面： 同济大学的赵治国老师等对电动助力转向系统利用鲁棒控制方法进行了多 4 第1 章引言 目标控制的研究，包括助力跟随，传感器噪声抑制等，通过仿真结果表明，该 控制方法可以有效的改变电动助力转向系统的鲁棒稳定性，噪声抑制性能憎1 。华 中科技大学的刘照等，利用基于混合灵敏度鲁棒控制方法对电动助力转向控制 系统进行了研究，并在助力增益最大情况下设计了鲁棒控制器，仿真表明该控 制器可以满足在所有助力增益下的鲁棒稳定性，并且对路面干扰有一定的抑制 能力口0 i 。合肥工业大学的王启瑞，陈无畏等也利用h i n f i n i t y 方法对电动助力转 向系统进行了研究，设计出了可以改变从路面阻力矩到扭矩传感器输出力矩的 传递特性的鲁棒控制器，仿真结果也表明了该控制方法的有效性n 。北京交通 大学的吴文江等综合考虑了电动助力转向系统的稳定性与抗干扰性能，提出了 p d 控制与h i n f i n i t y 控制相结合的方法，以保证电动助力转向系统的稳定性和 对传感器噪声以及路面干扰的抑制，仿真结果也证实了该控制方法的有效性n 副。 1 3 3 国内外研究现状概述 总体来说，国外，主要集中在美国和日本，对电动助力转向系统的研究较 早而且研究比较深入，并且有美国和日本的国际知名整车厂如f o r d ，t o y o t a , h o n d a 等公司的支持，大多数研究成果都通过台架实验或者实车实验来验证，而 国内由于资金和实验条件的限制，大部分研究成果都只通过仿真来验证，不过， 就理论水平而言，国内的研究水平也已经达到了一定高度。 但是，在电动助力转向系统路感的研究方面，国外虽然进行了一些深入的 理论和实验研究，但是这些研究都没有考虑助力增益的变化这一关键因素，当 助力增益变化时，必然系统的特性会改变，而如果使用单一的控制器，并不能 够满足在所有助力增益下的路感需求，甚至会造成系统的不稳定。 所以本课题的研究目的就是通过设计一个控制器，该控制器可以保证在助 力增益改变时电动助力转向系统的稳定性，而且又能够保证在每一个助力增益 下让驾驶员获得必要的路感信息。 1 4 课题研究内容以及意义 在仔细调研和分析国内外研究现状的基础上，针对国内外研究现状的不足， 本文提出了使用基于h - i n f i n i t y 范数的l p v ( l i n e a rp a r a m e t r i c a l l yv a r y i n g ) 线性 第1 章引言 参数变化的控制方法，把电动助力转向系统助力增益的变化作为系统的参数变 化，通过l p v 控制，可以设计一个在线的，可以根据助力增益的变化来不断调 。整的控制器。这样一个控制器，可以满足在不同助力增益下的路感需求和稳定 性。 本论文共分六章。 第二章主要是对研究对象的分析。首先系统的介绍了电动助力转向系统的 工作原理，然后深入分析了电动助力转向系统的稳定性以及路感，建立了电动 助力转向系统的动力学模型。 第三章主要是对实验条件的介绍。首先介绍了本实验室的e p s 硬件在坷：仿 真平台，可以利用该实验装置去验证所设计的改善路感的摔制器：然后又介绍 了实车实验系统，该系统喟来验证鲁捧控制器的控制效果。 第四章丰要是利用鲁棒控制的方法去针对电动助力转向系统的稳定中f 和路 感分别设汁鲁棒控制器，酋先介绍了可以增j j f 】系统鲁棒稳定性的鲁棒控制器；佝 设汁过陧以及实车实验结果：然话介绍了町以改善l 乜动助力转向系统路感的 - _ ； 棒控制器的设计过程以及台架实验结果：最后提出了该控制方法的不足之处以： 于无法将鲁棒稳定性能和路感统一在一起来设计。 第五章是本论文的创新之处，提出了利用l p v 线性参数变化控制方法去设 计电动助力转向系统控制器，并且通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真来验证了该控 制方法的有效性，l p v 控制的可在线改变的特性决定了它就是最适合于电动助 力转向系统的控制方法。 第六章为全文总结。主要肘本论文进行了总结，并且提 h 了不足之处以及 后来人的工作重点。 1 4 本章总结 本章首先概述了电动助力转向系统的发展情况，在这样的背景下，提出了 该论文的研究课题，在调研和分析了国内外与该课题相关的研究进展之后，提 出了国内外研究的不足之处，并针对该不足之处提出了自己的研究方法。最后， 介绍了该论文的撰写结构。 6 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 本论文的研究对象是电动助力转向系统，目的是利用合适的控制方法去设计 一个满足设计者对电动助力转向系统提出的设计要求的控制器。目前的先进的 控制方法基本上都是基于系统数学模型来设计控制器的。所以，从理论上分析 电动助力转向系统就显得非常有必要。针对我们对电动助力转向系统提出的设 计要求，需要从稳定性和路感两个方面去加以分析。 2 1 电动助力转向系统工作原理 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 gs y s t e m ，以下简称为e p s ) 主要譬。 由转矩传感器，车速传感器，电子控制单元( e c u ) ，电动机，离合器和减速机 构等组成，如图2 1 所示。 图2 1 电动助力转向系统结构图 扭矩传感器用来测量驾驶员作用在转向盘上的操纵力矩，车速传感器用以 测量车辆行驶速度。电动机根据e c u 指令输出适宜的辅助扭矩，是电动助力转 向系统的动力源，其对电动助力转向系统的性能有很大影响，不仅要求低转速 大扭矩、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。减速机构与电动机相连，起减速增扭作用，常采用蜗轮蜗杆机构或行星齿 轮结构。离合器装在减速机构一侧，是为了保证电动助力转向系统只在预先设 定的车速行驶范围内起作用。e c u 的功能是根据扭矩传感器和车速传感器信号， 7 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 进行逻辑分析与计算，并发出指令控制电动机和离合器动作。此外，e c u 还有安 全保护和自我诊断功能，通过采集电动机的电流电压、扭矩信号、车速信号等 信号判断系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消唧。 2 2 电动助力转向系统基本助力控制 电动助力转向系统的基本功能就是在驾驶员转向的时候提供一定大小的助 力，在保证驾驶员转向轻便的同时，也能提供给驾驶员一定的路感。也就是说， 电动助力转向系统的基本助力的控制目标就是确定电动助力转向系统在某一时 刻应该提供的助力的大小，由于助力是由助力电机提供，助力电机的输出力矩 由助力电机的 乜流决定，所以，基本助力控制就足确定在某一时刻给助力f 也机 的电流指令。 图2 2 电动助力转向系统基本助力控制原理图 图2 2 为电动助力转向系统基本助力控制的原理图，系统根据车速信号的 手上力矩大小分别去查车速感应曲线表和助力特性曲线表，然后经过控制器环 节，得到目标指令力矩。其中，助力特性曲线为在某一基准车速下确定的手上 力矩与日标指令力矩的关系曲线：车速感应曲线为调试出的在不同车速下，为 获得良好的操纵丁感，i f j 对叻力特性曲线做的| ! j i 权系数：控制器是从为了满足 电动助力转向系统的稳定性、路感等设计指标而增加的补偿函数，该控制器的 设计是本论文的研究核心。 2 3 电动助力转向系统稳定性分析 本文以转向柱助力式电动助力转向系统为研究对象，助力电机为直流电机， 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 车辆行驶时的转向负载采用与齿条相连的弹簧和阻尼器来模拟。统计结果表明， 通常车辆行驶时的侧向加速度不超过0 3 9 。在该范围内，轮胎特性处于线性区， 轮胎拖距近似为常值，则轮胎回正力矩与侧向力成比例。并且在车速一定时， 侧向加速度与前轮转角基本上成线性关系。因此，可以认为转向阻力矩与转向 角近似成比例，进而转向阻力矩与齿条位移近似成比例，故用弹簧负载来模拟 车辆行驶时的转向阻力矩是可行的n 引。如图2 3 所示。 2 3 1 动力学建模 图2 3 电动助力转向系统模型 对图2 3 所示的电动助力转向系统模型进行动力学分析，可得： j 。见+ c c 眈+ k ，( 见一巳) = 乃 厶纯k ，晚+ 吾= 等 m r j r + cr 文r + k , xr ：坠旧c 一9p ) + r o r pr p 其中， j c 是方向盘以及转向管柱转动。f f ：；i 量， ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 j m 是电机转动惯量， m r 是齿条质量， 0 c 为转向管柱转角 0 m 为电机转角 x r 为齿条位移， k s 为扭矩传感器扭杆刚度 k t 为弹簧刚度， c c 为转向管柱阻尼 c m 为电机阻尼 c r 为齿条阻尼， 印是小齿轮半径， g 为虫呙轮蜗杆传动比， t d 为驾驶员力矩 t a 为i 乜机实翰：助力矩 t c o m 目标指令助力力矩 。p 为小齿轮转角。 各个参数的大小参考附录a 。 在此，忽略电机的输出轴刚度，故电机输出轴转角和小齿轮转角存在比例 关系，即 氏= g 幸巳 齿条位移与小齿轮转角也有 9p = x r r , 2 3 1 稳定性分析 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 柚比纯机械转向系统，电z 力助力转向系统伍转向管柱中增加了扭f i ：( 批姬 传感器) ，以输出当前的方向盘力矩的大小，并反馈到基本助力控制系统中，由 基本助力控制系统根据反馈的力矩大小以及车速计算出助力电机应该输出的力 矩值。 j 下是由于扭杆以及反馈环的存在，电动助力转向系统的动态特性相比纯机 械转向系统有着很大的不同，当助力增益变化时，电动助力转向系统的动态特 l o 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 性也会随之发生变化，当助力增益增大到一定数值时，系统有可能会出现不稳 定的情况。 在电动助力转向系统基本助力控制策略中，电机助力的大小是由助力增益 和扭矩传感器输出来决定的，即： 乇埘= k 。t = k 。牛k ，( 眈一秒口) ( 2 6 ) 联合式( 2 - 2 ) ，( 2 - 3 ) ，( 2 - 4 ) ，( 2 - 5 ) ，( 2 - 6 ) 可得方向盘转角0 c 到小齿 轮转角o p 的传递函数为 型：广i 丁与些_ 下一( 2 7 ) e c ( s ) ( m ，+ ，。g 2 ) s 2 + ( e + b m g 2 p + ( k ，+ k 。e ) 7 0 s t e pr e s p m s e f r o m ：0 ct o ：8 p - - k a - - 1 - k a = 1 0 。 。重叙。，：， - l = ，：鲁狲；f ： l 。一一一l 一一一一一 j l 芗v 7i 00 0 50 10 1 50 2o2 5o 303 5 t i m e ( c ) 图2 40 p 对0 c 的阶跃响应 由于扭杆的存在，电动助力转向系统可以看成一个角度跟随系统，即小齿 轮转角e p 跟随方向盘转角e c ，而。p 与o c 之间的差值就可以反映手上力矩的大 小，所以，式( 2 - 7 ) 所表示的传递函数实际上反映了小齿轮转角0 p 跟随方向盘 转角0 c 的动念特性，图2 4 为助力增益k a 取不同的数值时，小齿轮转角0 p 对 方向盘转角0 c 的阶跃响应，可以看出，当k a 增大时，系统的振荡明显加强， 调节时i 、日j 也会变长，系统的相对稳定性变差，所以，助力增益k a 对系统的稳定 性有着很大的影响。 1 o罄3村id盂 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 2 4 电动助力转向系统路感分析 2 4 1 路感定义 汽车转向时，轮胎发生侧向变形，地面上作用着与这种变形分布相对应的 侧向力，a p n 偏力，另外，从轮胎的侧向变形来看，侧向合力的作用点不一定 和轮胎接地中心一致，因此，作用于轮胎的侧向力将绕轮胎接地中心产生回f 力矩，回正力矩除以转向系统传动比再加上传动中摩擦阻力矩，就是汽车转向 时所需克服的力矩，在电动助力转向系统中，由驾驶员和电机共同承担。 回正力矩中包含了汽车载荷，轮胎气压，轮胎与地面附着状态等信息，使 得汽车的运动状态与窖# 驶员j 三j 二力矩有一种列应关系，这种关系可以弁j 譬嚣感米 捕述。 路感就是驾驶员纯进行转向动作时，通过转向器获得坩路l i f 状砂己和m 力变 化的直接! 匹觉。当乍轴低速行驶时，埘路感的婴求不商，：、l 要是满足转f 均轻f 型 型的要求；当车辆香：中高速行驶时，希哩转向盘力可以很好的反映车辆的运功 状态以及轮胎和路面之f n j 的附着状况。它使驾驶员能掌握转向环境，从而做出 正确的判断，减少事故发生n 4 l 。 既然路感可以理解为回j 下力矩通过转向系统传递到驾驶员手上力矩的大 小，所以，研究电动助力转向系统回j 下力矩到驾驶员的手上力矩的传递特性是 十分必要的，这一传递特性可以完全反映路感。 量则属于尤 成分的频率 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 0 一5c h z 1 辞= 哥r _ _ i 絮 廷 罂 宝 童量_ 董藿 一t - t - 焉蔷 盘言 13 图2 5 路面信息中各种成分的频率分布n 5 1 2 4 2 路感分析 根据2 4 1 节对路感的定义，路感可以用回j 下力矩到驾驶员手上力矩的传 递特性来表征。为了研究路感，对2 3 1 节所建立的电动助力转向系统模型做 一些简化，首先取消弹簧加载系统，以齿条力加载机构代替：然后固定方向盘， 这种情形与车辆行驶过程中驾驶员牢牢稳住方向盘的情况一致口1 ；经过模型简 化，我们可以建立以齿条力为输入，扭矩传感器为输出的动力学方程，图2 6 为简化后的电动助力转向系统模型。 图2 6 同定方向盘的电动助力转向系统模型 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 根据图2 6 可以写出电动助力转向系统的动力学方程 厶吃+ c 卅晚+ 疋g = g ( 2 8 ) m r 爻r + cr = i 【r + f r = t n r p - ks 8p r p ( 2 一跳 同样，忽略电机的输出轴刚度，故电机转角和小齿轮转角存在比例关系， e m = g 毒9 p 齿条位移与小齿轮转角也有 臼，= x ，0 ( 2 一1 1 ) 电机助力的大小同样是由助力增益和扭矩传感器输出来决定的，由于方向 盘固定，故0 c = 0 ，即： = k 。木正= k 。宰k ，木( 一目，) ( 2 1 2 ) 由上五式可以得到，电动助力转向系统齿条端所受力f rn d , 齿轮转角0 p 的传递函数为 堡盟：一；一一一一弋一彳警_ 一( 2 1 3 ) 一= 一一 、厶 f ? b 、) l mr r j + jm g ：、 s ：+ 0 br r ：+ b m g 、s + 0 ks + ko k 。) s t e pr e z p o n s - e f r o m f rt o ：t s 图2 7t s 对f r 的阶跃响应 首先从时域角度来分析齿条端所施加的力f r 到扭矩传感器输出t s 的传递 特性，图2 7 为当f r 为1 0 0 0 n 的阶跃信号时，扭矩传感器输出t s 的时域变化曲 线，由图可以看出，当助力增益k a 逐渐变大时，t s 的稳定值逐渐变小，但是调 1 4 第2 章电动助力转向系统的稳定性与路感分析 节时间加长，力矩振荡明显加强，也就是说系统的相对稳定性会变差。 其次从频域角度来分析齿条端所施加的力f r 到扭矩传感器输出t s 的传递 特性，图2 8 为助力增益k a 变化时，f r 到t s 的波德图，由图可以看出，当助 力增益k a 变大时，系统的直流增益会下降，但是共振频率点会向右移，当k a = 1 0 时，共振频率点大概在3 4 h z 左右，这样就会造成高频的一些路面干扰会直接传 递到方向盘，不利于驾驶安全性。根据2 4 1 节对路面信息频率成分的分析，。 大概在1 0 h z 以内的信息成分包含车辆运动状态的信息，更高频率的成分应当尽 量衰减，使得不能传递到方向盘。 日o d ed i a g r a m f r o m ：f rt o ：t s 2 5 本章小结 f r e q u e r y ( h z ) 图2 8f r 到t s 的波德图 本章首先介绍了电动助力转向系统的工作原理以及电动助力转向系统基本 助力控制原理：然后对电动助力转向系统建立动力学模型，分别从时域和频域 的角度去分析了电动助力转向系统的稳定性和路感，从而得出结论，对于电动 助力转向系统，助力增益k a 对系统的稳定性以及路感都有着非常大的影响。 p)ap三u6墨 一a 粤u d羔山 第3 章e p s 硬件在环仿真平台与实车试验系统 第3 章e p s 硬件在环仿真平台与实车试验系统