（电力电子与电力传动专业论文）电动转向系统研究与数字化实现.pdf

a b s t r a c t 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 g s y s t e m i st h ei n e v i t a b l e d e v e l o p i n gd i r e c t i o n f o r a u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n g ，w h i c hi sm u c hs u p e r i o rt oh 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 t h ed i g i t a le l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sa c c o m p l i s h e d ，w h i c hm e e tw i t h h i g h e rs t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , a n de x c e l l e n td y n a m i ca n ds t a t i o n a r yp e r f o r m a n c e p h y s i c a la n dm a t h e m a t i c sm o d e lo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sa n a l y z e d a n ds t u d i e d ，a n dt h r e et y p e so fc o n t r o l si sp r e s e n t e d ，w h i c hi sa s s i s tc o n t r o l ，r e t u r n c o n t r o la n dd a m pc o n t r 0 1 f u r t h e rm o r e ，t h ef e a s i b l em e t h o do fr e a l i z a t i o no ft h r e e t y p e so fc o n t r o li sd e s i g n e d b a s e do nm o t o r o l ad s p 5 6 f 8 0 5a st h ec e n t r a lc o n t r o lu n i ta n dt h ei n t e g r a t e d c o n t r o ls o f t w a r eo np ca st h ec o n m m n i c a t i o ns o f t w a r eb e t w e e np ca n de c u ，t h e d i g i t a le l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi ss u c c e s s f u l l ya c c o m p l i s h e d ，i nw h i c hd i s c r e t e n o n l i n e a ra s s i s tc h a r a c t e rc u r v ei su s e d a s s i s tc o n t r o li su s e da tl o ws p e e da n dd a m p c o n t r o li su s e da th i g hs p e e d a p p l y i n gt h i sd i g i t a ls y s t e m ，s t e e r i n gi sc o m f o r t a b l e ， s t e a d ya n dr e l i a b l ei nf u l ls p e e dr a n g e n e u r a ln e t w o r ki sp u tf o r w a r di n t h i ss u b j e c tt od e s c r i b ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i c w h i l ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci sr e a l i z e db a s e do nd 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 n e u r a ln e t w o r ki st r a i n e do f f1 i n e a n dt h et r a i n i n gr e s u l ta c c o r dw i t ht h et a r g e tv a l u e m a k i n gn s eo f t h et r a i n i n gr e s u l t ，i ti sr e a l i z e di nt h ep r a c t i c a ls y s t e m t h ee x p e r i m e n t r e s u l ti ne x p e r i m e n t a t i o np l a t f o i r nw h i c ha p p l i e dn e u r a ln e t w o r ka s s i s tc h a r a c t e r i s t i c j ss u p e r i o rt ot h ee x p e r i m e mr e s u l tt h a tu s e dd i s c r e t en o n i i n e a ra s s i s tc h a r a c t e rc u r v e t h ea b i l i t yo fa d v a n c e dt h e o r yi nt h ep r a c t i c a ls y s t e mi sp e r f e c t l yv a l i d a t e di nt h i s s u b j e c t f i n a l l y , t h et h e o r yo fm i c r o c o s i ii sa n a l y z e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r , w h i c h i sa ne m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) i ti sp e r f e c t l yt r a n s p l a n t e dt o m o t o r o l ad s p 5 6 f 8 0 5 ，a n dt h ed i g i t a le l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sa b l et or u n s u c c e s s f u l l yi nt h i sr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m t h er e t u r na b i l i t yu s i n gr t o si s s u p e r i o rt ot h ea b i l i t yw i t h o u ti t 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 me p s n e u r a ln e t w o r kb p n n d s pm i c r o c o s i ii u o s 独创性声明 本人卢明所呈变的学位论史是本人在导师指导f 进行的研究_ l 作和墩得的研 究成果，除了义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 。与过的研究成果，也小包含为获得鑫盗叁堂或其他教育机构的学位或址：社i m 使 刖过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均o - f l ! 论文中作r 明确 的说明并表示r 谢意。 学位论文作者签名：季志拳 签字日期：讪p 尹年，上月五7 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权墨凄盘堂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j ： 采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、汇编以供台阅和借恻。同意学校向国家囱 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 季盎毛 导师签名 答宁日期：w 铲年f 1 月2 7 日 签字目期：“m 辱年，1 j ，量h 纬艇 l石1l 第章绪沦 1 1 电动助力转向系统概述 第一章绪论 汽车转向系统足控制其行驶路线和方| 柚的重要装置，它卣接影响汽车的操纵 ，阽利稳定性。对j 二汽车转向系统，除了要求其1 作安全可靠、操纵轻便、机动性 女r 、岛效节能外，还要求它能够存各种j 况( 乜括直线行驶、l f ：常转向、快速转 _ 、原地转向等) 卜，根据不同的行驶速度和路而状况，提供最俸的路感。 汽车转向系统根据能源的小间可以分为机械转向和动力转向两大类。机械转 向系统所柯的传力部什都是机械的，其可靠性较高，受外界干扰较小，但于驾 驶员自身力量的限制，机械转向系统输出的转i 柚力矩较小，心用范受限钳i o 动 力转向系统是兼垌驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统，正常情况卜 ，i 午转向所需能量只有一小部分由驾驶员提供。动力转i 柚系统可较好地解决转i 雨 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，微型轿车也开始安装动力转向装r t 2 】【3 】。 动力转向系统按照提供动力方式的不同可分为以f 三类：气压式、液压式( 义 r ，进一步分为机械液压式和电控液压式) 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f 一部分载重龟为3 7 吨，并采用气乐制动系统 的客车和货车，冈为气乐系统的上作压力较低，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垌液压作为动力，利h j 油泵建盘一定的爪力，再 绎过控制阀来调整压力油的流量，根据汽车的行驶状态，拧制转向系统。液批式 动力转l 柚系统摔制方式有机械液压式和电_ i 二控制式两种，其中电子控制式液爪动 力转向系统通过电摔单元e c u 自动调憋转向盘的操作力，提高r 操纵舒适性平 转向灵敏度，保证了高速行驶的稳定性1 1 】。液压式动力转向系统是日前汽车i 。f 要采用的转向助力方式，国内桑塔纳、富康和奥迪等几种主要轿车也采用了液j r 式动j 转向系统一j 。 机电式动力转向系统也就是电动助力转向系统( e p s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s 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( ( 、 一e l ，s ：c 0 1 u m n e p s ) 、荫轮轴式电动助力转向系统( p e p s ：p ir l i o r l e p s ) 及荫条 轴式电动助力转向系统( r e p s ：r a c k - - e l ，s ) 1 5 1 1 6 】f 7 1 1 引。该系统采用了最新的电力 电j i 技术利高性能的电机控制技术衄_ 【 于汽车转向系统。它的研究领域涉及微电 j ：挖制、电力传动摔制技术、计算机摔制技术、绎虬手卒制琊论、观代控制坶论以 第 草绪论 及智能控制理论、汽车 ：程学等，它是多学科技术的综合应用。e p s 系统与传统 液爪助力转向系统相比【9 1 1 o i i ”1 1 ”l l l 3 ： ( 1 ) 降低燃油消耗。实验对比表明，n ：不使用转向情况卜i ，装自电动转向 系统的车辆的燃油消耗降低了2 5 ：红使用转i 叫情况下，燃油消耗降低了5 5 ； ( 2 ) 提供呵变的转i q 力。通过软件编程车i | 硬件 牵制，得到覆盖整个车速范 的可变转向力，提高转向舒适性、安全性； ( 3 ) 提岛操纵稳定性。该控制方式存汽车r 岛速行驶时进行摊i 尼控制，使掰 汽年具有更商稳定性； ( 4 ) 系统结构简单牛产线装配性好。该系统i l ，j j ，问小，巾簧方便，没 f j 液压系统所需要的油泵、油管、流鼍控制阀、储油罐等部件，零什数目大大减 少，减小了装配的f 作量。 ( 5 ) 采用“绿色能源”，适应现代汽车的要求。电动转l _ 系统应用“最 ： 净”的电力作为能源，完仝取缔j 液爪装置，吖i 存存液压助力转向系统中液念沛 的泄露问题，顺应“绿色化”的时代趋势，避免环境污染； 1 2e p s 系统国内外发展状况 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f 化，才能进行信息交流，实现综合性控制。电力电f 技术的飞快发展为 i 场提f 歧 j 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j 日性的控制策略平方法，奠定了弹论禹础和技术支撑。此，存多年前难以灾 观的电动助力转向系统( e p s ) ，固外如今已绎实j 化，并进入小批量牛产阶段， mr 它具备了现古液压助力转向系统4 ? n r 比拟的特点，该系统一h = 5 现就受到人们 的青眯，市场6 i 景j ”阔。 电动助力转向最先心用存h 本的微型轿车l 。1 9 8 8 王 二2 1 铃术公司首先存 c e r v o 车上装稀e p s 【8 l t 随后还i l f j 在a l t o 车上。存此之后，电动助力转向技术如 雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽午公r 1 】、t 菱汽牟公司、本l u p c 车公州， 笑同的d e l p h i 汽车系统公口j 、t r w 公r d ，德阳的z f 公。d ，都相继研制h j 并f 1 的e p s 。如：大发汽车公司在m i r a 车j 二装各，e p s ，二菱汽车公司在m i n i c a 午 j ：装备了e p s i s ；奉 h 汽车公司的a c c o r d 车f f 前已经选装e p s ，$ 2 0 0 0 轿车= 的动 j 转向也将倾向于选择e p s i f j ：d e l p h i 汽车公a jl i 经为大众的p o l o 、欧的3 l8 i 以硬菲耵特的p u n t o 开发出e p s 。 r l r w 从1 9 9 8 年开始，投入了人景的人力、物力和财力用1 二e i s 的丹发。， 他们最卡j j 针刈客车开发转向轴助力式e p s ，目前小荫轮助力式利齿条助力式e p s 的圩发也获得成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p sl j 经装备存轿午f ，如f o r df i e s t a 帝章绪论 手i lm a z d a3 2 3 f 等【7 1 。m e r c e d e s b e n z 和s i e m e n s a u t o m o t i v e 两大公司i r 其同投资 7 f ：发e p s ，他们的目标是到2 0 0 2 年装午，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h j 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i 1 了能成 为e p s 的装备目标。 经过二十几年的发展，e p s 技术【1 趋完善，其麻用范闱已经从最初的微型轿 棼向更大型轿车和商用客车方向发展，如本的a c c o r d 和 e 砭特的p u n r ) 等中 掣轿车已经安装e p s ，本m 还共至在其a c u r an s x 赛车上装备j e p s p i 。e t ，s 的助力形式也从低速范闱助力型向全速范嘲助力型发展，爿。h 其控制形式j 功能 也进一步期i 强。日本早期的e p s 仅仅化低速乖停车是提供助力，高速州e p s 将 停止_ j 作。新一代的e p s 则f i 仅存低速利停车时提供助力，而目还能存高速时 提供，i 车的操纵稳定性。 我周电动转向系统的研究连处于初期阶段，但已经引起足够的关注，2 0 0 0 q ：我国科技部、财政部和国家税务总局联合公布，将e p s 列为汽车零；! l j 什“商 新技术产品”之一。目前已有部分高校及科研单位投入到e p s 系统的研发中， 但都未能推出成熟的产品。我国的e p s 研究起步较晚，由于闰外e p s 系统控制核 心郜分的控制策略和控制器都处p 保密，需自行开发。目前国内主要心用8 位单 片机对助力电机进行控制，效果并不理想1 3 】i 。 国内的一些轿车也开始选装电动助力转向系统。如2 0 0 3 年下线的北斗星汽 车选装了r ：1 本光洋公司转向轴式的电动助力转向系统一j ，马自达6 2 6 、j 、州本l 【 雅阁轿车也选装_ ：r 电动助力转向系统。 1 + 3 本课题研究的主要内容 木课题在理论研究的基础一j ：，吸取平借鉴国外研究的一砦概念与思想，继续 进行课题的深入研究年系统软件的具体实现。本课题主要侧重于结合实际对电动 转j 柏控制理论进行深入研究利系统软件的具体实现。 本课题丰要完成的j ：作如f ： ( 1 ) 各种控制策略和撺制算法的具体实现。本系统的控制策略0 ：要是t 种 撺制和两种补偿，_ 种摔制是助力挣制、| 口j 正控制和阻尼控制，其中助力拧制的 、| ，滑无抖动、哼f 正控制的平稳快速性硐i 在6 l 尼控制中提供明显的阻尼足该系统其 体实现过程中儿个难度较大的地方国内相当多研究该系统的体均无法全丽解 决这几个方面。本课题存本谍题组其他研究人员的配合下很好的解决了这几个难 j h 实现了台架性能较好的数宁化电动助力转i _ 系统。 ( 2 ) 应用b p 神绎网络对系统的1 f 线忭助力特性曲线进行具体实i 见。助j j 特性曲线是助力控制中最重要的。个环凯它是得到最终助力电流佰大小的依 据。该助力特性曲线是双变量单输出的1 h 线性曲线簇，在具体实现中很难通过数 学公式进行拟合，肚i 此通常多采用大龟的简化得到它的近似模型，而神经网络町 以较好地处删多输入一单输出( b t l s o ) 非线性映射系统，减小摔制误寿。本课题 拒采用离散数学模型进行实现后，进一步应用神经嘲络进彳非线性曲线拟合， | 进行了具体实现，取得厂良好的实验效果。 ( 3 ) 在对i i c 0 s 一实时系统的理论研究的基础上，完成了该灾时系统在 m o t o y o l ad s p 5 6 8 0 0 编程环境下的移柏，并结合本课题实现厂电动助力转向数亨 化系统存该实时系统f 的萨常运行。嵌入式实叫操作系统7 f ：嵌入式系统应用q ，其 囱很高的理论意义和研究价值，本课题通过对l c o , s l l 实时系统的移植和具体 j 、v 用，为进一步研究和j 避用该实时系统打卜i 了一个荩础。 ( 4 ) 上位机通讯软件设计。数宁化系统的实现和调试离_ i 开上位机通讯软 什的辅助，奉课题应用的开发环境已绎包含了一个功能相当强应用也很方便的i ： 位机通讯软件，但足本系统的实现有着自身独有的特点，这个通用的通讯软俐爿 1 i 能完全满足要求。本课题通过多次试验创新性的应用v b 软件设计了上位机通 讯软件，通过和原通讯软件结合对该通讯软件进行了扩展，本课题的大多实验波 形都足通过臼制的通讯软件获得。 第二章e p s 系统的模型 j 控制策略分析 第二章e p s 系统的模型与控制策略研究 21 e p s 系统的物理模型 电动助力转向系统( e p s ) 是机械转向装兄配合电子拧制单7 l 共完成转i _ 的动力转向系统。完整的e p s 系统机械部分包括转向轴、扭杆、助力电动机、 蜗轮蜗杆传动机构、减速扰轮以及衡条轴f i ，电f 部分包括转向柱力箔作感 器、车速利转速信号传感器、电子拧制单儿( e c u ) 。系统的简易模型如图2l 所示： 方向盘 拧制单元 电篓蝣化堪特导 7 转向传感器 电机 齿轮齿条传动机 l 雩 2 - 1p - e p s 系统物理模型 系统1 作时，转向传感器把转向枯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 根据转向盘力矩信号确定 提供助力的时机。当需要提供助力时，e c u 根据转向力砸大小雨l 车速高低，依 据转向助力特性表，计锋出提供助力所需的助力力矩值，摔制助力电机，实现助 j 转向。 转向传感嚣测量驾驶员施加往力向盘上的转矩大小，需要丰j 【杆与传感器i 办| i = i j j 作。驾驶员转向时，对转向盘施j j u 定的转向力矩，从而使扭杆发牛扭转变形 并得到。个太小与转向盘转矩成比例的扭转角( 角度范尉根据扣杆剌科小同变 化，一般最夫为6 8 。，对应最大转矩不超过7 1 0 n m ) ，转向传感器把这个_ | ! i 转 珀转化为电胝作为转向传感器的输出。本课题应用的转向传感器为+ 5 v 供电，传 感器南赦输出范闱是1 i v 一35 v ，方向盘静止没有施加转讯时输出电h t 为中间 值25 v ，方向盘逆时钏转动时上e 比于转向力矧! 的值输出电腿相埘减小方向煮 顺时针转动时正比于转向力弛的值输出电爪相应增大。 本课题所用的助j j 电机为1 2 v ，1 2 0 w 的肖流 l l t jl ，厍i 为轿车r 摧供的电源= 1 7 本课题所用的助力电机为1 2 v ，1 2 0 w 的赢流电机刚为轿车r 提供的电源为 枷 助捌一 竺 _ 感 誉一 第二章e p s 系统的模型，控制策略分析 第二章e p s 系统的模型与控制策略研究 21e p s 系统的物理模型 电动助力转向系统( e p s ) 是机械转向装筒配合电子控制单7 l 共同完成转i _ 的动力转l 柚系统。完整的e p s 系统机械部分包括转向轴、扭杆、助力电动机、 蜗轮蜗杆传动机构、减速齿轮以及条轴”i i 瞎j ，电g - g g 分包括转向盘力矩传感 器、车速利转速信号传感器、电子拧制单，二( e c u ) 。系统的简易模型如图2 一i 所示： 方向盘 控制单元 电源_刚f 感器惦q 7 转向传感器 电机 齿轮齿条传动机 劁2 ip - e p s 系统物理模犁 系统l ：作时，转向传感器把转向盘的转向力矩信号送入e c u ，同州车速传 感器采集的车速信号及发动机信号也送入e c u 。e c u 根据转向盘力矩信号确定 提供助力的时机。当需要提供助力时，e c u 根据转向力矩大小利车速高低，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 乃转向。 转i i j t # 感器测量驾驶员施加在方向靠上的转矩大小，需要抓杆与传感器协同 作。驾驶员转向时，对转向盘施j j u 定的转向力矩，从而使扭幸下发牛甜 转变彤 ) f 得到个大小与转向盘转矩成比例的扭转角( 角度范俐根据 n 杆利料，f ；h 变 化，一般最大为6 8 。，对应最大转矩不超过7 1 0 n m ) ，转向传感器把这个手h 转 珀转化为电胝作为转| 句传感器的输出。本课题应j 1 】的转向传感器为+ 5 v 供电，传 感器宵效输出范恫是1 5 v 一3 5 v ，方向盘静l 卜没仃施加转矢f ，时输出电压为中间 值2 j v ，方向盘逆时针转动时正比卜转向力矩的值输出电乐相心减小，方向稀 顺时针转动时正比于转向力矩的值输出电乐栩隧增大。 本课题所硝的助j j 电机为t 2 v ，1 2 0 w 的肖流电机，队l 为轿午卜提供的电源为 栅挚 事| 蒯 第二章e p s 系统的模型，控制策略分析 1 2 v 电源，所以选择助力电机的额定电胝也为1 2 v 。助力时电机1 作存堵转状态， 最大电流可达2 0 a 以卜，提供的最大助力町以数倍于转向盘力矩。由r 助力电机 的额定电流较大，易造成电机发热，一般该型电机为特制。依据所选取的微型汽 车的前轮负衙，计算出所需最大齿条力，再结合减速机构的减速比，得出电机的 功率，以此再选取合适的电机。电动转向系统的电机需要满足f 1 4 j _ 要求【2 7 】1 2 8 1 1 斗l ： ( 1 ) 低转速时高转矩输出 ( 2 ) 低转矩波动 ( 3 ) 低摩擦、低转动惯量 系统发生故障时需要断开电机利机械转向结构之间的连接，使系统转到纯机 械转向。因此电机安装了电磁离合器，在发牛故障时能够自动断开电机与离台器 的连接，避免电机阻碍转向盘的转动，使系统进入于动转向操作，避免事故的发 ，t 。电磁离合器安装存电机与蜗轮蜗杆之| 日j ，要求能瞬间断开电机与离合器的连 接。 2 2e p s 系统的数学模型 m 于系统是多变量、强耦合的非线性系统，同时系统存在未建模动态以及外 部的干扰年l 参数的变化等末知闪素，冈此建：适合r 实际拧制的e p s 数学模型是 控制设计的 l 础。根据物理模型，可得殂j c - - e p s 系统的二三i j 巾度动态数学模型 1 2 1 1 1 2 3 1 1 2 4 1 1 2 5 1 ，如图2 2 所玎j ： 阁2 2e p s 系统数学模型蚓 依据牛顿运动定理，简化该非线一h ：系统的转向轴、尚条轴、电机的线性运动 疗程如下所示： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 生 华。 良 卜 一 三，i 堇 旧三 一 旧 喝垒一 旭肚 兰b p s 系统的横型j 拧制策略分析 ，。只。= f 。一k 。，( 眈一= 二1 6 9 ! 一2 、 式中e 为转向盘力矩；主，m ，b 分别为齿条的位移量、质量和阻尼系 数：0 ，j ，k ，分别为转向轴的旋转角、转动惯量、川性系数、阻尼系数： r s 为齿轮半径； 吕。，j 。，k 。，6 。分剐为电机的旋转角、转动惯量、刚性系数技 m 尼系数；g 为电机垒齿轮轴的减速比；e 。为轮胎转向阻力及回正力矩等作 用 二街条上的转向阻力。 式( 2 一1 ) 为转向轴的动态方程。其中二为小齿轮转过的角度，口。为转向 箍转过的角度，k ( 扫、一生) 为转向传感器的输出，即测量到的转向盘转矩信弓， 7 ：，为转向盘的力矩输入。 式( 2 - - 2 ) 为齿条轴的动态方程。其中竺( 臼一生) 为转向轴力引起的尚条 位移， g k 0 一鱼兰) 为助力电机绛减速机构睹。j l 起锅齿条位移。 式( 2 r 3 ) 为屯：机的动态方程。其中k 。【口。一坐) 为电机的输出力矩，f 。为 电机的给定电磁力矩。厂值的大小决定r 电机的给定电流犬d 、。存本系统的i 算中，l 值由力矩传感器给出，可表示如l i ： 瓦，= k ，( 以一三)( o k 。蔓k ：) 1 2 - - 4 ) 式中k ，是转向助力增益。该值定义了转向“路感”。即汽车在不同的行驶速度时， 在相同的转向角情况下，由j 二电机提供的助力值大小小同，使转向盘力的大小发 牛变化，驾驶员不但感到转向轻便，同时又能充分感受到路而的信息。冈此，台 理选择世u 得到4 i 同的转向路感。 转f 旬阻力，丰要受转向时车轮与地面的摩擦力、吲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k 有相当丈的困难。本文从理论 ，实际j 避用出发，给出了以f 的简化计算公式： ftw=k，x+f?t25) 式中世，为弹性系数；f 为路面对轮胎产生的随机扰动。 存实际计算中，p 作为一随机信号加入到系统中，使训算更接近j 实阿、情 况。 与电机电磁力矩成g 倍线性关系的l ，为电机经过减速机构的输出力矢f ， 大小与午速和转向柱的输入力矩有关， z ，= ，( 7 ：，v ) ( 2 - - 6 ) 式中t ，为转向盘力矩；v 为汽车速度。存不同汽车速度f ，r ，一r ，为一族非线 性曲线，该族曲线表征了电动转向系统的助力特性。 在实际控制系统中，转向助力厂如f 式所de , ： l = g k 。慨，一二二) ( 2 - - 7 j 葛一章e p s 系统的模型j 控制策略分机 但是护卅、x 存实际的应用中不易测得，其值最终决定j ：乃，而乃n i , j 由转向j j 矩传感器测得。 由式( 2 3 ) 、【2 - - 4 ) 及( 2 7 ) 呵知 力增益丘。决定。由于不同车型的参数不同 大小f ：同，k 。与车速v 的关系表示如卜： 该族非线性的助力曲线山1 i i 司的助 在不同车速i 、 所需要提供的助力值 k 。= 即“( 0 v v 、) ( 2 - - 8 ) 式中，、k 为系数，根据不问车型以及4 ；电动转向系统取不同的值。k ，随 车速v 的增犬而成指数减小。增大k ，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”。由于刁i 州类型的汽车的转i 柚“路感”不同， 所以式( 2 8 ) 的函数天系j 避当裰据不同车型具体确定。 k 值为保障系统转向路感的参数，选取必须满足式( 2 4 ) 中规定的条件。 如果该值过大易引起系统的不稳定。 2 3e p s 系统的控制策略研究 汽车转向过程中，随着车速的) f i 同年h 方向柱状态的不同电动助腾向系统 需要提供小同的控制方式。转向控制中町以分为t 种控制方式：助力控制，刚j f 摔制利阻尼控制1 2 】【1 0 】f 2 1 1 。助力控制也就足常规摔制，是车辆在低速或静止状态方 j 自盘转向时，电动助力转向系统剥方向稚转向提供助力的控制方式：同正控制在 方向衙完成转向后需要快速吲轮的过程中府用，回i f 控制的同的在于存汽车本身 阐正力的作用下，适度的提供一个和汽车本身m 正力1 司方向的力，从而克服电机 本身的摩擦，帮助汽车快速回轮；阻尼 牵制胁用于汽车高速行驶时，高速时路而 轻微的扰动都会影响到方向锰的稳定，m 尼控制就是通过掩制电机提供遁最的m 尼，从而稳住方向盘克服方向盘发飘的感觉。 2 。3 。1 助力特性分析 助力特性是指助力随汽车运动状况变化向变化的规律，电动助力转向中助力 大小与直流电动机的电流成比例，电动机电流来表示助力值，从而4 ；同车速下转 川盘力矩和电流的关系就可以反应出助力特性。助力特性图是电动助力系统j f ，f 的依据，对该图的分析是保证该系统顺利实现的d 口捉。 助力特性对动力转向系统的性能( 包括轻便性、回j f 性、蹄感等) 有重要影 向。神：传统液压动力转向中主要南阀的结构决定，设计完成后助力特性就确定了， 小能随车速变化。而存e p s 系统中，助力特性曲线f f 软件来控制，可以根据。爻 p j 、需要设计成车速感成型特性曲线，升日丁方便地进行调整。针对汽车的实际情兑 纂二蕈e p s 系统的模型与控制策略分析 和e p s 系统的特点，对助力特性曲线提出以下要求【1 】1 2 8 1 1 2 8 】： 1 ) 当转向盘输入力矩小于某一特定值时助力力矩为零，就是通常所称的死区。 2 ) 存转向盘输入力矩较小的区域，助力部分的输出j 妪较小，阻保持较好的路感； 存转i 旬盘输入力矩较大的区域，为转向轻便助力效果要明显。这一部分称为 助力区。 3 ) 不同的车速下应该限制不同的助力电流最大值，所以在特定车速下转向盘输 入力矩达到一定值后助力电流廊该呈现饱和，称为饱和区。 4 ) 随着车速的增高，助力电流值应该减小。 助力特t i ：曲线是e p s 系统控制的依据，助力特性曲线是电机电流或者说助 力力知l 和转向盘力矩兀之间的关系。在不同汽车速度卜，t t ，为一族非线 一r i ：曲线。k 。为转向助力增盏，它反映了系统存1 i 列车速卜的助力水平。f i 同车 速时助力增益k 。，f i i j ，车速越低，k 。值越大，电机提供的助力值也相应增加。 k 。与车速矿的关系表示如f ： k 。= n “( o v p 7 一) ( 2 - - 9 ) 式中丁、为系数，不同车型系数墩不同的值。式( 2 - - 1 1 ) 表明了k 。随车 速v 的增大而成指数减小。通过计算和仿真得到助力特性图2 - - 3 。 冒 z 芦 鼎 采 穴 嚣 图2 3 仿真汁算得钊的助力特性蚓 如图2 3 所示，往常用转向区间，电桃提供r 较好的助力。! 与转向盘力矩 人j 二7 n m 时，助力饱和电机提供的助力保持不变。该助力特性图反映了是本的 助力特性天系。在实际应用中，不同的车速f 饱和区的选取腑该不同，车速低的 时候应较快进入饱利区，保i i f 电机提供最大的助力电流，使转轻便；车速高的 h 、f 候进入饱年u 区应该较晚，b l 为高速时并不需要很大的助力电流j 避该最大的反 第一审e p s 系统的模型弓控制策略分析 映出真实路感。实际应用l 通用实践发现，高速时电动助力系统通常工作在mj 已 区，方向盘转向很少，转向角度也f i 会很大通常不会达到助力饱和，佃是考虑茧 高速避让的可能，还是成该在转向力矩较大的时候提供一定的助力。 2 3 2 阻尼和回正特性分析 阻尼控可以保证方向盘中间位置的稳定性，也就是说在汽车占线仃驶 时保证方向盘稳定的保持在中间位置，小受路面扰动的影响。这就需要通过= | 卒制 电动机来提供一定的阻尼，同时阻尼的大小还要和车速有关，车速低的时候刚j 已 小，车速越赢阻尼越大。图2 3 的助力特性图中死区的设置就体现了阻尼挖勺j 的思想，存转向虢力矩较小的一个范 土j 设置勾死区，电机不提供助力但是电机 仍然参与控制，这时候e p s 系统拧制电机实现e h 尼的效果，掰i 尼的大小和死区 发置的大小成正比。，f ：i 剞的车速对应小同的厍，值，车速越高k 。值越低，阻尼也 就越大，在高速状态下拧制电机提供一个较大的摩擦阻尼，抵抗路而扰动的影响， 从而保证汽车的直线行驶实现高速行驶的稳定中 。 阻尼控制还町以保证高速行驶时方向盘转向的稳定性，仃过实际驾驶绎验 的人员都会体会到汽车在高速行驶时方向赢育种发飘的感觉，这是冈为高速行驶 时轮胎和路面的摩擦阻力特别小，很轻微的转m 力就n ，以使方向擞转动一个很大 的角度。克服方向盘的发飘同样也足通过死区的设置来解决存高速时存一个较 犬的转m 力矩范嘲内为助力特性图上的死区，电动机都呈现一种阻尼的效果，阻 j 已和地而的摩擦力共同作j j 在方向盘上克服方向盘发飘。 e p s 系统的回i 卜性能足该系统实现的一个难点。回一性能足指方向盘完成 转向后回轮的快速性。回正控制需要存方i 柚槛回来的过程中提供一个克服摩擦帮 助方向盘网正的力，这时候转向盘力矩利汽车直线行驶时一样为一个近似零的 值，如何判断回正控制的时机就成为相与关键也相当网难的事情。 i - f 一方j 盘与电动机通过减速结构刚性连接，方向衙的转动方向与电动机的转 动方i u j i h 同，转动速率和电动机的转动速率成正比，比可以通过榆测电动机的 转速来计算方l 旬盘的转动方i 二j l n 转动速率，从而判断出【互l 正控制的时机。该系统 应用的是直流电动机，直流电机的转速和直流机的电压与电流有如下火系1 6 1 】： = ( u l a r a j c e 甲1 2 1 0 ) 如为电机内胆，c e 为比例常数，甲为磁通，这 个量都是。阿值所以电机转速歼 ”，以通过榆测电机的电压和电流记算出来。但是检测电机的端电压会增加该系统 的成本，而 j 检测难度也较大，所以实际j 避用中通过当前状态推测电机的电玎= 1 ， 从而估算电机的转速，进行吲正捧制。 存传统的转向系统中车轮的回i e 性能主要依靠主销后倾角殷墨销内倾角来 亲二孽e p s 系统的模型与控制策略分枥 抉得1 6 3 l ，主销后倾角对操纵稳定性的影响_ 圭要是通过后倾拖距k 表现出来的， 后倾拖距的存在与地面侧向力f y 造成m = f y + k 的吲正力矩，该心正力矩与侧向 力成正比，丰要存高速时起作用。对传统转向系统要改善回止性能必须改造底盘 的机械结构，实现起米有一定用难。e p s 通过e c j 对电机进行转向回正捧制， 保证电机完成转向动作后迅速同到中位，从而与前轮定位产牛的回止手 l g i 一起进 行车辆的转向回1 卜动作。 2 3 3 两种补偿 在e p s 系统中应用的电机，功率越大则其摩擦力矩和转动惯量越大，会严呕 影响到轮胎的回正性能，i j 时还会引起转l 柚时的粘滞感，导致助力跟随性变蔗 3 4 1 5 ”。系统控制中加入摩擦补偿与惯量补偿，町以较好的解决上述问题。 电机中摩擦力矩的主要求源有2 个： ( 1 )电刷和轴承的机械磨擦 ( 2 ) 磁通损失 大的电机需要电刷和换向器自i 较大的接触面，这样才能较少电i ；f l ，增加磁通 密度从而使电机输出功率增大，但同时也造成摩擦力矩利转动惯量增大。 吏际设定的的目标电机电流是助力特性得到的助力电流、惯性补偿电流和摩 擦补偿电流之和。电机电流用这些补偿电流校正自己，从而提供较为精确的给起 电流。摩擦补偿，惯性补偿均与电机转速有关。 惯量补偿大大改善r 转向时的u 向应快速忭，但另一方而会影响转向刚的稳定 性，和：高速情况下尤为明显。惯性补偿丰要补偿电机的电流，其公式u j 用r , x t ；来 捕述【8 l 【2 1 1 ： ，= 足，( d q ，a t ) ( 2 1 1 ) 式中，k ，为惯性补偿系数，m 。为电机转速。 对电机进行摩擦补偿进，n j + 用以r 公式柬描述： ib = k f - s g n ( o ) _ f 、 ( 2 1 2 ) 式中，世，为摩擦补偿条系数。 所以经过两种补偿后，最终所得电机的补偿电流为： ，= k ，( d t o m 船) + kf s g n ( ( o ) ( 2 一1 3 ) 第一学e p s 系统的模型i 拧制策略分析 2 4 小结 ( 1 ) 本章节对电动助力转i q 系统的物理模型进行，说明，刈该系统的物理结构 作j 分析。物理模型是实现该系统的基石 | ；对该物理模型的分析足建立数学模掣 年进行实际控制的前提。 ( 2 ) 本章节提出了电动助力转 系统的数学模型，对该数学模型进行了研宄， j i ：针对实际的心用情况作了简化处理。该数学模型实用型很强，又能真实反映 汽车转向的实际情况，具有很高的理论价值。 ( 3 ) 本荜 ￥对电动助力转i 系统的1 ；同控制力式作了研究，重点侧重r - 助力控 制仿真计算得到了一个具有理论意义的助力特性图。本章铀刈助力挎制、酬止 控制和阻尼拧制的特性和不同的作用时机进行，分析，对回正控制提出厂一种低 成本 t f 行的实现方式。 纂= 章e p s 数字控制系统的软件实现 第三章e p s 数字控制系统的软件实现 数字控制单兀的设计包括硬件设汁和软什实现两方面，软件实现需建立n 实验台架及硬件电路完备的j 毒础上。经过本课题研究组老师和同学的共同努力已 经建立了基本的实验环境，本课题卉：此基础上i 进行数宁控制的软件设计和实现。 打：数字化实现的最初阶段，系统的摹本性能还没自- 实现，筹s 厦4 t i 助控制的实现设 果更是未知数，所以从f 程实现的角度考虑，首先实现系统的基本性能，如助j j 控制和限尼控制等。在助力特性实现的时候可以有两种选择，一种是以几条高散 的二次曲线作为简化的助力特性图，可以调试出助力控制的手感柔和、助力适- j 和快速响应等性能：另一种是以神绎网络来实现完备的助力特性图它可以实现 全车速范嘲助力，而且死区和饱和区可以仟意设置，但足实现的难度要增加很多。 考虑到晨本性能调试的过程巾还有很多其他方面的问题，j a , ! j t j 神经网络理论史会 使实现变得异常困难，所以在开始实现的时候本课题采用离散的二次曲线作为助 力特住图，本章1 ，就足建立在这个基石：i 卜的。 3 1 编程和实验环境 3 1 1d s p 控制芯片 罔外该系统的实现多采j = j8 位单j 机，但是国外在该系统的开发卜已经化 赘了数年的时间，划该系统的特性已经相当熟悉；同内也有研究机构采用8 位单 h 机实现该系统，但是存实现的过程中遇到了很多困难。本课题权衡利弊选择了 m o t o r o ad s p 5 6 f 8 0 0 系岁u 的d s p 5 6 f 8 0 5 芯片作为系统的拧制芯片，该芯片具囱 扦| ”j 优异的编程和调试环境，可以极大限度的减少系统的开发时间。 d s p 5 6 f s 0 0 系列芯片混合rd s p 的高运算能力与m c u 的控制特性 - 一 体，足可以心用于汽车级的1 6 位芯片，它提供了诈多专用于电机拧制的外设接 如：p w m 模块、a d c 、t i m e r 、s c i 、o p l 0 、s p i 和c a n 总线等，j i 常 适用j ：电机数字控制同时它还具有相当高的运算速度，每条运算指令仅用2 5 r l s 的 j i f j i f ”i i “1 d s p 5 6 8 0 0 内核 d s p 5 6 8 0 0 内核采用哈佛结构f 3 4 1 m 1 1 3 6 1 ，包括个可并行的一l ：作的执行单几， ? i 级流水线。它的m c u 风格编程模式和优化指令集允许直接生成肯效的、紧凑 的d s p 和控制码。d s p 5 6 8 0 0 支持从外部或内部存储器开始执行程序。并h 霉个 指令周期可以同时从内部r a m 渎取两个操作数，同时提供了两个专h j 的l f - 断线 和最多达3 2 路的g p l 0 ( 通用i o ) g l 脚。d s p 5 6 8 0 0 包含d s p 5 6 8 0 0 内核的程序和 希i 章e p s 数字控制系统的软件实现 数据存储