（信号与信息处理专业论文）电动液压助力转向系统数字化控制研究.pdf

摘要 电动液压助力转向( e h p s ) 系统与传统液压助力转向系统相比，具有节约 能源，使驾驶员获得良好路感等优势。本课题在理论研究的基础上，吸取和借 鉴国外研究的一些概念和思想，对电动液压助力转向系统进行了深入研究和系 统软件的开发，最终实现了台架试验性能优良的数字化e h p s 系统。 本课题对电动液压助力转向系统的结构组成和工作原理作了分析，应用b p 神经网络进行了助力曲线特性仿真。同时针对系统中的关键部分无刷直流电机 采取了全面优良的控制策略，包括转速外环电流内环双闭环调速控制，死区补 偿，换相脉动分析等。最后，从智能控制的领域分析了新的控制方法，研究了 应用遗传算法整定p i d 参数，并在m a t l a b 中对其进行了仿真。 m o t o r o l a 在软件方面提供了丰富的s d k 库和功能强大的开发平台。在此基 础上，采用c 语言与汇编语言混合编程的方式完成e h p s 系统的软件开发和实 现。由于该控制系统引入了转向盘角速度变量，和车速共同决定了助力的大 小，因此助力在实时跟随性上有较大的提高。同时，良好的控制算法以及优良 的无刷直流电机控制实现了e h p s 系统良好的助力效果。 e h p s 系统的数据采集、处理和监测是靠l a b v i e w 与m a t l a b 共同完成 的。分别应用m a t l a b 和l a b v i e w 以及共同编程三种方案实现了对数据的采 集和处理。l a b 、哑w 以强大的图形显示功能很好的完成了系统监测任务。应用 l a b v i e w 采集数据提高了对系统监测的实时性能，更多的细节更加准确透彻地 显示了系统的工作状态。 c a n 总线与l i n 总线，m o s t 总线并称汽车三大总线。c a n 总线具有传 输速率快，抗干扰能力强，可靠性极高等优点，主要应用于汽车内的通信网 络。本文中将两块e c u 通过c a n 总线相连，组成了最小c a n 网络并完成了 数据传输，实现了c a n 通信。 最后，实验测试曲线主要由l a b v i e w 完成测绘。实验结果验证了h e p s 系 统理论正确性和实际可行性，并达到了预计的实验要求。 关键词；电动液压助力转向系统数字信号处理器b p 神经网络 数据采集c a n 总线无刷直流电机 a b s t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lh y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e m ，h a sm o r ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss a v i n ge n e r g y , m a k i n gd r i v i n ge 嬲两 a n ds oo i li ti st h en e c e s s a r ys t e pi nd e v e l o p i n ga u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m t h e t h e s i s 。o nt h eb a s eo fu s i n ga d v a n c e dt h e o r i e si n t h ef i e l d ，s t u d i 鹤t h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , a n dd e v e l o p st h er e l a t i v es o f t w a r e f i n a l l y , m a k i n gt h ee x c e l l e n td i 西t a le h p sc o m et r u e i nt h ep r o j e c t , t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h ee l c e t r o - h y d r a u l i ep o w e r s t e e r i n gs y s t e ma r ea n a l y z e da n db pn e r v en e t w o r ki su s e dt os i m u l a t ei t sc u r v e t h e b r u s h i e s sd cm o t o r , i m p o r t a n tp a r to ft h es v s t e mi sw e l lc o n t r o l l e di n c l u d i n g t w o - e l o s e d 1 0 0 pc o n t r o lm e t h o 正c o m p e n s a t i o nf o rd e a d - t i m ea n da n a l y s i so f f l u c t u a t i o na b o u ts w a p p i n gp h 船嚣a tl a s t , t h ep dp a r a m e t e r sw e r oc o n f i r m e db y u s i n gt h em e t h o do f i n t e l l i g e n c ec o n t r o l a _ p p l i e dg e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h eg r l r v ei s s i m u l a t e di nm a l l 。a b b a s e do nt h em o t o r o l ap r o v i d e st h es t r o n gd e s i g np l a t f o r ma n ds d k t h ee 肿s s y s t e ms o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mu s e st h ep a r e m e t e r so fs t e e r i n g s p e e da n dt h ev c h i c l es p e e d w h i c hh a v et h ec o n n e c t i o no ft h es t e e r i n gp e w e r , s ot h e r e a lt i m ec h a r a c t e ri si m p r o v e d 1 1 坞a d v a n c e da l g o r i t h ma n dt h ee x c e l l e n tm o t o r c o n t r o lc o n t r i b u t et ot h e9 0 0 dp e r f o r m a n c eo ft h ee l i p ss y s t e m t h er e s u l t so ft h e t e s t i n ga v ep r o v et h i sp o i n t t h ed a t aa c q u i s i t i o n , a n a l y s i s a n di n s p e c t i o no f t h ee h p ss y s t e ma r ec o m p l e t e d b yl a b v i e wa n dm a t l a b 1 1 l ea r t i c l ep r o v i d e st h r e em e t h o d si n c l u d i n gm a t l a b l a b v i e wa n dp r o g r a m m i n gt o g e t h e rt oc o l l e c ta n da n a l y z et h et e s t i n gd a t a t h e f u n c t i o no f g r a p hd i s p l a yo f l a b v i e wc 勰i n s p e c tt h es y s t e mp e r f e c t l y t h er e a lt i m e i n s p e c t i o ni si m p r o v e d , a n dm o r ei n f o r m a t i o n , w h i c hd i s p l a y st h es y s t e mw o r k i n g c o n d i t i o n , i sp r o v i d e de x a c t l yb yu s i n gl a b v m w 1 1 l ct l l r e eb u s e so ft h ev e h i e l ea r ec a nb u s u ：nb u sa n dm o s tb u s 1 1 1 e c a nb u sh a sa d v a n t a g e ss u c ha sf a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d , g o o da n t i i n t e r f e r e n c e 曲i l i t y , a n dr e l i a b i l i t y , s oi t i so f i e nu s e di nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko ft h e a u t o m o b i l e t h r o u g hc o n n e c t i n gt w oe c u sb yc a nb u s w h i c hi st h es m a l l e s tc n n e t w o r k , a n df i n i s h i n gd a t e st r a n s m i s s i o n , 也ef u n c t i o no f c o m m u n i c a t i o ni sr e a c h e d f i n a l l y , t h et e s t i n ge l i r v ei sd r a wb yl a b v i e w , a n dt h er e s u l t sp r o v et h a tt h e s y s t e mi sa v a i l 曲l e ；a l s o t h ee x p e c t i n gr e q u i r e m e n t sa r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：e h p s d s p d a t a a c q u i s i t i o nc a nb u sb l d c m 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和取得的 研究成果，除了文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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎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了谢意。 学位糍：褫伟 签字日期：秒- 歹年蝴夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘生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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有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) 学位论文作者躲枥伟 签字日期：如形年月习1 日 名：哥绸瑶， 签字日期：衣，声。月夕7 日 第一章绪论 1 1 汽车转向系统的发展 第一章绪论 汽车转向器是汽车主动安全性的重要安全件。2 0 世纪7 0 年代在轿车和轻 型车上开始推广使用且不断改进的齿轮齿条式转向器，至今在国外轿车和轻型 车上仍是应用最多的转向系统。到2 0 0 0 年美国轿车全部采用了动力转向系统， 在日本，7 8 的大、中型汽车和5 9 的微、小型轿车都采用了动力转向系统。 动力转向系统和机械式转向系统是目前汽车所用的两种主要的转向系统。转向 系统的分类如图1 - 1 所示。 图卜1 汽车转向系统的分类 目前，在汽车上广泛采用的机械式转向器有循环球式和齿轮齿条式两种， 其中循环球式转向器具有承载能力大，操纵方便，使用寿命长等优点，广泛应 用于后轮驱动的中、重型载货车上。齿轮齿条式转向器具有转向轻便，尺寸紧 凑，结构轻巧，效率高等特点但承载能力稍差，适用于前轮驱动的轿车和后轮 驱动的轻型车上。在轿车中齿轮齿条式转向器广泛应用于我国中级和经济型轿 车如桑塔纳、捷达、富康、赛欧、夏利2 0 0 0 、奇瑞、羚羊、英格尔、北斗星、 赛马等车型。在这些车型的豪华车上才采用液压动力转向系统。 液压动力转向系统是目前国内、外轿车中应用最普及的转向器，包括我国 引进生产的奥迪a 6 、别克、本田雅格、上海帕萨特、宝来等中、高级轿车上都 采用液压动力转向系统，它属于第二代转向系统。 2 0 世纪9 0 年代在日本轿车上率先应用电子控制动力转向系统，由于能减 轻低速行驶时驾驶员的转向操纵力，提高车辆高速行驶时的稳定性，同时又提 高了燃油经济性。与液压动力转向系统相比，电动动力转向系统可节油3 4 第一章绪论 。目前，日本、美国、欧洲等国轿车采用电动动力转向系统逐渐增多。电动 动力转向系统有电动液压动力转向系统与电动助力转向系统两种，属于第三代 转向系统。上海大众上市的波罗( p o l o ) 轿车采用了电动液压助力转向系统。随 着电子技术的飞跃发展，电动动力转向系统将不断改进，应用将越来越广泛， 将部分取代液压动力转向系统【l 】【2 】。 1 2 电动液压助力转向系统的特点和优势【3 】【4 】 5 】 电动液压助力转向( e l e c t r oh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g 即e h p s ) 系统是在液压 动力转向系统的基础上发展起来的。该系统的主要特点是由直流电机带动电动 泵工作，而不是由发动机驱动，可根据转向需求提供不同的转向力，满足汽车 对转向系统的要求。在发动机怠速时，电动泵提供较大的流量，而在高速时， 按转向器要求，使其流量有所下降。亦即在低速行驶时，驾驶员需较小的转向 操纵力就能灵活地进行转向，而在高速转向时，使操纵力逐渐增大，优化了转 向操纵，提高了驾驶员舒适性和转向灵活性，又克服了转向“发飘”地感觉， 使驾驶员操纵时有显著的“路感”，保证在高速行驶时的稳定性和安全感。 与传统的液压助力转向系统相比，电动液压助力转向系统有p 币优点： ( 1 )降低了能源消耗。传统的液压助力转向系统的液压泵直接由汽车 的发动机驱动，油泵必须按发动机在最低转速运行时能提供最大助 力的泵油流速设计。换句话说，油泵总是以最大流速工作。因此当 不需要助力或者所需助力较小时，造成了能量和燃料的浪费。而在 e h p s 系统中，油泵从发动机中解放出来，利用单独的电机驱动油 泵。根据不同的情况，电机在控制单元的作用下可以运行在不同的 工作模式，以控制油泵流速，从而产生相应的助力。这种按需提供 助力大大节省了能量和燃料的消耗。 ( 2 )结构紧凑，占用空间小，便于安装。e h p s 系统将储油罐、油泵、 电子控制器( e c u ) 和电机集于一体，采用密封式的包装，省去了传 统液压助力系统中连接到发动机上的皮带、滑轮及连接整个系统的 软管和管道，简化了结构，缩小了体积，节省了大量的安装时间。 ( 3 ) 具有可编程的助力特性。通过灵活的软件编程，依据车速可以得 到舒适的转向路感，具有可编程的助力特性。 ( 4 )提高了可控性、可靠性，具有更高的安全性。由于本系统使用由 独立电源供电的电机来驱动油泵，使得在车行驶的过程中即使发生 了发动机不工作的情况，e h p s 系统依然能够提供助力，而且旦 2 第一章绪论 电动助力失效，其机械力仍然起作用。 ( 5 )维护方便。e h p s 系统采用密封式的结构，所以除了检查机械磨损 和是否漏油外，不需要其他方面的维护。使得维护更为方便。 1 3 新一代的电动液压助力转向系统 新一代的电动液压助力转向系统与原电动液压助力转向系统相比，在很多 方面都有了较大的改进。其中最大的变化就是由无刷直流电机代替有刷电机。 原电动电动泵型液压助力转向系统中采用的有刷直流电机，虽然以其优良的转 矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但机械式电刷和换相器及引起一系 列问题给有刷直流电机的应用带来了许多限制。因此，在新一代的电动液压助 力转向系统中，有刷直流电机被无刷直流电机所取代。无刷直流电机( b l d c m ) 具有梯形波反电势和方波电流激励，虽然存在转矩脉动，但其反馈装置简单， 功率密度更高，输出转矩更大，控制结构简单，可使电动机和逆变器的潜力都 得到充分的发挥。具体的说，相对其他类型电机，无刷直流电机有很多优点： ( 1 )它相对于有刷直流电机来说转子与定子的结构相反，转子为永磁 式，定子为电枢，用半导体开关换相器代替机械式换相器，故可靠性高， 寿命长，干扰小，噪声低，散热性能好； ( 2 ) 它相对于交流电机而言无鼠笼式转子，转动惯量小，相同的给定转 矩下，其响应性能更加优良，其转子采用高磁阻材料，转子损耗大大减 小，而且由于永磁式转子无需额外的励磁电流，给其供电所需的整流器和 逆变器容量减小； ( 3 )无刷直流电机需要额外的转子位置传感嚣，可采用霍尔传感器或光 电传感器等。 无刷直流电机不仅有交流电机的特点，又继承了直流电动机优良的调速性 能，在生产和生活中得到了广泛的应用。 1 4 本课题的实际研究意义 电动液压助力转向系统的研究领域涉及传感器，微电子控制，计算机控 制，电力传动控制技术，非线性控制理论，智能控制理论，汽车工程及机械设 计等，是多学科技术的综合应用，真正体现出未来汽车的机电一体化设计思 想。本课题的控制器核心选用m o t o r o l a 公司的1 6 位d s p ，不但有较强的运算 3 第一章绪论 能力，还集成了专用电机驱动电路，应用于电机的控制。控制策略主要采用传 统的经典控制方法以及必要的补偿理论。对该系统的控制策略和控制系统进行 了深入、细致的研究，对于拓展电气传动技术的应用，推动机械、传感器技 术，电子器件制造业，加快国产汽车的电子化发展有深远的意义。本研究设计 领域广，应用到最新的相关技术，与实际生产结合紧密，国内市场潜力巨大。 1 5 本课题的研究方法及任务 电动液压助力转向系统在国内还是一个新的研究课题，因此在本论文中， 采用理论分析、仿真研究和实验验证相结合的研究方法。采用理论分析所提出 的e h p s 系统工作原理的正确性，再利用仿真研究其可行性，最后通过实验来 验证所提理论的方法的有效性。 本论文主要的任务如下： ( 1 ) 深入研究e h p s 系统的工作原理，从理论上分析系统的正确性并进行 仿真实现。e h p s 系统是一个多学科交叉的，相对很新的一个课题项目。需要 查阅相关资料，认真的分析该系统的工作原理、控制原理和关键点，从理论上 证实想法的可实现性。然后应用m a t l a b 神经网络工具箱实现对该系统助力 曲线的仿真，肯定系统的可行性。 ( 2 ) 重点研究无刷直流电机的工作原理、控制策略。无刷直流电机是 e h p s 系统中的关键性部件，它运转的质量好坏直接影响到e h p s 系统性能的 好坏。因此，需要采用成熟稳定的控制理论并对其进行合理的补偿，保证运转 的实时性和平稳性。本文采用经典的双闭环p i 控制，进行了死区补偿分析和转 矩脉动分析。双闭环控制实现了更好的起动性能、调速性能和实时性能；死区 补偿解决了波形失真问题；消除转矩脉动提高了无刷直流电机运行的平稳性。 最后，研究了智能控制，运用遗传算法对传统p i d 控制进行参数整定，并在 m a t l a b 中仿真实现。 ( 3 ) 深入学习m o t o r o l a5 6 f 8 0 x 系列d s p 编程，完成系统软件部分的开发 和设计。m o t o r o l a 提供了丰富的s d k 库和友好的开发环境，使整个编程过程简 单清晰明了，程序可移植性强，调试方便。整个软件程序采用了模块化设计的 思想，利用c 语言和汇编语言混合编程的方式完成对整个控制源程序的实现。 ( 4 ) 应用l a b v i e w 及m a t l a b 实现上位机与该系统的数据通信，实现实 时数据的采集和分析。获得系统工作状态数据是必不可少的，数据反映了系统 工作的质量性能。这部分主要利用m a t l a b 和l a b v i e w 两个强大软件共同实 现上位机对该系统重要数据的采集和分析，并通过实时波形图和x _ y 图直观地 4 第一章绪论 显示变量的情况以及变量间的变化关系。 ( 5 ) 深入研究c a n 总线通信协议，应用c a n 总线实现d s p 与d s p 间的 数据交换，完成c a n 网络通信。c a n 总线是汽车内三大总线即c a n 总线、 l i n 总线和m o s t 总线之一。它具有传输速度快，抗干扰能力强，可靠性极 高，灵活性实时性好等优点。正因为c a n 通信与传统的通信方式相比有着不可 比拟的优势，所以在今天c a n 网络已经不仅仅应用于汽车上，而且在其他各行 业中的应用也越来越广。 ( 6 ) 完成机械部分与e c u 的连接，在实验台架上完成对e h p s 系统的测试 曲线，验证理论的正确性和设计的可行性。整个控制器与机械部分连接构成完 整的e h p s 系统。在试验中我们测试了无刷直流电机的性能以及该系统的工作 性能。从试验结果可以看出，该系统不仅可行，而且还较传统液压助力转向系 统有较多的优点，具有很好的发展前景。 第二章e h p s 系统及助力特性研究 第二章e h p s 系统及助力特性研究 一般来说，在汽车泊车或低速行驶时转向所需的操纵力比较大，在转角较大 时也需要助力作用；而在高速行驶时转向较轻便，但又需要良好的手感。目前， 许多汽车使用助力转向解决转向轻便性与转向灵活性的问题。普通助力转向系统 的特性与行驶车速无关，不能同时兼顾泊车( 或低速) 和高速时对转向特性的要 求。为了实现在各种工况下转向盘上所需要的操纵力都是最佳值，越来越多的汽 车在助力转向系统中采用了电控技术，使汽车转向性能达到了令人满意的程度。 本章主要介绍电控液压助力转向系统( e h p s ) 的结构组成、工作原理及控制原 理，同时应用b p 神经网络仿真该系统的助力特性曲线，实现了根据汽车车速和 转向盘角速度，应用电子控制技术控制独立的无刷电机来提供合适的助力，提高 了汽车的操控性能”。 2 1e h p s 系统介绍 2 1 1e h p s 系统的结构组成8 3 e h p s 系统结构组成如图2 - 1 所示。 图2 - 1电控液压助力转向系统组成结构圈 电动液压助力转向系统将无刷直流电机、液压储油罐、齿轮泵、电子控制单 6 第二章e h p s 系统及助力特性研究 元与蓄电池等集成在一起，可以灵活的安装在汽车的任何位置上。其中，无刷直 流电机利用半导体元件来代替有刷电机中机械式换向器来调整电流的方向，解决 了由于电刷磨损而引起的电机耐久性和可靠性问题，提高了该系统的实用性，延 长了其使用周期。同时在泵和发动机之间安装控制器，可利用泵体内油的冷却效 果，减少控制器和电机等不同电子元件的热能。此外，系统中所用齿轮泵为外啮 合齿轮泵，这种泵结构简单，质量轻，造价低，工作可靠，较叶轮泵容积效率和 机械效率都要高。 2 1 2e h p s 系统的工作原理9 3 1 0 1 e h p s 系统工作原理如图2 - 2 所示。 图2 - 2e h p s 系统工作原理图 该系统的工作原理如下：控制器根据车速传感器、转向盘转角传感器所获得 的车速信号和转向盘转角信号，确定汽车的转向状态，经计算后决定提供助力的 大小的方向并向电机驱动单元发出指令，使驱动单元按一定的占空比导通，从而 使电机按转向盘转动的速度和方向达到目标转速值，然后电机驱动齿轮泵向转向 动力缸中提供高压油，从而实现助力效果。 转向助力的大小取决于作用在转向动力缸活塞上的压力大小，如果转向操作 力较大，高压油的压力就会较高。转向动力缸中高压油的压力变化是由转向控制 阀来调节的。转向油泵将液压油输送至转向控制阀，如果转向控制阀处于中间位 置，所有的液压油便会流过转向控制阀，进入出油口，流回至储油罐。由于这时 几乎不能产生压力，转向动力缸活塞两端的压力又相等，活塞便不会朝任何一个 方向运动，车辆表现为无转向状态。当驾驶员控制转向盘朝任何一个方向转动时， 转向控制阀也随之移动，从而关闭其中一条油路。这时另一条油路打开得大些， 7 第二章e h p s 系统及助力特性研究 使液压油流量发生变化，同时产生压力。这样，便会在转向动力缸活塞两端产生 压力差，动力缸活塞朝低压方向运动，从而将动力缸中的液压油，通过转向控制 阀压回转向油泵。液压助力工作情况如图2 - 3 所示。 图2 3 液压助力转向系统工作示意图 2 1 3e h p s 系统的控制原理 转角传 备 车遗 传矗器 e c u 计算转 向盘角 遗 计算电 机目标 v r 1 t 实际转 蔗计算 t a i t 环 n 控倒 图2 4e h p s 系统控制流程图 周期计 算 电流环 p i 控翻 电藏传 蓐暑 霍尔传 蓐嚣 工 无捌直 藐电机 藏压 油泵 e h p s 系统控制过程如图2 4 所示。为了获得最佳的转向效果，无刷电机的 目标转速由车速和转向盘角速度共同决定。转向盘角速度通过转角传感器获得的 角度计算得出。为了使电机目标转速值与控制器运算后确定的转速值相匹配，采 用转速环与电流环双闭环控制。通过电机中装有的霍尔传感器测算出电机旋转周 期，进而得到电机实际转速，并将转速值反馈给控制系统，与电机目标转速一起 送入转速闭环进行调节，然后将转速环输出作为电流环的输入，与电流传感器采 集到的实际电流一并送入电流环调节，最后由电流环输出驱动电机驱动电路，控 制无刷电机运转以带动液压油泵运转，向转向器中注入高压油，实现助力。 r-l1-lrllj 广；i_l；l_i。 第二章e h p s 系统及助力特性研究 2 2e h p s 系统助力特性分析1 2 】【1 3 】【1 4 】 汽车行驶过程中，转向阻力是随车速的增加而减小的。低速的时候转向阻力 大，需要提供较大的助力帮助驾驶员转向；高速的时候转向阻力小，此时只需要 很小的助力或者不需要助力，以保证驾驶员良好的“路感”。同时，转动转向盘 的快慢也成为影响助力的主要因素。因此，为了获得良好的转向操作性能，需要 根据车速和转向盘角速度来调节助力性能。 由e h _ p s 系统的工作原理可知，转向助力是通过无刷电机带动的液压油泵向 转向器中注入高压油实现的，电机转速越高，注入的高压油量越大，助力就越大。 因此助力性能是通过无刷电机转速调节的。而电机的目标转速又是根据车速 及转向盘角速度决定的。因此e h p $ 系统助力调节的重点是如何根据车速和转向 盘角速度调节电机转速。 汽车的操纵稳定性及安全性至关重要，因此，助力特性曲线必须具备如下特 点： ( 1 )随着车速不同，电机的怠速也不同。车速越低，电机怠速越高，提 供的转向助力就越大，提高转向轻便性；车速越高，电机怠速越小，提供很 小的助力或者不提供助力，保证高速良好“路感”及安全性。 ( 2 ) 同一车速下，转向盘角速度不同，电机的转速也不同。转向盘角速 度越大，提供的助力越大；转向盘角速度越小，提供的助力越小。这样保证 良好的操纵性能。 ( 3 )不同的车速下，助力电机提供不同的助力比例系数。高车速下，转 向助力系数要小，提高转向的稳定性。 ( 4 )在转向盘扭矩很小时有助力死区。很小的转动扭矩不提供助力或提 供很小的恒定助力，保证在行车过程中的安全性。 ( 5 )具有转向助力饱和区，限制最大助力，保证电机高速运转安全性。 2 2 1 根据车速调节电机怠速 由车速矿与转向阻力的关系可知，车速矿比较高时，需要提供的助力比较小， 电机转速应该比较低；车速矿比较低时，需要提供的助力比较大，电机转速 应该比较高。根据上面的分析，电机转速与车速矿的关系曲线可以设计如图 2 5 所示，其中一个车速y 对应一个电机转速。 9 第二章e h p s 系统及助力特性研究 公式表达如( 2 1 ) ： n 二 吒巧v 图2 - 5n 与矿关系曲线 fj r , = t f , ( d 【岫 ( o v 巧) ( 2 - 1 ) 其中，l 为电机的最高转速，i 。为电机的最低转速，对于不同类型的车 辆，它们的取值也不同。z ( 功是随y 增大而减小的函数，可以设计成线性或者 非线性，这里设计为简化模型，描述为折线性。在车速较低段，转向摩擦阻力较 大，电机转速较高且近似不变，转向时提供的转向助力较大；随着汽车车速越过 较低段，电机转速开始降低，使泵的流量减小，相应地在转向时提供的转向助力 就减小；当车速达到某一高速值，电机转速达到最低，此时提供的助力较小。此 算法的目的是在汽车车速较低时，提供较大助力，满足转向轻便；随着车速的不 断提高，转向助力不断减小，防止了高速时转向盘“发飘”，增强了高速“行车 路感”。 2 2 2 根据转向盘角速度调节电机转速 同一车速下转向时，电机转速会在某一转速基础上随着转向盘角速度增大而 增加。转向盘的角速度越大，电机的转速越高，提供的转向助力就越大，既满足 了快速转向时系统助力的要求，又满足了快速转向助力跟随性。根据转向系统的 要求及电机助力特点，该对应关系曲线如图2 6 所示： 1 0 第二章e h p s 系统及助力特性研究 m 。 脚0 田l m 图2 - 6n 与m 关系曲线 依据转向盘角速度大小分为三段：角速度低速段、角速度中速段、角速度高 速段。在角速度低速段，电机转速基本保持不变，此时电机怠速足以提供转向助 力；在角速度中速段，为了提高助力跟随性及提供相应的转向助力，此时电机转 速随角速度的增长快速增加；在角速度高速段，电机转速已基本达到该车速下的 最大转速，电机转速基本保持不变，既可提供转向助力，又能保证该车速下提供 较好的“转向路感”。该关系曲线可由式( 2 - 2 ) 来描述。 f o = 五( ) 【 ( 0 g o q ) 其中n o 是电机怠速，不同车速时电机怠速值不同，怠速是指某一车速下不 需要转向助力时的电机转速；一是电机所能达到的最大转速；a ( g o ) 是随缈成 正向变化的函数，可以设计成线性或者非线性两种。 2 2 3 车速y 、转向盘角速度m 和电机转速关系 由式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 可得电机转速随转向盘角速度和车速变化的示意曲线 如图2 - 7 所示： m 图2 7v ，和关系曲线 第二章e h p s 系统及助力特性研究 不同车速，电机怠速和曲线变化不尽相同。图中三条曲线从左到右依次对应 低速玑、中速碥和高速n 。低车速时，电机怠速较高，助力系数即曲线上升斜 率较大，助力增长快，保证了低车速下转向的轻便性；高车速时，电机怠速较低， 助力系数较小，助力增长慢，保证了高车速下转向的安全性。随着角速度的增大， 电机转速变高，提供的助力变大。在很小角速度的范围内，电机转速维持在怠速， 助力为很小的恒定值；角速度达到一定值后，助力大小随角速度增大而增大；在 助力大到一定值时电机达到最大转速，助力保持不变。该图清晰的显示了v 、国 和三者的关系，达到了助力特性曲线的要求。但该图只针对有限个车速下的 国一n 曲线，而实际车速是连续的，因此依靠有限个车速下的助力曲线无法满足 全车速下的助力特性，其他车速下的助力盲区和控制误差必然会影响转向操作时 的舒适性和安全性。因此，需要通过离散车速下的助力特性拟合出全车速范围下 的助力特性，实现更好的助力效果。 2 3 基于神经网络的助力特性仿真 图2 7 显示了不同特定车速下，转向盘角速度与电机转速的关系。车速是连 续的变量，只通过特定车速的离散助力曲线无法实现全车速下的良好助力特性。 为了消除其他车速下的助力盲区和控制误差，需要获得连续车速下的助力特性曲 线。实际上，车速、转向盘角速度和电机转速实际上是这样一种函数关系： n = f ( v ，c o ) 。从数学上分析，此函数在坐标系中是连续的曲面。通过特定、有 限的数据得到这样一种复杂的解析式关系无疑是非常困难的。而神经网络的优势 就是很强的曲线拟合能力。通过对离散样点的训练拟合，获得期望的连续曲面， 实现全车速范围的助力特性曲线。这里采用m a t l a b 神经网络工具箱对 n = 厂( l c o ) 进行了仿真“。 2 3 1b p 神经网络 反向传播网络( b a c k - p r o p a g a t i o n n e t w o r k ，简称b p 网络) 是对非线性可微 分函数进行权值训练的多层前向网络。在人工神经网络的实际运用中，8 0 9 0 的人工神经网络模型是采用b p 网络或它的变化形式，可以说，b p 网络是人 工神经网络中前向网络的核心内容，体现了人工神经网络最精华的部分。它主要 用于以下几个方面： ( 1 ) 函数逼近：用输入矢量和相应的输出矢量训练一个网络逼近一个函数； 1 2 第二章e h p s 系统及助力特性研究 ( 2 ) 模式识别：用一个特定的输出矢量将它与输入矢量联系起来； ( 3 ) 分类：把输入矢量以所定义的合适方式进行分类； ( 4 ) 数据压缩：减少输出矢量维数以便于传输或存储。 2 3 1 1 阴神经元结构 一个具有r 个输入的b p 神经元模型如图2 8 所示。其中每个输入与对应权 值w 的乘积之和与阈值一起作为传递函数f 的输入。在b p 神经元中，可以使用 任何可微的函数作为它的传递函数。 p 1 p 2 ： p r 1 图2 - 8b p 神经元模型 在b p 神经网络中经常使用对数s 形函数、正切s 形函数和线性函数作为神 经元的传递函数，它们的形状分别如图2 - 9 所示。 厂 。 o l a = l o g s i g ( n ) 对数s 型函数 厂 夕。 o 4 ? ? - l a = t a n s i g ( 玎)a = p u r e l i n ( n ) 正切s 型函数线性函数 图2 - 9 神经网络传递函数 对数s 形函数产生0 到1 之间的输出，而正切s 形函数产生一l 到1 之间的 输出。对b p 神经网络来说，采用不同的传递函数将得到不同范围的输出，如果 采用线性函数就可以得到任意大小的输出值。对于b p 神经网络来说，传递函数 的可微性尤其重要，因为在b p 神经网络的训练算法中要求传递函数必须可微。 第二章e h p s 系统及助力特性研究 2 3 1 2 印神经网络的结构 b p 神经网络属于前馈神经网络，具有两层及以上的结构，除了输入层和输 出层，它们中间的部分称为隐含层。这些隐含层经常使用s 形神经元，输出层则 使用线性神经元。隐含层的s 形传递函数所划分的区域是一个非线性的超平面组 成的区域。它是比较柔和、光滑的任意界面，因而它的分类比线性划分精确、合 理，这种网络的容错性较好。这样的多层神经网络能够学习输入和输出之间的非 线性关系，而且线性的输出层保证了网络的输出具有0 到1 或一l 到1 之外的范 围。图2 1 0 显示了一个双层的b p 神经网络。 24 l4 a ，- - t a n s i g ( 嘶1 加d 3 13 a 用r t w e j h l ( w 2 a a l + b 2 ) 图2 - 1 0 双层b p 神经网络结构 其中，p 为输入矩阵两输入矩阵，矿l ，1 ，形- 分别为输入层到隐含层，隐含 层到输出层的权值矩阵，6 t ，加分别为隐含层和输出层的阈值矩阵，a t ，4 。分 别为隐含层和输出层输出矩阵。 2 3 1 3b p 算法 b p 网络的产生归功于b p 算法的获得。b p 算法属于j 算法，是一种监督式 的学习算法。其主要思想为：对于q 个输入学习样本：p ，n ，只，已知 与其对应的输出样本为：n ，丁：，乃。学习的目的式用网络的实际输出a ， 彳2 ，山与目标矢量n ，丁2 ，乃之间的误差来修改其权值，使以( n = l ，2 ，4 ) 与期望的l 尽可能的接近，即：使网络输出层的误差平方和达 到最小。它使通过连续不断地在相对于误差函数斜率下降的方向上计算网络权值 和偏差的变化而逐渐逼近目标的。每一次权值和偏差的变化都与网络误差的影响 成正比，并以反向传播的方式传递到每一层的。 b p 算法是由两部分组成：信息的正向传递与误差的反向传播。在正向传播 过程中，输入信息从输入经隐含层逐层计算传向输出层，每一层神经元的输出作 用于下一层神经元的输入。如果在输出层没有得到期望的输出，则计算输出层的 误差变化值，然后转向反向传播，通过网络将误差信号沿原来的连接通路反传回 来修改各层神经元的权值直到达到期望目标。为明确起见，以两层网络为例进行 第二章e h p s 系统及助力特性研究 b p 算法推导，如图2 - 1 1 所示。 b l i k = 1 2 ，s 2 ： i = i 2 s 1 ：j = 1 2 r 图2 1 l 具有一个隐含层的网络简化图 a 2 k 其中，输入层有，个神经元，隐含层内有s 1 个神经元，输出层内有j 2 个神 经元。p 为输入，w l # 、w 2 # 分别为输入层到隐含层、隐含层到输出层权值。6 1 一、 b 2 k 分别为隐含层和输出层的阈值。a l l 、a 2 k 分别为隐含层输出和输出层输出。 这里，厂1 为隐含层激活函数，2 为输出层激活函数，目标矢量为t t 。 1 ) 信息的正向传递 ( 1 ) 隐含层中第i 个神经元输出为 a l ，= ，1 ( w l f p j + 6 l ) ，i = 1 2 ，s l ( 2 3 ) j = 1 ( 2 ) 输出层第k 个神经元的输出为 ( 3 ) 定义误差函数为 a l a 2 k = 厂2 ( w 2 目a l ，+ b 2 i ) ，k = l ，2 ，立 ( 2 4 ) ，t 1 1j 2 e ( w ，功= 去( 气- a 2 1 ) 2 ( 2 5 ) 二 ，1 2 ) 利用梯度下降法求权值变化及误差的反向传播 ( 1 ) 输出层的权值变化 第二章e h p s 系统及助力特性研究 对从第i 个输入到第k 个输出的权值有： 其中： 同理可得： 伽“= 叩盖= 唧盖甏 浯。， = ，7 以一a 2 i ) f 2 t a l i = ，7 毛a l f 磊2 f 2 ( t k - a 2 k ) f 2 2 ，2 ( 2 7 ) e k = t k a 2 i a b 2 t a = 叫器= 1 盖。甏吲气- a 2 k h 2 ，= ，7 ，s ， ( 2 ) 隐含层权值变化 对从第_ ，个输入到第i 个输出的权值，有： 其中： 同理可得： ， 一。翘一。a e a 口2 i g a l 。 岫叫瓦叫瓦丽菰 ：玎兰( 气一口2 。) f 2 ，w 2 自f l ，乃( 2 - 9 ) - - r 6 u pj j 2 磊= e l 门，白= 死w 2 h ( 2 1 0 ) k - i 峨t = ，) 6 4 ( 2 - 1 1 ) 3 ) 误差反向传播的流程图与图形解释 误差反向传播过程实际上是通过计算输出层的误差略，然后将其与输出层激 活函数的一阶倒数厂2 相乘来求得。由于隐含层中没有直接给出目标矢量，所 1 6 第二章e h p s 系统及助力特性研究 以利用输出层的磊进行误差反向传递来求出隐含层权值的变化量a w 2 。然后计 s 2 算q = 屯w 2 。，并同样通过将弓与该层激活函数的一阶导数厂l 相乘，而求 k = l 得国，以此求出前层权值的变化量们f 如果前面还有隐含层，沿用上述同样 的方法依此类推，一直将输出误差e i 一层一层的反推算到第一层为止。如图2 1 2 所示。 k = 1 2 ，s 2 ：i = l ，2 s 1 ；j = 1 2 ，r 图2 - 1 2 误差反向传播法的图形解释 e j e 2 e k 其中，p ，为输入，坳、 k 分别为输入层到隐含层和隐含层到输出层的权值。 磊、见式( 2 7 ) 和式( 2 1 0 ) ，岛，幺分别为隐含层误差和输出层误差。 2 3 2 实现助力曲线的神经网络设计1 叼 由n = f ( v ，) 函数关系可知，需要建立一个两输入一输出的神经网络。两 个输入为车速矿和转向盘角速度国，输出为电机转速。下面分析如何建立这 一网络。 2 3 2 1 网络的隐含层设定 理论上已经证明：具有偏差和至少一个s 型隐含层加上一个线性输出层网络 能够逼近任何有理函数。两层及两层以上的隐含层可以进一步降低误差，提高精 度，但会使网络复杂化，增加了网络权值的训练时间。而误差精度的提高也可以 通过增加隐含层中的神经元数目获得，其训练效果也比增加层数更容易观察和调 整。在本仿真中，该网络选取一层隐含层，采用正切s 型神经元。正切s 形函数 产生( - l ，1 ) 之间的输出，与对数s 形函数只产生( o ，1 ) 的输出相比，隐含 层的输出有更宽的值域，对权值、阈值的反向误差修正也更加灵活。隐含层到底 采用多少个神经元，根据不同的神经元进行训练对比而定。 第二章e h p s 系统及助力特性研究 2 3 2 2 初始权值和阈值的选取 由于系统是非线性的，初始值对于学习是否达到局部最小、是否能够收敛 以及训练时间长短的关系很大。如果初始值太大，使