电动助力转向系统的建模与仿真研究

论文摘要

汽车的转向性能是汽车行驶过程当中最为重要的性能之一,长期以来深受人们的重视。汽车转向系统的发展先后经历了机械转向式、液压助力式、电子液压助力式和电动助力式等阶段。近年来,电动助力转向系统(Electric Power Steering,简称EPS)以其节能、环保、主动安全性和良好的操纵稳定性的优势,将更多地出现在中高级轿车、跑车和SUV上,而不再局限于微型轿车和经济性轿车;EPS的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展,并且其控制形式与功能也进一步加强。因此对电动转向系统的设计提出了更高的要求。本文主要对电动助力转向系统的建模和控制策略的设计进行了研究。首先,基于车辆动力学建模方法,分析了电动助力转向系统(EPS)的工作原理和组成部件,建立了机械转向系统、电动机和减速机构模型,并且与考虑侧倾的三自由度汽车模型和Fiala轮胎模型结合,建立了用于EPS转向分析的总体仿真模型。然后,从目标助力电流的确定及其如何实现入手,以方向盘转矩和电机转速为控制变量,设计了比例微分助力的控制策略。对直线型助力特性进行理论分析,从满足转向轻便性、驾驶员对路感的要求和回正性能等三个方面进行了控制器参数取值规律的设计。对原地转向、方向盘转矩正弦输入转向和转向回正等三类转向试验进行仿真;仿真结果表明所设计的控制策略能够达到预期的效果。加入EPS助力后,驾驶员转向时感到更轻便,且随着车速的增加路感得到增强;在高速回正时方向盘能够快速稳定地回到中位,提高了汽车的操纵稳定性和行车安全性。最后,为了建立更加真实精确的汽车模型,利用系统多体动力学理论,在ADAMS/ Car环境下建立了包括齿轮齿条转向系统、前麦弗逊式独立悬架、后多连杆式独立悬架、“魔术公式”轮胎及前置前驱动力总成在内的汽车多体动力学仿真模型,并通过稳态回转仿真试验验证了模型的正确性。为了实现复杂控制系统的仿真,在MATLAB/Simulink下建立了电子控制单元(ECU)、电动机和减速机构等部件的控制框图,并定义了其与ADAMS/Car的输入输出接口,进行联合仿真。在多种转弯工况下,如双纽线试验、方向盘正弦输入试验和方向盘回正性能试验等,对装备EPS前后汽车的转向性能进行了研究。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 转向系统的发展和分类
• 1.2.1 机械液压助力式转向系统
• 1.2.2 电子液压助力式转向系统
• 1.2.3 电动助力式转向系统
• 1.3 EPS 控制策略的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 EPS 及车辆转向动力学模型
• 2.1 车辆动力学模型的建模方法
• 2.2 机械转向系统及电动机力学模型的建立
• 2.3 考虑车身侧倾的三自由度汽车模型
• 2.4 Fiala-桥石轮胎模型
• 2.5 本章小结
• 3 控制策略设计
• 3.1 直线型助力特性分析
• 3.2 目标助力电流的表达式
• 3.3 电动机电路模型
• 3.4 总体仿真模型
• 3.5 控制器参数 Kp 和 Kd的取值规律
• 3.5.1 Kp 的取值规律
• 3.5.2 Kd 的取值规律
• 3.6 本章小结
• 4 ADAMS/Car 和 MATLAB/Simulink 联合仿真
• 4.1 多体动力学概述及 MSC.ADAMS 软件简介
• 4.1.1 多体动力学理论与研究方法
• 4.1.2 MSC.ADAMS 软件介绍
• 4.1.3 ADAMS/Car 的建模方法
• 4.2 汽车模型
• 4.2.1 转向系模型
• 4.2.2 悬架模型
• 4.2.3 轮胎模型
• 4.2.4 整车模型及仿真验证
• 4.3 联合仿真概述
• 4.4 控制框图的建立
• 4.4.1 电动机及减速机构建模
• 4.4.2 目标助力电流的确定
• 4.5 联合仿真分析
• 4.5.1 转向轻便性试验
• 4.5.2 方向盘正弦输入试验
• 4.5.3 方向盘回正性能试验
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附 录:A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文.
• B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目