线控转向前轮转角控制策略硬件在环仿真研究

论文摘要

线控转向（Steering-by-wire,简称SBW）,取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接,完全摆脱了传统转向系统的各种约束限制,可以自由设计汽车转向系统的力传递特性和角传递特性,给汽车转向特性带来很大的设计空间,是汽车转向系统的重大革新。但是,目前线控转向还没有达到传统机械转向系统和液压、电动助力系统的可靠程度,因此,硬件在环实验台在开发线控转向系统中是不可或缺的。本文在设计了实验台总体方案基础上利用NI公司的LabVIEW软件和CompactRIO硬件搭建了线控转向硬件在环实验台,为以后对线控转向系统的硬件开发和算法研究奠定了基础。围绕线控转向硬件在环仿真系统的两个重要研究内容—整车动力学模型和控制算法,做了以下工作:（1）建立了便于转向研究的整车2自由度模型,并设计了能改善车辆稳态响应的3种理想传动比模型。（2）对线控转向上层控制策略的两个方面,转向盘回正力矩模拟和目标前轮转角决策,进行算法设计和离线仿真研究。利用方向盘的转角和车速直接计算目标回正力矩并对模型进行了离线仿真,结果表明利用提出的回正力矩模型计算得到的回馈力能够满足路感要求。采用横摆角速度反馈控制和全状态反馈控制两种控制策略分别确定目标转角,并进行离线仿真,结果表明横摆角速度反馈控制可以改善车辆横摆角速度的响应,但无法对侧偏角控制,而全状态反馈可以同时改善车辆横摆角速度和侧偏角响应。（3）采用V开发模式对线控转向前轮转角控制进行研究。首先利用LabVIEW系统辨识工具包获得实验台前轮转角系统的数学模型。接着对转向电机的控制设计了PID控制系统和最少拍无波纹随动控制系统,并进行离线仿真和硬件在环试验测试。仿真和试验结果都表明:PID控制,算法简单,可靠性好,基本满足转向执行电机控制要求;最少拍无波纹随动控制,电机跟随性能更好,响应更快。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 线控转向系统的发展历程
• 1.2.1 线控转向系统国外发展现状
• 1.2.2 线控转向系统国内发展现状
• 1.3 线控转向系统结构及性能特点
• 1.3.1 线控转向系统结构
• 1.3.2 线控转向系统性能特点
• 1.4 国内外线控转向硬件在环实验台的发展
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 线控转向系统硬件在环实验台开发
• 2.1 线控转向实验台的总体构架及功能
• 2.1.1 CompactRIO硬件简介
• 2.1.2 实验台总体构架
• 2.1.3 实验台主要功能
• 2.1.4 实验台试验方案及评价指标
• 2.2 实验台部分硬件选型
• 2.2.1 电机及减速器的选择
• 2.2.2 加载装置
• 2.2.3 传感器的选择
• 2.3 软件系统
• 2.3.1 软件选择及程序开发流程
• 2.3.2 FPGA程序介绍
• 2.4 本章小结
• 第三章 线控转向台架建模和基于理想传动比的整车模型
• 3.1 建立转向执行系统的物理模型
• 3.1.1 降阶建模思想
• 3.1.2 转向执行系统物理模型的建立
• 3.1.3 模型阶数估计
• 3.2 线性二自由度车辆模型
• 3.3 线控转向系统的转向传动比
• 3.3.1 理想传动比的概念
• 3.3.2 理想转向传动比确定方法
• 3.4 线控转向理想传动比仿真分析
• 3.4.1 LabVIEW控制和仿真工具包简介
• 3.4.2 理想传动比的LabVIEW仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 汽车线控转向上层控制策略研究及离线仿真
• 4.1 概述
• 4.2 路感控制算法
• 4.2.1 方向盘聚回正力矩的确定
• 4.2.2 方向盘回正力矩仿真分析
• 4.3 线控转向系统前轮转角控制策略
• 4.3.1 横摆角速度反馈控制策略及仿真分析
• 4.3.2 全状态反馈控制策略及仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 线控转向前轮转角硬件在环系统设计
• 5.1 概述
• 5.2 线控转向前轮转角硬件在环软件系统总体结构
• 5.3 FPGA程序编制
• 5.3.1 数据输入输出板卡的选择
• 5.3.2 FPGA程序调试
• 5.3.3 传感器标定
• 5.4 转向执行机构系统模型辨识
• 5.4.1 辨识原理
• 5.4.2 模型辨识
• 5.5 转向执行电机驱动原理
• 5.5.1 直流电动机原理
• 5.5.2 PWM调压调速原理
• 5.6 转向执行电机控制策略研究及离线仿真分析
• 5.6.1 随动系统结构原理
• 5.6.2 PID控制策略
• 5.6.3 直接数字控制策略
• 5.7 转向执行电机控制硬件在环仿真试验
• 5.7.1 监控程序
• 5.7.2 硬件在环试验
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 参加项目及发表的论文