电动转向器控制系统研究

电动转向系统代表了汽车转向技术的未来发展方向，符合汽车技术电子化的要求。电动助力转向系统EPS（Electric Power Steering System）是一种新型的电机驱动的汽车转向技术，具有结构简单、安装方便、节能环保及控制精确等优点，它能实现助力大小随车速变化而调整，比较好地解决了在助力转向中，驾驶员获得不同转向路感的问题。目前该技术主要用在轿车的前轮转向中，电动转向系统的研究和开发具有很强的工程应用价值。 论文从汽车操纵稳定性要求出发，分析了与转向密切相关四轮车辆的横向运动，建立了四轮车辆横向动力学模型。研究了由于车辆转向引起的侧倾导致轮胎垂直载荷的重新分配的问题。进一步对影响转向运动的侧偏力和回正力矩的特性，分别从轮胎压力、垂直载荷和路面状况等方面进行分析和研究，建立了车辆的轮胎模型。将得到的车辆模型和轮胎模型连接起来，构建了研究电动助力转向系统的车辆转向仿真平台并进行了仿真实验。 分析和研究了电动转向系统的机械部分和电气部分的各构成环节，并对各部分进行了参数化处理。在进行电动转向系统运动和受力分析的基础上，采用等效转换的方法，建立了转向系统的二自由度机械模型。在分析助力电机结构的基础上，建立了助力电机模型。在分析电控单元控制模块的组成的基础上，建立了电控单元模型。在研究三者之间的传递关系的基础上，将机械系统模型、助力电机模型和电控单元模型合成为完整的电动助力转向模型。再将电动助力转向模型引入车辆模型和轮胎模型构成的仿真平台中，由此建立了含有电动助力转向模型、轮胎模型和车辆模型的完整电动助力转向系统研究的仿真实验平台。 通过分析车辆和驾驶员对转向控制的要求和特点，确定了助力特性的基本要求。在电动转向控制中采用了助力控制、补偿控制、回正控制和阻尼控制等控制策略。在助力控制的研究中，分析和比较了三种助力特性曲线，确定了本系统的电动助力转向的基本助力控制算法。针对助力电机惯性和摩擦等环节的存在，采用了根据电机转速变化的补偿控制算法。在回正控制中，采用了依据方向盘转向、转角和转速的回正控制算法，实现转向盘快速回正。同时在电动助力转向控制中引入了阻尼控制，防止在车辆高速行驶或路面不平时，出现的转向盘振荡。为实现电动助力转向的不同控制要求，在电动助力转向控制策略中，采用了多种控制算法。 考虑到EPS系统动力学分析中进行的理想化处理，车辆在使用中载荷的变化等引起控制对象模型参数的不确定性以及传感器噪声、路面干扰等难题，为了满足助力转向跟踪性、路感要求和稳定性的性能指标，建立了电动助力转向器的广义模型，分析和确定了满足各种性能指标要求的权函数，采用Matlab鲁棒控制工具，设计了基于H∞的混合灵敏度鲁棒控制器，并对引入控制器后的电动助力转向系统进行了仿真实验，实验结果表明系统具有强的鲁棒性。 在理论研究基础上，对电动转向系统的控制单元ECU（Electric Control Unit）进行了设计。针对电控单元的输入和输出信号的不同特点进行了分析，并设计了相应的处理控制电路。其中扭矩输入信号采用了三路处理模式，两路作为扭矩信号，一路直接经窗口比较器通过H桥控制助力方向。助力电机采用直流永磁电机，由NMOS管构成的H桥驱动，控制采用脉宽调制PWM和助力电机电流PID的反馈控制。从转向安全角度出发，针对助力系统出现失效时，设计了故障检测和处理电路。 最后研究了电动助力转向台架实验的方案。对实验需要的各种车辆运行状态信号的模拟方法进行了分析和确定，实际车辆的发动机速度、车速、转向扭矩信号采用仪器模拟输入ECU，转向阻力矩采用磁粉制动器模拟，设计和完成了电动助力转向系统实验台架，并在该台架上进行了ECU在EPS中和ECU脱离EPS的助力性能试验。实验结果表明实际助力电流和理想助力电流有比较好的一致性，同时验证了建立的ECU离线检测和开发平台的有效性。