详情

原文传递大客车新型电控液压转向系统控制方法与关键技术研究

论文题名：	大客车新型电控液压转向系统控制方法与关键技术研究
关键词：	大客车;电控液压转向系统;电液比例阀;操纵安全性;自适应动态面控制
摘要：	近年来，随着我国公路条件的不断改善和国民经济快速发展，作为高速公路客运主力运输装备的大客车产销量迅速增长。由于大客车载员多，运距长，油耗大，其安全性和能耗问题日益受到重视。目前，大客车普遍采用固定助力特性的液压转向系统（Hydraulic Power Steering，简称为HPS），转向泵输出流量设计原则以满足最大转向阻力工况（即原地转向或低速转向）时的转向轻便性为主，因此，汽车在中高速行驶时由于转向阻力矩减小但输出的助力并未减小，导致方向盘“发飘”，“路感”明显降低，在过弯道、变道、紧急避让等工况下容易出现过度转向现象，引起碰撞、翻车等事故。此外，大客车运行过程中，无论是否处于转向状态，HPS转向泵一直在发动机驱动下高速运转，而汽车大部分时间处于直行工况，转向泵输出的液压能经管路和各种阀类元件后成为热量而散发了，增加了HPS系统的无效能耗。目前，在乘用车和轻型商用车上逐渐推广应用的电动助力转向和电动油泵式转向系统虽具有良好的操纵安全性、轻便性和节能性，但由于所能提供的助力较小，不能满足前轴载荷较大的大客车的转向助力需要。在国外，中大型客车用电控液压转向系统已得到良好应用，显著改善了整车安全性和节能性。在我国，相关研究开发工作近几年才开始，与国外相比还有较大差距，许多关键技术尚未取得突破，还未见到较好的应用实例。因此，研究开发适合大客车的新型电控液压转向系统，既满足大客车在不同车速时的转向轻便性和路感要求，又克服HPS高能耗的缺点，成为车辆工程技术领域迫切需要解决的难题，具有重要意义。　　本文研究一种大客车新型电控液压转向系统(Electric Controlled HydraulicPower Steering，简称为ECHPS)，该转向系统将新型电液比例阀内置于传统HPS动力转向器，通过随速调节比例阀开度实现可变助力特性，可有效提高大客车高速行驶时的操纵安全性，并降低转向系统在不转向时的无效能耗。由于大客车行驶工况复杂多变，所以对新型ECHPS的可变助力特性的实时精确控制要求高;考虑到工程应用的可行性，要求电液比例阀具有良好的结构集成性和性价比，所以电液比例阀的设计研制难度较大。为了解决大客车新型ECHPS在实际应用的瓶颈技术问题，必须在ECHPS设计方法、控制理论与应用及关键零部件设计等关键技术上寻求突破。　　本文从大客车ECHPS的理想助力特性研究与设计、新型电液比例阀设计研制、基于自适应动态面控制理论的ECHPS控制及主要关键技术、ECHPS与整车性能匹配仿真、控制器硬件和软件开发、台架试验和实车道路试验等方面进行了系统深入的研究。论文主要研究工作如下: 　　首先，在深入研究车辆转向阻力矩形成机理及影响因素基础上，建立了包含转向系统、整车和轮胎模型的大客车AMESim模型，仿真得到采用HPS时大客车各车速下的等效转向盘力矩;在综合分析通用汽车、丰田汽车、吉林大学等研究的乘用车驾驶员偏好的转向盘手力特性普遍规律基础上，充分考虑大客车新型ECHPS的性能要求和工作特性，结合大客车实际行驶典型工况，首次在大客车道路试验中在线实时调节转向系统转向助力大小，获得了各安全车速范围内大客车驾驶员偏好的转向盘输入手力，填补了该研究领域试验数据的空白;结合仿真与试验结果，对大客车ECHPS的助力特性进行设计，获得了满足大客车性能需求的理想可变助力特性曲线。　　第二，针对ECHPS系统中液动力、摩擦力对电液比例阀稳态特性影响明显的技术难题，创新设计了衔铁与阀芯一体式的新型电液比例阀;利用电磁场分析专业软件Ansoft建立比例阀电磁仿真模型，对比例阀中关键结构参数:隔磁环倒角角度、隔磁环位置等进行仿真优化，将优化改进后的比例阀进行稳态控制特性试验研究。试验与仿真特性曲线基本吻合，表明所设计的新型电液比例阀具有良好的水平位移-力特性、稳态控制特性等性能。　　第三，针对大客车行驶工况复杂多变，ECHPS对电磁、液压动态参数敏感，外部干扰强的特点，利用反演动态面控制在处理非线性、参数不确定性方面的显著优势，提出了基于自适应动态面控制的电液比例阀控制策略，通过递推方式构造Lyapunov函数以保证系统稳定性，在虚拟控制律设计中引入一阶滤波器消除高阶微分项;将RBF神经网络在逼近不确定函数方面的优势与动态面控制相结合，设计了电液比例阀RBF神经网络动态面控制系统，分析了控制系统的稳定性;对动态信号输入下阀芯位移输出响应特性进行仿真分析。结果表明，运用神经网络动态面控制显著了提高比例阀阀芯位置控制精度，缩短了响应时间，抗干扰能力强，解决了全工况下阀芯位移适时精确控制的难题。　　第四，建立了大客车新型ECHPS整车控制系统模型，对各典型工况下车辆操纵稳定性进行仿真。通过对比分析，在低速转向时，采用神经网络动态面控制的ECHPS具备与HPS同样良好的转向轻便性，在中高速时，ECHPS平均转向盘转矩增大，路感增强。表明所设计的大客车新型ECHPS控制系统能较好的满足车辆低速转向轻便和中高速转向时的路感要求。同时，设计了转向盘大角速度输入下，将动态面控制切换至满足车辆紧急转向时操纵安全要求的电流补偿力矩控制策略，仿真表明电流补偿控制能提高车辆紧急转向时助力效果，提高了车辆行驶安全性。　　第五，研究开发了以英飞凌XC886为微处理器，包括车速信号、位移信号处理模块、电液比例阀驱动模块的ECHPS控制器硬件，控制单元具有实时数据信号采集和系统控制功能，同时采用模块化设计思想开发了控制器的软件程序，包括EHCPS主程序、车速、位移信号采集、PWM输出子程序，将控制硬件与软件进行集成调试，达到了预期效果，为ECHPS台架和实车试验奠定了基础。　　最后，对新型ECHPS进行了可变助力特性台架试验，并首次进行了装配ECHPS系统的SLK6118型大客车实车转向轻便性、空载和满载蛇形、转向盘中间位置等操纵稳定性道路试验，以及ECHPS和HPS能耗对比试验。试验结果与仿真分析吻合。结果表明，新型ECHPS具有与传统HPS同样良好的低速转向轻便性;在蛇形工况，车速为70km/h时，与传统HPS相比，转向盘输入转矩峰值和标准差分别增强了20.36％和19.15％，表明采用新型ECHPS后，驾驶员“手感”明显加强。在转向盘中间位置试验车速为70km/h时，侧向加速度为0g处的转向盘转矩梯度值增大了55.31％，表明新型ECHPS显著增强了驾驶员中高速时的路感;在能耗对比试验中，相同试验工况下，ECHPS能节约100W/min功率，表明新型ECHPS具有良好的节能性。　　综上所述，本文研究的基于自适应动态面控制的大客车新型电控液压转向系统结构紧凑，易于在HPS系统基础上实现工程化应用，具有良好的低速转向轻便性和中高速转向路感，可显著提高传统HPS的节能性。
作者：	耿国庆
专业：	载运工具运用工程
导师：	陈龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文