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原文传递汽车电动助力转向系统助力特性研究及控制系统开发

论文题名：	汽车电动助力转向系统助力特性研究及控制系统开发
关键词：	汽车转向装置;电动助力系统;助力特性;控制措施;受力分析;硬件板路
摘要：	电动助力转向系统（EPS）是一种新型动力转向装置，由于其能够较好地解决转向轻便性和转向灵活性的矛盾，且具有节能、环保、装配简单等优点，近几年来在国内外得到了很大的发展，尤其是在微车领域，电动助力转向已经取代了液压助力转向（HPS）和电子液压助力转向（EHPS），成为微车动力转向的主流。总的来说，EPS已经成为世界汽车动力转向技术的发展方向。本文以某国产商用车为对象，就EPS动力学建模、助力特性设计、EPS助力控制策略、控制器的设计及试验等方面进行研究。　　通过对汽车转向系统进行受力分析，探讨了转向阻力矩的产生机理以及主要影响因素，建立了不同车速下的转向盘阻力矩模型以及EPS动力学状态空间模型，分析了EPS系统在转向盘角输入、转向盘力矩输入以及路面冲击作用下的稳定性，研究结果表明：EPS的稳定性与助力特性增益密切相关，超调量随着助力特性增益的增加而增加，且助力特性增益必须小于一定的值，否则EPS是不稳定的；当受到路面冲击时，随着助力特性增益的增加，冲击响应幅值增益逐渐减小，但是EPS振荡更加剧烈，转向舒适性变差，转向系统抵抗地面高频冲击的能力降低。　　研究了驾驶员理想转向盘力矩特性，提出了一种用以描述不同行驶工况的驾驶员理想转向盘力矩特性模型，对三款不同型号车辆的进行了驾驶员转向盘力矩实车试验，进而在试验数据的基础上建立了中国西南地区驾驶员理想转向盘力矩模型并进行了验证。研究结果表明：低速稳态转向工况下，除车速外驾驶员理想转向盘力矩主要受转向盘转角的影响，当转向盘转角一定时，驾驶员的理想转向盘力矩与速度近似成线性正比关系，而当车速一定时，驾驶员理想转向盘力矩是转向盘转角的增函数，但是随着转向盘转角的增大，驾驶员理想转向盘力矩增加的程度变慢，最终趋于一个常值；高速稳态转向工况下，除车速外驾驶员理想转向盘力矩主要受汽车侧向加速度的影响，当汽车侧向加速度一定时，驾驶员理想转向盘力矩与速度近似成线性正比关系，而且车速一定时，驾驶员理想转向盘力矩是侧向加速度的增函数，但是随着侧向加速度的增大，驾驶员理想转向盘力矩增加的程度变慢，最终趋于一个常值。如果车辆的体积、车重相近，道路条件相同，那么驾驶员理想转向盘力矩对于车型的变化不敏感，同一驾驶员不同车型的理想转向盘力矩与车型无关。　　通过对EPS助力特性的分析，根据EPS的助力力矩的是转向盘阻力矩与驾驶员理想转向盘力矩的差值这一实质,按照车速高低对助力特性曲线的产生机理进行了探讨,比较了低速与高速行驶工况下EPS助力特性的产生过程的异同。在此基础上对EPS助力特性曲线的相关几何特征进行了分析，研究结果表明：EPS助力特性不是完全的直线、折线或者曲线型，而是一种渐变的形状，它原地转向时是一条直线，随着车速的增加而变成了下凹型的曲线，而且其下凹性随车速的增加而增强，不存在上凸形式的助力特性曲线。进而，提出了一种助力曲线的设计方法，利用驾驶员理想转向盘力矩的客观性以及其试验结果的可重复使用性，提高EPS助力特性的设计效率，减少整个EPS以及后续车型的EPS的开发周期和成本。　　对EPS中存在的不确定因素进行了分析，针对传统的PID控制的缺点，提出了一种间接自适应模糊滑模(indirect adaptive fuzzy sliding mode control，IAFSMC)控制策略，将其应用与 EPS的助力控制中并进行了仿真分析，研究结果表明：IMFSMC控制算法设计过程中，对于系统x(n) = f(x，t) +u(t) +d(t)，其模糊系统f (x,θf)和h(s,θh)的构造不是并行的而是串行的，先构造f (x，θf)再构造h(s,θh)，而且构造h(s,θh)时需要用到构造f (x,θf)时的相关结果;IAFSMC控制算法鲁棒性较强，能够克服由于外界的干扰和系统结构的不确定性带来的不利影响，在任何时候都能够使得实际电流跟踪上目标电流。而PID控制算法对于外界抗干扰能力略差，高速行驶工况下能够在一定的范围能跟踪上目标电流，而在车速较低助力电流较大的时候，PID控制算法对于目标电流的跟踪精度误差非常的大。　　研制了用于测试EPS基本性能的试验台，进行EPS控制系统开发，使用Altium Designer软件设计了EPS控制器的硬件板路，使用C语言编写了EPS控制器的控制软件，最终研制出了面向工程应用的EPS控制器。EPS控制器台架标定和道路试验结果表明：该控制器的电流特性、输入输出特性、功能特性等基本性能通过了某企业对于EPS基本特性要求以及不同车速下的驾驶员转向盘力矩的要求，具备了向实用产品发展的条件。
作者：	任夏楠
专业：	车辆工程
导师：	邓兆祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文