汽车EPS系统建模与控制方法研究

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随着汽车工业的发展,在电动、网联、智能、共享等新四化背景下,电动助力转向(Electric Power Steering,EPS)系统凭借独特优势越来越被广泛地应用在各类汽车上,已经成为汽车系统中的重要组成部分,其性能优劣将直接或间接的影响着汽车操纵性与稳定性。本文在总结和吸收前人研究的基础上,围绕EPS系统助力特性及控制策略开展研究,并分析其对车辆操纵稳定性的影响。首先,针对EPS系统调研国内外发展情况及研究现状,阐述了EPS系统发展历程、工作原理及形式,在现有文献基础上总结出EPS系统对汽车性能带来的影响及目前研究中存在的不足。其次,根据某管柱式EPS系统结构,从驾驶员操纵力矩、转向阻力矩以及助力电机输出力矩三个方面分析EPS系统受力情况,并建立了包括转向盘与转向轴、扭矩传感器、助力电动机、齿轮齿条的系统动力学模型,同时考虑系统转角输入和转矩输入两种模式,将驾驶员转向动作视为线性连续的反馈控制,建立了驾驶员模型,为后文工作开展奠定基础。再次,通过对比直线型、折线型、曲线型三种不同助力特性曲线原理及优缺点,基于EPS系统助力特性要求,设计了曲线型助力特性曲线,采用待定系数曲线拟合法,依次确定助力门限值、最大助力扭矩、车速感应系数以及转向盘输入扭矩函数等各项特征参数。针对在不同转向状态下,分别探讨了EPS系统助力与回正工作模式。将转向盘角度、转向盘转角变化率、转向盘扭矩以及车速作为判断条件,建立了EPS系统工作模式切换规则。基于PID控制方法与模糊自适应控制理论,以目标电流为对象,设计EPS系统电机助力控制策略,同时以转向盘转角零位为目标角度,设计了回正控制策略。最后,基于Car Sim与Simulink环境分别搭建整车与EPS系统模型,构建联合仿真平台。针对系统助力特性与控制方法,以给出的EPS系统及汽车操纵稳定性基本内容与评价指标为依据,通过不同车速下的转向与回正工况分析其性能。同时根据标准规范,通过转向盘角阶跃试验、蛇行试验、双移线试验等典型工况,分析了所设计的EPS系统有效性及其对车辆操纵稳定性带来的影响。
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