电动助力转向系统建模仿真及试验分析

发布时间：2017-07-15 21:18

  本文关键词：电动助力转向系统建模仿真及试验分析

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【摘要】：汽车转向系统(Electric Power Steering System, EPS)是现代汽车中的最重要的子系统之一,同时也是汽车的安全件,为汽车的安全行驶提供必要的条件。本文通过查阅电动助力转向系统相关国内外的文献资料,介绍了汽车发展历史上的五种转向系统,即：机械式转向系统,机械液压助力式转向系统,电动液压式助力转向系统,电动助力转向系统和线控助力转向系统。简要介绍了每种转向系统的结构及工作原理,通过转向系统之间的横向对比,分析了电动助力转向系统的优势及发展前景,对比得出电动助力转向系统的部分优势,以此作为本文研究的出发点。本文的主要研究对象是管柱型的助力转向系统(Column Electric Power Steering System, CEPS),并对其结构原理、控制策略、数学建模、Simulink仿真及试验分析等进行相关介绍和阐述。首先,分析了EPS的动力传递路线,并据此对EPS进行简化,得到其简化模型：助力机构、扭矩传感器、助力电机、输出轴、中间轴和齿轮齿条,并对各部分机构模型分别分析其原理及设计要点,再通过力学分析,建立了各部分机构的数学模型。根据电动助力转向系统的输入输出特点,确定了状态方程以方向盘扭矩、电动机扭矩、路面随机信号为输入变量,以为方向盘转角、方向盘转速、齿条的位移、齿条的线速度、电动机的转角、电动机的转速输出变量,之后联立各方程,并最终得到系统的空间状态方程。其次,对转向系统的助力特性进行分析,通过对三种助力特性曲线(直线型助力特性曲线、折线型助力曲线和曲线型助力特性曲线)分别详细分析,分析计算得到助力特性曲线的最大助力电流、开始助力的最小方向盘扭矩及方向盘输入最大扭矩,即确定了随车速、方向盘输入扭矩与助力电机的输出电流之间的关系。在此基础之上,研究了电动助力转向系统的控制策略,模糊控制、PID控制,设计了两种目标电流控制器,使得通过方向盘扭矩与汽车行驶速度的输入,控制策略可以基于汽车行驶速度和驾驶员施加在方向盘上的扭矩大小,自动判断助力电机的目标电流。并通过仿真得到的助力曲线,对两种目标电流控制器分析对比优缺点。再次,在Matlab/Simulink中建立目标电流控制器仿真模型、助力电机仿真模型、电动助力转向系统的输入输出仿真模型,对每部分模型单独仿真分析,并对仿真曲线进行分析,确认已达到设计要求。之后将建立好的各子模型联立,可以得到EPS系统的仿真模型。在方向盘输入扭矩保持不变的情况下,设置不同的车速以考察系统对于车速变化时的动态响应,在保持车速不变的情况下,考察系统对于方向盘输入扭矩变化的动态响应,仿真实验表明,实际电流能很好的跟踪目标电流,相应速度较快,助力效果明显,达到了控制策略设计要求。最后,分析讲述了工程上EPS产品所需要做的试验及相关试验要求,并对较为重要的内部摩擦力试验、助力试验及助力电机能力试验详细讲解。通过试验数据分析EPS性能,并在给定相关的评价区间时,判断EPS是否达到设计要求。
【关键词】：电动助力转向系统 建模 控制策略 仿真 试验
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 引言11-15
• 1.2 电动助力转向系统介绍15-20
• 1.2.1 电动助力转向系统的结构与工作原理15-18
• 1.2.2 电动助力转向系统分类18-20
• 1.3 电动助力转向系统在国内外的发展现状20-21
• 1.4 本文的主要研究内容21-23
• 第2章 电动助力转向系统的数学建模23-30
• 2.1 引言23
• 2.2 助力机构模型23-24
• 2.3 扭矩传感器模型24
• 2.4 助力电机模型24-26
• 2.5 输出轴模型26
• 2.6 中间轴模型26
• 2.7 齿轮齿条模型26-27
• 2.8 电动助力转向系统的状态空间模型27-29
• 2.9 本章小结29-30
• 第3章 电动助力转向系统特性分析与控制策略30-46
• 3.1 引言30-31
• 3.2 电动助力转向系统助力特性分析31-35
• 3.2.1 电动助力转向助力特性曲线类型31-33
• 3.2.2 确定助力特性曲线参数33-35
• 3.3 电动助力转向系统助力控制策略35-43
• 3.3.1 模糊控制理论36
• 3.3.2 模糊控制器算法选择36-37
• 3.3.3 模糊控制器语言变量的确定37-41
• 3.3.4 输入信号的模糊化处理(Fuzzification)41
• 3.3.5 车速梯度曲线多项式拟合41-43
• 3.4 PID控制43-44
• 3.5 本章小结44-46
• 第4章 电动助力转向系统在Matlab/Simulink仿真46-57
• 4.1 引言46
• 4.2 建立目标电流控制器仿真模型46-49
• 4.3 建立助力电机仿真模型49-52
• 4.4 建立电动助力转向的输入输出仿真模型52
• 4.5 电动助力转向系统仿真模型52-53
• 4.6 助力特性仿真结果分析53-55
• 4.7 本章小结55-57
• 第5章 电动助力转向系统的试验分析57-71
• 5.1 引言57-60
• 5.2 内部摩擦力矩试验60-62
• 5.3 助力试验62-67
• 5.4 助力电机能力试验67-70
• 5.5 本章小结70-71
• 结论与展望71-73
• 参考文献73-76
• 致谢76

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本文编号：545804