汽车EPS与ESP协调控制及关键技术研究

发布时间：2017-08-24 11:03

  本文关键词：汽车EPS与ESP协调控制及关键技术研究

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【摘要】：随着汽车动力学、现代控制理论、电子技术、传感器技术、计算机仿真技术和车载网络技术的不断发展,以电动助力转向(Electric Power Steering, EPS)系统和电子稳定程序(Electronic Stability Program, ESP)为代表的汽车底盘电控系统装车率越来越高,对于提高汽车的各方面性能发挥了重要作用。这些系统大都侧重于提高汽车单一的性能指标,由各零部件厂商单独开发,未考虑与其它电控系统的信号共享及协调等问题,简单的功能叠加往往会导致子系统之间的冲突,不能使汽车性能达到最优,汽车底盘集成与协调控制是近年来研究的热点之一。底盘协调控制实现各系统之间的信号共享,避免各子系统之间的冲突和干扰,根据行驶工况和车辆状态等的变化,充分发挥各子系统的特长,实现整车综合性能的最优。本文依托国家自然科学基金项目(51175135、51075112、51375131)及中航工业产学研专项项目(CXY2010HFGD26),在总结国内外最新研究成果的基础上,围绕EPS/ESP控制及关键技术,开展了一系列理论建模、仿真计算、试验验证等研究工作。完成的主要工作和成果如下：(1)考虑不熟练驾驶员由于对侧向力感知的缺乏而导致的误操作转矩的影响,提出一种跟踪期望驾驶特性的汽车EPS控制策略。建立能够表征驾驶特性(熟练程度等)并考虑误操作转矩的驾驶员模型,与车辆组成人-车闭环系统。仿真及硬件在环试验结果表明,采用跟踪期望驾驶特性的汽车EPS控制策略,改善了汽车的操纵稳定性,减轻了驾驶员的转向负担,从而验证了所提出的控制策略的有效性。(2)针对传统的转向回正控制容易产生回正过度或回正不足的情况,提出一种基于ESP功能补偿的汽车EPS回正控制策略。建立四轮车辆动力学模型,基于车载EPS传感器的信号,采用无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)方法在线实时估计路面附着系数和车辆的质心侧偏角。将估计到的质心侧偏角与期望的质心侧偏角的偏差作为输入,对车辆进行转向回正滑模控制。在Carsim、 Matlab/Simulink及LabVIEW中对车辆不同工况下的转向回正性能进行仿真及硬件在环试验,仿真及试验结果表明,提出的基于ESP功能补偿的EPS转向回正控制策略能够有效地改善车辆的中心转向性能,使车辆具有良好的回正效果。(3)汽车EPS与ESP对保证汽车具有良好的操纵稳定性和行驶安全性起到重要作用,对汽车EPS/ESP系统协调控制的必要性和汽车纵向、侧向动力学耦合特性进行了详细的论述。针对汽车运动时纵、侧向动力学上存在的耦合因素,在某些工况下两系统间可能存在冲突的问题,提出一种基于汽车行驶安全边界的EPS与ESP协调控制策略。建立EPS动力学模型,通过Luenberger观测器估计回正力矩,由回正力矩信息估计路面附着系数。根据车辆动力学特性确定由质心侧偏角和横摆角速度组成的汽车行驶安全边界,根据确定的安全边界和转向盘转矩、横摆角速度等信息,基于带精英策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm, NSGA-Ⅱ)优化EPS与ESP的动态协调控制因子,确保获得优化参数的全局最优解。仿真与试验结果表明,采用基于汽车行驶安全边界的EPS与ESP协调控制策略,改善了汽车的行驶稳定性,验证了该控制策略的有效性。(4)设计EPS控制器、ESP控制器和上层协调控制器,进行了硬件在环试验及不同工况下的实车试验,验证了所提出的控制策略的有效性和正确性。
【关键词】：车载电子稳定程序 EPS回正控制 驾驶员特性 行驶安全边界 EPS/ESP协调控制 硬件在环
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.6;U463.4
【目录】：

• 致谢9-11
• 摘要11-13
• ABSTRACT13-23
• 第一章 绪论23-37
• 1.1 研究背景及意义23-24
• 1.2 国内外研究现状24-34
• 1.2.1 EPS研究现状24-28
• 1.2.2 ESP研究现状28-30
• 1.2.3 底盘协调控制研究现状30-33
• 1.2.4 EPS/ESP协调控制研究现状33-34
• 1.3 本文主要研究内容及创新点34-36
• 1.4 本章小结36-37
• 第二章 汽车系统动力学建模37-47
• 2.1 引言37
• 2.2 二自由度车辆模型37-38
• 2.3 七自由度车辆模型38-39
• 2.4 侧向-纵向联合轮胎模型39-41
• 2.5 驾驶员模型41-43
• 2.6 仿真分析与试验验证43-46
• 2.7 本章小结46-47
• 第三章 考虑驾驶员个体差异的汽车EPS控制47-64
• 3.1 前言47
• 3.2 驾驶员-车辆模型47-50
• 3.2.1 人-车-路闭环系统的坐标转换47-48
• 3.2.2 驾驶员-车辆建模48-50
• 3.3 EPS控制算法50-51
• 3.4 仿真分析51-56
• 3.5 EPS硬件在环试验56-63
• 3.5.1 试验台组成56-58
• 3.5.2 EPS转向国标试验58-62
• 3.5.3 EPS硬件在环试验62-63
• 3.6 本章小结63-64
• 第四章 基于ESP功能补偿的EPS回正控制64-81
• 4.1 引言64
• 4.2 质心侧偏角的估计64-71
• 4.2.1 EKF滤波65-66
• 4.2.2 UKF滤波66-69
• 4.2.3 基于UKF估计质心侧偏角69-71
• 4.3 控制器设计71-75
• 4.3.1 控制系统总体结构72
• 4.3.2 EPS控制器设计72-75
• 4.3.2.1 EPS建模72-73
• 4.3.2.2 滑模控制器的设计73-75
• 4.4 仿真分析75-77
• 4.5 EPS转向回正性试验77-79
• 4.6 本章小结79-81
• 第五章 基于汽车行驶安全边界的EPS与ESP协调控制策略81-110
• 5.1 引言81
• 5.2 汽车行驶安全边界81-87
• 5.2.1 汽车行驶安全边界的定义82-83
• 5.2.2 路面附着系数的估计83-84
• 5.2.3 汽车行驶安全边界的确定84-87
• 5.3 EPS与ESP系统协调控制器的设计87-96
• 5.3.1 上层控制器设计89-93
• 5.3.2 下层控制器设计93-96
• 5.4 仿真分析96-98
• 5.5 ESP硬件在环试验98-109
• 5.5.1 ESP的工作过程98-100
• 5.5.2 ESP试验台的组成100-106
• 5.5.3 ESP控制硬件在环试验106-109
• 5.6 本章小结109-110
• 第六章 EPS/ESP协调控制试验验证110-130
• 6.1 EPS控制系统设计110-111
• 6.1.1 硬件电路设计110
• 6.1.2 软件设计110-111
• 6.2 ESP控制系统设计111-113
• 6.2.1 硬件电路设计111-112
• 6.2.2 软件设计112-113
• 6.3 EPS与ESP上层协调控制器设计113-118
• 6.3.1 硬件电路设计113-117
• 6.3.2 软件设计117-118
• 6.4 实车试验118-129
• 6.4.1 试验设备及仪器118-122
• 6.4.2 试验软件122-123
• 6.4.3 试验设备标定123-125
• 6.4.4 EPS与ESP协调控制试验125-129
• 6.5 本章小结129-130
• 第七章 总结与展望130-132
• 7.1 总结130-131
• 7.2 研究展望131-132
• 参考文献132-141
• 附录141-143
• 攻读博士学位期间的学术活动及成果情况143-144

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