汽车电动转向器动力学建模与控制仿真分析论文Word文件下载.docx

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ElectricPowerSteeringisanewautomotivepowersteeringsystem.

ThisarticlefirstontheprincipleandstructureofEPSsystemaredescribed,threekindsoftypicalEPSpowercurveisintroducedinthispaper,themathematicalmodelofthesystem,theEPSsystemmathematicalmodelofthepuremechanicalsteeringsystemisestablishedinthispaper,thetargetcontrolofEPSsystem,thecontrolstrategyofEPSsystemofPID,thispaperintroducesthreekindsofcontrolmodeofelectricpowersteeringin:

powercontrolmode,returncontrolmode,thedampingcontrolmode,thispaperfocusesonthestudyofpowercontrol.Underpuremechanicalsteeringsystem,EPSsystemandPIDpowercontrolofEPSsystembasedonthemathematicalmodel,theapplicationofMATLAB/Simulinksimulation,parameters,andanalysisofinfluenceparametersonthestabilityofthesystem,andtheuseofPIDcontrolstrategyforpowercontrolofthemodel,andthatthesystemcanmeetthedynamicperformanceisverygood.

Keywords:

electricpowersteering;

assistcontrol;

MATLAB/Simulink;

simulation

目录

摘要III

AbstractIV

目录V

1绪论1

1.1本课题的研究背景和意义1

1.2国内外的发展概况1

1.3本课题应达到的要求2

2电动转向系统的动力学模型3

2.1电动转向系统的结构和工作原理3

2.2EPS典型助力曲线5

2.3EPS动力学的模型7

2.3.1机械转向系统数学模型7

2.3.2EPS系统的模型8

2.4EPS稳定性与转向助力增益分析10

2.4.1转向助力增益的确定10

2.4.2EPS稳定性与转向助力增益关系11

3EPS系统控制分析16

3.1系统控制的目标16

3.2EPS系统的控制策略16

3.3系统的控制模式17

3.4系统的补偿控制18

3.4.1补偿控制原理18

3.4.2补偿控制的作用18

4EPS系统的仿真与分析19

4.1MATLAB/Simulink仿真平台的介绍19

4.2系统仿真参数取值19

4.3机械转向系统仿真与研究20

4.3.1机械转向系统的Simulink模型20

4.3.2汽车机械转向系统在阶跃输入时不同参数下的仿真研究22

4.3.3不同参数对系统性能影响的仿真分析28

4.4EPS转向系统仿真与研究28

4.4.1EPS系统的Simulink模型28

4.4.2EPS系统加入PID控制的Simulink模型30

4.4.3EPS系统加入PID控制的仿真与分析32

4.5不同系统的比较仿真与分析36

5结论与展望40

5.1主要结论40

5.2不足之处及未来展望40

致谢41

参考文献42

附录43

1绪论

1.1本课题的研究背景和意义

目前汽车已经走入寻常百姓家中，人们对汽车需求逐渐增大。

随着科学技术的不断发展，对汽车操纵性能的要求也日益提高。

为了能使车辆停车或低速时，能够使方向盘转动轻松操作，又能够使汽车在高速行驶平稳，随着转向系统不断地向前发展，从机械式转向系统，到机械液压动力转向系统，再到电控液压助力转向系统，直至现代的节能，操纵性能更好的EPS阶段。

现代汽车技术追求节能、舒适和安全等三大目标。

节能与环境保护密切相关联，是当今全球性最热门和最受关注的话题之一。

电动转向器是一种新型的汽车转向系统,EPS系统能够根据车辆的状况，提高操纵性能、回正稳定性能、抗干扰性能，这些控制是在并不需要改变硬件而通过软件来实现。

传统的液压转向系统只具有单一的特性曲线,并不具备提高上述性能的能力。

虽然在液压动力转向系统中装有电子伺服系统,构成了电控液压助力转向系统,虽然能够获得可变操纵力特性,但响应性能和传动效率等原有系统的固有缺陷并没有得到很好的改善。

电动助力转向系统的优势体现在下面几个方面：

（1）采用电能做能源,利于环保。

EPS产品的重复利用率相当高。

传统的液压转向系统的回收利用率只有85%左右，而EPS中的95%可以再回收利用,另外EPS还可以降低了产生的噪声[1]。

（2）与液压系统相比,降低了燃油消耗。

与传统的液压系统相比，在不转向情况下和在转向情况下，燃油的消耗也得到不同种程度的降低。

（3）改善了车辆的回正性能。

通过试验可以容易得到从最低车速到最高车速的一系列的回正性能曲线,转矩性能能使电动转向系统转向能力得到显著的提高,同时提供了与车辆动态性能相适应与转向回正性能,而传统的液压助力转向系统没有此功能。

（4）增强了转向跟随性能,减小了转向迟滞效应。

在EPS中,助力机构和电机直接相连,其能量直接可用于车轮的转向。

EPS可系统利用惯性减振器的作用,使车轮的反转和转向前轮摆振很大的程度减小，从而使汽车EPS的抗扰动能力大大增强。

1.2国内外的发展概况

由于EPS元件少，所以方便组装，并特别适合于使用在小排量发动机的微型车。

一些发达国家，电动助力转向器比较成熟。

1988年2月，日本在铃木Cervo的汽车配备了EPS系统，然后应用到奥拓车。

在此之后，EPS在日本得到迅速发展。

日本HONDA公司，德国ZF和TRW公司，也已经开发自己的EPS。

本田在爱克NSX跑车配备了EPS，市场反应效果良好。

DAIHATSU的MIRA汽车，三菱汽车MINICA也配备了EPS系统[2]。

欧洲和美国研发EPS投入了巨大的财力和人力。

德尔福汽车成功为大众波罗、欧宝和菲亚特Punto开发了EPS。

TRW自1998年以来，开发的EPS最初应用于乘用车，但以后用在福特嘉年华和Mazda323F的汽车，两大汽车公司TRW和德尔福EPS生产能力已达40万台，并在全球汽车零部件市场销售[3]。

在2000年，德国梅赛德斯奔驰和西门子汽车两家公司共同投资6500万英镑[4]。

目前，EPS已被应用在汽车上，其优异的性能已得到公认。

随着直流电动机性能的不断改进,EPS助力能力将进一步地提高，并进一步扩大其应用范围，并将可能在动力转向领域中占据主要地位。

根据某公司的预测,2020年全世界所生产的轿车中将有50%装有EPS。

尤其是混合动力汽车（HEV）、低排放汽车（LEV）、电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCEV）四大“EV”车，将能够构成汽车未来发展的主题，带来EPS光明的应用前景[5]。

EPS技术在国外日趋成熟。

为了以进一步扩大市场份额，日本Jtekt、日本Seiko、韩国万都、美国Delphi、德国ZF等相继在中国成立了EPS生产企业，这些企业占据并垄断着国产车型EPS市场。

在中国，EPS研究起步较晚，国内汽车电子行业的整体发展落后，再加上国外的技术垄断和封锁，可以实现大规模生产的国内生产商少，导致装配率较低。

数据显示，2009年，国内汽车产销量1300万以上，但EPS只有14%装配率，外商独资企业和合资企业占约81%的EPS市场，而当地企业只占有约9%的市场份额。

自主品牌奇瑞A3，荣威，夏利N5和吉利豪情等高端车装备EPS，其他品牌很少装配的EPS，而荣威系列和奇瑞A3自主汽车产品，高价格，但销量不大，合资车标准EPS类型主要有：

一汽丰田，一汽大众迈腾，一汽丰田皇冠和锐志，一汽丰田RAV4，上海大众SkodaOctavia，东风本田CR-V，广汽丰田汉兰达，上海排量2.0升大众Tiguan。

这些高端汽车的市场销售，价格均超过15万[6]。

国内部分院校，科研机构和企业的EPS技术的研究和开发已初见成效。

中国太平洋世纪汽车系统有限公司，通过了收购通用汽车的耐世特汽车转向系统业务，有可能获得EPS核心技术[7]。

1.3本课题应达到的要求

本文首先对EPS的工作原理及国内外现状作了分析，分别建立了机械转向系统数学模型、EPS动力学的数学模型，同时粗略介绍电动转向系统中的三种控制模式：

助力控制模式，回正控制模式，阻尼控制模式。

通过数学模型和PID控制理论进行助力控制模式MATLAB\Simulink仿真分析。

（1）论述了EPS系统的特点、优点、主要类型以及研究现状和发展前景。

（2）介绍了EPS系统的组成和工作原理。

（3）应用MATLAB\Simulink软件分别建立机械转向系统、EPS系统、基于PID控制的EPS的模型，进行EPS仿真，最后给出PID控制策略。

（4）给出本文研究的结论、不足之处和展望。

2电动转向系统的动力学模型

2.1电动转向系统的结构和工作原理

图2.1是典型的转向轴式电动助力转向系统结构简图，电动助力系统是根据机械转向系统的基础上进行改进的。

图2.1EPS系统结构简图[8]

该电动助力转向系统主要由四部分构成，分别为机械转向装置、转向助力机构、扭矩传感器和ECU控制装置。

1、助力电机

助力电机的主要功能是根据控制单元的指令输出合适的助力转矩，是电动转向器的动力源，采用无刷永磁式直流电动机。

。

表2-1是本课题所采用电机的参数。

最大电流

35A

额定电压

12V

额定转速

1210rmp

额定扭矩

1.76N.m

感应系数

150μH

电枢绕组电阻

0.15Ω

2、离合器

离合器使用电磁式离合器，它案装在减速机构一侧。

根据车速的快慢来控制离合器的控制单元，其作用是确保EPS只能在预先设定的车速范围内工作。

如果停车或车速低于设定值，接合离