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基于H_∞的电动助力转向系统控制器设计与研究

作　者: 刘爱博
导　师: 熊国良；刘举平
学　校: 华东交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 电动助力转向动力学建模 H_∞鲁棒控制电子控制单元
分类号: U463.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 47次
引　用: 1次
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内容摘要

转向系统是关乎汽车操纵稳定性、乘适性与驾驶安全性的关键系统之一。电动助力转向系统是一种新型的汽车助力转向系统,它通过电子控制单元控制助力电动机以提供助力转矩,可实现随车速变化调整助力转矩的大小,保证汽车转向在低速时轻便灵活,高速时稳定可靠。与其它的助力转向系统相比,电动助力转向系统具有技术先进、能耗低、驾驶安全性高、环保等优点,是一项紧扣汽车发展主题的高新技术产品,符合现代汽车电子化、智能化、低碳的发展要求,已经成为助力转向系统的研究热点。本论文以转向轴助力式电动助力转向系统为研究对象,对其进行了动力学建模;基于H_∞对其进行了控制方法的研究;设计了与其相匹配的电子控制单元并进行了试验台试验研究。首先,建立了电动助力转向系统的动力学简化模型、线性二自由度车辆动力学简化模型与轮胎力学模型;同时,建立了电动助力转向系统各机械部分与线性二自由度车辆的动力学方程;结合线性二自由度车辆的动力学简化模型与轮胎力学模型分析了转向阻力矩,并以此推导出了等效到输出轴上的转向阻力矩的方程;对电动助力转向系统的“路感”进行了分析,以此得出了转向轻便性与“路感”这对矛盾产生的缘由。其次,针对电动助力转向系统中存在的传感器噪声与路面干扰,将基于混合灵敏度优化问题的H_∞应用于对它的控制;设计了混合灵敏度H_∞鲁棒控制器,并在MATLAB/Simulink中进行了仿真研究;与没加控制器与采用PID控制器的情况进行了仿真比较,以此得出了采用H_∞鲁棒控制器能有效地遏制传感器的噪声与路面干扰,增强了控制系统鲁棒性的结论。再次,根据汽车电子学的相关标准,选用美国Freescale公司开发的MC9S08GB60A微控制器、电源管理器件与前置驱动器件,设计了电子控制单元的硬件电路与软件。硬件电路方面,设计了电源管理电路、输入接口电路、助力电动机的电枢电流采样电路、检测与失效保护电路、故障显示电路与助力电动机的驱动电路,并详细阐述了这些电路的工作原理。软件方面,分析了电子控制单元的软件控制流程,完成了控制软件的总体设计;编写了主程序、底层中断程序与通信程序;在H_∞鲁棒控制的算法实现方面有所创新。同时,讨论了硬件电路设计与软件设计的抗干扰措施。最后,对所设计的电子控制单元进行了试验台试验研究。分别把没加校正控制算法的程序、加入PID控制算法的程序与加入H_∞鲁棒控制算法的程序写入微控制器进行了三次试验。比较并分析了部分试验的结果,以此得出了H_∞鲁棒控制能显著地增强电子控制单元鲁棒性的结论。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
主要符号说明  10-13
第一章绪论  13-18
  1.1 本论文研究的背景、目的与意义  13-15
  1.2 H_∞鲁棒控制在EPAS控制系统中应用的研究现状  15-17
    1.2.1 国外的研究现状  15-16
    1.2.2 国内的研究现状  16-17
  1.3 本论文研究的主要内容  17
  1.4 本章小结  17-18
第二章 EPAS系统的动力学建模  18-28
  2.1 EPAS 系统的组成与工作原理  18-19
  2.2 EPAS 系统动力学简化模型的建立  19-21
    2.2.1 EPAS 系统各机械部分动力学方程的建立  19-20
    2.2.2 传动比的确定  20-21
  2.3 线性二自由度车辆动力学简化模型的建立  21-23
    2.3.1 线性二自由度车辆的基本假设  21-22
    2.3.2 线性二自由度车辆动力学方程的建立  22-23
  2.4 EPAS 系统的 TCXT分析  23-26
    2.4.1 轮胎的力学模型  23-25
    2.4.2 T’cxt方程的推导  25-26
  2.5 EPAS 系统的“路感”分析  26-27
    2.5.1 “路感”的定义  26
    2.5.2 EPAS 系统中影响“路感”的主要因素与解决方法  26-27
    2.5.3 路感强度方程的建立  27
  2.6 本章小结  27-28
第三章基于H_∞的 EPAS控制系统鲁棒控制器设计与仿真  28-43
  3.1 EPAS 系统控制过程中需要考虑的问题  28-29
    3.1.1 EPAS 系统动力学模型存在的不确定因素  28
    3.1.2 外部存在的干扰  28-29
    3.1.3 EPAS 系统的控制目标  29
  3.2 H_∞鲁棒控制  29-32
    3.2.1 线性时不变系统的描述  29-30
    3.2.2 H_∞鲁棒控制的数学基础  30
    3.2.3 H_∞鲁棒控制的标准设计问题  30-32
    3.2.4 EPAS 控制系统的 H_∞问题描述  32
  3.3 EPAS 控制系统 H_∞鲁棒控制器的设计  32-37
    3.3.1 H_∞鲁棒控制器设计的一般步骤  32-33
    3.3.2 混合灵敏度优化问题  33-34
    3.3.3 基于混合灵敏度优化问题的EPAS 控制系统H_∞鲁棒控制器设计  34-37
  3.4 仿真分析  37-41
    3.4.1 没加控制器的EPAS 系统仿真  37-39
    3.4.2 加入PID 控制器的EPAS 系统仿真  39-40
    3.4.3 加入混合灵敏度H_∞鲁棒控制器的 EPAS系统仿真  40-41
  3.5 本章小结  41-43
第四章 EPAS系统 ECU的硬件电路设计  43-63
  4.1 ECU 硬件电路的总体设计  43-44
  4.2 ECU 硬件电路的元器件配置  44-48
    4.2.1 MCU  44-47
    4.2.2 电源管理器件  47-48
    4.2.3 助力电动机的驱动器件  48
  4.3 电源管理电路的设计  48-50
  4.4 输入接口电路的设计  50-53
    4.4.1 υ信号处理电路的设计  50-51
    4.4.2 发动机转速信号处理电路的设计  51-52
    4.4.3 T_(ss)信号处理电路的设计  52-53
  4.5 I_M采样电路的设计  53-54
  4.6 检测与失效保护电路的设计  54-59
    4.6.1 车载蓄电池检测与失效保护电路的设计  54-56
    4.6.2 转矩传感器检测与失效保护电路的设计  56-57
    4.6.3 电磁离合器检测与失效保护电路的设计  57-58
    4.6.4 助力电动机检测与失效保护电路的设计  58-59
    4.6.5 温度监测电路的设计  59
  4.7 故障显示电路的设计  59
  4.8 助力电动机驱动电路的设计  59-61
  4.9 硬件电路设计的抗干扰措施  61-62
  4.10 本章小结  62-63
第五章 EPAS系统 ECU的软件设计  63-78
  5.1 软件控制的流程  63-64
  5.2 主程序的设计  64-71
    5.2.1 常规控制算法  65-68
    5.2.2 校正控制算法  68-71
    5.2.3 故障诊断与显示  71
  5.3 底层中断程序的设计  71-76
    5.3.1 输入捕捉子程序  71-72
    5.3.2 A/D 转换子程序  72-74
    5.3.3 PWM 信号占空比的调节子程序  74-76
  5.4 通信程序的设计  76-77
  5.5 软件设计的抗干扰措施  77
  5.6 本章小结  77-78
第六章 ECU的试验台试验研究  78-89
  6.1 试验的目的  78
  6.2 试验台的简介  78-80
  6.3 输入/输出转矩的性能试验  80-82
  6.4 输入轴转矩/马达电流的性能试验  82-85
  6.5 输入轴转矩/吸收电流的性能试验  85-87
  6.6 Υ/马达电流的性能试验  87-88
  6.7 本章小结  88-89
第七章总结  89-91
  7.1 主要工作的回顾  89
  7.2 本课题今后需要进一步研究的地方  89-91
参考文献  91-94
个人简历在读期间发表的学术论文  94-95
致谢  95

基于H_∞的电动助力转向系统控制器设计与研究

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