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汽车EPS动态特性及半实物仿真技术研究

作　者: 张军辉
导　师: 邓兆祥
学　校: 重庆大学
专　业: 车辆工程
关键词: 电动助力转向系统(EPS) 动态特性控制策略半实物仿真试验台架
分类号: U463.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

汽车转向系统是影响汽车操纵稳定性、主动安全性和舒适性的关键部件,是汽车横向动力学的主要研究课题。电动助力转向系统(EPS)由于其节能、环保、更加优越的操纵性能和转向路感等特点,成为现在动力转向技术研究的焦点。目前国外的EPS系统已较为成熟,而国内的相关研发还处在初级阶段,我国汽车产业急需研究开发这种高新技术产品,因此,对这种转向系统进行研究和开发是很有必要的。本文对EPS系统的动态特性进行深入分析,并以EPS产品开发为目的进行了半实物仿真技术研究,主要研究内容如下:建立了EPS系统的非线性动力学模型;详细分析了转向阻力矩形成机理和特性,结合非线性Magic Formula半经验轮胎模型、三自由度整车模型,建立了较为完善的整体系统动力学模型。采用转向轻便性、转向回正性、转向灵敏度、转向路感和操纵稳定性作为EPS系统性能的评价指标。对EPS系统的转向灵敏度和转向路感在频域响应的动态特性进行了研究,推导了转向灵敏度和转向路感的传递函数,分析了EPS系统对转向灵敏度和转向路感的频域响应特性的影响,并考察了EPS系统中的主要参数对这两个性能的影响。在三种常见助力特性曲线的基础上设计了直线型助力特性曲线,采用助力控制和回正控制确定电动机的助力电流,通过方向盘转角信号判断控制模式的切换;通过PID控制算法跟踪目标电流,仿真结果表明跟踪效果良好。基于MATLAB\Simulink平台,对EPS系统和整车转向系统的模型及控制策略进行了仿真模型搭建。通过EPS系统的时域响应特性,从转向轻便性、转向回正性、转向灵敏度、转向路感和操纵稳定性这五个评价指标对EPS系统进行动态特性分析。研究表明,所设计控制策略的EPS系统具有良好的动态特性,中低速转向轻便性和中高速转向路感良好,转向灵敏度性能良好,转向回正性能和操纵稳定性能提高。最后,在分析现有台架的基础上,进行了台架试验设计和半实物仿真技术研究,搭建了EPS系统半实物仿真的软硬件平台,为进一步开展EPS性能和控制策略研究、产品开发和测试奠定了基础。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-14
  1.1 研究背景和意义  10
  1.2 EPS 系统概述  10-11
  1.3 国内外研究现状  11-13
  1.4 本文研究内容  13-14
2 EPS 系统动态特性模型  14-30
  2.1 EPS 系统动力学建模  14-19
    2.1.1 EPS 系统的基本结构和原理  14-15
    2.1.2 EPS 系统建模  15-17
    2.1.3 EPS 非线性分析及二自由度数学模型  17-19
  2.2 轮胎模型  19-22
  2.3 三自由度整车模型  22-26
    2.3.1 汽车运动坐标系  22-23
    2.3.2 轮胎侧偏角和加速度分量  23-24
    2.3.3 三自由度整车动力学模型  24-25
    2.3.4 车轮垂直载荷  25
    2.3.5 整车相关参数  25-26
  2.4 转向阻力矩分析  26-29
    2.4.1 转向系统的阻力矩  26-27
    2.4.2 转向轮的综合回正力矩  27
    2.4.3 原地转向阻力矩  27-28
    2.4.4 仿真分析  28-29
  2.5 本章小结  29-30
3 EPS 性能评价指标及其基于频域响应的动态特性分析  30-44
  3.1 EPS 系统性能评价指标  30-32
  3.2 转向灵敏度和转向路感表达式  32-35
    3.2.1 整车简化模型  32
    3.2.2 转向阻力矩简化模型  32-33
    3.2.3 转向灵敏度传递函数表达式  33-34
    3.2.4 转向路感传递函数表达式  34-35
  3.3 EPS 系统在频域的动态特性分析  35-43
    3.3.1 EPS 系统对转向灵敏度和转向路感的影响  35-37
    3.3.2 EPS 系统参数对转向灵敏度和转向路感的影响  37-43
  3.4 本章小结  43-44
4 EPS 系统控制策略研究和设计  44-56
  4.1 EPS 系统的控制模式  44-45
    4.1.1 助力控制  44-45
    4.1.2 回正控制  45
    4.1.3 阻尼控制  45
  4.2 助力特性分析及其设计  45-51
    4.2.1 助力特性曲线分析  45-48
    4.2.2 助力特性曲线的特征参数确定  48-50
    4.2.3 直线型助力特性曲线  50-51
  4.3 本文的控制策略  51-53
    4.3.1 控制模式及其切换方式  51
    4.3.2 控制算法  51-53
  4.4 本章小结  53-56
5 基于时域响应的 EPS 系统动态特性分析  56-68
  5.1 EPS 系统动力学及控制策略仿真模型  56-60
    5.1.1 整车转向模型  57-58
    5.1.2 EPS 系统模型  58-59
    5.1.3 EPS 系统及整车转向模型  59-60
  5.2 EPS 系统的时域动态特性分析  60-66
    5.2.1 转向轻便性分析  60-62
    5.2.2 转向回正性能  62-63
    5.2.3 转向灵敏度  63-64
    5.2.4 转向路感  64-65
    5.2.5 操纵稳定性  65-66
  5.3 本章小结  66-68
6 EPS 系统半实物仿真技术研究  68-78
  6.1 试验台架分析  68-69
  6.2 EPS 系统半实物仿真设计  69-72
    6.2.1 仿真系统  70-71
    6.2.2 实物系统  71
    6.2.3 半实物仿真原理  71-72
  6.3 关键部件分析  72-76
  6.4 小结  76-78
7 结论和展望  78-80
  7.1 结论  78-79
  7.2 展望  79-80
致谢  80-82
参考文献  82-85
附录  85
  A. 攻读学位期间所发表的学术论文目录  85

汽车EPS动态特性及半实物仿真技术研究

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