汽车电动助力转向系统的匹配分析及优化设计

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汽车电动助力转向系统的匹配分析及优化设计
EPS系统由电机提供助力， 助力大小由电控单元( ECU )实时调节与控制， 可以较好地解决汽车转向系-直存在着􀀂轻 与􀀂 灵 的矛盾[ 1] 。EPS作为汽车操纵的-个子系统， 是-个机械装置和电气装置紧密结合的系统， 其关键部件的主要参数同整车动态性能及稳定性密切相关。因此， 必须全面研究EPS子系统与整车大系统之间的性能匹配问题。但是， 由于EPS系统的复杂性及与整车性能的相互制约， 目前的研究大都还是局部的， 也没有真正解决系统稳定性与控制性能之间的矛盾。这就需要深入研究EPS系统动力学特性、EPS与汽车性能协调系统的理论及综合控制的优化， 从而为汽车转向操纵性能的提高打下良好的基础， 获得更加完美的整车性能。
笔者在建立了线性三自由度汽车模型与EPS系统集成的数学模型基础上， 采用单参数自适应模糊PD控制策略， 通过时域和频域的仿真计算， 考察了EPS主要参数对整车动态性能的影响， 并对电动机械科学与技术第29卷助力转向系统的稳定性匹配进行了分析， 推导了EPS系统的稳定性判断条件。在此基础上， 建立了汽车系统和电动助力转向系统的综合系统多目标优化设计模型， 并采用遗传算法工具箱对EPS的主要参数进行了优化设计。最后对所设计的参数和控制算法的有效性进行了试验验证。
1􀀁 转向系统数学模型
1􀀂1􀀁 汽车三自由度转向模型
为了研究EPS 系统的动态特性及其与整车之间相互制约、相互影响的匹配关系， 这里引入三自由度的汽车转向模型[ 2] 。以前轮转角􀀁(转向盘转角)作输入时， 整个汽车的运动状态可以用3个广义坐标: 航向角􀀂、质心侧偏角 和车身侧倾角! 来表示， 如图1和图2所示。
图1􀀁 转向俯视图
图2􀀁 转向后视图
根据达朗贝尔原理， 可将三自由度车辆运动微分方程表示为1􀀂2􀀁 EPS系统动力学模型EPS的机械部分主要由转向盘和转向轴、电动机、减速机构和齿轮齿条组成。根据系统的使用条件和研究对象， 对EPS 各部件进行简化， 然后根据牛顿运动定律建立各部分的力学模型， 再根据各部件之间的相互约束关系， 联立各模型， 得到EPS 系统的动力学方程式中: #h 为转向轴的旋转角; #m 为电动机的转角; x r为齿条的位移; Th 为作用在转向盘上转矩; Tm 为电动机电磁转矩; F∃ 为路面的随机信号， 其余参数含义与文献[ 3]相同。
1􀀂3􀀁 EPS系统与整车集成模型根据以上分析， 通过状态变量的偶合关系， 建立线性三自由度汽车模型与EPS系统的集成数学模型。
状态变量为
􀀁 􀀁 控制输入量为u [Th， Tm， F ∃ ]
T
􀀁 􀀁 输出量为Y [w r， b， P， f， qh， xr， qm， 􀀁 qm， Tsen ]
T
􀀁 􀀁 得到系统的状态方程为X !
AX B u
Y CX Du
( 7)
2􀀁 助力控制系统设计采用单参数自适应模糊PD控制来确定助力电