电动助力转向系统控制器设计外文翻译资料

 2022-08-12 03:08

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电动助力转向系统控制器设计

Dongwook Lee, Kyung-Soo Kim, Member, IEEE, and Soohyun Kim

摘要——本文简要介绍了一种分析电动助力转向(EPS)系统稳定性和控制器设计的新方法。设计转向系统时,最重要的任务是确保驾驶员对转向感觉满意。转向感觉的方式取决于辅助扭矩图。辅助扭矩图是感应到的驾驶员扭矩和随车速变化的辅助电机扭矩之间的一对一图。然而,由于转向助力增益的高水平和扭矩地图的非线性,助力扭矩地图不能作为EPS控制器单独应用。扭矩图谱的两个要素都可能导致不稳定,从而导致转向系统的振动或发散。因此,EPS系统的设计往往需要一个稳定补偿器和一个辅助转矩图。设计补偿器的目的是使系统具有鲁棒性,并能衰减任何不愉快的振动。简要介绍了EPS系统的力学模型,给出了模型参数的识别方法。在EPS模型的基础上,分析了具有近似线性转矩映射和非线性转矩映射的系统的稳定性。此外,还提出了稳定补偿器的设计准则。在仿真中采用不同参数的超前-滞后补偿器,并结合转矩图进行车辆试验,验证了理论分析的正确性。

关键词----控制器设计,电动助力转向(EPS),稳定性分析,系统非线性

  1. 绪论

电动助力转向(EPS)是一种由电机支撑的动力转向系统,有助于为驾驶员提供轻便方便的转向感觉。今天,大多数乘用车都配备了EPS系统来支持驾驶员,而不是液压动力转向系统,因为它有很多优点[1]。这些优点包括燃油效率高、体积小、易于调节的转向感觉,以及将系统与车辆中的其他电控系统(如电动稳定控制系统)结合的能力。

扭矩图是EPS控制器的主要组成部分,它决定了电机辅助转向扭矩的大小。扭矩图在测量的驱动器扭矩和来自电机的辅助扭矩之间提供非线性增加函数。扭矩图的形状决定了驾驶员的转向感受[2]。通常,当速度为零时,扭矩图的斜率是最陡的,然后随着速度的增加而减小,因为当车辆停驻时,转向所需的扭矩最大,当车辆快速行驶时,驾驶员需要感觉到转向更重,以实现稳定性。低速时高水平的控制器增益和转矩映射的非线性可能是系统不稳定和振动的来源[3],[8];因此,除了转矩映射外,还需要稳定补偿器来完成EPS控制器。然而,为电动助力转向系统设计一个合适的控制器已经成为一个具有挑战性的问题,原因有很多[4]。当存在未建模动态和参数不确定性时,控制器需要具有鲁棒性。参数调整是一个挑战,因为即使是同一类型的车辆,每辆车的系统参数也会有一些变化。此外,由于转向系统与人的手相互作用,这可能是敏感的,一个好的控制器设计应该消除不良的振动。

已有许多研究表明,各种形式的EPS控制器可以使系统稳定。参考文献[5]在EPS模型的基础上提出了稳定条件,并利用固定结构补偿器来稳定系统,使转矩振动最小化。参考文献[6]使用频率加权阻尼补偿器来增加系统的相位裕度,但相位裕度的增加范围受到限制。参考文献[7]采用H-无穷大控制来辅助扭矩,改善转向手感,增强闭环鲁棒性。其局限性在于所提出的H-无穷大控制具有很高的阶次,不能消除振动。文献[8]提出了一种鲁棒积分滑模控制器来产生辅助转矩,稳定系统,改善EPS阻尼特性。文献[9]提出了一种双齿轮电动助力转向系统的最优线性二次型调节器控制器。

以往对EPS控制器设计的研究存在一定的局限性。首先,大多数研究将非线性转矩映射近似为简单的线性增益,没有分析非线性对系统稳定性的影响。线性化系统只代表工作点邻域内的动态特性,系统的非线性元件往往会引起独特的现象,而这种现象在线性系统中是不可能发生的。虽然线性化系统是稳定的,但转矩映射等非线性元件会引起系统的不稳定,这直接关系到系统的发散或剧烈振动。其次,所提出的控制器仅通过仿真或台架试验加以验证。模拟和台架试验是非常受限的环境,不能反映实际车辆的所有特性。计算机模拟不能表示系统的未建模动态。此外,在模拟和台架试验环境中,很难重新生成通过轮胎。由于轮胎的显著非线性特征,轮胎反作用力很难建模[10]。当车辆处于驻车档时,这一点尤其明显,因为辅助增益很大,这是系统稳定性最差的情况。最后,许多研究者提出了太复杂的控制器在实际应用中无法实现。在开发商用车时,强烈避免了大量的计算工作。

图1.EPS系统模型

本文提出了一种用非线性转矩映射分析EPS系统稳定性的新方法,并给出了给定转矩映射设计稳定补偿器的全过程。将EPS系统建模为扭簧连接的两个集中质量,并提出了模型参数辨识方法。分别在Laplace域分析了转矩映射的大增益和非线性两种潜在不稳定源的影响,并给出了设计稳定补偿器的准则。在频域内采用超前-滞后补偿器作为环路成形的稳定补偿器,并提出了补偿器参数选择的设计方法。最后,通过仿真和车辆试验验证了理论分析的正确性。

  1. EPS系统建模与辨识

1,EPS系统模型

根据电机附件的位置,EPS系统有三种类型:立柱式、小齿轮式和齿条式。为了便于研究,我们选择了柱型EPS系统,其动力学模型如图1所示。图中和本文中所示的每个参数和变量的含义见表一。EPS动态模型由四个质量组成:方向盘、转向柱、电机和齿条。方向盘和转向柱通过一个包含弹性扭杆的扭矩传感器连接,电机和齿条分别通过蜗轮和小齿轮连接到转向柱上。根据牛顿第二运动定律,每个质量的运动方程可以在下面(1)–(4)中观察到。

表 1

模型参数与变量

符号

说明

J1

方向盘转动惯量

C1

方向盘阻尼系数

Jc

柱的转动惯量

Cc

柱阻尼系数

K

扭矩传感器的扭转刚度

Mr

机架质量

Cr

齿条阻尼系数

Jm

电动机转动惯量

Cm

电动机阻尼系数

?1

方向盘角度

?2

柱角

?m

电机角度

xr

齿条位移

?h

驱动器扭矩

?m

电动机转矩

Fload

来自轮胎的齿条负载力

iq

q轴电流

Km

q轴电流与辅助扭矩?a的电机常数

rp

小齿轮半径

N

传动比

方程式(5)表示齿条、小齿轮和蜗轮的传动比

方程式(2)–(4)可整合为一个集中质量方程式(6),并用等效惯性矩和阻尼系数进行简化

J2和C2表示集中质量的等效惯性矩和阻尼系数,tau;a和tau;l表示等效辅助力矩和负载力矩。

此外,(8)和(9)描述了扭矩传感器处的测量扭矩和控制器处计算的辅助电机扭矩参考值

h(?s)表示包含非线性转矩映射和补偿器的控制器。

每个驱动器都有自己的带宽,因此,电机动力学可以表示为截止频率omega;m的低通滤波器

图2.EPS系统框图

表二

系统辨识实验条件

信号类型

正弦函数

振幅

5,7,9Nm

频率

F=a0ri-1,i=1,2hellip;51

a0

1Hz

r

1.0615

Km

0.8764

图2示出了整个EPS系统的框图,该框图描述了系统从外部输入(驾驶员扭矩和道路干扰)到系统状态(手柄和转向柱角度)的流程。

2, 模型参数辨识

基于模型的控制器总是需要系统辨识来确定模型参数的值。用于精确系统辨识的方法与开发良好的系统模型一样重要。这是因为一个好的控制器设计模型没有建模参数值是无用的。

为了识别参数值,我们将不同频率的电机激励的系统响应与模型中的系统传递函数进行了比较。为确保除了电机转矩(?l=0和?h=0)外,没有任何外部转矩,给车辆提供了提升和自由操作条件。在这些条件下,电机以不同频率的正弦输入激励系统,柱角、电机电流和扭矩传感器值均作为系统输出变量进行测量。实验条件见表二。通过对(1)和(6)进行升力(?l=0)和自由手柄条件(?h=0)的修正,我们可以获得从辅助扭矩到转向柱角度和扭矩传感器以及从扭矩传感器到转向柱角度的传递函数,如(11)–(13)所述

图3.由实验结果和传递函数得到的?2/ ?s量级的伯德图

图4.由实验结果和传递函数得到的?s/ ?a量级的伯德图

方程(13)只包含参数J1、C1和K;因此,如果我们从传感器规格中知道K,我们可以找到J1和C1的值,这将使传递函数(11)与每个频率的实验结果之间的平方误差之和最小

求J1,C1满足

mine=sum;[Ampexp(omega;i)-Ampmodel(omega;i)]2.

然后,基于J1、C1和K的值,我们可以用同样的方法用(11)找到J2和C2的值。在这个实验中,我们使用了现代汽车的i30。方程(14)是对每个参数进行拟合的结果,图3和4用伯德图的拟合值比较了实验结果和传递函数

图5.EPS的扭矩图

图6. EPS的控制器结构

  1. 稳定性分析与控制器设计

1,控制器结构

当驾驶员向方向盘施加转向扭矩时,扭矩传感器用(8)测量扭矩并将其输出至EPS系统的控制器。EPS控制器在测量的扭矩通过扭矩图和补偿器后确定电机的辅助扭矩。我们使用(15)设计了一个类似于图5的典型转向特性图。?a*是通过稳定补偿器前的辅助扭矩值

扭矩图在?s0下有死区,以防止

系统对驾驶员扭矩的反应过于敏感,尤其是在高速行驶时。死区是控制器非线性的一个来源。Kv随车速的增加而减小,因为在停车状态下,驾驶员需要较大的辅助扭矩,而在高速行驶时则需要较小的辅助扭矩。应用于传统车辆上的扭矩图的曲线形状比图5更平滑,但为了便于分析,我们使用了带死区的比例函数。

控制器还需要某种形式的稳定控制器,因为高辅助增益和转矩映射的非线性使得系统不稳定。在本文中,我们使用超前-滞后补偿器作为稳定滤波器,使得EPS控制器的结构类似于图6。超前-滞后补偿器位于转矩映射之后,在保证整个EPS系统的稳定性和抑制振动的同时,使控制器具有动态特性。超前-滞后补偿器的传递函数为

表达式Glt;

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