汽车电动转向器动力学建模与控制仿真分析

（空行） 中北大学信息商务学院 （空行） 毕业论文 电动汽车助力转向系统异步电机转差频率控制建 模及仿真 （空行） （空行） （空行） 学生姓名：XXX 学号：XXXX 系 另U ： XXXXXX 专 业： XXXXXX 指导教师：XXX 职称：XX （空行） XXXX 年 XX 月 XX H 居中 电动汽车助力转向系统异步电机转差频率是一种新型的电动汽车转向助力系统。文 章先对EHPS系统原理及结构进行说明，介绍了三种EHPS典型助力曲线，建立了机械转 向系统数学模型、EHPS系统数学模型，文中提出了 EHPS系统控制目标，说明了 EHPS 系统的PID控制策略，介绍了电动助力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，文章重点研究助力控制。并建立了机械转向系统、EHPS系统 和基于PID控制的系统三种数学模型，然后应用MATLAB的Simulink模块进行运动仿 真，通过调整参数和分析参数，来研究系统稳定性随参数变化的影响。仿真结果表明，所 设计的PID控制对能对转向系统模型进提供助力控制，同时能使系统满足很好的动态性 台匕 月匕。 关键词：助力转向系统异步电机转差频率；助力控制；MATLAB/Simulink；仿真 Abstract Electric Power Steering is a new automotive power steering system. This article first on the principle and structure of EHPS system are described, three kinds of typical EHPS power curve is introduced in this paper, the mathematical model of the system, the EHPS system mathematical model of the pure mechanical steering system is established in this paper, the target control of EHPS system, the control strategy of EHPS system of PID, this paper introduces three kinds of control mode of electric power steering in: power control mode, return control mode, the damping control mode, this paper focuses on the study of power control. Under pure mechanical steering system, EHPS system and PID power control of EHPS system based on the mathematical model, the application of MATLAB/Simulink simulation, parameters, and analysis of influence parameters on the stability of the system, and the use of PID control strategy for power control of the model, and that the system can meet the dynamic performance is very good. Key words: electric power steering ; assist control; MATLAB/Simulink; simulation IV 摘要 II Abstract Ill 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 4 2.1电动转向系统的结构和工作原理 4 2.2EHPS典型助力曲线 6 2.3 EHPS动力学的模型 8 2.3.1机械转向系统数学模型 8 2.3.2 EHPS系统的模型 10 2.4 EHPS稳定性与转向助力增益分析 13 2.4.1转向助力增益的确定 13 2.4.2 EHPS稳定性与转向助力增益关系 14 3 EHPS系统控制分析 19 3.1系统控制的目标 19 3.2 EHPS系统的控制策略 19 3.3系统的控制模式 21 3.4系统的补偿控制 22 3.4.1补偿控制原理 22 3.4.2补偿控制的作用 22 4 EHPS系统的仿真与分析 23 4.1 MATLAB/Simulink仿真平台的介绍 23 4.2系统仿真参数取值 23 4.3机械转向系统仿真与研究 24 4.3.1机械转向系统的Simulink模型 24 4.3.2电动汽车机械转向系统在阶跃输入时不同参数下的仿真研究 26 4.3.3不同参数对系统性能影响的仿真分析 33 4.4 EHPS转向系统仿真与研究 33 4.4.1 EHPS 系统的 Simulink 模型 33 4.4.2 EHPS系统加入PID控制的Simulink模型 35 4.4.3 EHPS系统加入PID控制的仿真与分析 38 4.5不同系统的比较仿真与分析 42 5结论与展望 46 5.1主要结论 46 5.2不足之处及未来展望 47 致谢 47 参考文献 48 附录 50 1绪论 1.1本课题的研究背景和意义 目前电动汽车已经走入寻常百姓家中，人们对电动汽车需求逐渐增大。随着科学技术 的不断发展，对电动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，又能够使电动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EHPS阶段。现代电动汽车技术追求节能、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。 助力转向系统异步电机转差频率是一种新型的电动汽车转向系统.EHPS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： ⑴采用电能做能源，利于环保。EHPS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EHPS中的95%可以再回收利用，另外EHPS还可以降 低了产生的噪声⑴。 (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EHPS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。EHPS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，从而使电动汽车EHPS的抗扰动能力大大增强。 1.2国内外的发展概况 由于EHPS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的电动汽车配备 了 EHPS系统，然后应用到奥拓车。在此之后，EHPS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EHPS。本田在爱克NSX跑车配 备了 EHPS,市场反应效果良好。DAIHATSU的MIRA电动汽车，三菱电动汽车MINICA 也配备了 EHPS系统⑵。欧洲和美国研发EHPS投入了巨大的财力和人力。德尔福电动汽 车成功为大众波罗、欧宝和菲亚特Punto开发了 EHPSo TRW自1998年以来，开发的EHPS 最初应用于乘用车，但以后用在福特嘉年华和Mazda323F的电动汽车，两大电动汽车公 司TRW和德尔福EHPS生产能力已达40万台，并在全球电动汽车零部件市场销售⑶。在 2000年，德国梅赛德斯奔驰和西门子电动汽车两家公司共同投资6500万英镑⑷。 目前，EHPS已被应用在电动汽车上，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,EHPS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EHPSo尤其是混合动力电动汽车(HEV)、低排放电动汽车(LEV)、电动电动汽车 (EV)和燃料电池电动汽车(FCEV)四大“EV”车，将能够构成电动汽车未来发展的主题， 带来EHPS光明的应用前景⑸o EHPS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 EHPS生产企业，这些企业占据并垄 断着国产车型EHPS市场。在中国，EHPS研究起步较晚，国内电动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，国内电动汽车产销量1300万以上，但EHPS只有14%装 配率，外商独资企业和合资企业占约81%的EHPS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EHPS,其他品牌很少 装配的EHPS,而荣威系列和奇瑞A3自主电动汽车产品，高价格，但销量不大，合资车标 准EHPS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Skoda Octavia,东风本田CR-V,广汽丰田汉兰达，上海排量2.0升大众Tiguan。 这些高端电动汽车的市场销售，价格均超过15万的。 国内部分院校，科研机构和企业的EHPS技术的研究和开发已初见成效。中国太平洋 世纪电动汽车系统有限公司，通过了收购通用电动汽车的耐世特电动汽车转向系统业务， 有可能获得EHPS核心技术⑺。 1. 3本课题应达到的要求 本文首先对EHPS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、EHPS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 EHPS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 EHPS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、EHPS系统、基于PID控制 的EHPS的模型，进行EHPS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2.1 EHPS系统结构简图圆 该电动