《EPS系统基本助力控制策略设计案例》3300字

EPS系统基本助力控制策略设计案例综述目录TOC\o"1-2"\h\u14362EPS系统基本助力控制策略设计案例综述 1165861.1EPS系统基本助力控制策略设计 1250201.2转矩控制环设计 2139671.2.1助力特性曲线 259011.2.2转矩前馈控制器设计 417631.3电流控制换设计 6145641.3.1永磁同步电机的矢量控制 7158761.1.2永磁同步电机的矢量控制 8在第三章建立的EPS系统模型的基础上，设计了基本助力控制策略。在EPS系统中，基础助力控制策略决定了系统的整体性能。EPS系统的最佳控制策略是实现基本的动力转向功能，以满足低速轻转向和高速平稳转向的要求；同时，EPS系统具有较高的响应速度和较强的转向抖动抑制性能。提供更舒适、更精确、更具操控性和路感的驾驶体验。1.1EPS系统基本助力控制策略设计按照模块化控制的设计思想，设计了EPS系统控制策略，其中包括图1.1中所示的转矩型控制环、电流型控制环。二大控制环对被控对象构成闭环控制。这些优秀的转矩控制环设计能够保证系统快速、准确地跟踪驾驶员的转向力矩，从而达到助力的基本要求。EPS系统可以有效地抑制EPS系统的转矩波动，从而减小对驾驶员手感的不利影响，从而使EPS系统具有良好的路感跟踪性能；优良的电流控制环设计可以提高助力电机的响应速度，减小助力电机的转矩波动。图1.1EPS系统控制策略示意图从图1.1可以看出，转矩控制环的主要输入为速度信号和转矩传感器信号输出为目标转矩信号。其中，电流控制环的主要输入为目标电流，输出为实时马达电流和马达助力力矩，其中，实时马达电流用于电流控制环中的电流反馈控制。下面将深入研究转矩控制环的设计与优化，它对系统稳定性和转矩波动有很大的影响。1.2转矩控制环设计1.2.1助力特性曲线助力器特征描述的是电机助力转矩随转矩传感器的转矩和速度的变化规律。为获得良好的转向操纵性能，对助力特性的要求如下：当车速提高时，电动机助力转矩应逐渐减小。转向系统在低速时能提供较大功率，而在高速时能提供较小功率，以确保低速时转向较轻，高速时转向较稳定。满足路面强度要求的车辆数随着速度的增加而增加。当转矩传感器的转矩小于某一阈值时，电机助力转矩应设为零。这样可保证助力电动机在不转动的情况下不工作，避免了不必要的频繁起动，提高了助力电动机的使用寿命，降低了其能耗。司机还能获得较好的中间位置感。当转矩传感器转矩较大时，电机助力转矩也较小，使驾驶员有较好的中间位置感；当转矩传感器转矩较大时，电机助力转矩也较大，使驾驶员有较好的转向轻便性。由图1.2显示的是当前常用的助力特性曲线。常见的助力特征有直线型、折线型和曲线型等不同曲线。调试简单直接，曲线型复杂难于调试，折线型复杂难于调试，调试难于复杂难于调试。图1.2助力特性曲线曲面助力特性曲线平滑，可获得良好的转向手感，且综合性能最优。所以本论文所研究的EPS系统采用曲线助力特性曲线。因助力特性曲线形状变化较小，使转向手感有明显的可知性差异，故理想助力特性曲线的最终确定需要经过精细的实车标定。在EPS系统的初始开发阶段，通常采用线性辅助特性曲线进行预开发。但在今后的发展中，主要是基于虚线的辅助特性曲线进行改进。最终优化曲线形状的增强特性曲线是在点增强特性曲线的基础上拟合光滑多项式曲线或样条曲线形成的曲线增强特性曲线。1.2.2转矩前馈控制器设计在一般的EPS系统中，通常采用前馈控制器来减少被调量动态偏差。采用转矩前馈控制器对EPS系统的干扰转矩进行补偿。在有力矩扰动的情况下，力矩前馈控制器立即控制被调量，补偿扰动对被控对象的影响，减小助力增益变化对系统传递特性的影响，使系统保持稳定。同时保证EPS系统具有良好的动态性能，使驾驶员在转向时系统能够迅速作出响应。如图1.3转矩前馈控制结构示意图，汽车车速信号v和转矩传感器信号Ts。经过助力特性曲线后，得到电机参考助力转矩Tmu。电机参考助力转矩Tmr通过转矩前馈控制器后得到目标转矩Temd，利用转矩前馈控制器对转矩扰动进行转矩前馈补偿，降低目标转矩的波动。图1.3转矩前馈控制结构示意图若不考虑助力增益变化对EPS系统传递特性的影响，假设系统的传递特性不变，1.4经典前馈-反馈控制结构示意图可以将EPS系统的转矩控制策略简化为图1.4所示经典前馈-反馈控制结构。EPS系统实际工作过程一般以传递函数作为被控制对象的传递函数。图1.3中代表被控对象模型，而代表前馈控制器，代表反馈控制器，代表可测扰动作用到过程输出的传递函数，D(s)代表扰动，R(s)代表目标输入，U(s)代表系统输入，代表前馈输出，Y(s)代表过程输出。由图1.4得到以下等效计算公式:（1.1）为了使扰动D(s)对系统性能的影响降到最低，可令:（1.2）则前馈控制器可以上式计算:（1.3）特别的，当的时候，由上式可得:（1.4）在系统传递特性不变的前提下，由于被控对象系统传递函数的最高阶次为8阶，所以前馈控制器也是一个8阶的控制器。图1.5所示为被控对象系统传递函数与前馈控制器的伯德图，如果两者阶次一样，则经过前馈控制控制后的系统传递函数应该为一个具有较高带宽和谐振峰值较小的低通滤波器，这样的系统响应迅速，且具有较好的稳态性能。如图1.5带控制器的系统传递函数伯德图所示。图1.5传递函数伯德图1.3电流控制换设计在EPS系统实际工作中还存在其他扰动,但是，只有利用前馈控制才能克服这些主要干扰的影响；另外，一些干扰难以测量，无法进行前馈补偿，为充分利用前馈和反馈控制的优点，在EPS系统中采用前馈-反馈控制相结合的复合控制系统，对上文分析的转矩扰动进行前馈控制，而其余的扰动影响则利用反馈控制来克服。而且当前馈控制不够理想时，反馈控制可以削弱转矩扰动对被调量的影响。即从控制的角度分析，前馈控制用于减小调节量的动态误差，反馈控制用于消除系统稳态时的静态误差。因此，EPS系统采用转矩前馈控制，电流反馈控制。1.1.1永磁同步电机的矢量控制一般永磁同步电机在旋转同步旋转坐标系下（d-q坐标系）的电流方程为:（1.5）电磁转矩方程为：（1.6）通过以上两个方程的分析，可以看出在旋转同步旋转坐标系下的永磁同步电机是非线性耦合的。电磁转矩T。同时取决于电流直轴分量和电流交轴分量。若直轴与交轴之间的耦合项得到补偿，则定子电压直轴分量可以直接驱动电流直轴分量。而定子电压交轴分量可以直接驱动电流交轴分量，进而驱动电磁转矩T。该方法通过电流直轴量和交轴量的解耦，实现了磁场和转矩的解耦控制。因此，永磁同步电动机的控制性能与直流电动机相似。其矢量控制是基于坐标变换理论，通过控制电流在d-q坐标系中的大小和方向，可以对电流、磁场和转矩进行解耦控制。这种控制方法可以让电机获得良好的性能，在永磁同步电机控制中得到了广泛的应用。电流方程与电磁转矩方程符号定义如表1.1所示:符号含义数值单位id电流直轴分量-AIq电流交轴分量-Aud定子电压直轴分量-Vuq定子电压交轴分量-VWr永磁同步电机的电角速度-rad/sTe电磁转矩极对数-NmP定子电阻4-Rs定子绕组直轴电感0.015ΩLd定子绕组交轴电感110e-6HLq定子磁链111e-6HYf电流直轴分量0.0083Wb电流控制环是三相永磁同步电机矢量控制技术的重要部分之一，其目的是保证电机定子实际电流更趋近于目标电流矢量，并改善系统的动态响应特性和稳定性。对于同步旋转坐标系下的电流控制，一般采用滞环电流控制和电流反馈控制等。1.1.2永磁同步电机的矢量控制基于式一般永磁同步电机在旋转同步旋转坐标系下（d-q坐标系）的电流方程与电磁转矩方程的永磁同步电机模型进行控制器的开发与设计，电流反馈控制器采用电流环PI（Proportional-Integral）控制器。d轴电流控制器传递函数:（1.7）其中，d轴电流控制器的比例增益为Ka，积分增益为Ka。q轴电流控制器传递函数:（1.8）其中，q轴电流控制器的比例增益为Kp，积分增益为Ka。为了确定控制器的参数，将电流解耦后得到直轴电压和交轴电压:（1.9）上式经过拉氏变换后，得到:（1.10）式q轴电流控制器传递函数与式（电流解耦后得到直轴电压和交轴电压结合前馈解耦控制策略，可得:（1.11）从上式可以发现，当采用前馈解耦控制策略时，PI控制器的参数决定了控