《EPS系統(tǒng)基本助力控制策略設(shè)計案例》3300字

EPS系統(tǒng)基本助力控制策略設(shè)計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u14362EPS系統(tǒng)基本助力控制策略設(shè)計案例綜述 1165861.1EPS系統(tǒng)基本助力控制策略設(shè)計 1250201.2轉(zhuǎn)矩控制環(huán)設(shè)計 2139671.2.1助力特性曲線 259011.2.2轉(zhuǎn)矩前饋控制器設(shè)計 417631.3電流控制換設(shè)計 6145641.3.1永磁同步電機(jī)的矢量控制 7158761.1.2永磁同步電機(jī)的矢量控制 8在第三章建立的EPS系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基本助力控制策略。在EPS系統(tǒng)中，基礎(chǔ)助力控制策略決定了系統(tǒng)的整體性能。EPS系統(tǒng)的最佳控制策略是實(shí)現(xiàn)基本的動力轉(zhuǎn)向功能，以滿足低速輕轉(zhuǎn)向和高速平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的要求；同時，EPS系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和較強(qiáng)的轉(zhuǎn)向抖動抑制性能。提供更舒適、更精確、更具操控性和路感的駕駛體驗(yàn)。1.1EPS系統(tǒng)基本助力控制策略設(shè)計按照模塊化控制的設(shè)計思想，設(shè)計了EPS系統(tǒng)控制策略，其中包括圖1.1中所示的轉(zhuǎn)矩型控制環(huán)、電流型控制環(huán)。二大控制環(huán)對被控對象構(gòu)成閉環(huán)控制。這些優(yōu)秀的轉(zhuǎn)矩控制環(huán)設(shè)計能夠保證系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地跟蹤駕駛員的轉(zhuǎn)向力矩，從而達(dá)到助力的基本要求。EPS系統(tǒng)可以有效地抑制EPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動，從而減小對駕駛員手感的不利影響，從而使EPS系統(tǒng)具有良好的路感跟蹤性能；優(yōu)良的電流控制環(huán)設(shè)計可以提高助力電機(jī)的響應(yīng)速度，減小助力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動。圖1.1EPS系統(tǒng)控制策略示意圖從圖1.1可以看出，轉(zhuǎn)矩控制環(huán)的主要輸入為速度信號和轉(zhuǎn)矩傳感器信號輸出為目標(biāo)轉(zhuǎn)矩信號。其中，電流控制環(huán)的主要輸入為目標(biāo)電流，輸出為實(shí)時馬達(dá)電流和馬達(dá)助力力矩，其中，實(shí)時馬達(dá)電流用于電流控制環(huán)中的電流反饋控制。下面將深入研究轉(zhuǎn)矩控制環(huán)的設(shè)計與優(yōu)化，它對系統(tǒng)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)矩波動有很大的影響。1.2轉(zhuǎn)矩控制環(huán)設(shè)計1.2.1助力特性曲線助力器特征描述的是電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩和速度的變化規(guī)律。為獲得良好的轉(zhuǎn)向操縱性能，對助力特性的要求如下：當(dāng)車速提高時，電動機(jī)助力轉(zhuǎn)矩應(yīng)逐漸減小。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速時能提供較大功率，而在高速時能提供較小功率，以確保低速時轉(zhuǎn)向較輕，高速時轉(zhuǎn)向較穩(wěn)定。滿足路面強(qiáng)度要求的車輛數(shù)隨著速度的增加而增加。當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩小于某一閾值時，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩應(yīng)設(shè)為零。這樣可保證助力電動機(jī)在不轉(zhuǎn)動的情況下不工作，避免了不必要的頻繁起動，提高了助力電動機(jī)的使用壽命，降低了其能耗。司機(jī)還能獲得較好的中間位置感。當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)矩較大時，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩也較小，使駕駛員有較好的中間位置感；當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)矩較大時，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩也較大，使駕駛員有較好的轉(zhuǎn)向輕便性。由圖1.2顯示的是當(dāng)前常用的助力特性曲線。常見的助力特征有直線型、折線型和曲線型等不同曲線。調(diào)試簡單直接，曲線型復(fù)雜難于調(diào)試，折線型復(fù)雜難于調(diào)試，調(diào)試難于復(fù)雜難于調(diào)試。圖1.2助力特性曲線曲面助力特性曲線平滑，可獲得良好的轉(zhuǎn)向手感，且綜合性能最優(yōu)。所以本論文所研究的EPS系統(tǒng)采用曲線助力特性曲線。因助力特性曲線形狀變化較小，使轉(zhuǎn)向手感有明顯的可知性差異，故理想助力特性曲線的最終確定需要經(jīng)過精細(xì)的實(shí)車標(biāo)定。在EPS系統(tǒng)的初始開發(fā)階段，通常采用線性輔助特性曲線進(jìn)行預(yù)開發(fā)。但在今后的發(fā)展中，主要是基于虛線的輔助特性曲線進(jìn)行改進(jìn)。最終優(yōu)化曲線形狀的增強(qiáng)特性曲線是在點(diǎn)增強(qiáng)特性曲線的基礎(chǔ)上擬合光滑多項(xiàng)式曲線或樣條曲線形成的曲線增強(qiáng)特性曲線。1.2.2轉(zhuǎn)矩前饋控制器設(shè)計在一般的EPS系統(tǒng)中，通常采用前饋控制器來減少被調(diào)量動態(tài)偏差。采用轉(zhuǎn)矩前饋控制器對EPS系統(tǒng)的干擾轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。在有力矩擾動的情況下，力矩前饋控制器立即控制被調(diào)量，補(bǔ)償擾動對被控對象的影響，減小助力增益變化對系統(tǒng)傳遞特性的影響，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。同時保證EPS系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，使駕駛員在轉(zhuǎn)向時系統(tǒng)能夠迅速作出響應(yīng)。如圖1.3轉(zhuǎn)矩前饋控制結(jié)構(gòu)示意圖，汽車車速信號v和轉(zhuǎn)矩傳感器信號Ts。經(jīng)過助力特性曲線后，得到電機(jī)參考助力轉(zhuǎn)矩Tmu。電機(jī)參考助力轉(zhuǎn)矩Tmr通過轉(zhuǎn)矩前饋控制器后得到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Temd，利用轉(zhuǎn)矩前饋控制器對轉(zhuǎn)矩擾動進(jìn)行轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償，降低目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的波動。圖1.3轉(zhuǎn)矩前饋控制結(jié)構(gòu)示意圖若不考慮助力增益變化對EPS系統(tǒng)傳遞特性的影響，假設(shè)系統(tǒng)的傳遞特性不變，1.4經(jīng)典前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)示意圖可以將EPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制策略簡化為圖1.4所示經(jīng)典前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)。EPS系統(tǒng)實(shí)際工作過程一般以傳遞函數(shù)作為被控制對象的傳遞函數(shù)。圖1.3中代表被控對象模型，而代表前饋控制器，代表反饋控制器，代表可測擾動作用到過程輸出的傳遞函數(shù)，D(s)代表擾動，R(s)代表目標(biāo)輸入，U(s)代表系統(tǒng)輸入，代表前饋輸出，Y(s)代表過程輸出。由圖1.4得到以下等效計算公式:（1.1）為了使擾動D(s)對系統(tǒng)性能的影響降到最低，可令:（1.2）則前饋控制器可以上式計算:（1.3）特別的，當(dāng)?shù)臅r候，由上式可得:（1.4）在系統(tǒng)傳遞特性不變的前提下，由于被控對象系統(tǒng)傳遞函數(shù)的最高階次為8階，所以前饋控制器也是一個8階的控制器。圖1.5所示為被控對象系統(tǒng)傳遞函數(shù)與前饋控制器的伯德圖，如果兩者階次一樣，則經(jīng)過前饋控制控制后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)應(yīng)該為一個具有較高帶寬和諧振峰值較小的低通濾波器，這樣的系統(tǒng)響應(yīng)迅速，且具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。如圖1.5帶控制器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)伯德圖所示。圖1.5傳遞函數(shù)伯德圖1.3電流控制換設(shè)計在EPS系統(tǒng)實(shí)際工作中還存在其他擾動,但是，只有利用前饋控制才能克服這些主要干擾的影響；另外，一些干擾難以測量，無法進(jìn)行前饋補(bǔ)償，為充分利用前饋和反饋控制的優(yōu)點(diǎn)，在EPS系統(tǒng)中采用前饋-反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，對上文分析的轉(zhuǎn)矩擾動進(jìn)行前饋控制，而其余的擾動影響則利用反饋控制來克服。而且當(dāng)前饋控制不夠理想時，反饋控制可以削弱轉(zhuǎn)矩擾動對被調(diào)量的影響。即從控制的角度分析，前饋控制用于減小調(diào)節(jié)量的動態(tài)誤差，反饋控制用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的靜態(tài)誤差。因此，EPS系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩前饋控制，電流反饋控制。1.1.1永磁同步電機(jī)的矢量控制一般永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下（d-q坐標(biāo)系）的電流方程為:（1.5）電磁轉(zhuǎn)矩方程為：（1.6）通過以上兩個方程的分析，可以看出在旋轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)是非線性耦合的。電磁轉(zhuǎn)矩T。同時取決于電流直軸分量和電流交軸分量。若直軸與交軸之間的耦合項(xiàng)得到補(bǔ)償，則定子電壓直軸分量可以直接驅(qū)動電流直軸分量。而定子電壓交軸分量可以直接驅(qū)動電流交軸分量，進(jìn)而驅(qū)動電磁轉(zhuǎn)矩T。該方法通過電流直軸量和交軸量的解耦，實(shí)現(xiàn)了磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。因此，永磁同步電動機(jī)的控制性能與直流電動機(jī)相似。其矢量控制是基于坐標(biāo)變換理論，通過控制電流在d-q坐標(biāo)系中的大小和方向，可以對電流、磁場和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行解耦控制。這種控制方法可以讓電機(jī)獲得良好的性能，在永磁同步電機(jī)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。電流方程與電磁轉(zhuǎn)矩方程符號定義如表1.1所示:符號含義數(shù)值單位id電流直軸分量-AIq電流交軸分量-Aud定子電壓直軸分量-Vuq定子電壓交軸分量-VWr永磁同步電機(jī)的電角速度-rad/sTe電磁轉(zhuǎn)矩極對數(shù)-NmP定子電阻4-Rs定子繞組直軸電感0.015ΩLd定子繞組交軸電感110e-6HLq定子磁鏈111e-6HYf電流直軸分量0.0083Wb電流控制環(huán)是三相永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)的重要部分之一，其目的是保證電機(jī)定子實(shí)際電流更趨近于目標(biāo)電流矢量，并改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性。對于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制，一般采用滯環(huán)電流控制和電流反饋控制等。1.1.2永磁同步電機(jī)的矢量控制基于式一般永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下（d-q坐標(biāo)系）的電流方程與電磁轉(zhuǎn)矩方程的永磁同步電機(jī)模型進(jìn)行控制器的開發(fā)與設(shè)計，電流反饋控制器采用電流環(huán)PI（Proportional-Integral）控制器。d軸電流控制器傳遞函數(shù):（1.7）其中，d軸電流控制器的比例增益為Ka，積分增益為Ka。q軸電流控制器傳遞函數(shù):（1.8）其中，q軸電流控制器的比例增益為Kp，積分增益為Ka。為了確定控制器的參數(shù)，將電流解耦后得到直軸電壓和交軸電壓:（1.9）上式經(jīng)過拉氏變換后，得到:（1.10）式q軸電流控制器傳遞函數(shù)與式（電流解耦后得到直軸電壓和交軸電壓結(jié)合前饋解耦控制策略，可得:（1.11）從上式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用前饋解耦控制策略時，PI控制器的參數(shù)決定了控