摘 要

汽车转向系统是汽车的重要系统之一，它对汽车的行驶安全性、操纵稳定性以及驾驶的舒适性都有着很大的影响。在电子技术大力发展的今天，转向系统与电控的结合已成为必然趋势。这时候在经过机械式、液压式、电控液压式等几个阶段后诞生的电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）就成了瞩目的焦点。它有着更加环保、安全、节能、舒适的特点。

本文以EPS为研究对象，主要是对EPS的控制策略进行研究。我们先对EPS系统的结构进行介绍，然后对它进行动力学分析，并构建EPS的动力学模型和空间状态模型。之后我们介绍了助力转向特性曲线，并结合PID控制理论对电机进行控制。我们又通过对EPS系统控制特性的分析研究，结合提出的LQR控制理论对整个系统进行控制。Matlab的仿真结果表明，电机加入PID控制后电流能被有效跟踪，使其符合理想曲线，并且响应更快。而加入LQR控制后的系统抗干扰能力更强，且无超调量。综合分析，PID控制和LQR控制会使系统获得更好的性能，响应更快、超调量更小且抗干扰能力更强。

关键词：电动助力转向；Simulink建模；PID控制；LQR控制；仿真；控制策略

Abstract

Automobile steering system is an important system in the automobile, and it has a great impact with automobile safety performance, handling stability and ride comfort. Nowadays, electronic technology develop very fast, in conjunction with the electronically control steering system has become an inevitable trend. After several stages of mechanical, hydraulic, electronic-hydraulic type, Electric Power Steering was invented, and became the focus of attention. It is more environmentally friendly, safety, energy saving and comfort.

In this paper, we mainly study for EPS control strategies. First the structure of the EPS system are introduced, then its kinetic analysis, and build models dynamics and spatial state model of EPS. Then we introduced the power steering characteristic curve, combined with PID control theory to control the motor. We also study the analysis of the EPS system control features, combined with LQR control theory to control the entire system. Matlab simulation results show that the electric current of the motor added PID control can be efficiently tracked to meet the ideal curve, and faster response. After combined LQR control, system has a stronger anti-interference ability, and without overshoot. Comprehensive analysis, PID control and LQR control system will get better performance, faster response, smaller overshoot and stronger anti-interference ability.

Keyword:Electric power steering; Simulink modeling; PID control; LQR control; simulation; control strategy

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1前言 1

1.2汽车转向系统的分类发展过程 1

1.2.1机械转向系统 1

1.2.2机械液压转向系统 2

1.2.3电液动力转向系统 3

1.2.4电动助力转向系统 4

1.2.5线控转向系统 5

1.3 EPS系统的研究背景和国内外研究现状 7

1.4电动助力转向系统的发展趋势 8

1.5本论文研究的意义 9

1.6本论文的主要内容 10

第2章 EPS系统的概述及动力学模型建立 12

2.1 汽车EPS概述 12

2.1.1 汽车EPS系统构成 12

2.1.2 EPS的工作原理及工作流程 14

2.1.3 EPS系统常见分类 15

2.1.4 EPS系统的优缺点 16

2.2汽车整车动力学模型 17

2.3转向系模型 19

2.3.1基本结构 19

2.3.2动力学模型 19

2.4 EPS系统状态空间方程的建立 23

第3章 汽车电动助力转向系统控制策略研究 25

3.1目标助力电流的确定与助力特性的研究 25

3.1.1 助力特性曲线的研究 25

3.1.2 助力特性曲线参数的确定 28

3.2 EPS系统中电机的控制 30

3.2.1 电机控制方法 30

3.2.2 PWM控制技术 31

3.3电机电流的策略控制 32

3.3.1 PID控制策略 32

3.3.2 PID参数的整定 35

3.4 EPS系统整体LQR控制策略 36

3.4.1 LQR控制策略的概述 36

3.4.2 用Matlab解二次型最佳调节问题 37

第4章 EPS系统的仿真分析 39

4.1 汽车EPS的Matlab/Simulink模型 39

4.2 汽车EPS的Matlab/Simulink模型的仿真分析 42

4.2.1 有无PID控制的仿真结果比较 42

4.2.2 EPS中电机电流的跟随性的仿真分析 43

4.2.3 EPS中有无LQR的仿真结果比较 44

第5章 结论 46

参考文献 47

附录A 48

附录 B 49

致谢 50

第1章 绪论

1.1前言

汽车转向是在汽车行驶的时候按照汽车驾驶员的意志来改变汽车的行驶方向的过程。而其中汽车转向系统就是在这个过程中帮助汽车驾驶员控制行驶方向的重要装置，它能够直接影响所驾驶汽车的操纵稳定性^[1]。因为在驾驶汽车时，驾驶员会遇到不同的工况，如按照直线行驶、正常或者快速转向、原地转向等，而且对于不同的环境，如泥泞路面、沙地、柏油路、水泥路等也需要能保持稳定转向，所以对于驾驶系统，则需要保证有很高的稳定性。我们在本文中就是对驾驶系统进行了研究与控制策略的优化。

1.2汽车转向系统的分类发展过程

根据转向能源的不同，汽车的转向系统通常可分为动力转向系统和机械转向系统两种类别。

机械转向系统是由汽车驾驶员的体力来提供转向能源的，再通过机械的传力件将驾驶员施加在方向盘上的转矩传递到汽车车轮上的。机械转向系统大致是由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分构成的。由于机械转向系统中各个传力件都是机械的，所以该系统有较高的可靠稳定性，不易受外界影响因素干扰。动力转向系统则不仅仅依靠驾驶员的体力来为为汽车转向提供能源，用能以发动机能源来作为转向动力。在正常驾驶的情况下，驾驶员只提供一小部分转向所需的能源，而大部分是由发动机通过动力转向装置提供。并且动力转向系统还能在其动力转向装置失效时，由驾驶员单独承担转向的任务^[2]。

1.2.1机械转向系统

机械转向系统是指汽车在需要转向的时候，仅仅依靠驾驶员转动方向盘，然后转矩依次传递给转向轴、转向器、转向横拉杆、转向节臂、转向节，最后带动转向轮转动，而在转动转向轮期间不需要借助其他任何外力。机械转向的结构如图1.1所示。机械转向系统通常有以下几类：齿轮齿条式转向、循环球式转向、蜗杆曲柄指销式转向。其中齿轮齿条式转向和循环球式转向使我们比较常用的。