摘要 電動液壓助力轉向( e h p s ) 系統與傳統液壓助力轉向系統相比，具有節約 能源，使駕駛員獲得良好路感等優勢。本課題在理論研究的基礎上，吸取和借 鑒國外研究的一些概念和思想，對電動液壓助力轉向系統進行了深入研究和系 統軟件的開發，最終實現了臺架試驗性能優良的數字化e h p s 系統。 本課題對電動液壓助力轉向系統的結構組成和工作原理作了分析，應用b p 神經網絡進行了助力曲線特性仿真。同時針對系統中的關鍵部分無刷直流電機 采取了全面優良的控制策略，包括轉速外環電流內環雙閉環調速控制，死區補 償，換相脈動分析等。最后，從智能控制的領域分析了新的控制方法，研究了 應用遺傳算法整定p i d 參數，并在m a t l a b 中對其進行了仿真。 m o t o r o l a 在軟件方面提供了豐富的s d k 庫和功能強大的開發平臺。在此基 礎上，采用c 語言與匯編語言混合編程的方式完成e h p s 系統的軟件開發和實 現。由于該控制系統引入了轉向盤角速度變量，和車速共同決定了助力的大 小，因此助力在實時跟隨性上有較大的提高。同時，良好的控制算法以及優良 的無刷直流電機控制實現了e h p s 系統良好的助力效果。 e h p s 系統的數據采集、處理和監測是靠l a b v i e w 與m a t l a b 共同完成 的。分別應用m a t l a b 和l a b v i e w 以及共同編程三種方案實現了對數據的采 集和處理。l a b 、啞w 以強大的圖形顯示功能很好的完成了系統監測任務。應用 l a b v i e w 采集數據提高了對系統監測的實時性能，更多的細節更加準確透徹地 顯示了系統的工作狀態。 c a n 總線與l i n 總線，m o s t 總線并稱汽車三大總線。c a n 總線具有傳 輸速率快，抗干擾能力強，可靠性極高等優點，主要應用于汽車內的通信網 絡。本文中將兩塊e c u 通過c a n 總線相連，組成了最小c a n 網絡并完成了 數據傳輸，實現了c a n 通信。 最后，實驗測試曲線主要由l a b v i e w 完成測繪。實驗結果驗證了h e p s 系 統理論正確性和實際可行性，并達到了預計的實驗要求。 關鍵詞；電動液壓助力轉向系統數字信號處理器b p 神經網絡 數據采集c a n 總線無刷直流電機 a b s t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lh y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e m ，h a sm o r ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss a v i n ge n e r g y , m a k i n gd r i v i n ge 嬲兩 a n ds oo i li ti st h en e c e s s a r ys t e pi nd e v e l o p i n ga u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m t h e t h e s i s 。o nt h eb a s eo fu s i n ga d v a n c e dt h e o r i e si n t h ef i e l d ，s t u d i 鶴t h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , a n dd e v e l o p st h er e l a t i v es o f t w a r e f i n a l l y , m a k i n gt h ee x c e l l e n td i 西t a le h p sc o m et r u e i nt h ep r o j e c t , t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h ee l c e t r o - h y d r a u l i ep o w e r s t e e r i n gs y s t e ma r ea n a l y z e da n db pn e r v en e t w o r ki su s e dt os i m u l a t ei t sc u r v e t h e b r u s h i e s sd cm o t o r , i m p o r t a n tp a r to ft h es v s t e mi sw e l lc o n t r o l l e di n c l u d i n g t w o - e l o s e d 1 0 0 pc o n t r o lm e t h o 正c o m p e n s a t i o nf o rd e a d - t i m ea n da n a l y s i so f f l u c t u a t i o na b o u ts w a p p i n gp h 船囂a tl a s t , t h ep dp a r a m e t e r sw e r oc o n f i r m e db y u s i n gt h em e t h o do f i n t e l l i g e n c ec o n t r o l a _ p p l i e dg e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h eg r l r v ei s s i m u l a t e di nm a l l 。a b b a s e do nt h em o t o r o l ap r o v i d e st h es t r o n gd e s i g np l a t f o r ma n ds d k t h ee 腫s s y s t e ms o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mu s e st h ep a r e m e t e r so fs t e e r i n g s p e e da n dt h ev c h i c l es p e e d w h i c hh a v et h ec o n n e c t i o no ft h es t e e r i n gp e w e r , s ot h e r e a lt i m ec h a r a c t e ri si m p r o v e d 1 1 塢a d v a n c e da l g o r i t h ma n dt h ee x c e l l e n tm o t o r c o n t r o lc o n t r i b u t et ot h e9 0 0 dp e r f o r m a n c eo ft h ee l i p ss y s t e m t h er e s u l t so ft h e t e s t i n ga v ep r o v et h i sp o i n t t h ed a t aa c q u i s i t i o n , a n a l y s i s a n di n s p e c t i o no f t h ee h p ss y s t e ma r ec o m p l e t e d b yl a b v i e wa n dm a t l a b 1 1 l ea r t i c l ep r o v i d e st h r e em e t h o d si n c l u d i n gm a t l a b l a b v i e wa n dp r o g r a m m i n gt o g e t h e rt oc o l l e c ta n da n a l y z et h et e s t i n gd a t a t h e f u n c t i o no f g r a p hd i s p l a yo f l a b v i e wc 勰i n s p e c tt h es y s t e mp e r f e c t l y t h er e a lt i m e i n s p e c t i o ni si m p r o v e d , a n dm o r ei n f o r m a t i o n , w h i c hd i s p l a y st h es y s t e mw o r k i n g c o n d i t i o n , i sp r o v i d e de x a c t l yb yu s i n gl a b v m w 1 1 l ct l l r e eb u s e so ft h ev e h i e l ea r ec a nb u s u ：nb u sa n dm o s tb u s 1 1 1 e c a nb u sh a sa d v a n t a g e ss u c ha sf a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d , g o o da n t i i n t e r f e r e n c e 曲i l i t y , a n dr e l i a b i l i t y , s oi t i so f i e nu s e di nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko ft h e a u t o m o b i l e t h r o u g hc o n n e c t i n gt w oe c u sb yc a nb u s w h i c hi st h es m a l l e s tc n n e t w o r k , a n df i n i s h i n gd a t e st r a n s m i s s i o n , 也ef u n c t i o no f c o m m u n i c a t i o ni sr e a c h e d f i n a l l y , t h et e s t i n ge l i r v ei sd r a wb yl a b v i e w , a n dt h er e s u l t sp r o v et h a tt h e s y s t e mi sa v a i l 曲l e ；a l s o t h ee x p e c t i n gr e q u i r e m e n t sa r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：e h p s d s p d a t a a c q u i s i t i o nc a nb u sb l d c m 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨鲞盤莖或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位糍：褫偉 簽字日期：秒- 歹年蝴夕日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解墨鲞盤堂有關保留、使用學位論文的規定。 特授權盤生盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者躲櫪偉 簽字日期：如形年月習1 日 名：哥綢瑤， 簽字日期：衣，聲。月夕7 日 第一章緒論 1 1 汽車轉向系統的發展 第一章緒論 汽車轉向器是汽車主動安全性的重要安全件。2 0 世紀7 0 年代在轎車和輕 型車上開始推廣使用且不斷改進的齒輪齒條式轉向器，至今在國外轎車和輕型 車上仍是應用最多的轉向系統。到2 0 0 0 年美國轎車全部采用了動力轉向系統， 在日本，7 8 的大、中型汽車和5 9 的微、小型轎車都采用了動力轉向系統。 動力轉向系統和機械式轉向系統是目前汽車所用的兩種主要的轉向系統。轉向 系統的分類如圖1 - 1 所示。 圖卜1 汽車轉向系統的分類 目前，在汽車上廣泛采用的機械式轉向器有循環球式和齒輪齒條式兩種， 其中循環球式轉向器具有承載能力大，操縱方便，使用壽命長等優點，廣泛應 用于后輪驅動的中、重型載貨車上。齒輪齒條式轉向器具有轉向輕便，尺寸緊 湊，結構輕巧，效率高等特點但承載能力稍差，適用于前輪驅動的轎車和后輪 驅動的輕型車上。在轎車中齒輪齒條式轉向器廣泛應用于我國中級和經濟型轎 車如桑塔納、捷達、富康、賽歐、夏利2 0 0 0 、奇瑞、羚羊、英格爾、北斗星、 賽馬等車型。在這些車型的豪華車上才采用液壓動力轉向系統。 液壓動力轉向系統是目前國內、外轎車中應用最普及的轉向器，包括我國 引進生產的奧迪a 6 、別克、本田雅格、上海帕薩特、寶來等中、高級轎車上都 采用液壓動力轉向系統，它屬于第二代轉向系統。 2 0 世紀9 0 年代在日本轎車上率先應用電子控制動力轉向系統，由于能減 輕低速行駛時駕駛員的轉向操縱力，提高車輛高速行駛時的穩定性，同時又提 高了燃油經濟性。與液壓動力轉向系統相比，電動動力轉向系統可節油3 4 第一章緒論 。目前，日本、美國、歐洲等國轎車采用電動動力轉向系統逐漸增多。電動 動力轉向系統有電動液壓動力轉向系統與電動助力轉向系統兩種，屬于第三代 轉向系統。上海大眾上市的波羅( p o l o ) 轎車采用了電動液壓助力轉向系統。隨 著電子技術的飛躍發展，電動動力轉向系統將不斷改進，應用將越來越廣泛， 將部分取代液壓動力轉向系統【l 】【2 】。 1 2 電動液壓助力轉向系統的特點和優勢【3 】【4 】 5 】 電動液壓助力轉向( e l e c t r oh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g 即e h p s ) 系統是在液壓 動力轉向系統的基礎上發展起來的。該系統的主要特點是由直流電機帶動電動 泵工作，而不是由發動機驅動，可根據轉向需求提供不同的轉向力，滿足汽車 對轉向系統的要求。在發動機怠速時，電動泵提供較大的流量，而在高速時， 按轉向器要求，使其流量有所下降。亦即在低速行駛時，駕駛員需較小的轉向 操縱力就能靈活地進行轉向，而在高速轉向時，使操縱力逐漸增大，優化了轉 向操縱，提高了駕駛員舒適性和轉向靈活性，又克服了轉向“發飄”地感覺， 使駕駛員操縱時有顯著的“路感”，保證在高速行駛時的穩定性和安全感。 與傳統的液壓助力轉向系統相比，電動液壓助力轉向系統有p 幣優點： ( 1 )降低了能源消耗。傳統的液壓助力轉向系統的液壓泵直接由汽車 的發動機驅動，油泵必須按發動機在最低轉速運行時能提供最大助 力的泵油流速設計。換句話說，油泵總是以最大流速工作。因此當 不需要助力或者所需助力較小時，造成了能量和燃料的浪費。而在 e h p s 系統中，油泵從發動機中解放出來，利用單獨的電機驅動油 泵。根據不同的情況，電機在控制單元的作用下可以運行在不同的 工作模式，以控制油泵流速，從而產生相應的助力。這種按需提供 助力大大節省了能量和燃料的消耗。 ( 2 )結構緊湊，占用空間小，便于安裝。e h p s 系統將儲油罐、油泵、 電子控制器( e c u ) 和電機集于一體，采用密封式的包裝，省去了傳 統液壓助力系統中連接到發動機上的皮帶、滑輪及連接整個系統的 軟管和管道，簡化了結構，縮小了體積，節省了大量的安裝時間。 ( 3 ) 具有可編程的助力特性。通過靈活的軟件編程，依據車速可以得 到舒適的轉向路感，具有可編程的助力特性。 ( 4 )提高了可控性、可靠性，具有更高的安全性。由于本系統使用由 獨立電源供電的電機來驅動油泵，使得在車行駛的過程中即使發生 了發動機不工作的情況，e h p s 系統依然能夠提供助力，而且旦 2 第一章緒論 電動助力失效，其機械力仍然起作用。 ( 5 )維護方便。e h p s 系統采用密封式的結構，所以除了檢查機械磨損 和是否漏油外，不需要其他方面的維護。使得維護更為方便。 1 3 新一代的電動液壓助力轉向系統 新一代的電動液壓助力轉向系統與原電動液壓助力轉向系統相比，在很多 方面都有了較大的改進。其中最大的變化就是由無刷直流電機代替有刷電機。 原電動電動泵型液壓助力轉向系統中采用的有刷直流電機，雖然以其優良的轉 矩特性在運動控制領域得到了廣泛的應用，但機械式電刷和換相器及引起一系 列問題給有刷直流電機的應用帶來了許多限制。因此，在新一代的電動液壓助 力轉向系統中，有刷直流電機被無刷直流電機所取代。無刷直流電機( b l d c m ) 具有梯形波反電勢和方波電流激勵，雖然存在轉矩脈動，但其反饋裝置簡單， 功率密度更高，輸出轉矩更大，控制結構簡單，可使電動機和逆變器的潛力都 得到充分的發揮。具體的說，相對其他類型電機，無刷直流電機有很多優點： ( 1 )它相對于有刷直流電機來說轉子與定子的結構相反，轉子為永磁 式，定子為電樞，用半導體開關換相器代替機械式換相器，故可靠性高， 壽命長，干擾小，噪聲低，散熱性能好； ( 2 ) 它相對于交流電機而言無鼠籠式轉子，轉動慣量小，相同的給定轉 矩下，其響應性能更加優良，其轉子采用高磁阻材料，轉子損耗大大減 小，而且由于永磁式轉子無需額外的勵磁電流，給其供電所需的整流器和 逆變器容量減小； ( 3 )無刷直流電機需要額外的轉子位置傳感囂，可采用霍爾傳感器或光 電傳感器等。 無刷直流電機不僅有交流電機的特點，又繼承了直流電動機優良的調速性 能，在生產和生活中得到了廣泛的應用。 1 4 本課題的實際研究意義 電動液壓助力轉向系統的研究領域涉及傳感器，微電子控制，計算機控 制，電力傳動控制技術，非線性控制理論，智能控制理論，汽車工程及機械設 計等，是多學科技術的綜合應用，真正體現出未來汽車的機電一體化設計思 想。本課題的控制器核心選用m o t o r o l a 公司的1 6 位d s p ，不但有較強的運算 3 第一章緒論 能力，還集成了專用電機驅動電路，應用于電機的控制。控制策略主要采用傳 統的經典控制方法以及必要的補償理論。對該系統的控制策略和控制系統進行 了深入、細致的研究，對于拓展電氣傳動技術的應用，推動機械、傳感器技 術，電子器件制造業，加快國產汽車的電子化發展有深遠的意義。本研究設計 領域廣，應用到最新的相關技術，與實際生產結合緊密，國內市場潛力巨大。 1 5 本課題的研究方法及任務 電動液壓助力轉向系統在國內還是一個新的研究課題，因此在本論文中， 采用理論分析、仿真研究和實驗驗證相結合的研究方法。采用理論分析所提出 的e h p s 系統工作原理的正確性，再利用仿真研究其可行性，最后通過實驗來 驗證所提理論的方法的有效性。 本論文主要的任務如下： ( 1 ) 深入研究e h p s 系統的工作原理，從理論上分析系統的正確性并進行 仿真實現。e h p s 系統是一個多學科交叉的，相對很新的一個課題項目。需要 查閱相關資料，認真的分析該系統的工作原理、控制原理和關鍵點，從理論上 證實想法的可實現性。然后應用m a t l a b 神經網絡工具箱實現對該系統助力 曲線的仿真，肯定系統的可行性。 ( 2 ) 重點研究無刷直流電機的工作原理、控制策略。無刷直流電機是 e h p s 系統中的關鍵性部件，它運轉的質量好壞直接影響到e h p s 系統性能的 好壞。因此，需要采用成熟穩定的控制理論并對其進行合理的補償，保證運轉 的實時性和平穩性。本文采用經典的雙閉環p i 控制，進行了死區補償分析和轉 矩脈動分析。雙閉環控制實現了更好的起動性能、調速性能和實時性能；死區 補償解決了波形失真問題；消除轉矩脈動提高了無刷直流電機運行的平穩性。 最后，研究了智能控制，運用遺傳算法對傳統p i d 控制進行參數整定，并在 m a t l a b 中仿真實現。 ( 3 ) 深入學習m o t o r o l a5 6 f 8 0 x 系列d s p 編程，完成系統軟件部分的開發 和設計。m o t o r o l a 提供了豐富的s d k 庫和友好的開發環境，使整個編程過程簡 單清晰明了，程序可移植性強，調試方便。整個軟件程序采用了模塊化設計的 思想，利用c 語言和匯編語言混合編程的方式完成對整個控制源程序的實現。 ( 4 ) 應用l a b v i e w 及m a t l a b 實現上位機與該系統的數據通信，實現實 時數據的采集和分析。獲得系統工作狀態數據是必不可少的，數據反映了系統 工作的質量性能。這部分主要利用m a t l a b 和l a b v i e w 兩個強大軟件共同實 現上位機對該系統重要數據的采集和分析，并通過實時波形圖和x _ y 圖直觀地 4 第一章緒論 顯示變量的情況以及變量間的變化關系。 ( 5 ) 深入研究c a n 總線通信協議，應用c a n 總線實現d s p 與d s p 間的 數據交換，完成c a n 網絡通信。c a n 總線是汽車內三大總線即c a n 總線、 l i n 總線和m o s t 總線之一。它具有傳輸速度快，抗干擾能力強，可靠性極 高，靈活性實時性好等優點。正因為c a n 通信與傳統的通信方式相比有著不可 比擬的優勢，所以在今天c a n 網絡已經不僅僅應用于汽車上，而且在其他各行 業中的應用也越來越廣。 ( 6 ) 完成機械部分與e c u 的連接，在實驗臺架上完成對e h p s 系統的測試 曲線，驗證理論的正確性和設計的可行性。整個控制器與機械部分連接構成完 整的e h p s 系統。在試驗中我們測試了無刷直流電機的性能以及該系統的工作 性能。從試驗結果可以看出，該系統不僅可行，而且還較傳統液壓助力轉向系 統有較多的優點，具有很好的發展前景。 第二章e h p s 系統及助力特性研究 第二章e h p s 系統及助力特性研究 一般來說，在汽車泊車或低速行駛時轉向所需的操縱力比較大，在轉角較大 時也需要助力作用；而在高速行駛時轉向較輕便，但又需要良好的手感。目前， 許多汽車使用助力轉向解決轉向輕便性與轉向靈活性的問題。普通助力轉向系統 的特性與行駛車速無關，不能同時兼顧泊車( 或低速) 和高速時對轉向特性的要 求。為了實現在各種工況下轉向盤上所需要的操縱力都是最佳值，越來越多的汽 車在助力轉向系統中采用了電控技術，使汽車轉向性能達到了令人滿意的程度。 本章主要介紹電控液壓助力轉向系統( e h p s ) 的結構組成、工作原理及控制原 理，同時應用b p 神經網絡仿真該系統的助力特性曲線，實現了根據汽車車速和 轉向盤角速度，應用電子控制技術控制獨立的無刷電機來提供合適的助力，提高 了汽車的操控性能”。 2 1e h p s 系統介紹 2 1 1e h p s 系統的結構組成8 3 e h p s 系統結構組成如圖2 - 1 所示。 圖2 - 1電控液壓助力轉向系統組成結構圈 電動液壓助力轉向系統將無刷直流電機、液壓儲油罐、齒輪泵、電子控制單 6 第二章e h p s 系統及助力特性研究 元與蓄電池等集成在一起，可以靈活的安裝在汽車的任何位置上。其中，無刷直 流電機利用半導體元件來代替有刷電機中機械式換向器來調整電流的方向，解決 了由于電刷磨損而引起的電機耐久性和可靠性問題，提高了該系統的實用性，延 長了其使用周期。同時在泵和發動機之間安裝控制器，可利用泵體內油的冷卻效 果，減少控制器和電機等不同電子元件的熱能。此外，系統中所用齒輪泵為外嚙 合齒輪泵，這種泵結構簡單，質量輕，造價低，工作可靠，較葉輪泵容積效率和 機械效率都要高。 2 1 2e h p s 系統的工作原理9 3 1 0 1 e h p s 系統工作原理如圖2 - 2 所示。 圖2 - 2e h p s 系統工作原理圖 該系統的工作原理如下：控制器根據車速傳感器、轉向盤轉角傳感器所獲得 的車速信號和轉向盤轉角信號，確定汽車的轉向狀態，經計算后決定提供助力的 大小的方向并向電機驅動單元發出指令，使驅動單元按一定的占空比導通，從而 使電機按轉向盤轉動的速度和方向達到目標轉速值，然后電機驅動齒輪泵向轉向 動力缸中提供高壓油，從而實現助力效果。 轉向助力的大小取決于作用在轉向動力缸活塞上的壓力大小，如果轉向操作 力較大，高壓油的壓力就會較高。轉向動力缸中高壓油的壓力變化是由轉向控制 閥來調節的。轉向油泵將液壓油輸送至轉向控制閥，如果轉向控制閥處于中間位 置，所有的液壓油便會流過轉向控制閥，進入出油口，流回至儲油罐。由于這時 幾乎不能產生壓力，轉向動力缸活塞兩端的壓力又相等，活塞便不會朝任何一個 方向運動，車輛表現為無轉向狀態。當駕駛員控制轉向盤朝任何一個方向轉動時， 轉向控制閥也隨之移動，從而關閉其中一條油路。這時另一條油路打開得大些， 7 第二章e h p s 系統及助力特性研究 使液壓油流量發生變化，同時產生壓力。這樣，便會在轉向動力缸活塞兩端產生 壓力差，動力缸活塞朝低壓方向運動，從而將動力缸中的液壓油，通過轉向控制 閥壓回轉向油泵。液壓助力工作情況如圖2 - 3 所示。 圖2 3 液壓助力轉向系統工作示意圖 2 1 3e h p s 系統的控制原理 轉角傳 備 車遺 傳矗器 e c u 計算轉 向盤角 遺 計算電 機目標 v r 1 t 實際轉 蔗計算 t a i t 環 n 控倒 圖2 4e h p s 系統控制流程圖 周期計 算 電流環 p i 控翻 電藏傳 蓐暑 霍爾傳 蓐囂 工 無捌直 藐電機 藏壓 油泵 e h p s 系統控制過程如圖2 4 所示。為了獲得最佳的轉向效果，無刷電機的 目標轉速由車速和轉向盤角速度共同決定。轉向盤角速度通過轉角傳感器獲得的 角度計算得出。為了使電機目標轉速值與控制器運算后確定的轉速值相匹配，采 用轉速環與電流環雙閉環控制。通過電機中裝有的霍爾傳感器測算出電機旋轉周 期，進而得到電機實際轉速，并將轉速值反饋給控制系統，與電機目標轉速一起 送入轉速閉環進行調節，然后將轉速環輸出作為電流環的輸入，與電流傳感器采 集到的實際電流一并送入電流環調節，最后由電流環輸出驅動電機驅動電路，控 制無刷電機運轉以帶動液壓油泵運轉，向轉向器中注入高壓油，實現助力。 r-l1-lrllj 廣；i_l；l_i。 第二章e h p s 系統及助力特性研究 2 2e h p s 系統助力特性分析1 2 】【1 3 】【1 4 】 汽車行駛過程中，轉向阻力是隨車速的增加而減小的。低速的時候轉向阻力 大，需要提供較大的助力幫助駕駛員轉向；高速的時候轉向阻力小，此時只需要 很小的助力或者不需要助力，以保證駕駛員良好的“路感”。同時，轉動轉向盤 的快慢也成為影響助力的主要因素。因此，為了獲得良好的轉向操作性能，需要 根據車速和轉向盤角速度來調節助力性能。 由e h _ p s 系統的工作原理可知，轉向助力是通過無刷電機帶動的液壓油泵向 轉向器中注入高壓油實現的，電機轉速越高，注入的高壓油量越大，助力就越大。 因此助力性能是通過無刷電機轉速調節的。而電機的目標轉速又是根據車速 及轉向盤角速度決定的。因此e h p $ 系統助力調節的重點是如何根據車速和轉向 盤角速度調節電機轉速。 汽車的操縱穩定性及安全性至關重要，因此，助力特性曲線必須具備如下特 點： ( 1 )隨著車速不同，電機的怠速也不同。車速越低，電機怠速越高，提 供的轉向助力就越大，提高轉向輕便性；車速越高，電機怠速越小，提供很 小的助力或者不提供助力，保證高速良好“路感”及安全性。 ( 2 ) 同一車速下，轉向盤角速度不同，電機的轉速也不同。轉向盤角速 度越大，提供的助力越大；轉向盤角速度越小，提供的助力越小。這樣保證 良好的操縱性能。 ( 3 )不同的車速下，助力電機提供不同的助力比例系數。高車速下，轉 向助力系數要小，提高轉向的穩定性。 ( 4 )在轉向盤扭矩很小時有助力死區。很小的轉動扭矩不提供助力或提 供很小的恒定助力，保證在行車過程中的安全性。 ( 5 )具有轉向助力飽和區，限制最大助力，保證電機高速運轉安全性。 2 2 1 根據車速調節電機怠速 由車速礦與轉向阻力的關系可知，車速礦比較高時，需要提供的助力比較小， 電機轉速應該比較低；車速礦比較低時，需要提供的助力比較大，電機轉速 應該比較高。根據上面的分析，電機轉速與車速礦的關系曲線可以設計如圖 2 5 所示，其中一個車速y 對應一個電機轉速。 9 第二章e h p s 系統及助力特性研究 公式表達如( 2 1 ) ： n 二 吒巧v 圖2 - 5n 與礦關系曲線 fj r , = t f , ( d 【岫 ( o v 巧) ( 2 - 1 ) 其中，l 為電機的最高轉速，i 。為電機的最低轉速，對于不同類型的車 輛，它們的取值也不同。z ( 功是隨y 增大而減小的函數，可以設計成線性或者 非線性，這里設計為簡化模型，描述為折線性。在車速較低段，轉向摩擦阻力較 大，電機轉速較高且近似不變，轉向時提供的轉向助力較大；隨著汽車車速越過 較低段，電機轉速開始降低，使泵的流量減小，相應地在轉向時提供的轉向助力 就減小；當車速達到某一高速值，電機轉速達到最低，此時提供的助力較小。此 算法的目的是在汽車車速較低時，提供較大助力，滿足轉向輕便；隨著車速的不 斷提高，轉向助力不斷減小，防止了高速時轉向盤“發飄”，增強了高速“行車 路感”。 2 2 2 根據轉向盤角速度調節電機轉速 同一車速下轉向時，電機轉速會在某一轉速基礎上隨著轉向盤角速度增大而 增加。轉向盤的角速度越大，電機的轉速越高，提供的轉向助力就越大，既滿足 了快速轉向時系統助力的要求，又滿足了快速轉向助力跟隨性。根據轉向系統的 要求及電機助力特點，該對應關系曲線如圖2 6 所示： 1 0 第二章e h p s 系統及助力特性研究 m 。 腳0 田l m 圖2 - 6n 與m 關系曲線 依據轉向盤角速度大小分為三段：角速度低速段、角速度中速段、角速度高 速段。在角速度低速段，電機轉速基本保持不變，此時電機怠速足以提供轉向助 力；在角速度中速段，為了提高助力跟隨性及提供相應的轉向助力，此時電機轉 速隨角速度的增長快速增加；在角速度高速段，電機轉速已基本達到該車速下的 最大轉速，電機轉速基本保持不變，既可提供轉向助力，又能保證該車速下提供 較好的“轉向路感”。該關系曲線可由式( 2 - 2 ) 來描述。 f o = 五( ) 【 ( 0 g o q ) 其中n o 是電機怠速，不同車速時電機怠速值不同，怠速是指某一車速下不 需要轉向助力時的電機轉速；一是電機所能達到的最大轉速；a ( g o ) 是隨緲成 正向變化的函數，可以設計成線性或者非線性兩種。 2 2 3 車速y 、轉向盤角速度m 和電機轉速關系 由式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 可得電機轉速隨轉向盤角速度和車速變化的示意曲線 如圖2 - 7 所示： m 圖2 7v ，和關系曲線 第二章e h p s 系統及助力特性研究 不同車速，電機怠速和曲線變化不盡相同。圖中三條曲線從左到右依次對應 低速璣、中速碥和高速n 。低車速時，電機怠速較高，助力系數即曲線上升斜 率較大，助力增長快，保證了低車速下轉向的輕便性；高車速時，電機怠速較低， 助力系數較小，助力增長慢，保證了高車速下轉向的安全性。隨著角速度的增大， 電機轉速變高，提供的助力變大。在很小角速度的范圍內，電機轉速維持在怠速， 助力為很小的恒定值；角速度達到一定值后，助力大小隨角速度增大而增大；在 助力大到一定值時電機達到最大轉速，助力保持不變。該圖清晰的顯示了v 、國 和三者的關系，達到了助力特性曲線的要求。但該圖只針對有限個車速下的 國一n 曲線，而實際車速是連續的，因此依靠有限個車速下的助力曲線無法滿足 全車速下的助力特性，其他車速下的助力盲區和控制誤差必然會影響轉向操作時 的舒適性和安全性。因此，需要通過離散車速下的助力特性擬合出全車速范圍下 的助力特性，實現更好的助力效果。 2 3 基于神經網絡的助力特性仿真 圖2 7 顯示了不同特定車速下，轉向盤角速度與電機轉速的關系。車速是連 續的變量，只通過特定車速的離散助力曲線無法實現全車速下的良好助力特性。 為了消除其他車速下的助力盲區和控制誤差，需要獲得連續車速下的助力特性曲 線。實際上，車速、轉向盤角速度和電機轉速實際上是這樣一種函數關系： n = f ( v ，c o ) 。從數學上分析，此函數在坐標系中是連續的曲面。通過特定、有 限的數據得到這樣一種復雜的解析式關系無疑是非常困難的。而神經網絡的優勢 就是很強的曲線擬合能力。通過對離散樣點的訓練擬合，獲得期望的連續曲面， 實現全車速范圍的助力特性曲線。這里采用m a t l a b 神經網絡工具箱對 n = 廠( l c o ) 進行了仿真“。 2 3 1b p 神經網絡 反向傳播網絡( b a c k - p r o p a g a t i o n n e t w o r k ，簡稱b p 網絡) 是對非線性可微 分函數進行權值訓練的多層前向網絡。在人工神經網絡的實際運用中，8 0 9 0 的人工神經網絡模型是采用b p 網絡或它的變化形式，可以說，b p 網絡是人 工神經網絡中前向網絡的核心內容，體現了人工神經網絡最精華的部分。它主要 用于以下幾個方面： ( 1 ) 函數逼近：用輸入矢量和相應的輸出矢量訓練一個網絡逼近一個函數； 1 2 第二章e h p s 系統及助力特性研究 ( 2 ) 模式識別：用一個特定的輸出矢量將它與輸入矢量聯系起來； ( 3 ) 分類：把輸入矢量以所定義的合適方式進行分類； ( 4 ) 數據壓縮：減少輸出矢量維數以便于傳輸或存儲。 2 3 1 1 陰神經元結構 一個具有r 個輸入的b p 神經元模型如圖2 8 所示。其中每個輸入與對應權 值w 的乘積之和與閾值一起作為傳遞函數f 的輸入。在b p 神經元中，可以使用 任何可微的函數作為它的傳遞函數。 p 1 p 2 ： p r 1 圖2 - 8b p 神經元模型 在b p 神經網絡中經常使用對數s 形函數、正切s 形函數和線性函數作為神 經元的傳遞函數，它們的形狀分別如圖2 - 9 所示。 廠 。 o l a = l o g s i g ( n ) 對數s 型函數 廠 夕。 o 4 ? ? - l a = t a n s i g ( 玎)a = p u r e l i n ( n ) 正切s 型函數線性函數 圖2 - 9 神經網絡傳遞函數 對數s 形函數產生0 到1 之間的輸出，而正切s 形函數產生一l 到1 之間的 輸出。對b p 神經網絡來說，采用不同的傳遞函數將得到不同范圍的輸出，如果 采用線性函數就可以得到任意大小的輸出值。對于b p 神經網絡來說，傳遞函數 的可微性尤其重要，因為在b p 神經網絡的訓練算法中要求傳遞函數必須可微。 第二章e h p s 系統及助力特性研究 2 3 1 2 印神經網絡的結構 b p 神經網絡屬于前饋神經網絡，具有兩層及以上的結構，除了輸入層和輸 出層，它們中間的部分稱為隱含層。這些隱含層經常使用s 形神經元，輸出層則 使用線性神經元。隱含層的s 形傳遞函數所劃分的區域是一個非線性的超平面組 成的區域。它是比較柔和、光滑的任意界面，因而它的分類比線性劃分精確、合 理，這種網絡的容錯性較好。這樣的多層神經網絡能夠學習輸入和輸出之間的非 線性關系，而且線性的輸出層保證了網絡的輸出具有0 到1 或一l 到1 之外的范 圍。圖2 1 0 顯示了一個雙層的b p 神經網絡。 24 l4 a ，- - t a n s i g ( 嘶1 加d 3 13 a 用r t w e j h l ( w 2 a a l + b 2 ) 圖2 - 1 0 雙層b p 神經網絡結構 其中，p 為輸入矩陣兩輸入矩陣，礦l ，1 ，形- 分別為輸入層到隱含層，隱含 層到輸出層的權值矩陣，6 t ，加分別為隱含層和輸出層的閾值矩陣，a t ，4 。分 別為隱含層和輸出層輸出矩陣。 2 3 1 3b p 算法 b p 網絡的產生歸功于b p 算法的獲得。b p 算法屬于j 算法，是一種監督式 的學習算法。其主要思想為：對于q 個輸入學習樣本：p ，n ，只，已知 與其對應的輸出樣本為：n ，丁：，乃。學習的目的式用網絡的實際輸出a ， 彳2 ，山與目標矢量n ，丁2 ，乃之間的誤差來修改其權值，使以( n = l ，2 ，4 ) 與期望的l 盡可能的接近，即：使網絡輸出層的誤差平方和達 到最小。它使通過連續不斷地在相對于誤差函數斜率下降的方向上計算網絡權值 和偏差的變化而逐漸逼近目標的。每一次權值和偏差的變化都與網絡誤差的影響 成正比，并以反向傳播的方式傳遞到每一層的。 b p 算法是由兩部分組成：信息的正向傳遞與誤差的反向傳播。在正向傳播 過程中，輸入信息從輸入經隱含層逐層計算傳向輸出層，每一層神經元的輸出作 用于下一層神經元的輸入。如果在輸出層沒有得到期望的輸出，則計算輸出層的 誤差變化值，然后轉向反向傳播，通過網絡將誤差信號沿原來的連接通路反傳回 來修改各層神經元的權值直到達到期望目標。為明確起見，以兩層網絡為例進行 第二章e h p s 系統及助力特性研究 b p 算法推導，如圖2 - 1 1 所示。 b l i k = 1 2 ，s 2 ： i = i 2 s 1 ：j = 1 2 r 圖2 1 l 具有一個隱含層的網絡簡化圖 a 2 k 其中，輸入層有，個神經元，隱含層內有s 1 個神經元，輸出層內有j 2 個神 經元。p 為輸入，w l # 、w 2 # 分別為輸入層到隱含層、隱含層到輸出層權值。6 1 一、 b 2 k 分別為隱含層和輸出層的閾值。a l l 、a 2 k 分別為隱含層輸出和輸出層輸出。 這里，廠1 為隱含層激活函數，2 為輸出層激活函數，目標矢量為t t 。 1 ) 信息的正向傳遞 ( 1 ) 隱含層中第i 個神經元輸出為 a l ，= ，1 ( w l f p j + 6 l ) ，i = 1 2 ，s l ( 2 3 ) j = 1 ( 2 ) 輸出層第k 個神經元的輸出為 ( 3 ) 定義誤差函數為 a l a 2 k = 廠2 ( w 2 目a l ，+ b 2 i ) ，k = l ，2 ，立 ( 2 4 ) ，t 1 1j 2 e ( w ，功= 去( 氣- a 2 1 ) 2 ( 2 5 ) 二 ，1 2 ) 利用梯度下降法求權值變化及誤差的反向傳播 ( 1 ) 輸出層的權值變化 第二章e h p s 系統及助力特性研究 對從第i 個輸入到第k 個輸出的權值有： 其中： 同理可得： 伽“= 叩蓋= 唧蓋甏 浯。， = ，7 以一a 2 i ) f 2 t a l i = ，7 毛a l f 磊2 f 2 ( t k - a 2 k ) f 2 2 ，2 ( 2 7 ) e k = t k a 2 i a b 2 t a = 叫器= 1 蓋。甏吲氣- a 2 k h 2 ，= ，7 ，s ， ( 2 ) 隱含層權值變化 對從第_ ，個輸入到第i 個輸出的權值，有： 其中： 同理可得： ， 一。翹一。a e a 口2 i g a l 。 岫叫瓦叫瓦麗菰 ：玎蘭( 氣一口2 。) f 2 ，w 2 自f l ，乃( 2 - 9 ) - - r 6 u pj j 2 磊= e l 門，白= 死w 2 h ( 2 1 0 ) k - i 峨t = ，) 6 4 ( 2 - 1 1 ) 3 ) 誤差反向傳播的流程圖與圖形解釋 誤差反向傳播過程實際上是通過計算輸出層的誤差略，然后將其與輸出層激 活函數的一階倒數廠2 相乘來求得。由于隱含層中沒有直接給出目標矢量，所 1 6 第二章e h p s 系統及助力特性研究 以利用輸出層的磊進行誤差反向傳遞來求出隱含層權值的變化量a w 2 。然后計 s 2 算q = 屯w 2 。，并同樣通過將弓與該層激活函數的一階導數廠l 相乘，而求 k = l 得國，以此求出前層權值的變化量們f 如果前面還有隱含層，沿用上述同樣 的方法依此類推，一直將輸出誤差e i 一層一層的反推算到第一層為止。如圖2 1 2 所示。 k = 1 2 ，s 2 ：i = l ，2 s 1 ；j = 1 2 ，r 圖2 - 1 2 誤差反向傳播法的圖形解釋 e j e 2 e k 其中，p ，為輸入，坳、 k 分別為輸入層到隱含層和隱含層到輸出層的權值。 磊、見式( 2 7 ) 和式( 2 1 0 ) ，島，幺分別為隱含層誤差和輸出層誤差。 2 3 2 實現助力曲線的神經網絡設計1 叼 由n = f ( v ，) 函數關系可知，需要建立一個兩輸入一輸出的神經網絡。兩 個輸入為車速礦和轉向盤角速度國，輸出為電機轉速。下面分析如何建立這 一網絡。 2 3 2 1 網絡的隱含層設定 理論上已經證明：具有偏差和至少一個s 型隱含層加上一個線性輸出層網絡 能夠逼近任何有理函數。兩層及兩層以上的隱含層可以進一步降低誤差，提高精 度，但會使網絡復雜化，增加了網絡權值的訓練時間。而誤差精度的提高也可以 通過增加隱含層中的神經元數目獲得，其訓練效果也比增加層數更容易觀察和調 整。在本仿真中，該網絡選取一層隱含層，采用正切s 型神經元。正切s 形函數 產生( - l ，1 ) 之間的輸出，與對數s 形函數只產生( o ，1 ) 的輸出相比，隱含 層的輸出有更寬的值域，對權值、閾值的反向誤差修正也更加靈活。隱含層到底 采用多少個神經元，根據不同的神經元進行訓練對比而定。 第二章e h p s 系統及助力特性研究 2 3 2 2 初始權值和閾值的選取 由于系統是非線性的，初始值對于學習是否達到局部最小、是否能夠收斂 以及訓練時間長短的關系很大。如果初始值太大，使