基于复合电源的重型商用车EPS能量融合机理与多模式切换控制研究

Electric power steering system (EPS) under existing power supply system can’t provide enough power needed for heavy-duty vehicle cornering at low speed. To solve the problem, EPS in heavy-duty vehicle based on compound power supply is proposed. The research focuses on energy integration mechanism and multi-mode switching control of the new type of EPS. First of all, dynamic model of steering resistance moment at low speed is established by combining vehicle dynamics and tribology. Thus the intervention and exit mechanism of super capacitor is formulated, the law of dynamic energy balance between the vehicle power supply and super capacitor is ascertained. Consequently, energy integration mechanism of the compound power supply is revealed. Secondly, EPS based on the compound power supply is summarized as hybrid system. Patterns recognition of power supply modes is implemented according to the fuzzy rules. Multi-mode switching control strategy of the EPS system based on the fuzzy supervisor is also developed. In view of nonlinearity and time-varying of super capacitor discharge process, uncertainty of the EPS system and external disturbance, active disturbance rejection algorithm, neural network dynamic surface algorithm and fuzzy PID algorithm are employed for EPS control respectively under compound power supply mode, super capacitor power supply mode and vehicle power supply mode, to improve robustness and responsiveness of the EPS system. Then simulated annealing based particle swarm optimization (SA-PSO) algorithm is used to optimally design rating power of vehicle power supply and capacitance of super capacitor. Finally, bench tests and road tests are carried out to verify the control strategy. The research findings will lay the foundation for application of EPS in the field of heavy-duty vehicles.

针对现有整车电源系统下电动助力转向（EPS）无法提供重型商用车低速转向所需功率的问题，构建基于复合电源的重型商用车EPS系统，重点研究系统的能量融合机理与多模式切换控制策略。综合运用车辆动力学与摩擦学理论建立低速转向阻力矩的动态模型，研究超级电容的介入-退出机制，探明整车电源与超级电容能量的动态平衡规律，揭示复合电源的能量融合机理；将基于复合电源的EPS系统归结为混杂系统，运用模糊规则对EPS的电源模式进行识别，制定基于模糊监督器的多模式切换控制策略；鉴于超级电容的放电过程具有时变性、非线性，以及系统存在不确定性和外部干扰，因此各电源模式下的EPS分别采用自抗扰控制、神经网络动态面控制和模糊PID控制算法，以提高系统的响应性和鲁棒性；运用模拟退火粒子群算法对整车电源的额定功率和超级电容的电容量进行优化设计；最后进行台架试验和道路试验验证。研究成果将为EPS在重型商用车领域的应用奠定基础。

针对现有整车电源下电动助力转向系统（EPS）无法提供重型商用车低速转向所需功率的问题，构建了基于复合电源的新型EPS。基于ABAQUS有限元软件建立了轮胎/路面的有限元模型，仿真并拟合得到了轮胎/路面转向摩擦力矩的表达式，建立了包含转向摩擦力矩和回正力矩的车辆低速转向阻力矩数学模型，并通过实车试验进行了验证，根据各车速下的仿真结果得到重型商用车低速转向阻力矩随车速、方向盘转角变化的关系曲线，分析了低速转向阻力距的变化规律。通过实车试验采集并统计得到了整车电器的用电负荷、单次转向的最长时间和两次极低速转向的间隔时间，根据转向阻力距随车速和转角的变化规律，以及整车电器的用电负荷确定了临界转向车速和临界转角，并结合整车电源的高效功率区间，匹配得到了超级电容的容量；根据典型工况下助力电机的需求电流和超级电容的荷电状态（SOC），制定了复合电源的动态能量管理策略，建立了超级电容的介入-退出机制，确定了各工况条件下整车电源与超级电容的功率分配比例，以整车电源输出电流波动最小为优化目标，建立了关于能量管理参数Ilow、Ihigh的优化函数，采用PSO算法优化得到了最优的能量管理参数。根据各车速下方向盘转角、超级电容SOC和整车电源电压，制定了复合电源工作模式的识别规则，设计了整车电源模式、复合电源模式、超级电容模式下的PID控制器、自抗扰控制器和滑模控制器和多模式切换控制模糊监督器，仿真结果表明多模式切换控制策略可使系统在不同电源模式下都达到很好的跟踪效果，模糊监督器的引入也有效的保证了切换过程中的稳定性。搭建了复合电源EPS的试验系统，试验结果表明能量管理系统和多模式切换控制系统能使复合电源中的整车电源和超级电容输出期望的转向功率，控制系统动态响应快。分别对转向轻便性、中间位置操纵稳定性和转向工况能耗进行了仿真分析，结果表明改装车辆的转向轻便性和高速操稳性显著提升，转向系统能耗大大降低。本项目的研究成果对促进EPS在重型商用车上的应用具有重要的推动作用。