微型車電動助力轉向控制策略的研究與設計＊

池保忠

(江蘇廣播電視大學常熟學院，江蘇常熟215500)

微型車電動助力轉向控制策略的研究與設計＊

池保忠

(江蘇廣播電視大學常熟學院，江蘇常熟215500)

微型車在實際駕駛的過程中隨車速的變化，駕駛員所需轉向力矩也在變化。EPS核心技術是EPS的控制策略，這種策略依然處于不斷的發展之中。本文在對EPS基本控制原理進行充分研究的基礎上，對EPS具體控制模式進行了系統分析，并設計了微型車EPS的具體控制策略。

微型車;電動助力轉向;控制策略

微型車在實際環境下的駕駛過程中，隨著其車速的快慢，車輛駕駛員所需要的相關轉向力矩也是不一樣的，具體表現如下:在進行高速轉向時，駕駛員所需的力矩較小，而與之相對應的是:低速轉向所需的力矩大。所以，應該隨著車輛行駛和轉向狀態而改變EPS助力大小。電機助力特性指的是隨車輛受力狀況(轉向盤轉矩)和運動狀況(車速)的變化而變化的一般規律。對于電動助力轉向系統而言，直流電機電流與助力的關系是成比例的，所以，微型車的助力特性能夠引入變化關系曲線來進行表示，此曲線是以轉向盤轉矩、車速與電機電流的關系而得出的。理想的助力特性能夠對轉向輕便性與操縱穩定性的關系充分協調，并提供給手動轉向與駕駛員一致的路感。

一、微型車電動助力轉向系統控制策略設計

EPS主要通過助力特性實現助力控制策略，EPS具有多種形式的助力特性，存在三種典型EPS助力特性，分別為:直線型助力特性、折線型助力特性與曲線型助力特性。直線型助力特性的特點是參數調整方便，實現簡單，控制系統設計容易，故廣泛應用;曲線型助力實現方法復雜，系統設計也相對偏難，故在實際中應用比較少見;折線型助力特性的優勢與缺點介于上述兩者之間。

(一)電動助力轉向系統設計原則

在設計EPS系統助力特性時，應該符合以下原則:

①在微型車的助力曲線中，由于難以避免轉向助力的死區。系統若處于轉向盤轉矩較小的區域內，是不會存在轉向助力的;此外，在汽車處于不同車速時，為保證足夠的路感，開始助力的時機也是不同的。

②為保證足夠的路感，應隨著車速的不同而提供不同助力比的轉向助力區。

③為保持轉向過程的平穩性，轉向助力隨轉向盤轉矩的減小而減小，同理，隨轉向盤轉矩的增大而增大。

④轉向助力在轉向盤轉矩已經抵達事先設定好的限值之前，其值是一直保持不變的，這樣就形成了一個穩定的轉向飽和區，這個飽和區可以使由于電機的電流過大而導致控制器中的功率器件燒毀等事件的幾率大幅度降低。

⑤為了保證方向盤操作力不會出現跳躍感，助力特性曲線各區段過渡要平滑。

(二)電動助力轉向系統助力特性的具體設計

對于微型車EPS助力控制策略的設計，核心內容是設計其助力特性，典型EPS助力特性有三種，分別是直線型助力特性、折線型助力特性和曲線型助力特性。結合課題實際開發的要求，通過對比研究上述三種典型助力特性，本文所設計的EPS助力控制采用直線型助力特性。在對EPS助力特性進行設計時，主要對以下兩個層面進行闡述:

①電機助力電流和轉向盤轉矩在某一特定車速下的關系;

②電機助力電流和轉向盤轉矩在不同車速下的變化關系。

圖1所示為典型的直線型助力特性曲線。

圖1 典型的直線型助力特性曲線

由圖可知，在微型車處于數據行使的某一車速下，且微型車轉向盤轉矩比門限值Td0的值要小時，系統所提供助力的值為0，也就是說不提供任何助力;而當轉向盤的轉矩超越了Tdmax門限值的時候，處于保護電機的目的，設置系統助力的值為該車速下所能達到的最大值;當轉向盤的轉矩處于圖中門限值Td0與Td max的數值之間時，轉向盤轉矩與系統助力之間的變化關系是線性的。對于直線型助力特性，當確定了參數助力增益K(V)以及Td0和Tdmax之后，就可以確定整個助力特性曲線。

結合參考文獻［3］中的理論分析結果，并考慮到本文所研究的微型車的實際需要，本文確定以下的參數:Td max=8Nm，Td0=2Nm，則可知助力恒定區的范圍在［8，15］Nm，轉向助力區的范圍在為［2，8］Nm，助力死區的范圍在［0，2］Nm，而高于15Nm的時候，系統助力會停止。EPS系統的靜態特性與K(V)關系密切，考慮到影響轉向阻力的因素很多，難以進行精確確定，所以需要試驗調試結合理論分析來確定。

具體到本文所設計的EPS控制器，由于電動助力轉向系統是針對小排量微型車的，為了使EPS控制系統設計得到簡化，將車輛速度區分為無助力車速區和助力車速區的界限為車速80公里/小時。當微型車處在無助力車速區時，系統助力將取消;而當微型車的行駛處于助力車速區的時候，結合具體的轉向盤轉矩及車速信號，系統會為車輛確定相應的助力值。

考慮到在實際情況中，高速轉向時阻力的變化較小，助力的變化比較緩慢，二低速轉向的時候想通阻力變化比較大，助力的變化也較快;本文在具體的設計中，對助力車速區進行區分，共劃分為十七個速度區，高速段速度區間取值大而低速段速度區間取值小，在設計中，劃分情況的實際值為:當微型車的車速小于20公里每小時的時候，速度區間長度為2.5公里每小時;當微型車的車速高于20公里每小時同時低于50公里每小時的時候，速度區間長度為5公里每小時;當微型車的車速高于50公里每小時同時低于80公里每小時的時候，速度區間長度為10公里每小時，表1所示為詳細速度分區情況。

由表可知，這是考慮到微型車在實際行駛中，其行駛速度一般來講不會總是連續發生變化，最常見的情況是在車輛從一個速度變化到另一速度后，就會在一段時間內維持這個相對穩定的速度。

各速度區間端點處的助力增益系數通過理論分析進行初步的確定，可通過插值的方法獲得速度區間內助力增益系數，考慮到插值算法的復雜程度及系統的要求，在本文的設計中，選用二次插值方法(即拋物線插值)，插值公式如下:

式中，V表示任意車速，i(i=0，1，2…17)表示速度參考點上的相關增益系數;VR代表車速參考點，K(V)的代表處于任意速度之下的助力增益系數，VR=［V0，V1，V2…V17］，KR代表車速參考點處助力增益系數，KR=［K(0)，K(1)，K(2)…K(17)］。

確定微型車助力特性后，結合助力特性曲線函數，即可對系統在任意轉向盤輸入轉矩、任意車速下的電機助力目標電流進行計算。

助力特性曲線函數表達式為:

其中，電機助力電流由Ia表示，電機的最大助力電流由參數Iamax表示，轉向盤的轉矩由參數Td表示，助力增益系數由參數K(V)表示，可知隨車速增加，K(V)會呈現逐步減小的變化趨勢;系統在開始助力時，由Td0表示其轉向盤轉矩，由Tdmax表示最大助力時的轉向盤轉矩。

二、微型車EPS回正控制策略的具體設計

在微型車操縱穩定性中，轉向回正性能是一個非常重要的性能指標。在微型車進行轉向時，轉向盤在主銷后傾角和主銷內傾角的作用下具有自動回正功能，而在微型車的駕駛員將轉向盤松開時，作用在轉向盤上力矩呈現出逐步減小的趨勢，隨著此趨勢，在自動回正力矩的作用下，轉向盤將回正。轉向盤在理想情況下，由于自動回正力矩的作用，會自行回到中間位置。但由于EPS系統中所增加減速機構和電機等部件，不僅存在著彈性或間隙，還有摩擦和慣性等，有時候會致使轉向盤難以做到迅速準確回到中間位置。

為使裝備EPS系統微型車回正性能提高，必須控制其回正過程。主要由兩部分組成轉向盤回正到中間位置的控制策略:一個策略是是低速回正控制，這種控制方式結合具體的低速轉向回正過程，在電機上施加一定的外轉矩，從而促使轉向盤準確迅速的回到中間位置，又稱作回正助力控制;另一個策略是高速回正控制，這種控制方式結合高速轉向回正過程，以電機對系統所施加的的阻尼作用，在有阻尼的情況下使微型車回到中間位置，從而避免了擺振的發生，又稱作回正阻尼控制。

鑒于在微型車EPS產品開發中對系統可靠性的要求較高，本文所涉及的回正控制策略引入的是動力回正控制方案，圖2所示為其具體控制模式。

圖2 動力回正控制示意圖

動力回正控制方案與助力控制策略類似，結合微型車轉向回正時的轉向力矩，在整個回正過程為其提供成一定比例的回正控制力矩，這種模式可以不計車輛速度的變化，容易實現，實現過程比較簡單。

轉向盤作用轉矩在車輛回正過程中逐漸減小，若仍然按圖中曲線AO和BO為助力特性曲線進行控制，可能會導致高速時出現超調，而低速時不能回到中間位置的情況發生。因此，在設計時應注意，要根據回正特性來進行回正控制電機，高速時逐漸衰減助力電流，低速時迅速衰減助力電流，具體闡述如下:

(1)在微型車低速行駛時，為減輕回正操縱力及保證其回正的快速響應，以圖中回正曲線Al為模式，采用快速大電流回正;

(2)在微型車高速行駛時，為防止回正超調及提高其回正過程的操縱穩定性，以圖中回正曲線Bl為模式，采用慢速小電流回正控制。

三、微型車EPS阻尼控制策略的具體設計

微型車EPS系統中，由于一些慣性如電機、減速機構等的存在，使其慣性大于傳統機械式轉向系統，轉向盤的瞬時角速度當快速轉動轉向盤時會變得很大，電機在慣性的作用下，當轉向盤不再轉動后也并未立即停止轉動，這種情況易造成車輛的轉向過多，會在車速較高時造成非常危險的狀況。故當轉向盤轉動停止的時候，電機也應立即停止轉動，需要通過EPS阻尼控制才能實現電機這種快速跟隨轉向盤停轉的性能。EPS系統以阻尼控制的方式，使車輛高速直線行駛穩定性得到提高，使車輛高速行駛時出現橫擺振動得到抑制，防止回正超調或轉向過于靈敏，并使微型車高速直線行駛時快速轉向收斂性有所提高。

在阻尼控制實現方案中，圖3所示為其助力電機等效電路圖。

圖中，電機的端電壓表示為:Um=LdI/dt+RIm+E

電機的反電動勢可以表示為:E=Kbωm=Kbθm

感應電動勢可忽略不計，上式可簡化為:Um=RIm+Kbωm

短路電機兩端，Um=0，此時得到電機轉矩:Tm=KaIm=－KaKbωm/R

其中，Um:電機端電壓;Im:電機電樞電流;Tm:電機電磁轉矩;L:電機電感;R:電機電樞電阻;Kb:反電動勢常數;E:反電動勢;Ka:電機特性系數;ωm:電機角速度;t:時間。

由以上分析可知，電機轉矩當電機短路時表現為制動力矩，其大小與電機轉速成比例，方向與電機轉向相反。當引入電機短路的模式實現阻尼控制時，阻礙電機繼續旋轉的阻尼轉矩由電機旋轉產生的反電動勢形成。通過分析EPS阻尼控制實現方案，當EPS控制器輸出PWM信號使電機短路時，電機轉矩的作用即為制動力矩。本文的設計中，使功率管FET1和FET2在控制器輸出PWM信號作用下同時導通，從而實現短路電機，控制電機阻尼轉矩。

四、轉向盤轉角估算算法的具體設計

上述EPS阻尼控制及回正控制實現方案中，均涉及到轉向盤轉角的計算，若裝備有轉角傳感器在EPS系統中，轉向盤轉速可通過對轉角傳感器信號進行微分來獲取;若沒有裝備轉角傳感器在EPS系統中，則需要進行預估，下面說明根據利用現有的傳感器信號，以電機的電壓和電流參數對電機角速度進行估計，轉向盤轉角可以通過積分環節估計得到:

由式Um=RIm+Kbωm可得:

轉向盤角速度:ωsw=ωm/Gr

則θs=ωSW=ωm/Gr

對上市兩段進行積分，即可得到轉向盤轉角的值，并用于確定阻尼控制及回正控制相關控制量。

［1］Y Tokunoto，M.Shiba.Development of Next－Generation Steering Sensor for Electric Power Steering［J］.KOYO Engineering Journal English Edition，2008，(165):20－24.

［2］Yuji Kouzaki，Goro Hirose，etc.Electrical Power Steering(EPS)［J］.NSK Motion＆Control，2009，(6):9－15.

［3］肖生發，瑪櫻，劉洋.電動助力轉向系統助力特性的研究［J］.湖北汽車工業學院學報，2001，1S(3):34－37.

2011－02－22

池保忠(1978－)，男，江蘇常熟人，講師，工程師，碩士。