電動助力轉向系統(tǒng)控制策略研究與試驗驗證

范長勝，郭艷玲

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)*

電動助力轉向系統(tǒng)控制策略研究與試驗驗證

范長勝，郭艷玲

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)*

在基于PID控制理論的基礎上通過對電動助力轉向系統(tǒng)結構及工作原理的分析，設計了EPS電子控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)在控制過程中依據(jù)轉矩信息結合PID控制策略的信息融合方法，將內(nèi)部信息的融合與優(yōu)化問題得到了解決，并將所設計的EPS裝置在試驗臺上進行各項性能測試.試驗結果表明所設計的EPS系統(tǒng)性能穩(wěn)定，且在不同的車速狀況下可有效的改善方向盤轉矩輸出，增加轉向時的實時性與靈巧性.

電動助力轉向;助力特性;實車測試

0 引言

隨著汽車技術的發(fā)展，人們對駕駛環(huán)境的要求也越來越高，汽車動力轉向系統(tǒng)中的EPS系統(tǒng)以它的節(jié)能、輕便、清潔等優(yōu)點，其需求速度迅速增長［1］.2008年 EPS的裝車量為 68萬輛，2009年為95萬量，2010年為130萬量，并且還會持續(xù)增長［2］.EPS由電機與蝸桿齒輪機構組成，電機產(chǎn)生輔助轉矩使其具有高能源效率和方便性、維護等優(yōu)點.電動助力轉向系統(tǒng)它消耗的能量大約是傳統(tǒng)液壓動力轉向系統(tǒng)的1/20，由于它不包含任何耗油物質，所以在生產(chǎn)和使用時都不會污染環(huán)境［3］.EPS系統(tǒng)的特點決定它特別適用于電動汽車和新能源汽車.因此，EPS系統(tǒng)具有非常廣闊的應用前景［4］.

1 EPS系統(tǒng)結構及其動態(tài)模型

1.1 EPS 系統(tǒng)結構

電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)以車輛蓄電池為能量源，控制單元是以微處理器為核心的控制電路，微處理器可以根據(jù)設計需要確定為8位機或16位機，微處理器通過采集到的車速信號、發(fā)動機轉速信號、點火信號等輸入信號狀態(tài)對轉向系統(tǒng)進行控制，直接的控制對象是助力電機，通過改變助力電機工作電流大小的方式改變助力電機輸出的轉向扭矩，再通過減速機構、輸出軸、齒輪齒條等機構把扭力矩傳遞給轉向車輪實現(xiàn)轉向助力.圖1所示為電動助力轉向系統(tǒng)結構圖.

圖1 電動助力轉向系統(tǒng)結構圖

1.2 EPS系統(tǒng)的控制策略

EPS系統(tǒng)運行的特點是依據(jù)轉向盤轉動的角度信號和車輛行駛時的速度信號，二者共同確定轉向盤的轉矩大小，并將實際轉向盤的轉矩與EPS系統(tǒng)計算的轉向盤轉矩進行比較.將這兩個部分應用PID和PWM進行閉環(huán)控制［5］，以此來實現(xiàn)對轉向盤的直接控制.圖2所示為本次設計所采用的控制策略.

圖2 EPS系統(tǒng)控制策略

2 EPS助力特性曲線

電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)是以直流電機為動力驅動部件，直流電機驅動力由電流大小來決定，電流越大，電機的驅動力就越大.EPS將根據(jù)方向盤扭矩大小控制輸出相應大小的控制電流來驅動電機動作，輸出電流越大，電機驅動力越大，方向盤轉動越輕，駕駛員手感越輕.在EPS助力的過程中還將考慮到車速對轉向助力的影響，因為車輛原地轉向時地面摩擦阻力大，車輛行駛時地面摩擦阻力變小，車速越高地面摩擦阻力越小，因此要求電動助力轉向系統(tǒng)將根據(jù)不同車速，確定不同的電動助力電流上限，使得車輛在原地時助力手感輕盈，而車輛在高速助時手感沉穩(wěn).在EPS系統(tǒng)轉向助力的過程中將要綜合的考慮到方向盤轉矩、車輛行駛速度、直流電機驅動電流等因素，將它們用曲線表示出來就是電動助力轉向系統(tǒng)的助力曲線.EPS的助力特性曲線主要有直線型、折線型及曲線型三種［5］.

本項目在對三種電動助力曲線都作了大量研究及實驗測試工作，通過研究分析發(fā)現(xiàn)，無論是直線型、折線型還是曲線型助力曲線，都應設有無助力區(qū)間，即死區(qū)，在這段區(qū)間內(nèi)EPS不提供助力，其目的是為了減少助力電機頻繁反復運動.如果沒有設定死區(qū)，扭矩傳感器檢測電壓始終會在零點左右反復變化，助力電機則會相應的在零點左右反復運動，結果會使方向盤左向或右向反復轉動，使得駕駛員很難維持方向盤不動.由于電機的反復運動，容易造成抖動，出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，而爬行現(xiàn)象在電動助力轉向系統(tǒng)中必須解決的問題.在研究分析電動助力轉向曲線時，電機助力電流的上設制也要全面考慮，一方面電機助力電流上限的大小隨車速大小而改變，另一方面，在確定電機助力上限電流時還要考慮到所用電機驅動芯片本身的過流限制，如果忽略了這個問題，當電機助力電流隨著扭矩的增大而逐漸增大時，電機驅動芯片過流保護會在電流大到一定值時停止芯片正常工作，使得電動轉向助力突然停止，這在實際行車中是很危險的，也是在電動助力轉向設計中不允許的.在本項目中設計中主要采用直線型，隨速助力曲線如圖3所示.為了提高助力曲線精度，減少車速變化時的助力波動，本設計采用了高密度曲線面簇設計法.助力曲線以每0.2 km/h為一個間隔，在車速范圍內(nèi)共設計了1 000條助力曲線，曲線采用5次樣條設計，保證了曲線的連續(xù)性和平滑性.隨速助力曲面，水平軸為力矩，范圍為0～9 N·m;豎軸為電流，最大電流為30 A;斜軸為車速，范圍為0～90 km/h(90 km/h以后曲線變化極小，因此在圖3中并未顯示).

圖3 速助力三維曲面

3 電動助力轉向系統(tǒng)模型

3.1 轉向系統(tǒng)和電機模型

電動助力轉向系統(tǒng)由很多具有彈性和阻尼特性的質量元件和慣量元件所構成.在系統(tǒng)建模時主要針對圖1所示結構進行模擬計算.系統(tǒng)的各組成部分的剛度、轉動慣量、阻尼性等都考慮時會使系統(tǒng)模型變得非常復雜，因此建模時將齒條兩端的部件簡化成為一線性剛性彈簧，兩側的車輪與齒條等效為一當量質量.

轉矩傳感器檢測值為:

電動機的動力學方程:

齒條動力學方程:

助力電機動力學方程:

在式(1)～(5)中，Ts為轉矩傳感器檢測轉矩;Kc為轉矩傳感器扭桿剛度;θc為轉向盤轉角;p為齒條位移;rp為小齒輪半徑;Jm為電機軸轉動慣量;θm為電機轉角;Bm為電機軸阻尼系數(shù);Tfm為電機軸庫侖摩擦轉矩;Tm為電機電磁轉矩;Br為齒條阻尼系數(shù);Mr為齒條和車輪等效質量;Ff為齒條庫侖摩擦力;Kf為電機反電勢系數(shù);R為電機電樞電阻;L為電機電感;u為電機控制電壓.

3.2 控制系統(tǒng)模型

EPS系統(tǒng)中采用PID控制算法進行數(shù)據(jù)采集計算，并對相應控制環(huán)節(jié)進行控制，為了驗證PID控制算法的可行性以及初步確定PID控制參數(shù)，建立了電動助力轉向系統(tǒng)PID控制模型，如圖4所示.數(shù)據(jù)采集通過PCI1710數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號輸入端口AI0、AI1進行采集，通過模擬輸出端口AO1進行數(shù)據(jù)輸出，并通過模擬輸入端口AI2進行數(shù)據(jù)反饋，構成閉合控制.為了在實際控制器中控制過程能夠實現(xiàn)運行平穩(wěn)、信號跟隨性好.

圖4 EPS系統(tǒng)控制模型

4 電動助力轉向系統(tǒng)的試驗測試

為了檢測所設計的EPS系統(tǒng)的正確性和有效性，進行了EPS系統(tǒng)的試驗臺架設計，其試驗臺架的組成主要由機械和電控兩部分構成.機械部分由方向盤，管柱式轉向系統(tǒng)、車輪、壓液加載系統(tǒng)、臺架支撐部分、懸架系統(tǒng)等組成;電控制部分由計算機系統(tǒng)、12 V電源、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、直流鉗式電表、萬用表、直流電機、扭矩傳感器、扭矩測量儀、ECU控制器等組成.圖5為電動助力轉向壓液加載實驗臺架實物主視圖.對EPS系統(tǒng)的助力特性數(shù)據(jù)的測試都是由德州市中泰華研電子科技有限公司生產(chǎn)的專用儀器設備上進行的.

圖5 電動助力轉向壓液加載實驗臺架

4.1 EPS系統(tǒng)空載試驗測試

空載試驗是測試在空載的狀態(tài)下方向盤轉向時手力扭矩輸入的扭矩值范圍.把電動助力轉向控制系統(tǒng)安裝在試驗臺上，轉向系統(tǒng)輸出軸無載荷作用，點火開關未開啟狀態(tài)下，輸入軸從原點位置開始旋轉，轉速為(6±1)r/min，先順時針轉動到最大轉角的90%，再逆時針轉動到最大轉角的90%，然后再順時針轉回到原點位置.圖6為空載實驗的實測曲線，曲線測試包括無助力狀態(tài)下測試及有助力狀態(tài)下測試，表1所示為空載試驗測試數(shù)據(jù)，空載試驗要求空載無助力力矩波動范圍為－2＜|X|＜1，空載試驗要求空載有助力力矩波動范圍為－2＜|X|＜1.4;空載無助力平均力矩要求范圍為0＜|X|＜0.5，空載有助力平均力矩要求范圍為0＜|X|＜1，從表1中可以看到，測試結果數(shù)據(jù)結果在檢測要求范圍之內(nèi)，因此本設計的電動助力轉向控制系統(tǒng)空載實驗附合設計要求.

圖6 空載試驗曲線

表1 空載試驗測試數(shù)據(jù) N·m

4.2 EPS系統(tǒng)對中試驗測試

對中試驗測試扭矩傳感器在方向盤左向旋轉與右向旋轉時的信號輸出對中狀態(tài)，如圖7所示為電動助力轉向控制系統(tǒng)對中試驗實測曲線，在不同的壓強作用下，要求信號對中信號輸出不能跑偏，對稱度要求范圍0＜|X|＜0.2，表2為對中特性結果實驗數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以看出本設計的電動助力轉向系統(tǒng)的對中實驗符合設計要求.

表2 對中特性結果數(shù)據(jù)

4.3 EPS系統(tǒng)控制器數(shù)據(jù)試驗測試

合理的EPS系統(tǒng)控制器可以使駕駛員獲得良好的路感和手感;如果EPS系統(tǒng)提供的助力較差將增加駕駛員對汽車的操縱強度，使其缺乏路感，不能對當前所行駛的路況做出準確的判斷.對EPS系統(tǒng)的測試是在不同的車速(0、10、20、40、60、80 km/h)下進行測量，車速0 km/h為原地狀態(tài)，車輪與地面的摩擦阻力大，此時的手力輸入扭矩最大，助力電機輸出扭矩也最大;車速80 km/h為車速較高狀態(tài)，車輪與地面的摩擦阻力變小，助力電機的輸出扭矩變小，在同樣的扭矩輸出值時，為了保證駕駛人員的手感，此時的輸入扭矩最大.第一象限區(qū)域為方向盤正向轉動輸入與輸出扭矩的關系，第三象限區(qū)域為方向盤反向轉動輸入與輸出扭矩的關系，每一車速所對應的閉合曲線為方向盤的轉向與回正過程形成的曲線.其輸入與輸出扭矩曲線測試圖形曲線如圖8所示.

從以上試驗結果可以看EPS系統(tǒng)的原地助力效果與動態(tài)試驗效果都是較好的，并且撒手回正性能也有良好的改善.

表3為力特性測量結果數(shù)據(jù)，得到了本設計的電動助力轉向控制器輸出力矩的相應實驗數(shù)據(jù)，輸出力矩對稱性值作為衡量輸入與輸出扭矩是否合格的標準，要求對稱性|X|＞80，從測量結果實驗數(shù)據(jù)能看到，本設計的測試結果都大于90，因此測試結果合格.

5 結論

通過對EPS系統(tǒng)的助力電機的性能測試和EPS系統(tǒng)控制器數(shù)據(jù)試驗測試的結果可以說明，EPS系統(tǒng)能使駕駛員在行駛過程中對方向盤的轉向力明顯減輕，可以汽車在轉向過程的輕便性和靈活得到提高;在不同車速狀態(tài)下方向盤的撒手回正效果較好，可以使車輛在直線行駛過程中方向盤的回正性能得到提高.

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Control Strategy Research and Experiment Verification for Electric Power Steering System

FAN Chang-sheng，GUO Yan-ling

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Based on PID control theory，an EPS electronic control system is designed through the analysis of electric power steering system structure and working principle.In the control process，information fusion method based on torque information and combined with the control strategy of PID makes the intelligence fusion and optimiz action problems to be solved.Performance test of the EPS shows effectively improved steering torque output and increased real-time steering and dexterity at different speed conditions.

electric power steering;assistance characteristic;simulation and test analysis

A

10.13291/j.cnki.djdxac.2014.03.024

1673-9590(2014)03-0101-05

2013-08-14

范長勝(1974－)，男，講師，碩士，主要從事機電一體化技術、智能控制的研究

E-mail:24866580@qq.com.