汽車EPS控制策略和控制方式*

郝亮 孫劍 郭濤 于繼開 王群 劉素偉 鄭利民

（1.遼寧工業大學；2.錦州明日世紀科技有限公司）

汽車性能評價的一個重要評價指標是汽車轉向系統的性能。電動助力轉向系統（EPS）能夠保證汽車的安全性和穩定性，受到越來越多汽車廠商的青睞。因此，目前針對EPS 的控制策略和控制方式進行研究，以便對EPS 進行進一步設計與優化，對于提高國產轎車的自主開發與科技創新能力，具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 汽車EPS及原理

EPS 是由傳感器、助力電機、電機減速機構、控制器及控制策略等要素組成，由電機提供輔助轉矩的動力協助系統。具體結構，如圖1 所示。

當駕駛員操縱方向盤時，轉向軸上的扭矩和轉角傳感器不斷檢測轉向軸上的信號，該檢測信號與檢測到的車速信號一起輸入控制器（ECU）。ECU 根據這些信號，并結合所檢測到的助力電機的電流反饋信號，按照設定的助力控制策略進行運算處理，從而確定電機應該產生的目標助力轉矩的大小和方向，電機控制器控制電機產生助力轉矩。該電流即為所需的助力扭矩，由電磁離合器通過減速機構減速增矩后加在汽車的轉向軸上，使之得到一個與汽車行駛工況相適應的轉向作用力。EPS 雖然有很多優點，但是EPS 存在提供的功率不足的問題，因此EPS 在小型車輛上應用居多[1-2]。近年來，隨著車用電源電壓不斷提升（提升至24 V，甚至42 V），EPS 在車上的應用越來越廣泛[3]。

2 EPS控制策略和控制方式的研究現狀

EPS 控制系統要求響應速度快。在不同的車速下擁有不同的轉向力矩，EPS 需保證低速操縱時的輕便性和高速操縱時的穩定性，進而有效緩解駕駛員的操縱負擔。此外，由于EPS 各個機構之間有不同程度的摩擦和慣性，EPS 能提供合理摩擦和慣性補償控制，進而提高轉向控制精度；EPS系統要有故障處理程序對不正常運轉系統進行故障處理。針對上述控制目標，要制定出相應的控制策略和控制方式。

2.1 國內EPS系統控制策略和控制方式的研究現狀

國內EPS 的研究起步較晚。一些高等院校和汽研機構正投入很大精力對EPS系統控制策略和控制方式進行跟蹤研究，并取得了階段性的成果。

文獻[4]提出了基于混合靈敏度方法的電動助力轉向系統控制，并通過仿真驗證了用此方法設計的控制器符合系統性能要求，與經典控制理論設計的超前-滯后控制器相比較，證明用此控制器具有更好的魯棒性能。

文獻[5]對EPS助力特性補償策略的耦合進行仿真分析。利用MATLAB 與ADAMS 耦合仿真的方法，將轉向控制算法與整車模型有效結合，進行助力特性補償策略的仿真研究。通過試驗驗證了用耦合方法研究助力特性補償策略是有效的。此外，橫擺角速度補償和阻尼補償仿真分析分別表明：當汽車處于橫擺角速度過大的不穩工況時，對其路感反饋的補償，可提高行駛穩定性；在不平路面汽車高速行駛時，通過阻尼補償，有效降低了路面對方向盤的沖擊，改善了駕駛員的操作舒適性。

文獻[6]提出了應用PID 控制算法對方向盤轉角進行估計，該控制算法并不需要方向盤轉角或者電動機轉速傳感器。因此，有效降低了EPS系統的成本。另外，對提出的控制算法進行仿真和與其他回正控制算法的試驗對比分析，證實此算法可有效提高方向盤的回正性和穩定性。

文獻[7]針對汽車EPS系統低高速特性的缺陷，提出了新型的回正與主動阻尼控制策略，回正力矩或阻尼力矩的大小可以隨車速和方向盤轉角的不同而自動調整。實車試驗進一步驗證了該控制策略改善了汽車低速和中高速時的回正性能和回正超調現象，且在施加了主動阻尼與回正控制后，駕駛員的操縱手感并沒有受到不良影響。

文獻[8]通過進一步分析EPS 各組成部分的數學模型，通過Matlab/Simulink 軟件建立了EPS 仿真模型，并構建了EPS系統的兩層控制策略，上層策略采用基本補償控制和助力控制的方法確定目標電流，下層策略通過PID 調節器精確跟蹤控制目標電流。仿真結果表明：設計的這一控制策略能夠有效解決轉向輕便性和路感的問題，而且可改善轉向的回正能力和動態效果。

文獻[9]提出了相位補償的EPS 控制方法。試驗研究發現，控制系統可表示為內外兩環，內環包含了反電動勢的反饋通道，采用快速比例積分（PI）控制的內環，可以忽略反電動勢，進行相位補償后系統的穩定性較好，反之穩定性較差。結果表明：在低頻共振頻率范圍內，EPS 采用超前校正及提供相位補償是解決系統振動和穩定性的有效方法。同時，文獻[9]建立了客車用循環球式電動助力轉向系統主要模塊的數學模型和應用Matlab/Simulink 建立的仿真模型，提出了助力特性控制策略（“轉矩傳感器輸出信號的比例-微分”+“助力電動機角速度反饋策略”），可以按需改變EPS 的阻尼。仿真結果表明：此算法能顯著提高汽車EPS 的動態性能。

文獻[10]建立了針對助力電機目標電流輸出控制特點的EPS 動態數學模型，建立Sugeno 型模糊控制器，同時電機實際電流采用PID 閉環反饋控制，并對控制信號進行幅頻復合濾波處理，從而進一步提高了控制效果。通過硬件在環和模擬仿真試驗結果，驗證了此方法明顯改善了EPS 的控制性能。

文獻[11]分析了EPS 存在的不確定性因素和系統動態特性的要求，提出EPS 混合H_2/H_∞控制器，運用H_∞方法研究在極小化系統中各種干擾對被控輸出的影響，以此為基礎，運用H_2 方法對系統進行優化。EPS 路感仿真結果表明：此系統綜合了H_2 控制和H_∞控制的優點，具有較好的魯棒性能和魯棒穩定性，可有效抑制路面隨機激勵和模型參數等不確定因素所引起的各種干擾和噪聲，使駕駛員獲得滿意的路感。

文獻[12]利用虛擬樣機軟件建立EPS 的整車動力學模型，分別對3 種不同助力特性曲線進行轉向輕便性、轉向回正性能和蛇行試驗仿真分析，研究助力特性對汽車轉向輕便性、操縱穩定性和路感的影響。此方法可為臺架試驗和實車道路試驗提供指導，縮短產品開發周期，節約成本。文獻[13]提出了一種適用于全車速范圍的基于主動轉向干預的EPS 方向盤力矩突變助力電機前饋修正策略。仿真結果表明：該策略使得伴隨主動轉向干預同時出現的方向盤力矩突變得到了有效削弱，且在高速時該修正策略仍然有效，改善了主動轉向干預時轉向系統的轉向路感。文獻[14]提出了實時跟蹤的EPS 的模糊自適應PID 控制。仿真結果表明，模糊自適應PID 比常規的PID 控制具有更好的穩定性和可靠性，完全滿足EPS 快速特性的要求。

文獻[15]提出了EPS 多領域最優平方積分誤差魯棒控制（ISE）模型降階方法。該方法對EPS 魯棒控制器進行降階，并與最優Hankel 范數降階法進行比較。仿真結果表明：此方法具有更好的降階效果，且降階系統具有很好的魯棒性。文獻[16]提出基于粒子群優化算法的汽車EPS 參數優化設計。仿真分析和實車試驗表明，EPS 參數全局優化后，方向盤操縱力矩峰值、側向加速度峰值及最大超調量數值均有顯著降低，汽車轉向輕便性和側向行駛穩定性均得到明顯改善。文獻[17]提出了汽車EPS 反向助力控制策略，主要是為提高EPS 的抗側向干擾性能。通過60 km/h 側向風作用下的3 種車速工況下的整車動力學模型與在Simulink 中建立的EPS 反向助力控制模型聯立，仿真試驗驗證了此策略改善了EPS 抗側向干擾性能和增強了整車橫向穩定性，為進一步完善EPS 控制策略提供了技術支持。

文獻[18]針對汽車爆胎時產生的方向盤沖擊力矩，在EPS 加入補償電流（補償力矩算法），從而衰減沖擊力矩。通過仿真試驗對此算法進行分析和驗證，結果表明控制算法有效，進而減少了駕駛員由于爆胎產生的不適感。文獻[19]提出了無轉角傳感器的主動回正控制方法，并以軟件形式附加在EPS 控制程序中，以改善汽車的回正性能。試驗結果表明：此控制方法不影響EPS基本助力特性，降低了汽車低速和高速回正時的方向盤殘留角度和橫擺角速度超調量。因此，無轉角傳感器的主動回正控制方法在減少系統元件的基礎上有效改善了汽車的回正性能。文獻[20]針對EPS 中存在模型不確定性和路面干擾問題，提出了遺傳算法的EPS系統魯棒H_∞控制方法。仿真結果表明，遺傳優化后的EPS 魯棒控制器有效地增強了系統的魯棒穩定性和系統的抗干擾能力，使駕駛員獲得滿意的路感，提高了行駛安全性。文獻[21]進行了基于狀態觀測器的EPS 的研究，通過狀態觀測器對側偏角進行估計和對橫擺角速度與質心側偏角進行反饋控制，并運用最優控制理論設計了EPS 控制器，通過與常規控制對比，體現了自身的優越性。文獻[22]提出了采用NLPQL 算法對電動輪汽車差速助力轉向參數進行優化設計，此算法在保證EPS 具有較好轉向穩定性和較高轉向靈敏度的基礎上，有效提高系統的轉向路感和降低系統的轉向能耗，為電動輪汽車EPS 的設計和優化提供理論基礎。

2.2 國外EPS系統控制策略和控制方式的研究現狀

國外對EPS 技術研究已經有30 多年的歷史，技術日趨成熟，美國、德國及韓國等國家，都屬于研制EPS比較早的國家。國外的EPS 制造企業迅速占據了我國EPS 市場份額的90%以上，國內EPS 企業僅占市場份額的不到10%，從而阻礙了我國EPS 技術的發展。此外，德國、美國及日本等國家開發了許多基于不同控制策略和控制方式的控制器，并引領著整個汽車工業EPS系統的發展。

文獻[23]采用解耦控制來設計可變齒輪傳動的EPS控制器的方法，該控制器利用解耦控制（采用角度控制和轉矩控制）設計2 個分離的系統控制器，然后應用于整個控制器中，并通過測試平臺驗證了該控制器的有效性。文獻[24]對主動轉向干預時方向盤力矩的突變進行了研究，該方法可以對主動轉向干預時方向盤力矩的突變進行有效修正控制。由于現代EPS 的助力電機所采用的助力增益具有一定車速上的局限性，當行駛速度超過此限值時，助力電機的常規助力增益為0，此方法不能對主動轉向干預時方向盤力矩所發生的突變進行有效修正。

文獻[25]提出了采用六相感應電機位置的模糊控制應用到EPS 中，實現了有效的位置控制。即使處于故障（1，2，3 相位丟失）工作模式下，它也可以進行有效工作。試驗表明該研究對EPS 控制器開發具有很大的促進作用。

文獻[26-27]提出了一種新的EPS 控制策略，其控制目標是能夠產生快速響應駕駛者轉矩的輔助轉矩，同時建立起必須適應建模誤差和參數的不確定性控制策略。此控制策略無需對不同的算法進行切換和參數變化調整，進而簡化了控制系統的復雜性，并且該策略提高了系統的性能和魯棒性，降低了成本。仿真結果表明：所提出的控制策略能滿足EPS 所需的性能要求。

3 結論

EPS 是動力轉向技術發展的一個代表。伴隨著轉向技術的迅猛發展和日益更新、控制技術的不斷進步以及電子技術的高集成化，智能化和線控化成為助力轉向技術發展的必然趨勢。對于EPS 的研究與開發，控制器是一項關鍵技術，而控制算法又是控制器的核心，開發更加優良的控制算法，對于提高EPS 性能和節約成本等方面具有更加重要的現實意義。因此，文章就EPS系統控制策略和控制方式國內外近期的研究做了總結，為以后的研究工作奠定了基礎。