EPS模糊滑模變結構控制仿真及試驗研究

夏天，陳龍，黃晨，江浩斌

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013)

EPS模糊滑模變結構控制仿真及試驗研究

夏天，陳龍，黃晨，江浩斌

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013)

針對EPS電機電流跟蹤特性較差，駕駛員操縱手感較差等問題，提出了模糊滑模變結構控制器，解決了滑模變結構控制到達滑模面出現“振顫”的問題。運用Matlab/Simulink對控制器進行仿真，驗證了控制策略的有效性。最后，運用dSPACE的組件系統搭建了EPS快速控制原型平臺，進行了實車道路試驗。蛇形和雙移線兩種工況的實驗結果進一步驗證了所提出的控制策略可以保證電機電流的跟蹤能力，并且具有較強的自適應性。

電動助力轉向;模糊滑模變控制;電流跟蹤;快速控制原型

與傳統的液壓助力轉向(HPS)相比，電動助力轉向(EPS)具有節能、安全、成本低和總裝性好等優點［1］，不僅能根據車速和駕駛工況實時向駕駛員提供預期的路感，而且可大大改善轉向的響應性能，使車輛在經歷彎道后引起的橫向擺動能快速收斂［2］。

東北林業大學的詹長書［3］在動力學分析基礎上建立了7自由度微分方程，設計了低通濾波器，對比分析有、無濾波環節跟蹤誤差值，結果顯示:采用適時主動阻尼低通濾波控制降低了系統跟蹤誤差，助力明顯且系統響應靈敏，電流跟蹤效果理想。江蘇大學的葉熠君［4］提出采用粒子群優化算法優化PID參數以提高系統魯棒特性的方法，結果顯示粒子群優化可以提高系統穩定性和魯棒特性，且電機電流超調量很小，提高了助力電流的跟蹤能力。

針對電控助力轉向常規控制方法電機電流跟蹤特性較差造成電機輸出的助力力矩與目標輸出力矩之間存在誤差、助力不足及駕駛員操縱手感差等方面的問題進行了分析研究，提出了模糊滑模變結構控制方法以提高電機電流跟蹤能力以及駕駛員手感。針對硬件在環開發周期長、離線仿真不足以驗證控制方法有效性的問題，采用半實物仿真手段驗證模糊滑模變結構控制器的性能。

1 理論分析

1.1 EPS系統建模

為了便于研究，本文對C型EPS助力模型進行了簡化，忽略轉向盤、電機以及轉向柱間的摩擦，將系統質量分別集中在轉向盤、轉向小齒輪和電機上［5－6］，建立了EPS動力學模型及電機方程:

式(1)～(5)中:θh為轉向盤轉角;N為轉向輪到前軸間的傳動比;N1為電機減速比;e為輪胎拖距;Tc為轉矩傳感器測量轉矩;θp為小齒輪轉角; Ta為助力力矩;Js為轉向盤當量轉動慣量;Bs為轉向盤當量阻尼;Td為駕駛員輸入轉矩;Jp為轉向小齒輪當量轉動慣量;Bp為轉向小齒輪當量阻尼; Ff為輪胎側偏力;Ua為電機端電壓;i為電樞電流;KT為電機磁力矩系數;Kb為電動勢常數;Jm為電機轉動慣量;Bm為電機阻尼;R為電樞電阻;L為電樞電感;θm為電機轉角;im為電機減速比;δ為前輪轉角。

1.2 助力特性曲線確定

助力特性是指電機助力隨汽車運動狀態和受力狀況(車速和轉向盤轉矩)變化而變化的規律［7］。理想的助力特性應充分協調好轉向輕便性與路感之間的關系。本文借鑒國內外研究現狀，選用了直線型助力特性曲線:

式(6)中:Td0為開始助力時轉向盤力矩;Td為駕駛員轉矩;Tdmax為駕駛員輸入的最大轉矩;Imax為最大助力電流;Ia為控制器計算出的電流;k(v)為速度感應系數，根據表1在Matlab中3次擬合得到。

表1 速度感應系數

2 模糊滑模變結構控制器設計

電控助力轉向采用常規控制方法時存在電流跟蹤特性差的問題，使助力不足、駕駛員的操縱手感差。智能模糊滑模變結構控制方法能解決滑模變結構控制到達滑模面出現“振顫”的問題，改善電機的電流跟蹤能力，提高系統的魯棒性［8－9］。

模糊控制器輸入為跟蹤誤差信號|s|，即|ir－i|，論域為［0 6］，輸出為趨近率參數ξ，論域為［6 15］。輸入、輸出確定了4個模糊子集:ZR (零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。輸入輸出都采用三角形隸屬函數，模糊推理采用Mamdani，解模糊采用重心法。

在Matlab中搭建EPS智能模糊滑模變結構控制器，總體結構如圖1所示。

圖1 智能模糊滑模變結構控制器總體結構

3 仿真分析

3.1 控制器整體性能分析

圖2為不同車速下助力電流的電流特性，用于評價控制器整體效能。

圖2 電流特性

從圖2可以看出:在轉矩一定的情況下，車速越大電機的助力電流越小，并且助力電流過渡較為平緩，駕駛員操縱手感良好。低速時能提供大助力，減輕駕駛員操縱負擔;高速時能提供小助力，保證駕駛員的路感特性。在轉矩閾限值之內時，電機不助力，避免電機的頻繁啟動以提高電機使用壽命。結果表明，所設計的控制器整體性能良好，能夠解決轉向輕便性和轉向路感特性之間的矛盾。

3.2 不同工況下轉向助力分析

在Matlab/Simulink中搭建本次仿真試驗的控制模型，如圖3所示。

圖3 控制模型

1)雙移線試驗。雙移線試驗轉向盤轉動1.5個周期。采用周期為5 s、幅值為6 N·m的正弦輸入，試驗車速設定為60 km/h，仿真結果如圖4～5所示。

圖4 模糊滑?？刂齐娏鲗Ρ?/p>

從圖4、5分析可知:采用模糊滑模變結構控制后，電機的電流基本上和理想電流重合在一起，電流的跟蹤能力非常好，波動性較小;電流在穩態滑模面附近出現穿越局部放大現象且存在微小抖動，數量級方面只有10－4，說明控制效果較好。

圖5 模糊滑模控制電流局部放大

2)蛇形試驗。蛇形試驗可以定性地評估連續轉向工況下EPS電流的隨動響應。在Matlab中設置初始速度為55 km/h，幅值為5 N·m，周期為4 s，考察本文設計的控制策略電流跟蹤能力。仿真結果如圖6所示。

圖6 模糊滑模控制電流

從圖6可以看出:模糊滑模控制實際電流與理想電流基本重合在一起，說明實際電機電流的跟蹤能力較好，電機電流波動較小，減少了轉向盤抖振。

4 實車試驗

整車試驗裝備如圖7所示。

1)蛇行試驗。按照國標規定，由于所試驗的汽車為微型面包車，因此取L=30 m，進出口標樁寬度為10 m，實車初始速度ua=65 km/h。考慮到試驗場地限制以及駕駛員駕駛水平，為避免出現危險工況，實車車速確定為55 km/h。試驗結果如圖8～9所示。

圖7 整車試驗裝備

圖8 模糊滑?？刂妻D矩

圖9 模糊滑模控制電流

從圖8，9可以看出:模糊滑?？刂频碾姍C電流對控制器計算出的理想電流基本是無誤差跟蹤;電流隨動響應較好，減少了轉向不足的影響，提高了駕駛員的操縱手感，避免了助力不足對駕駛員造成的心理影響。和理論仿真相比，電機電流和理想電流值之間存在3%的誤差，這主要是控制器的非實時性以及傳感器采集精度造成的。試驗結果和理論仿真結果基本吻合，驗證了控制策略的正確性。

2)雙移線試驗。試驗車輛按照國標規定初始速度為ua=80 km/h?？紤]到試驗場地條件以及駕駛員駕駛水平，為避免出現危險工況，實車車速確定為60 km/h。試驗結果如圖10～11所示。

圖10 模糊滑模變結構控制轉矩

圖11 模糊滑模變結構電流

從圖10、11可以看出:模糊滑模變結構控制電機電流的跟蹤效果好、系統響應迅速、助力不足性較小。在轉矩閾限值之內電機不提供助力，減少了電機頻繁啟動，提高了電機使用壽命。

5 結論

本文結合國內外EPS研究現狀，針對EPS電流跟蹤能力設計了控制器，運用dSPACE進行控制器開發，在此基礎上完成了實車試驗，驗證了所提出控制策略的正確性、有效性。研究得出如下結論:

1)模糊滑模變結構控制電機電流跟蹤能力較好，電機電流和理想電流基本是無差跟蹤，并且電流波動很小，有效地提高了電機使用壽命，減小了轉向盤“抖振”。

2)仿真結果顯示所設計的控制器總體性能符合設計要求，很好地解決了轉向輕便性和轉向路感特性之間的矛盾。

3)實車道路試驗驗證了控制器在電流跟蹤控制中的效果，初步證明了該控制器的設計是正確、有效的。

［1］Badawy A，Bolourchi F，Gaut S.The Design and Benefits of Electric Power Steering［Z］.SAE Paper，973041.

［2］李強，何仁.基于PI電流環電動助力轉向系統的魯棒H∞控制［J］.江蘇大學學報:自然科學版，2009，30 (2):138－142.

［3］詹長書，馬振江，徐寧.電動助力轉向系統仿真及控制策略研究［J］.北京理工大學學報，2012，32(7):681－684.

［4］葉熠君，陸文昌，陳龍，等.EPS系統粒子群優化PID控制的研究［J］.車輛與動力技術，2012(2):35－39.

［5］劉照，楊家軍，廖道訓.基于混合靈敏度方法的電動助力轉向系統控制［J］.中國機械工程，2003，14(10): 874－876.

［6］袁傳義.半主動懸架與電動助力轉向系統自適應模糊集成控制及其優化設計［D］.鎮江:江蘇大學出版社，2007.

［7］周鑫.基于Adams與Matlab的汽車電動助力轉向系統的聯合仿真［D］.武漢:武漢理工大學，2009.

［8］熊建橋，唐小琦，陳吉紅.基于全橋半橋切換的EPS系統滑?？刂频姆治雠c設計［J］.公路交通科技，2008，25(11):131－135.

［9］倪海濤，陳龍，江浩斌，等.基于整車模型的全局時變滑模變結構控制的EPS研究［J］.機械設計與制造，2011(12):59.

(責任編輯 劉舸)

Simulation and Test Research on EPS Using Fuzzy Logical Sliding Mode Control

XIA Tian，CHEN Long，HUANG Chen，JIANG Hao－bin (School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

In order to improve the motor current tracking performance and road－feel of driver，sliding mode variable structure control is proposed，which can avoid current chattering occurs when it approaches Sliding Surface.The controller was built under MATLAB/Simulink environment，and simulation was carried out to verify the control strategy.Then，rapid control prototype(RCP)form of EPS was designed and made with dSPACE module system，and experiment was carried out.The results show that the controller fulfilled the designed requirement during the S－shaped and ISO double line change work conditions，which confirms the validity of the control strategy.

EPS;fuzzy logical sliding mode control;current tracking;RCP

U463.4

A

1674－8425(2014)03－0017－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.004

2013－11－17

國家自然科學基金資助項目(50875112)

夏天(1988—)，男，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要從事汽車電動助力轉向研究。

夏天，陳龍，黃晨，等.EPS模糊滑模變結構控制仿真及試驗研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(3):17－21.

format:XIA Tian，CHEN Long，HUANG Chen，et al.Simulation and Test Research on EPS Using Fuzzy Logical Sliding Mode Control［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):17－21.