基于轉向盤轉角的電動助力轉向系統主動回正控制研究

史松卓，郭艷玲，趙 輝

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

為了探究電動助力轉向系統(Electric power steering，EPS)回正控制對車輛行駛時的轉向輕便性、安全性和轉向時的操縱穩定性的影響，提高駕駛員轉向時的轉向輕便性，同時增加轉向時的方向感，本文對文獻[1]中提出的算法加以改進提出了一種基于轉向盤轉角的積分分離PID控制策略[1]。通過硬件電路和Simulink軟件建立的模型對控制策略進行了仿真分析。結果表明該控制策略可降低轉向盤的回正余差量，提高車輛轉向時的穩定性和安全性。

1 EPS系統組成及工作原理

EPS電動助力系統與機械助力系統相比增加了電動控制單元(MCU)、車速傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器、電動機、減速機構和離合器等助力部分，EPS系統的組成及原理，如圖1所示。

車速傳感器通常采用電磁式的霍爾傳感器[2]，用來實時監測車輛的行駛速度；扭矩傳感器主要是用來測量轉向盤力矩的大小和方向。由于方向盤的力矩信號很容易受到外界因素的干擾，這就要求扭矩傳感器具有良好的精確性和抗干擾能力。目前主要使用的是電位器式扭矩傳感器[3]。電流傳感器實時監測流經電機的電流。電子控制單元綜合處理傳感器傳送來的信號，根據設定好的控制策略輸出控制信號，通過減速機構和離合器由電動機提供轉向助力。電磁離合器的作用是將電動機產生的助力轉矩傳遞給減速機構來產生相對平緩的助力。電動機輸出軸的轉速非常快如果直接作用在轉向桿會產生不良效果，人們普遍在電動機和轉向軸之間加上減速機構來降低電動機輸出軸的轉速。

圖1 EPS系統的組成及原理

2 EPS系統硬件電路設計

2.1 單片機及PWM功能寄存器

采用飛思卡爾單片機mc9s12xs128作為微控制器的芯片[4-5]。與傳統的MCS51系列單片機相比mc9s12xs128集成了脈沖寬度調制器(PWM)功能無需外接擴展電路。

mc9s12xs128內含6個PWM 通道，可由編程決定寬度和間隔的脈沖。PWM0 的輸出是第74引腳，PWM1 的輸出是第73引腳，PWM2 的輸出是第72引腳，PWM3的輸出是第71引腳，PWM4是第70引腳，PWM5是第69引腳。PWM 調制的電壓頻率由公式(1)確定。

f=F/(PWMCNTX+1)。

(1)

式中：f為調制電壓頻率；F為單片機晶振頻率；PWMCNTX為PWM 計數寄存器；mc9s12xs128單片機共有8個這樣的寄存器。PWM波的占空比由兩個比較寄存器周期寄存器PWMPER和占空比寄存器PWMDTY決定。

2.2 電路結構

EPS 控制系統硬件組成及電路結構如圖2所示，該電路主要由電動機驅動電路，電動機驅動信號控制電路，電流測量電路等組成。

電動機驅動電路：電動機的驅動電路是由 FET 橋式電路、FET 驅動電路和電動機驅動線路上的電流傳感器及繼電器構成的，如圖3所示。FET驅動電路將單片機輸出的控制信號進行放大，分別通過兩組FET管，即FET4管和FET2管，FET3管和FET1管的通斷實現電機的正轉與反轉。電流傳感器實時監測電機電流，實現閉環反饋控制，減小目標電流與控制電流之間的誤差。

圖2 EPS硬件電路圖

圖3 電動機驅動電路

電動機驅動信號控制電路：由于單片機能夠接受的最大電壓為5 V，而FET電路的驅動電壓為12 V，所以在電動機與單片機之間要加一個直流變電器來進行電壓匹配。為了避免控制信號與FET驅動信號之間互相產生干擾，使用光電隔離器對兩路信號進行隔離。

2.3 電機助力實時大小控制

通過軟件對控制系統中的車速傳感器、扭矩傳感器和電流傳感器的輸出值進行實時監測，并使用中斷模塊結合積分分離PID控制算法對傳感器輸出的電流值施加實時反饋控制，減小實際電流與目標電流之間的偏差。當方向盤順時針轉動時，PWM0 與 PWM3 口輸出高電平使FET4管和FET2管導通，PWM1 與 PWM2 口輸出低電平使FET3管和FET1管關閉，并由PWM0口輸出電機的脈寬調制電流。當方向盤逆時針轉動時，PWM1 與 PWM2 輸出高電平使FET4管和FET2管關閉，PWM0 與 PWM3口輸出低電平使FET3管和FET1管導通，由 PWM1口輸出電機的脈寬調制電流。

控制程序如下：

PWME_PWME7=1；

PWME_PWME3=0；

DDPR_DDPR3=1；

PTP_PTP3=0；

PWMDTY67=X；

PWME_PWME3=1；

PWME_PWME7=0；

DDPR_DDPR7=1；

PTP_PTP7=0；

PWMDTY23=X；

PWME_PWME7，PWME_PWME3 賦值進行初始化，DDPR_DDPR3=1，PTP_PTP3=0使得輸出脈沖波的寬度最大，由PWMDTY67和PWMDTY23分別調節正反向輸出脈沖波的占空比，從而控制有效電平的寬度，達到控制輸出電流大小的目的[6-7]。

3 EPS系統回正控制策略分析

常規PID控制的表達式如公式(2)。

(2)

式中：kp為比例系數；TI為微分時間常數；TD為積分時間常數；u0為控制量；

單片機只能識別數字量不能對連續的信號進行運算，所以必須對連續信號進行離散化。以T為采樣周期，K為采樣時的數據點標號，KT表示不同時刻的采樣點。綜上，得到PID控制算式的增量公式(3)～(6)。

Δuk=Aek+Bek-1+Cek-2。

(3)

(4)

(5)

(6)

在PID(比例積分微分控制算法)控制中，積分環節的作用是消除轉向盤存在的角位移靜態偏差，從而提高轉向盤的回正控制精度。當轉向盤的轉角較大時，會導致轉向盤轉角偏差量的增大。由于PID控制環節中的積分環節會使系統誤差產生累積效應，使系統的控制輸出量過大，從而使PWM信號的占空比的值出現溢出情況，使輸出的PWM波產生震蕩現象，影響回正效果。為了消除積分對系統控制輸出量產生的累積效應，保證系統回正性能的準確性，對傳統PID控制進行了改進，采用積分分離調節方法[8-11]。

首先設定一個參考值N，當轉向盤的轉角與轉向盤零位置間的偏差大于設定值N時，停止積分環節的調節作用；當轉向盤的轉角與轉向盤零位置間的偏差小于設定值N時，積分環節開始起到調節作用，減小系統的靜態誤差。PID控制參數見表1。

(1)若ek>N，采用基于方向盤轉角偏差量的 PD 控制策略。

(2)若ek

表1 PID控制參數表

注：P是比例數；I是積分系數；D是微分系數。

4 仿真結果分析

4.1 仿真原理圖設計

結合Simulink軟件設計出機械系統模型、扭矩模型、電機模型和控制系統模型。根據扭矩的大小來判斷是否提供回正助力；控制系統通過判斷轉矩的大小和助力曲線的關系，結合PID控制算法計算出電機的助力電流大小，助力電機執行電流的閉環控制，實現回正控制。為回正系統SIMULINK模型圖如圖4所示。

4.2 仿真結果分析

驗證系統輕便性所得到的轉向盤轉角與轉矩關系的曲線如圖5所示。通過曲線可以看出增加了回正控制的EPS系統的助力特性與沒有回正助力的系統的控制性能基本相同，結果表明引入回正控制不會影響車輛的基本助力特性。

車輛低速行駛時的轉向盤回正轉角殘余量對比曲線圖如圖6所示。從圖6中可以看出引入回正控制后的系統轉向盤回正殘余量為5°，而沒有引入回正控制系統的轉向盤回正殘余量為20°。結果表明，車輛低速行駛時引入回正控制后車輛的轉向盤回正余差量明顯降低。

圖4 回正系統SIMULINK模型圖

圖5 低速時轉向盤轉矩與轉角關系曲線

圖6 低速回正時的轉向盤轉角對比

5 結束語

通過實際的MCU(微控制器)控制器將積分分離PID算法應用到汽車轉向系統的回正控制中，并通過仿真軟件驗證，結果顯示通過積分分離PID算法可以有效的改善車輛轉向時的回正性能，降低車輛回正時的超調量并提高了穩定性。具有回正助力的EPS系統在回正時能夠獲得更快的響應時間。

【參 考 文 獻】

[1]徐 濤，過學迅，楊 波.石廣林.基于轉角的電動助力轉向系統回正性能控制[J].湖北汽車工業學院學報，2009，23(1)：4-8.

[2]張春虎.汽車電動助力轉向系統研究及設計[D].西安：長安大學，2011.

[3]張英福.汽車電動助力轉向(EPS)中傳感器的研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[4]劉 俊，陳無畏，王啟瑞，等.單片機控制的汽車電動助力轉向系統[J].電子技術，2004(10)，7-11.

[5]劉春恰，劉志偉.基于ATMEGA16的電動助力轉向系統設計[J].汽車使用技術，2012，12：14-18.

[6]宋曉華.基于MSC1210的汽車電動助力轉向控制系統研究與開發[D].重慶：重慶交通大學，2011.

[7]梁秀霞，劉志偉，謝濤娟，等.基于MC68HC908AB32的電動助力轉向系統[J].電力電子技術，2006，40(6)：74-76.

[8]李紹松，宗長富，吳振昕，等.電動助力轉向主動回正控制方法[J].吉林大學學報(工學版)，2012，42(6)，1355-1359.

[9]趙志勇.電動助力轉向系統回正控制研究[D].秦皇島.燕山大學，2012.

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[11]楊 煒.商用車EPS系統模糊控制策略研究[D].西安：長安大學，2010.