基于模糊控制原理的EPS助力電機電流的研究

韓 蕾，李騰飛

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130）

基于模糊控制原理的EPS助力電機電流的研究

韓 蕾，李騰飛

Han Lei，Li Tengfei

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130）

利用模糊控制原理，建立了EPS助力電機目標電流的模糊控制器，確定在不同車速和不同轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩下的目標電流，并畫出了目標電流三維圖，最后經(jīng)分析可知利用模糊控制器確定的目標電流基本符合助力特性。

模糊控制；EPS；目標電流

0 引 言

決定EPS系統(tǒng)助力電機目標電流大小的主要因素是車速大小和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩大小。然而，EPS系統(tǒng)很復(fù)雜，不是一個簡單的線性系統(tǒng)，助力電流的大小也不能簡單地用一個比較精確的數(shù)學(xué)模型來表示。其他的一些因素，例如各類傳感器的靈敏度與精度、路面不平度的干擾，這些因素都會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響[1]。基于以上考慮，文中采用模糊控制策略對目標電流進行確定。

1 目標電流模糊控制器的設(shè)計

一般來說，模糊控制算法的實現(xiàn)主要有以下幾個步驟[2]：

1）定義模糊控制器的輸入、輸出變量，并給出模糊論域；

2）選擇合適的隸屬度函數(shù)將精確的輸入變量模糊化；

3）設(shè)計一套合理的模糊規(guī)則；

4）按照模糊規(guī)則運行控制器，計算輸出參數(shù)的模糊值；

5）將輸出變量的模糊值反模糊化得到精確值。

由以上 5個步驟可以總結(jié)出模糊控制器設(shè)計流程：1）確定模糊控制器的輸入、輸出，并定義模糊論域；2）確定各個參數(shù)的隸屬度函數(shù)；3）制定模糊規(guī)則；4）模糊化地輸出變量；

5）反模糊化，得到最終精確值。

根據(jù)上面敘述的設(shè)計步驟，選擇車速信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號來作為模糊控制器的 2個輸入量，通過控制器來輸出助力電機的目標電流的大小[3]。

2 模糊邏輯工具箱介紹

模糊邏輯工具箱是 Matlab工具箱中的一個，它可以實現(xiàn)相關(guān)模糊控制推理的仿真和分析。模糊邏輯工具箱有 5個主要的圖形用戶界面工具來建立、編輯、觀察模糊推理系統(tǒng)。在任何給定的一個系統(tǒng)中，可以根據(jù)實際情況來定義一個或幾個輸入、輸出量，利用這 5個圖形用戶界面工具可以得到輸入與輸出的變化關(guān)系三維圖，通過改變其中的任意參數(shù)可以使輸出量得到改變[4]。

文中設(shè)有2個輸入量：轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩和車速；1個輸出量：助力電機提供的助力電流。其中Ts為轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩，V為車速、Icmd為助力電流。

模糊推理編輯器如圖1所示。

3 輸入、輸出量的定義及模糊化

3.1 輸入量的模糊化

1）轉(zhuǎn)矩Td。設(shè)定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩為1 N·m，提供最大助力時轉(zhuǎn)向盤輸入力矩Td為7.5N·m，且電動機在全速范圍內(nèi)提供助力。故Td的模糊論域為[1，7.5] N·m。語言值為：{zero（零），vslow（很小），slow（小），medium（中等），large（大），qlarge（相當大），vlarge（很大）}。

2）車速V。模糊論域為[0，120] km/h。語言值為：{zero（零），vslow（很小），slow（小），medium（中等），fast（大），qfast（相當大），vfast（很大）}。

3）目標電流I。模糊論域為[0，58] A。語言值為：{zero（零），vsmall（很小），small（小），medium（中等），big（大），qbig（相當大），vbig（很大）}。

3.2 隸屬函數(shù)的確定

模糊邏輯工具箱中包含了多個內(nèi)置的隸屬函數(shù)類型，在實際應(yīng)用中較常見的是三角隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)和高斯隸屬函數(shù)。文中選取三角隸屬函數(shù)對輸入、輸出變量進行定義。打開Matlab的隸屬函數(shù)編輯器，在編輯器中選擇三角隸屬函數(shù)對轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩、車速、助力電機的助力電流進行定義。如圖 2～圖 4所示。

3.3 模糊規(guī)則的建立

模糊規(guī)則采用“if…then…”語句表示，正確地建立模糊規(guī)則是保證控制器性能良好的關(guān)鍵。通常模糊規(guī)則是由該領(lǐng)域的有關(guān)專家給出，或通過大量試驗獲得的試驗數(shù)據(jù)總結(jié)得出，無論哪種方法，所得到的模糊規(guī)則都是近似的。對于任何一個模糊狀態(tài)的輸入，相應(yīng)的控制規(guī)則產(chǎn)生一個輸出，同時需要保證模糊規(guī)則的相容性，為了解決這些問題，往往需要大量試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。因此參考相關(guān)文獻，在臺架試驗所得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，確定出模糊規(guī)則。如表1所示。

表1 助力電流的模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是“if…then…”條件語句，模糊 if-then規(guī)則又稱為模糊條件語句。模糊控制系統(tǒng)的核心是根據(jù)建立的模糊規(guī)則進行推理運算。

文中，根據(jù)參考文獻中的試驗數(shù)據(jù)以及駕駛員經(jīng)驗，得出如圖5所示的49條控制規(guī)則。

4 EPS助力電機目標電流仿真結(jié)果分析

在Matlab/Simulink中建立助力電流的模糊控制仿真系統(tǒng)，如圖6所示。

其中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩選取斜坡信號作為輸入，車速設(shè)定為某一固定值時的車速，輸出助力電流。

將所設(shè)計的助力電流模糊控制器通過 Fuzzy Logic模塊仿真得到 EPS系統(tǒng)助力特性曲線三維圖，如圖7所示。

從圖7中可以很清楚地看到任意轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、不同車速時對應(yīng)的助力電流值，也就是得到了在全車速范圍內(nèi)，助力電機提供的電流值。

至此，可以通過助力電流模糊控制器來分析固定車速不變時，轉(zhuǎn)向盤輸入力矩與目標電流的關(guān)系。圖8～圖14是不同車速下，目標電流隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的仿真曲線。

通過對圖8～圖14的分析比較，文中采用的模糊控制器確定的目標電流有以下幾個特點。

1）固定車速不變，隨著轉(zhuǎn)向盤的作用力矩的逐漸增大，助力電機提供的助力電流隨之增大，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力矩相應(yīng)增大。

2）在某一固定車速下，且車速較低時，相比于其他車速，助力電機提供的助力電流較大。這樣能滿足駕駛員在低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便。

3）在某一固定車速下，且車速較高，相比于其他車速，助力電機提供的助力電流較小。這樣能保證駕駛員在高速行駛時具有較好的路感。

4）當轉(zhuǎn)向盤輸入力矩較小時，車速較高時，助力電機提供的助力電流較小，電動機提供較小的助力，使駕駛員在高速時獲得良好的路感。

5）當轉(zhuǎn)向盤輸入力矩較大時，車速較低時，助力電機提供的助力電流較大，電動機提供較大的助力，使駕駛員在低速行駛時的轉(zhuǎn)向具有輕便性。

5 結(jié)束語

利用模糊控制器在Matlab中得到了全車速范圍內(nèi)的助力特性曲線三維圖。還得到了固定車速時，其他兩個變量的關(guān)系曲線，這些曲線說明這款模糊控制器輸出的助力電流與EPS系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向過程中對助力的要求相吻合。

[1]黃森仁. 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

[2]蔣芬，鐘紹華. 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析[J]. 北京汽車. 2008(3)：22-24.

[3]張春花. 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)特性及控制研究[D]. 長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2006.

[4]韓俊峰. 模糊控制技術(shù)[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.

U463.4：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.01.013

1002-4581（2015）01-0042-05

2014?08?28