電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)補(bǔ)償控制方法

The motor compensation control for electric power steering system

李紹松1,2，牛加飛1，盛　任1，于志新1，涂永發(fā)1

（1. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 汽車工程研究院，長(zhǎng)春 130012）

LI Shao-song1,2,　NIU Jia-fei1,　SHENG Ren1,　YU Zhi-xin1,　TU Yong-fa1

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電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)補(bǔ)償控制方法

The motor compensation control for electric power steering system

李紹松1,2，牛加飛1，盛任1，于志新1，涂永發(fā)1

（1. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 汽車工程研究院，長(zhǎng)春 130012）

LI Shao-song1,2,NIU Jia-fei1,SHENG Ren1,YU Zhi-xin1,TU Yong-fa1

摘要：搭建電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，EPS）硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，基于最小二乘法辨識(shí)電機(jī)電參數(shù)。傳統(tǒng)基于轉(zhuǎn)速符號(hào)函數(shù)或飽和函數(shù)的摩擦補(bǔ)償控制方法，只有在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，為此提出一種動(dòng)靜摩擦共同補(bǔ)償控制方法。此外，基于電機(jī)角加速度進(jìn)行慣量補(bǔ)償控制，改善EPS系統(tǒng)慣量對(duì)手力的影響；基于電機(jī)角速度進(jìn)行阻尼補(bǔ)償控制，改善汽車回正性能。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)；電機(jī)參數(shù)辨識(shí)；電機(jī)補(bǔ)償控制

0　引言

作為電子技術(shù)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，EPS系統(tǒng)緊扣汽車工業(yè)發(fā)展大主題[1]，在提供助力、減輕駕駛員操縱負(fù)擔(dān)的同時(shí)，也能夠提高汽車轉(zhuǎn)向性能，以其優(yōu)越的性能和特點(diǎn)有逐步替代液壓助力轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

EPS根據(jù)車速信號(hào)和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)確定電機(jī)目標(biāo)控制電流，通過(guò)PID控制方法消除電機(jī)實(shí)際電流與目標(biāo)電流的偏差，控制電機(jī)產(chǎn)生助力[3]。EPS電機(jī)慣量、阻尼補(bǔ)償控制分別基于電機(jī)角加速度、角速度信號(hào)確定補(bǔ)償控制電流，對(duì)EPS基本助力控制電流進(jìn)行修正，降低EPS電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)的慣量、阻尼對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響[4,5]。EPS電機(jī)摩擦補(bǔ)償控制主要基于轉(zhuǎn)速的符號(hào)函數(shù)或飽和函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]，施加的摩擦補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩只有在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能融入系統(tǒng)控制中，補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，不能補(bǔ)償系統(tǒng)的靜摩擦力矩。

本文搭建EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，基于最小二乘法辨識(shí)電機(jī)電參數(shù)，基于電機(jī)角加速度、角速度信號(hào)施加慣量、阻尼補(bǔ)償控制。提出種動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)矩共同補(bǔ)償控制方法，使摩擦補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)與停止之間實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。

1　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)

基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)搭建EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。試驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)包括：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)、電動(dòng)伺服缸、各種傳感器等。軟件系統(tǒng)包括：dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)接口軟件、整車動(dòng)力學(xué)模型、EPS控制系統(tǒng)模型等。

轉(zhuǎn)向操作時(shí)，裝有整車模型的DS1103系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角等傳感器信號(hào)，控制電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)器，模擬轉(zhuǎn)向阻力。裝有EPS控制系統(tǒng)模型的MicroAutoBoxII采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電流等信號(hào)，控制助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。

圖1　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)

2　電機(jī)電參數(shù)辨識(shí)

EPS增加了電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)，增加了系統(tǒng)慣量、阻尼和摩擦，可通過(guò)電機(jī)慣量、阻尼及摩擦補(bǔ)償控制降低其對(duì)EPS汽車轉(zhuǎn)向性能的影響。準(zhǔn)確獲取電機(jī)電參數(shù)，利于仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)的控制器在實(shí)車上的應(yīng)用，縮短EPS開發(fā)周期。

結(jié)合最小二乘法和直流電機(jī)模型，理論上可以對(duì)電機(jī)的所有電參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)[7]。考慮到電機(jī)的電樞電壓、電流由傳感器測(cè)得，轉(zhuǎn)速可以由轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角換算得到。因此，采用電機(jī)電壓平衡方程作為電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的模型基礎(chǔ)，寫成如下形式：

式中：gc為蝸輪蝸桿減速器速比；為助力電機(jī)角速度；u為電機(jī)的電樞電壓；k為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；L為電機(jī)電樞電感；R電機(jī)電樞等效電阻；i為電機(jī)電樞電流。

那么：

1）EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)上，助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以80%占空比驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤右轉(zhuǎn)5s，同時(shí)逐漸增加轉(zhuǎn)向阻力；

2）以同樣的占空比反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤左轉(zhuǎn)，其余條件與步驟1）致；重復(fù)步驟1）和2），各實(shí)驗(yàn)3次。電機(jī)電參數(shù)辨識(shí)結(jié)果如表1所示。

表1　EPS電機(jī)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

3　EPS電機(jī)補(bǔ)償控制

3.1EPS電機(jī)摩擦補(bǔ)償控制

多數(shù)研究中，對(duì)于模型或?qū)嶋H系統(tǒng)控制的摩擦通過(guò)轉(zhuǎn)速的符號(hào)函數(shù)或飽和函數(shù)表示，如圖2所示。

圖2　基于符號(hào)函數(shù)與飽和函數(shù)的摩擦補(bǔ)償控制

施加的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩只有在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能融入系統(tǒng)控制中，補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，而對(duì)于僅有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)的靜摩擦力矩則沒(méi)有作用。因此，本文采用種能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)矩共同補(bǔ)償?shù)哪Σ量刂品椒ǎ?/p>

為了考察轉(zhuǎn)向過(guò)程中動(dòng)靜摩擦的過(guò)渡過(guò)程，在沒(méi)有摩擦補(bǔ)償情況下，通過(guò)助力電機(jī)的電流開環(huán)控制，獲得轉(zhuǎn)向盤的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。轉(zhuǎn)向盤換向過(guò)程中，動(dòng)靜摩擦補(bǔ)償?shù)倪^(guò)渡過(guò)程如圖4所示，補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩Tfc如圖中實(shí)線所示，通過(guò)調(diào)整系數(shù)，可以使摩擦補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)向盤模塊轉(zhuǎn)動(dòng)與停止之間通過(guò)靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)平滑的過(guò)渡。

圖3　動(dòng)靜摩擦補(bǔ)償變化曲線

3.2EPS電機(jī)慣量補(bǔ)償控制

EPS電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并不大，但是等效到小齒輪軸上后，其數(shù)值被放大了倍，過(guò)大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)影響瞬態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的手力和高速時(shí)車輛的回正穩(wěn)定性[8]。可以對(duì)助力電機(jī)施加慣量補(bǔ)償控制轉(zhuǎn)矩：

其中，KJP為慣量補(bǔ)償控制系數(shù)。基于EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤90deg的角階躍試驗(yàn)，有無(wú)慣量補(bǔ)償控制的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩對(duì)比曲線如圖4所示。可以看出，施加慣量補(bǔ)償控制后，轉(zhuǎn)向盤力矩峰值降低了38%，善了EPS系統(tǒng)慣量對(duì)手力的影響。

圖4　轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩對(duì)比曲線

3.3EPS電機(jī)阻尼補(bǔ)償控制

EPS增加電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)，增加了EPS系統(tǒng)的等效阻尼，降低了汽車的回正性能。可以對(duì)助力電機(jī)施加阻尼補(bǔ)償控制：

其中，KCp為阻尼補(bǔ)償控制系數(shù)。基于EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行汽車回正試驗(yàn)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角對(duì)比曲線如圖5所示。看以看出施加阻尼補(bǔ)償控制后，撒手回正時(shí)方向盤殘留角度降低了20deg左右，有效善EPS汽車的回正性能。

圖5　轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角對(duì)比曲線

4　結(jié)束語(yǔ)

1）搭建EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，基于最小二乘法辨識(shí)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)、電樞電感和電樞電阻個(gè)電參數(shù)。

3）基于電機(jī)角加速度、角速度進(jìn)行EPS電機(jī)慣量、阻尼補(bǔ)償控制，善系統(tǒng)慣量、阻尼對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響。

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作者簡(jiǎn)介：李紹松（1986 -），男，山東菏澤人，講師，博士，研究方向?yàn)槠噭?dòng)力學(xué)仿真與控制。

基金項(xiàng)目：省級(jí)項(xiàng)目：吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（吉教科合字[2015]第116號(hào)）

收稿日期：2015-11-06

中圖分類號(hào)：U467.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0082-03