電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與開發(fā)

劉麗冉，彭婭楠，黃繼鈺（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

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電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與開發(fā)

劉麗冉，彭婭楠，黃繼鈺
（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

摘要：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機(jī)直接提供助力，助力大小由電控單元控制，具有助力大小可調(diào)、路感良好、環(huán)保、耗量低和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一。文章論述了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)、工作原理、結(jié)構(gòu)組成等。建立了汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型和仿真研究，通過仿真表明，曲線型的助力特性基本能滿足原地轉(zhuǎn)向、低速行駛的輕便性和高速行駛的路感性要求，同時對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：汽車；電動助力；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-119-04

前言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric power steering，簡稱EPS)是世界汽車電子控制技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一[1]。國外汽車電動助力轉(zhuǎn)向已部分取代傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向(Hydraulic power steering，簡稱HPS)。目前國內(nèi)清華大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等高校正從事該方面的研究，并取得了階段性的成果，爭取進(jìn)一步改進(jìn)與完善，早日實(shí)現(xiàn)商品化。EPS通過對控制器軟件的設(shè)計(jì)，十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性，使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性，以滿足不同的駕駛情況的需求。同時，EPS用電動機(jī)直接提供助力，它能節(jié)約燃料，提高主動安全性，有利于環(huán)保。

1、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型及EPS的基本控制策略

1.1助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型

（1）傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向

液壓動力轉(zhuǎn)向的控制閥采用滑閥式，即控制閥中的閥以軸向移動來控制油路。這種滑閥式控制結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝性好，操縱方便，宜于布置，使用性能較好。但是滑閥式控制閥靈敏度不夠高，后來逐漸被轉(zhuǎn)閥代替。

（2）電控液壓動力轉(zhuǎn)向[2]

電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的種類很多，但其原理基本上都是通過在油泵或轉(zhuǎn)向器上加裝電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)或輔助裝置，根據(jù)車速信號來控制液壓系統(tǒng)的流量或壓力。

表1　電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的種類

（3）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的工作原理

圖1　EPS的控制系統(tǒng)示意圖

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成包括[5]：扭矩傳感器、車速傳感器、控制元件、電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等。圖1所示為配用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的EPS。信號控制器根據(jù)各傳感器的輸入信號確定助力扭矩的幅值和方向，并且直接控制電機(jī)。電機(jī)的輸出扭矩由減速齒輪放大，并通過萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向器中的傳送裝置把輸出扭矩送到齒條，使之向轉(zhuǎn)向輪提供助推扭矩。系統(tǒng)的信號源包括：扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器和車速傳感器，轉(zhuǎn)向角傳感器可根據(jù)齒條的位移量和位移的方向來測出轉(zhuǎn)向角。

（4）EPS的關(guān)鍵部件

EPS主要部件包括傳感器、電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元等。

1.2EPS的控制原理圖

圖2　汽車EPS控制原理圖

在掌握EPS的工作原理前提下，將EPS系統(tǒng)用框圖表示如下，如圖2示。

表示法[10]：

1.3EPS的基本控制策略

根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況要求，EPS按不同的控制方式進(jìn)行控制，通常來說，對應(yīng)汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況有四種基本控制方式[3]。

（1）普通控制

普通控制(助力控制)是EPS的基本控制模式。其控制過程主要是：根據(jù)車速傳感器測得的車速信號和方向盤力矩傳感器測得的方向盤力矩信號，調(diào)用助力特性控制表，并根據(jù)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性確定助力電流，以獲得適當(dāng)?shù)闹D(zhuǎn)矩。

（2）回正控制策略

在方向盤“轉(zhuǎn)向回正”時，對EPS進(jìn)行的控制為回正控制，目的在于改善系統(tǒng)的回正性能。轉(zhuǎn)向時，前輪回正力矩使轉(zhuǎn)向輪向直線行駛的狀態(tài)變化。回正控制的控制過程為:首先判斷方向盤是否處于“轉(zhuǎn)向回正”狀態(tài)，當(dāng)助力電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)向輸入的旋轉(zhuǎn)方向相反，進(jìn)行“轉(zhuǎn)向回正”控制，否則進(jìn)行助力控制。

（3）阻尼控制策略

阻尼控制是EPS為提高汽車高速直線行駛時的穩(wěn)定性，減小路面沖擊對方向盤的影響而采用的一種控制模式。阻尼控制是在普通控制確定的目標(biāo)電流之上補(bǔ)償阻尼控制電流，其主要是通過引入電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來實(shí)現(xiàn)。

（4）補(bǔ)償控制策略[7]

補(bǔ)償控制策略是根據(jù)轉(zhuǎn)向作用力的變化率沿力矩變化的方向產(chǎn)生補(bǔ)償力矩，來克服電機(jī)的慣量、阻尼和摩擦對電機(jī)輸出力矩的影響。補(bǔ)償力矩的大小由電機(jī)的慣量、阻尼和摩擦力的大小及電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向加速度和轉(zhuǎn)動方向決定。

2、EPS仿真的初步研究及控制仿真驗(yàn)證

2.1理想助力特性

配備電動助力裝置的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)盡可能不悖于駕駛員原有的駕駛習(xí)慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時得心應(yīng)手。方向盤力矩與助力矩之間的理想關(guān)系應(yīng)具備以下特點(diǎn)[8]：

(1)在輸入轉(zhuǎn)向力矩很小的區(qū)域，希望助力部分的輸出越小越好，助力部分基本不起作用，以保持較好的路感。

(2)在常用的快速轉(zhuǎn)向行駛區(qū)間，為使轉(zhuǎn)向輕便，降低駕駛員勞動強(qiáng)度，助力部分發(fā)揮作用，助力效果要明顯。

(3)原地轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向阻力矩很大，應(yīng)盡可能產(chǎn)生較大的助力轉(zhuǎn)向效果，此時，助力矩增幅也應(yīng)較大。

(4)隨著車速的升高，方向盤力矩減小時，不助力的區(qū)域應(yīng)增大，且在高速行駛至一定車速時停止助力，以使駕駛員獲得良好的路感，保證行車安全。

(5)各區(qū)段過渡要平滑，避免操作力出現(xiàn)跳躍感，且助力矩不能大于同工況下無助力時的轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩。

將上述特點(diǎn)與原則量化，可得理想的助力特性曲線。如圖3所示，由于電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電流間存在線性關(guān)系，因此該圖反映出助力矩隨行駛工況的變化規(guī)律，可以把它作為研究電動機(jī)控制規(guī)律的參照。

圖3　理想助力特性

2.2控制系統(tǒng)的選擇

對助力電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制是EPS研究的重點(diǎn)[8]。由于電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是由其工作電流決定的，因此助力控制可歸結(jié)為對電動機(jī)電流的控制(如圖4)，其控制輸入為車速信號和方向盤扭矩信號。

圖4　控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)主要采用PID控制系統(tǒng)。

PID控制[9]是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于算法簡單、和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。

圖5　典型的PID控制結(jié)構(gòu)

圖5所示為典型的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PID控制器是由比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)疊加構(gòu)成的，各環(huán)節(jié)分別對誤差信號e(t)進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果的加權(quán)和將構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號u(t)一并送給對象模型。PID控制器的數(shù)學(xué)描述為：

式中：kp—比例環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)；

ki—積分環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)；

kd—微分環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)。

PID控制器各環(huán)節(jié)所起的作用如下：

(1)比例環(huán)節(jié)抑止閉環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)偏差信號e(r)，通過增加kp值還可加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高閉環(huán)響應(yīng)的幅值。但kp值不能無限制增加，對于不同的閉環(huán)控制系統(tǒng)kp的取值范圍不同，超出該限制范圍，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；

(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分的時間常數(shù)K；K越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。而過強(qiáng)的積分作用使系統(tǒng)的超調(diào)量增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞；

(3)微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。其不足之處是放大了噪音信號。

2.3EPS仿真模型與控制

當(dāng)進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真時，EPS仿真模型[6]的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生變化。系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示。在仿真模型圖中，其中輸入為方向盤力矩(或轉(zhuǎn)角)，同時引入車速信號。此時助力特性己經(jīng)加入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，這相當(dāng)于在實(shí)際狀況中將助力特性算法寫入控制器，根據(jù)輸入的力矩信號和引入的車速信號可以確定助力電流。從電動機(jī)模型中引出角速度信號用于確定阻尼控制的補(bǔ)償電流。

對于目標(biāo)電流的控制，主要采用PID控制方法得出控制電壓，再經(jīng)脈寬調(diào)制過程控制電動機(jī)電樞電壓。用電流傳感器檢測電動機(jī)實(shí)際電流作為反饋，用于電流的PID控制。

圖6　EPS仿真控制模型

圖中EPS模塊為EPS的助力模塊，PWM模塊為電樞電壓控制模塊；電機(jī)轉(zhuǎn)矩模塊用于估算電動機(jī)角速度，以獲得電機(jī)的補(bǔ)償電流。

2.4EPS控制仿真結(jié)果

仿真工況仍為正弦道路試驗(yàn)，即方向盤輸入為正弦轉(zhuǎn)角輸入，轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角隨時間亦為正弦趨勢[4]。我們以0-60km/h為例，經(jīng)仿真得到控制的跟蹤電流（圖7中的仿真電流），與目標(biāo)電流進(jìn)行比較，可以反映出模型對目標(biāo)電流和跟蹤電流的控制效果。仿真結(jié)果如圖所示。從圖7上可以看出，電流變化的趨勢基本相同，只是零點(diǎn)附近有所差別)；并且隨著車速的增加，我們可以看到，電機(jī)提供電流的振幅亦在減小，可見制定的助力特性和控制系統(tǒng)很好的反映了實(shí)際使用情況，

該仿真模型也適合于實(shí)際目標(biāo)電流的確定和控制。

圖7　控制模型電流仿真結(jié)果

3、結(jié)論

本文在借鑒國內(nèi)、外電動轉(zhuǎn)向領(lǐng)域研究的最新成果的基礎(chǔ)上，對EPS的發(fā)展和控制策略進(jìn)行了深入的分析和研究，并進(jìn)行了仿真和部分實(shí)驗(yàn)。比較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，EPS結(jié)構(gòu)簡單，較好地滿足汽車轉(zhuǎn)向性能的要求，在操縱舒適性、安全性、節(jié)能等方面也充分顯示了其優(yōu)越性。該系統(tǒng)研究和開發(fā)對滿足社會需求、跟上世界汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程具有十分重要的作用，并有著非常廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。EPS代表未來助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備到汽車上，并將在助力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

參考文獻(xiàn)

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Research and Exploit of the electric power steering system

Liu Liran, Peng Yanan, Huang Jiyu
( School of Automotive, Chang`an University, Shaanxi Xi`an 710064 )

Abstract:Electric power steering system directly powered by motor, power size is controlled by the electronic control unit, a power size is adjustable, and feeling good, environmental protection, low consumption and easy maintenance etc , and is currently one of the focus in the research of the development of the automotive technology and cutting-edge technology. This paper discusses the types and characteristics of electric power steering system, working principle, structure, etc. Auto electric power steering system model is established and simulation study. Composition principle of electric power steering system and electric power steering system of key parts such as motor, torque sensor, internal controller (ECU) is illustrated, for system development and provides a basis of parts at the same time in the field of auto electric power steering system on the application prospect is discussed.

Keywords:automobile; Electric power; Steering system

中圖分類號：U463.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-119-04

作者簡介：劉麗冉，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。