淺談汽車電動轉向系統EPS控制技術

韓振

摘 要：汽車電動助力轉向（Electric Power Steering，EPS）系統作為一種新型的動力轉向方式，與傳統液壓助力轉向方式相比，在行車安全、節能環保、結構簡單等方面有著獨特的優越性，因此大力推廣汽車電動助力轉向系統勢在必行。文章主要就EPS 的工作原理及分類進行介紹，并對其控制技術做了簡要分析。

關鍵詞：汽車；電動助力轉向系統；EPS控制技術

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0014-02

1 引 言

隨著汽車性能的提升制造工藝以及汽車控制的要求也越來越高，不僅希望低速行駛時轉向輕便，而且高速時必須有良好的操縱穩定性。傳統的液壓動力轉向系統、機械轉向系統不能同時達到上述兩個要求，通過采用現代控制技術和電子技術的電動助力轉向系統很好的解決了這一矛盾。同時EPS系統是汽車的安全性能得到提升，耗能少、有利于環保。電動助力轉向代表著轉向系統的發展趨勢，有著良好的應用前景。

2 電動助力轉向系統的概述

2.1 電動助力轉向系統的工作原理

電動助力轉向機構由機械轉向器與電動助力部分相結合構成。電動助力部分包括電動機、電池、傳感器和控制器（ECU）及線束，有的還有減速機構和電磁離合器等。電動助力轉向機構的工作原理如下：

當駕駛員對轉向盤施力并轉動轉向盤時，位于轉向盤下方與轉向軸連接的轉矩傳感器將經扭桿彈簧連接在一起的上、下轉向軸的相對轉動角位移信號轉變為電信號傳至控制器，在同一時刻車速信號也傳至控制器。通過對上述兩種信號的分析，控制器對電動機的轉向和助力轉矩的大小進行調整。并且通過D/A轉換器將控制器輸出的數字信號轉換為模擬信息，之后通過電流控制電路對信號進行處理。來自微機的電流命令值同與電動機電流的實際值之間存在的一個差值，電流控制電路能夠檢測到這個差值信號，同時將此信號送往電動機驅動電路，該電路驅動電動機，并向電動機提供控制電流，完成助力轉向作用[1]。

2.2 電動助力轉向系統的分類

EPS系統依據電動機布置位置的不同可分為轉向軸助力式、小齒輪助力式、齒條助力式三個基本類型。分別如圖1、圖2和圖3所示。

3 EPS的控制技術

3.1 EPS常見的幾種控制策略

EPS控制系統主要是對助力電機的控制，同時對系統輸入與輸出的參量也需要進行考慮，常用的系統輸入：路面干擾、側向力、方向盤傳感器噪聲、方向盤力矩大小、回正力矩及機械部件的非線性摩擦等。系統輸出：電機轉角、轉向器位移、方向盤轉角、電機助力力矩等參量。此外，汽車在轉向的過程中，車身的橫擺角速度與側傾角等參數會因為車身方向的改變而改變，因此還需綜合考慮EPS與懸架的集成化控制策略[4]。

EPS系統的控制要求最重要的就是在原地或低速時轉向輕便，高速時穩定性好，且靈敏度高，反應時間短等特點，盡可能的實現實時控制。根據控制內容的不同，控制算法可分為：

①助力控制、回正控制、阻尼控制。除此之外，由于實際系統中存在摩擦和慣性作用，因此還需要進行補償控制。

助力控制的特點是根據車速和方向盤力矩大小確定助力矩，使轉向輕便，利用電機轉矩和電機電流成比例的特性，通過對反饋電流與電機目標電流的閉環控制輸出信號給動力回路，電動機受到反饋信號后產生合適的助力。助力控制主要是協助駕駛員進行轉向，汽車在高速行駛時，可通過阻尼控制適當增加轉向阻力，避免汽車在高速行駛途中發生“飄移”，在低速行駛時增加汽車轉向的靈活性，避免出現“打死”情況。

②回正控制是改善轉向系統轉向后的回正性能，尤其是原地及低速時轉向。根據汽車不同的行駛工況，對轉向系統進行同正控制，當汽車需要進行同正控制時，EPS根據方向盤轉角信號和車速信號，計算出車輛的側向加速度，再產生與側向加速度相對應的同正力矩。控制作用一般是這樣的：當汽車行駛速度較低時，同正過程中使電動機電流迅速減少，電動機產生的驅動力矩也減小，轉向輪迅速同正；當汽車高速行駛時，轉向輪稍稍改變方向就會使汽車改變較大的方向，為了使轉向幅度減小，電機電流逐漸減少，車輪在轉向過程中顯得更為平穩。

③阻尼控制的特點是可抑制電機的超調，使高速行駛穩定性得以改善，防止汽車“發飄”，利用電動機旋轉產生的反電動勢形成阻礙電機繼續旋轉的阻尼轉矩。在低速行駛時，控制內容以助力控制和回正控制為主，在高速行駛時，以阻尼控制為主。

④補償控制。實際應用中由于摩擦和慣性的存在，若對數學模型的控制進行理想化處理，不能得到良好的模擬效果。EPS中應用的電動機，對于大功率的電動機，汽車在行駛途中所產生的摩擦力矩和轉動慣量會隨著功率的增加而增加。會對車輪的回正造成一定的影響，轉向相對較為困難。這時，若在系統控制中加入摩擦補償與慣量補償，可較好地解決此問題[5]。

3.2 EPS的控制方式

要實現上述EPS控制策略必須應用相關的控制方式常見的控制方式有以下5種：PID控制、最優二次型控制、魯棒性控制、模糊控制、人工神經網絡控制。

3.2.1 PID控制

PID控制又稱偏差控制，是根據系統的誤差（偏差），利用數學方法和公式來計算出控制偏差量。PID控制器有很多優勢比如結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便。PID控制器現已成為工業控制的主要技術之一。

3.2.2 最優二次型控制

最優二次型控制采用線性系統二次性能指標高斯分布法（LQG法）來實現線性系統的最優控制。最優二次型控制法使用最小的控制能量使得系統誤差最小化，通過數學建模可得出狀態現行反饋的最優控制規律，不僅容易構成閉環最優系統，而且能夠達到工程實際問題中對線性系統性能指標的要求。

3.2.3 魯棒性控制

魯棒性控制不像其他控制理論，在設計EPS控制策略時設計指標的可行性太依賴所建立的EPS系統數學模型和精確程度。在實際中采用魯棒控制技術可使設計簡單、易于實現，且可充分利用最優控制理論的成果，不需在線辨識，是一種新的控制理論，目前已成為現代控制理論中最重要的分支和前沿技術。

3.2.4 模糊控制

模糊控制也稱為Fuzzy控制。模糊控制器是一種語言控制器，能更近似地反映人的控制行為，它不依賴系統的精確數學模型，并不需要對系統參數變化有很明顯的反應效果，具有很強的魯棒性和控制穩定性。模糊控制的控制算法可直接通過語音進行控制，非常簡捷，很適合汽車這一類快速動態系統。對于汽車轉向系統而言，由于地面附著系數、車速、輪胎狀況、轉向系統摩擦和間隙等因素的影響，要提出一個在各種運行工況下都能滿意工作的電動機助力控制策略是非常困難的。

3.2.5 人工神經網絡控制

人工神經網絡是基于人腦和自然神經網絡的基本特性，將這種特性抽象化和模擬化。人工神經網絡的技術基礎主要還是依賴于對大腦的生理研究成果，模擬大腦的某些相應的機理和機制來實現一些特定的功能。

4 結 語

本文從EPS的基本原理、控制策略以及控制方式三個方面對EPS的控制技術作了簡要分析。EPS的關鍵問題助力控制，同時回正控制和阻尼控制是EPS系統性能優越性的體現，補償控制是主要體現在提升EPS控制精度方面。

對于EPS的控制方式，通過比較分析比例控制、比例加微分控制、最優二次型控制、魯棒性控制、模糊控制和人工神經網絡控制的優缺點，每種方法優劣，其中PID控制方式使用性更強。要想更好的應用EPS控制技術，必須對上述控制方式和控制策略進行合理應用。

參考文獻：

[1] 苑林.汽車電動轉向系統的研究[D].長春：吉林大學，2007.

[2] 晉兵營，寧廣慶，施國標.汽車電動助力轉向系統發展綜述[J].拖拉機 與農用運輸車，2010，37（ 1） ： 1-5.

[3] 任夏楠，鄧兆祥.汽車FPS助力特性設計方法研究[J].機械科學與技術， 2011，33（8）：1225-1232.

[4] 邵麗青.電動助力轉向系統（ EPS） 的應用現狀及發展趨勢[J].汽車與 配件，2011（36）：19-21.

[5] 施國標.電動助力轉向的控制技術[D].北京：北京理工大學電動車輛國 家工程實驗室，2008.