EPS系統助力控制算法研究與仿真

張騫　郭昊　鄒昌宏

摘 要：首先對EPS系統助力控制過程進行了介紹；然后根據助力曲線特性設計了模糊控制器；研究了電動機目標電流模糊自適應PID控制算法；最后在MATLAB/SIMULINK中建立EPS的仿真模型，并進行了結果驗證和分析。

關鍵詞：助力曲線；模糊控制器；仿真模型

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.090

隨著現代汽車技術的飛速發展及人們生活水平的提高，人們對汽車轉向的操縱性能提出了更高的要求。汽車轉向系統作為重要的組成部分，其性能的好壞直接關系駕駛員駕駛過程中的舒適性、安全性及操縱穩定性。

電動助力轉向（EPS），就是在機械轉向系統的基礎上，以車載蓄電池作為能源，以助力電機為動力，以方向盤轉矩和車速為輸入信號，通過電子控制單元（ECU）控制，協助人力轉向獲得最佳轉向力的伺服系統。助力控制是在轉向過程中為減輕轉向盤的操縱力，通過減速結構把電機產生的轉矩作用到機械轉向系上的一種控制模式。助力控制主要作用是為減輕駕駛員的操縱力，助力的大小主要取決于所采取的助力特性曲線及助力控制算法。

1 EPS系統助力控制

按照汽車轉向行駛的不同情況，EPS系統主要有助力控制、回正控制和阻尼模式三種控制模式。本文主要針對助力控制這種控制模式進行研究。圖1為EPS系統的助力控制過程，EPS控制單元實時采集方向盤扭矩信號和車速信號，通過內置的助力特性曲線確定電機目標電流，經驅動電路輸出PWM控制電機轉動，同時ECU采集電機反饋電流，經控制算法對PWM波占空比進行調節后實現對系統的閉環控制。

2 模糊控制器設計

通過比較助力曲線的優缺點，采用模糊控制的方法確定助力特性曲線，即建立一個以轉向盤力矩Td和車速V為輸入，以助力電流Im為輸出的模糊控制器來表征助力特性曲線。該方法易調整、實時性好，下面對助力特性的模糊控制器進行設計。

模糊控制器的建立是為了表述助力特性，所以模糊控制器的輸入為轉向盤力矩Td和車速V，輸出為助力電流Im，模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊規則推理及輸出量反模糊化三步。圖2為助力特性的模糊控制器原理圖。

3 電動機目標電流模糊自適應PID控制算法

模糊控制是建立在操作人員實際控制經驗和近似推理基礎上的一種語言邏輯控制模式，與常規PID相比，它不需要建立被控對象的精確模型，對非線性、滯后性系統具有一定的適應能力。但由于其沒有積分環節，無法消除系統的穩態誤差，所以一般將其與PID控制相結合，構成模糊自適應PID控制。

模糊自適應PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，根據模糊控制原理通過一定的推理規則獲得模糊輸出量△Kp、△Ki、△Kd，推理規則是根據不同情況下e和ec和控制量Kp、Ki、Kd的模糊關系而確定的，使被控對象有良好的動、靜態性能。其結構框圖如圖3所示。

4 EPS系統MATLAB/SIMULINK仿真模型的建立

EPS系統可以采用機械轉向系模型、直流電機模型、電流控制器模型來進行描述，根據EPS系統各部件的受力分析，可在Matlab/Simulink環境中建立起各個模塊的仿真模型，各模塊關系如圖4所示。

圖4中，“Steering Model”為機械轉向系模型，“Motor Motor”為直流電動機模型，“I Control Model”為目標電流決策和電流控制器模型。該模型以轉向盤輸入轉矩Td和汽車行駛速度V為輸入，以電動機電流為輸出，同時還可觀測柱下端齒輪轉角、系統助力力矩、系統阻力力矩等。下面著重介紹控制器模型。

建立的模糊自適應PID控制器模型如圖5所示。

5 EPS系統MATLAB/SIMULINK仿真結果及分析

根據建立的EPS系統Simulink模型，為了驗證電流控制器對目標電流的響應速度和跟隨效果，即EPS系統的動、靜態特性，對正弦輸入響應工況進行了仿真試驗。

從不同車速正弦輸入響應下的電流曲線可以看出，三種算法控制下電機電流對目標電流均具有較快的響應速度，表明EPS系統能較好的跟隨方向盤輸入力矩的動作，且在目標電流變化和輸入力矩換向瞬間，加入了修正因子的模糊自適應PID控制較其他兩種控制器具有更快的響應速度和更小的超調量。圖6表明，當轉向盤輸入力矩大于1N·m（設定的起始助力閥值）時，電機開始提供助力，且隨著輸入力矩的增大，助力電流也增大；同時，隨著車速的增大，助力電流逐漸減小，符合助力特性曲線的要求。

6 總結

本文對助力特性進行了理論分析，設計了模糊控制器，進而開發了模糊自適應PID控制算法，建立了Matlab/Simulink下的控制模型，并與其他兩種控制算法進行了仿真對比。仿真結果表明，所建立的電流控制器對目標電流具有很好的響應速度和跟蹤效果，電動機具有良好的靜、動態性能。

參考文獻

[1]左建令.汽車電動助力轉向系統的分類及應用特點[J].上海汽車，2009：2125.

[2]王豪，許鎮琳，張海華.電動轉向系統助力特性研究[J].湖北汽車工業學院學報，2001：3642.

[3]申榮衛.純電動客車的電動助力轉向系統的開發與試驗[J].吉林大學學報，2010：8892.