四輪驅動汽車電動助力轉向控制研究

肖京養

（廣東技術師范學院天河學院，廣州 510540）

電力助力轉向系統是四輪驅動汽車采用的控制系統中重要的一個環節。其英文縮寫為EPS，是對傳統的液壓動力轉向系統的改進，在能量損耗、密封性安裝、系統分布、操作靈敏度等方面都進行了技術的革新，通過控制理論與信息技術的完美結合，實現了價廉物美的電子器件的實用效果，擁有廣闊的市場發展空間。

1 電動助力轉向系統概述

電動助力轉向系統根據車輛的形式狀態，能夠通過電機作為執行器，實現對方向進行輔助動力驅動，達到電動機的靈敏輕便的運作目的。計算機智能控制在其中發揮了重要的控制作用，運用模糊語言變量、邏輯推理等實現非線性控制，能夠通過PD控制和模糊控制的優勢，改善系統的回正性能，產生很好的轉向系統的運行效果。

2 轉向助力控制策略的建立

為了減輕方向盤的操縱力，EPS在轉向過程中，通過蝸輪蝸桿減速機構，將電動機的助力轉矩作用到轉向軸上，使得主力控制獲得適合汽車基本控制策略的性能。隨著汽車的運動和受力狀況的變化，助力特性可以進行具有輕便性的協調，使得汽車和駕駛人員獲得路感，常用的曲線形、折線形以及直線形的助力特性，被應用在控制系統的設計中。能夠區分出力矩的高低區域，但是三種特性各有優缺點。例如，曲線形需要大量和稠密的轉向盤力矩特性信息，直線形無法協調路感和輕便性的關系，折線形介于二者之間等[1]。

因此，對于控制規則以及控制策略，人們應該進行模糊控制的模擬仿真，得到針對不同輸入控制的控制規則，得到最為便捷和優越的控制策略。

通過建立輸入輸出變量的模糊空間，人們可以得到電機產生的助力矩的二維模糊控制器結構，采用Mamdani型推理的方法，設定量化因子、基本論域、模糊集（極慢，很慢，偏慢，偏快，很快，極快），分別使用T1-Tn、V1-Vn進行標注，保證操控性能的靈敏舒適性，將助力矩的模糊集劃分為9個。

模糊控制規則代表了輸入和輸出的量的關系，表達了人們對被控對象的判別過程。當方向盤轉矩小于1N·m時，駕駛者的路感最佳，電能節約性能最好。為了保持路感，轉向盤輸入力矩較大的區域內，助力輸出也要大。隨著車速的升高，施加的轉向助力減小，駕駛原行車安全能夠得到保證。通過模糊規則得到的模糊量是助力矩的輸出量，采用加權平均法就能得到模糊結果[2]。

3 主動回正控制策略的設計

電動助力轉向系統中，阻尼以及電機的慣量都會對系統的回正性能產生很大的影響，以基本的助力控制為基礎，人們能夠得到更加完善的回正性能。主動回正控制策略包括兩個方面的控制。一是回正控制，對于低速運行的車輛，轉向盤可以依靠電機施加外力矩，使得轉向盤回到中間的位置；二是主動阻尼的控制，利用電機的轉矩，防止超調，使得方向盤避免超調，回到中間位置。

對于回正性能進行模糊控制，采用PD控制分段控制的方法，控制整車的回正性能，方向盤轉角大于某一個閾值時，模糊控制得到的相應速度最快，轉向盤小于某一個閾值時，PD控制的性能最好，精度最高。

進行控制器的設計，應該將方向盤的轉角作為關注的對象，采用Mamdani推理的方法，進行模糊控制操作，即將方向盤轉角20°，考慮回正的準確性和快速性，得到精確的PD控制分界點。

對于方向盤的轉角，假定車輛正常行駛，使用三角形函數行駛，計算輸入輸出變量的隸屬度函數，左右轉動1圈后，三角形函數設計的區間狹窄，但是變量反應更加靈敏，此時要考慮方向盤轉角的回正速度與車輛回正超調性能之間的關系。在較大的區域內進行隸屬度函數的處理，需要計算方向盤轉角的變化率。通過等腰三角形函數計算公式，得到輸出助力矩的隸屬度函數。

根據車型的不同，經過PD控制部分，進行控制系數的調試，得到了車輛回正性能的調試結果。

4 控制策略的仿真結果分析

經過對轉向助力的聯合仿真模型的分析，整車在車輛變線中的操作，采用正弦波輸入的方法進行論證，速度分別為20km/h、40km/h、65km/h、80km/h、90km/h。車輛采用側向加速的方法，側向加速度為0.3g，轉向助力施加之后，得到了帶有助力控制的車輛的轉向力矩與目標值的對比結果。

理想力矩與加入助力控制之后的方向盤力矩值的差距不大。例如，在車速為65km/h時，分別采用無助力和有助力的方式對車輛的轉向盤輸入正弦轉向角，駕駛員的路感沒有受到影響，轉向手力減輕，助力轉向系統進行換道或者避障的操作時，性能優越[3]。

對于回正效果加以控制后的評價，分別進行車輛低速和高速的仿真，得到了無回正控制的和有回正控制的車輛狀況的分析結果。在低速和高速狀態下，汽車同樣是沿著圓弧路徑行駛，轉向盤轉角的變化是不同的。例如，在低速轉彎時，回正時準確率較高，分段控制的速度較快，對不足的現象予以了糾正；在高速回正時，出現超調的現象，經過控制得到明顯的改善。

5 控制系統設計

電動助力轉向系統的控制系統的要求是精度高、安全性能強。目前多采用芯片進行控制，對方向盤輸入的手力矩和信號進行測量，產生電壓信號，通過傳感器測出汽車的速度，經過邏輯運算處理之后，發出控制指令給離合器和電動機，輸出一定的扭矩，通過小齒輪施加到轉向器上，得到轉向動力[4]。

5.1 助力控制原理

助力控制原理是傳感器發來的車速和扭矩信號后，通過插值計算得到電流值，經過閉環反饋確定目標電流，電動助力轉向系統中采用的直流無刷電動機，使用三相橋式電路控制電機運行。

5.2 回正特性控制原理

回正特性控制原理是在轉向結束后，自動通過回正作用力，將轉向輪返回到中間位置，保持車輛行駛的穩定性?；卣姆椒òㄓ布刂坪蛙浖刂苾煞N。后者是對前者的技術改進，具有控制可靠性高、成本低的優勢。

5.3 阻尼控制原理

阻尼控制原理是電動助力轉向系統通過控制器提供助力的控制。為了使車輛在高速行駛的情況下保持穩定，阻尼控制可以通過電動助力轉向系統進行不同方向轉向角的控制。阻尼力矩可以隨著車速的變化而變化。

6 結語

本文對電動助力轉向系統進行了理論和聯合仿真結果的分析，認為電動助力轉向系統的特性能夠在不同工況下保證車輛行駛的穩定性和輕便性。采用轉向盤的轉角分段控制的方法，進行主動回正控制，皆被證實是可行的。這樣能夠實現整車的電動助力轉向的控制策略優化，縮短開發周期，提高工作效率。

[1]周兵，徐蒙，范璐，等.低附著路面電動助力轉向控制策略[J].湖南大學學報（自然科學版），2015，42（2）：29-34.

[2]徐中明，王吉全，余烽，等.基于Simulink的電動助力轉向控制策略仿真[J].重慶理工大學學報（自然科學版），2012，26（3）：1-7.

[3]田正新.汽車電動助力轉向控制策略的研究及聯合仿真分析[D].長沙：湖南大學，2012：16.

[4]楊杰，冉光偉，馬樂，等.四輪驅動汽車電動助力轉向控制策略研究[J].汽車實用技術，2017，（14）：61-64.