汽車智能化電動助力轉向系統控制策略

詹克旭

（博世華域轉向系統有限公司）

汽車智能化技術的發展和應用使得汽車在安全、環保和舒適性等方面都得到了提升。隨著汽車電子技術的進步，汽車智能化程度大幅提高[1-2]，目前對汽車智能化的研究已經成為汽車行業的一大熱點。電動助力轉向系統（EPS）是一種新型的汽車轉向系統，其核心部件電控單元可根據轉向盤操控力矩的不同和車速，決定助力的大小以及是否助力，使得汽車操控更加智能化，具有以往任何助力轉向系統所不具備的車速感應能力和助力效果[3]。此外，通過外部信號的輸入，使轉向系統可以與其他汽車部件合作，擁有了更多智能化控制策略，進一步提升了汽車的安全性和舒適性，更加符合人們對現代化智能汽車的需求。

1 EPS系統結構及原理

EPS是在傳統機械轉向系統的基礎上發展起來的。系統主要由電子控制裝置、轉向助力機構（離合器、電動機、減速傳動機構）及信號傳感裝置（包括轉角傳感器、扭矩傳感器、車速傳感器）三大部分構成，它利用電動機產生的動力來幫助駕駛員進行轉向操作。電動機僅在需要助力時工作，駕駛員在操縱轉向盤時，扭矩轉角傳感器根據轉向角的大小和輸入扭矩產生相應的電壓信號，車速傳感器檢測到車速信號，控制單元根據車速信號和電壓，給出指令控制電動機運轉，從而產生所需的轉向助力[4]。EPS系統構造，如圖1所示。

EPS的基本原理是：轉向軸（小齒輪軸）和轉矩傳感器連接在一起，當轉向軸轉動時，轉矩傳感器開始工作，相對轉動角位移會通過輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產生，并將其變成電信號傳給微控制器，助力電流的大小和電動機的旋轉方向由微控制器根據轉矩傳感器的信號和車速傳感器來決定，從而完成實時控制助力轉向。通過這種方式，EPS 可以在車速不同時提供電動機不同的助力效果，保證汽車在高速轉向行駛時穩定可靠，低速轉向行駛時輕便靈活。

2 EPS 系統優勢

相比傳統液壓動力轉向系統，EPS 具有以下優點[5]：

1）結構緊湊，裝配方便。EPS 的減速機構及電動機可以和轉向器、轉向柱做成一個整體，并且取消了油罐、液壓轉向油泵、液壓管路及油缸等部件，使得整個轉向系統質量輕、結構緊湊，在生產線上的裝配性好，節省裝配時間，易于維護保養。

2）節能環保。可以顯著降低燃油消耗，只在轉向時電動機才提供助力。傳統的液壓助力轉向系統的轉向油泵由發動機帶動，發動機部分的動力不管轉向或者不轉向都要被消耗，而EPS 不轉向時不消耗能量，只是在轉向時助力才由電動機提供。因此，EPS可以降低汽車的燃油消耗。與液壓助力轉向系統的對比試驗表明：在轉向時，電動助力轉向可以降低5.5%的燃油消耗；在不轉向時，可以降低2.5%的燃油消耗。

3）可擴展性好。EPS 可以簡單地通過程序設置與不同車型匹配，縮短開發和生產的周期。

4）路感好、回正性好。EPS 可以通過軟件方便地調整助力大小。在低速時，為提高汽車的轉向輕便性，EPS可以提供較大的轉向助力；隨著車速的提高，為保證汽車的穩定性，使駕駛員能夠感受到明顯的“路感”，EPS提供的轉向助力可以逐漸減小，轉向時駕駛員所需提供的轉向力將逐漸增大。而傳統的液壓助力轉向系統所提供的轉向助力的大小不能隨車速的提高而改變。這樣就使得汽車雖然在低速時具有良好的轉向輕便性，但是在高速行駛時轉向盤太輕，降低了駕駛員的安全感和汽車的穩定性，駕駛員缺少顯著的“路感”，會產生轉向“發飄”的現象。

EPS還可以通過調整EPS 控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的舒適性和穩定性。EPS 為了兼顧汽車低、高速時的回正性能，還可以施加一定的附加阻尼力矩或回正力矩，使得低速時轉向盤能夠精確地回到中間位置，并且可以抑制高速回正過程中轉向盤的超調和振蕩。

由于EPS具有上述多項優點，因此近年來獲得了越來越廣泛的應用。

3 EPS智能化控制策略

近年來，隨著汽車智能化研究的興起，EPS 以其自身的優勢被廣泛地應用在智能化汽車上。轉向系統是汽車的核心安全系統。當汽車行駛過程中將要發生危險的時候，僅憑駕駛員制動或轉向可能無法完全避開，還需要更加智能化，系統要分析出最大的危險所在，繼而選擇一個安全性最優、危險性最小的策略，并能夠通過汽車自主操控來實現，這就需要自動轉向來參與。為了配合實現汽車的智能化，在操縱的穩定性、舒適性和安全性上對轉向系統提出了更高的要求。因此，EPS 將通過一系列控制策略來滿足汽車智能化的要求。

3.1 主動回正控制和阻尼控制

原則上轉向盤可以通過懸置系統本身和輪胎提供一定的回正力朝中位運動。但是通常情況下，轉向盤并不能回到中位，原因是汽車本身的回正力不足以克服所有的阻力。在低車速情況下，系統阻力太大；在高車速情況下，因汽車本身的回正力太大，放開轉向盤時又容易出現搖頭的現象。阻尼控制和回正控制各司其責，在高車速的情況下，為防止轉向盤搖頭，阻尼控制起作用，提供一個反向的力矩；在低車速情況下，回正控制起作用，為幫助轉向盤回到中位提供一個額外的力矩[6]。主動回正控制原理，如圖2所示。

3.2 摩擦與慣量補償

摩擦補償主要是補償系統摩擦力，該摩擦力主要來源于管柱軸承的摩擦、壓塊與齒條的摩擦等，表現為庫倫摩擦力的形式，通常為了克服庫倫摩擦力，根據電動機轉速大于某閾值作為觸發信號，施加一個與其運動方向相同的力。

慣量補償可以理解為一個純超前的矯正環節，主要是補償電動機的轉動慣量。

3.3 轉向截止

在轉向機中，因為機械止點的存在，轉向的齒條行程范圍是有限的。為了避免撞擊止點產生的噪聲和觸感，以及因撞擊產生機械損壞，在到達機械止點前，通過軟止點（Software End Stop）實現彈簧阻尼器作用，衰減助力從而限制沖向機械止點，轉向截止示意圖，如圖3所示。

圖3 軟止點邏輯示意圖

3.4 路面振顫抑制

在車輛運動過程中，由于路面的凹凸不平，各種各樣的路面振顫噪聲將作用于駕駛員的手部，其中一個與輪速正相關的噪聲的頻率是比較典型的。路面振顫抑制算法檢測輪速信號，同時對轉向盤力矩中與輪速頻率正相關的頻率特征進行提取后，在最終施加給電動機的力矩中減掉這一頻率特征信號，與路面振顫進行抵消，從而達到抑制的目的，如圖4所示。

圖4 路面振顫抑制示意圖

3.5 駕駛模式切換（DMS）

多模式助力功能用于為駕駛員提供可選的助力模式，使駕駛員得到不同的駕駛樂趣。駕駛員可以通過開關選擇助力模式，微控制器確認選擇的模式后發送模式請求至EPS；在接收到模式請求后，EPS 會根據工作條件（包括力矩、車速、轉向盤轉速）切換其工作的助力模式，此外EPS 需有助力模式記憶功能，在下次點火循環默認上次點火循環內的助力模式。圖5 示出通過音響娛樂系統進行的駕駛模式切換。

圖5 駕駛模式切換

3.6 車道保持輔助（LKA）和車道偏離報警（LDW）

EPS作為高級駕駛輔助系統（ADAS）的執行機構，可實現車道保持輔助（LKA）和車道偏離報警（LDW）功能。

LKA是一種駕駛輔助系統，如圖6所示，當ADAS系統發現汽車將要駛離正常的車道時，為了保證將汽車保持在本車道內，EPS 能夠接收ADAS 系統的請求扭矩。當該扭矩不足以使汽車保持在本車道內，LKA系統會向駕駛員發出道路偏離警告。

圖6 車道保持輔助示意圖

LDW是當檢測到汽車即將偏出車道時，在轉向盤上給出一個振動的信號對駕駛員進行提醒。

3.7 扭力轉向補償（TSC）

任何汽車的轉向盤不可能安裝在正中間，轉向橫拉桿左右長度是不一樣的，角度也會有細微差異，如圖7所示。另外在急加速的過程中，左右車輪上的牽引力也會不一致，這就會導致出現行駛跑偏的現象。

圖7 汽車軸距不等長示意圖

TSC功能根據車速、轉角、側向加速度、輪速、橫擺角速度、各輪牽引力等信號，當行駛跑偏將要發生時，給電動機施加一個反向的力矩，防止行駛跑偏產生。

3.8 拉動漂移補償（PDC）

PDC功能觸發的條件多樣，可能是懸架系統安裝左右不對稱，也可能是汽車受到側風作用，還有可能是汽車行駛在拱形路面上。其工作原理是汽車在直行過程中檢測到扭矩傳感器的力矩超過正常范圍，為保證駕駛員在中位附近感受到的力矩很小，則由電動機主動施加一個反向力矩[7]。

3.9 自動泊車輔助（APA）

APA功能是一種駕駛輔助系統，當汽車泊車時，EPS根據泊車控制器發來的目標轉角，控制轉向盤實際轉角跟隨目標轉角，以位置環-速度環-電流環3環控制的形式實現角度伺服功能，做到準確、平順、快速泊車入位。

4 結論

EPS涉及傳感器技術、微電子控制、現代控制理論和傳統的機械設計，其代表未來汽車動力轉向技術的發展方向之一。汽車EPS智能化控制策略的應用符合智能汽車的時代要求，以其卓越的操縱輕便性和穩定性、助力特性隨汽車工況而變化的特性、良好的主動安全性等，不僅能有效地提升汽車性能，同時還能減少對環境的污染，對提升人們的出行質量起到重要的作用。

隨著EPS關鍵技術的發展，EPS的性能必將更加完善，其將作為標準配件裝備到汽車上，并將在汽車智能化助力轉向領域占據主導地位。