解析新能源車輛電動助力轉向系統控制策略

張文杰

摘要：蓄電池為新能源汽車的主要動力來源，其無法通過發動機帶動液壓助力轉向泵，這使得電動助力轉向系統更為適合新能源車輛。基于此，本文將圍繞新能源車輛電動助力轉向EPS系統的組成及結構、快速原型系統開發、模型的建立及驗證、控制策略、試驗臺的開發與應用開展深入研究，希望研究內容能夠給相關從業人員以啟發。

關鍵詞：新能源車輛;電動助力轉向系統;控制策略

中圖分類號：U469.7;U463.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0203-03

0? 引言

隨著經濟與社會的快速發展，我國汽車保有量不斷提升，汽車帶來的能源消耗和環境污染問題也開始引起各界重視。為更好服務于社會發展并突破發達國家的汽車專利封鎖，近年來我國在新能源車輛研發領域投入了大量資源，本文研究的新能源車輛電動助力轉向系統便屬于研發成果典型。

1? 新能源車輛電動助力轉向EPS系統的組成及結構

1.1 助力電動機

助力電動機屬于EPS系統的關鍵構成（助力單元），負責提供全部的助力矩，其需要滿足各種情況下的轉矩要求，且需要擁有高速轉向時的路感和低速時輕便轉向實現，為保證擁有較快的起停響應，需采用轉動慣量小的助力電動機，同時需要具備一定抗干擾能力并滿足輸出力矩大要求。新能源車輛電動助力轉向EPS系統可選用有刷電機或無刷電機，前者的可靠性較差但控制算法簡單，后者的控制較為困難但可靠性較好，一般來說永磁有刷直流電動機適用于小型車，永磁無刷直流電機適用于助力要求較大車輛。助力電動機在新能源車輛電動助力轉向EPS系統中的應用需關注助力特性曲線、最大阻力矩、電機最大助力矩、功率的設計[1]。

1.2 轉矩傳感器

轉矩傳感器主要負責測得駕駛員轉動方向盤的方向和對方向盤輸入的轉矩數值，需基于扭桿檢測輸入輸出軸的角位移，以此轉換扭矩信號為電信號并向電子控制單元傳送，助力電機助力電流大小即可基于電子控制單元產生的控制信號改變。轉矩傳感器一般設置于轉向柱和助力電機之間，且制作工藝較高，結構較為復雜，制作成本較低、可靠性較高，主要存在電位計式轉矩傳感器、電磁感應式傳感器、光電式轉矩傳感器三類，三者的抗干擾能力、成本、測量精度均存在顯著差異，需綜合考慮多方面因素影響。

1.3 電子控制單元

電子控制單元在完成車速信號及方向盤轉矩信號收集后，可基于控制算法發出指令對電磁離合器的運行狀態和助力電機工作狀態進行控制，同時擁有自我保護和自我診斷功能，助力作用在系統發生故障時可由電子控制單元自動關閉，故障指示燈會同時發光。

1.4 離合器

電磁離合器用于切斷助力電機動力傳輸，高速時EPS系統對轉向功能造成影響情況可由此規避，有效發揮保護作用。收到電信號后，電磁離合器的電流進入滑環，壓板會在電磁力的作用下將花鍵緊緊壓住，電動機的輸出力矩會由此伴隨主動輪轉動傳遞給轉向系統，力矩傳輸的任務可由此完成[2]。

1.5 車速傳感器

安裝在車輛變速器上的車速傳感器可負責采集車速，并向電子控制單元傳送轉換為脈沖信號的車速數據，一般采用電磁感應式的車速傳感器，在車輛變速箱的殼體安裝車速傳感器，磁通量會隨輸出軸轉動發生改變，感應電動勢也會隨之產生。在接收車速傳感器發送的電信號后，電子控制單元可基于電動勢的脈沖頻率完成車速計算。

1.6 減速機構

通過輸出轉矩，助力電機輸出軸可直接連接減速機構，減速增扭（增加輸出助力矩）可由此直接實現，同時可向轉向齒輪箱傳送增大的扭矩，傳送出的助力扭矩會隨減速比增大而增大。行星齒輪減速器多用于轉向軸助力式EPS系統，蝸輪蝸桿減速器多用于齒條助力式EPS系統和齒輪助力式EPC系統，考慮到蝸輪蝸桿減速器在較大的傳動比獲得和結構簡單性方面優勢明顯，本文選擇采用樹脂等非金屬材料作為齒輪的蝸輪蝸桿減速器，而在減速器的減速比選擇時，選擇G為17，新能源車輛電動助力轉向EPS系統的耐久度提升和噪聲降低均可由此實現[3]。

2? 新能源車輛電動助力轉向EPS系統快速原型系統的開發

圖1為本文開發的新能源車輛電動助力轉向EPS系統快速原型系統，該系統由轉向系統模型、二自由度整車模型、助力電機模型、控制器模型共同組成。同時需建立采用模糊自適應PID控制策略的新能源車輛電動助力轉向EPS系統模型，具體如圖2所示。

3? 新能源車輛電動助力轉向EPS系統模型的建立及驗證

新能源車輛電動助力轉向EPS系統模型的建立需分析系統受力，包括助力電機提供的助力矩、方向盤的輸入力矩、轉向系統的阻力矩。同時還需要考慮動力學模型的不確定，包括周圍環境因素的變化、系統模型的仿真參數不確定、非線性的不確定因素。為順利建立新能源車輛電動助力轉向EPS系統模型，研究做出了以下假設，包括忽視扭桿的轉動慣量、存在100%的機械結構力矩傳送效率、存在無窮大的機械單元剛度系數。圖3為簡化后的新能源車輛電動助力轉向EPS系統模型[5]。

4? 新能源車輛電動助力轉向EPS系統控制策略的深入研究

對于新能源車輛電動助力轉向EPS系統常用的控制算法來說，這類算法可細分為五類，包括PID控制、基于PID的補償控制、智能PID控制、智能控制、H∞魯棒控制。助力控制模式屬于EPS系統最為常用的控制模式，控制中最重要的點為追蹤目標電流。對于PID控制模式來說，其具備結構簡單特點，但對于不能確定被控對象結構和參數的情況，該模式的調節作用無法充分發揮，需輔以其他算法;對于模糊自適應PID控制策略，該策略能夠解決PID調節控制器出現的無法得到優化性最好參數、導致系統抗干擾能力下降等問題，而通過將模糊控制理論（智能控制）與PID調節相融合，基于不同的運行情況，車輛即可實現PID參數的在線調節，超調量控制、系統穩定性提升均可順利實現。模糊控制器屬于模糊自適應PID控制核心，反模糊化的方法、模糊控制規則等因素直接影響模糊控制器性能，而由于其亂魯棒性較強，因此其能夠更好服務于新能源車輛這類時變非線性系統。模糊自適應PID控制框架由五部分組成，包括定義變量、知識庫、推理機、模糊化、反模糊化。

在回正控制策略的選擇中，考慮到新能源車輛電動助力轉向EPS系統控制需要采集方向盤角速度及方向盤的角度，回正控制所需要的電流需基于PID控制調整，快速穩定回正到中間位置的方向盤必須規避回正不足或回正過量問題;阻尼控制策略的選擇需關注路況不好時快速行駛新能源車輛出現的方向盤抖動、方向盤偏轉等問題，轉動慣量下助力電機的輸出軸無法快速停止很容易引發安全事故，因此需做好對助力電機產生與轉向反方向的力矩控制，保證其能夠實現快速停下。

開展仿真可以確定，基于助力控制仿真實驗、EPS系統助力電流仿真、阻尼控制仿真實驗、回正控制仿真實驗，可確定安裝電動助力轉向EPS系統的新能源車輛的轉向輕便性大幅提升，系統的穩定性能在PID控制加入后提升明顯，PID控制可在模糊自適應PID控制加入后實現顯著優化。在模糊自適應PID控制加入后，實際工作中助力電機的效果提升明顯，穩定速度和超調量均有所降低?；卣刂萍尤牒?，可得到較小的回正后余角和更快的方向盤回正速度，回正效率提升明顯。阻尼控制應用后，高速運行時的安全性大幅提升，駕駛員可獲得較好路感，高速行駛不存在方向盤擺動問題，整體仿真表明新能源車輛電動助力轉向EPS系統控制策略是有效的[6]。

5? 新能源車輛電動助力轉向EPS系統試驗臺的開發與應用

本文研究開發了由電子控制單元、轉向柱、轉向器、方向盤、助力電機、輪胎輪轂等器件組成的實驗臺，12V蓄電池為臺架助力電機動力來源，實驗臺架參數化基于研究所選器件實現，臺架控制臺上包括保險絲座、診斷座、點火開關。整個實驗臺助力模式的關閉和開啟可基于點火開關實現，該實驗臺還可以用于理論驗收，新能源車輛電動助力轉向EPS系統的工作流程及工作特點可由此簡潔明了表示，臺架出現問題時診斷座可自動完成問題所在點檢測，實驗臺架故障點可基于保險絲座設置。對于設有很多監測點的操作面板來說，傳感器信號可在運行時檢測，實驗臺架出現的問題也可基于檢測點來測量判斷。設置顯示電流的顯示屏于臺架面板右下角，助力電機的電流可基于該顯示屏觀察。在臺架安裝過程中，涉及的內容包括安裝整體機械結構、設計操作面板電路、修改電子控制單元、線束整理、安裝各零部件、測試臺架性能等。

新能源車輛電動助力轉向EPS系統試驗臺可用于實驗驗證，以一部分轉向實驗為例，可開展5次實驗并取數據平均值，實驗圖像可通過擬合獲得的實驗數據獲取，由此即可得到助力電流實驗圖，仿真中的電機電流與圖中的電流曲線相匹配，這說明仿真情況基本合理，所需要的助力特性基本滿足。進一步獲取助力矩與力矩輸出、總體輸出力矩曲線圖，可證明仿真實驗基本滿足，所需要的力矩大小基本符合。

6? 本文總結和今后成果的深入研究

結合仿真可以確定，PID控制在新能源車輛橫擺角速度響應超調量減少、穩定時間縮短方面的表現較為優秀，且能夠改善轉向系統的穩定性和輕便型。在加入模糊自適應PID控制系統后，可得到進一步優化的控制效果，進一步實現超調量降低、穩定時間縮短?；卣刂啤⒆枘峥刂频男Ч不诜抡娴玫津炞C，高速運轉時不加入阻尼控制存在的較大方向盤轉向角問題、方向盤低速時無法回正到正中間位置且回正速度較慢問題均得到了較好解決，行使的安全性大幅提升。此外，基于新能源車輛電動助力轉向EPS系統的仿真實驗，研究還針對性建立了實驗臺架，基于實驗臺架開展的實驗驗證可以確定，雖然實驗臺架得到了存在一定波動的實驗數據，但數據基本平滑，和仿真實驗得到的結果基本符合，新能源車輛電動助力轉向EPS系統控制策略的實用性得到了更好證明。

但值得注意的是，本文研究也存在一定不足，應基于實驗驗證分析對已設定的控制規則、隸屬度函數形狀、單元素隸屬度函數值、模糊控制論域進行優化修改，以此進一步實現更加精準的助力轉向效果獲取，今后研究還應考慮引入基于變論域的模糊控制理論。對于研究中整車模型的建設，模型以二自由度為依據，但由于較多參數在建模過程中被忽略，為提高仿真分析的精度，后續研究需要設法提升建模自由度。為保證新能源車輛能夠實現不同工況下良好的助力轉向，還應針對性開展助力特性曲線設計，以此結合多種助力特性曲線，進一步提升助力特性曲線的性能。

參考文獻：

[1]劉俊榮，牛營凱，尹華清，李紅艷.新能源輕型商用車轉向系統發展淺析[J].汽車實用技術，2019（19）：18-19.

[2]桂軍.基于Workbench的某新能源汽車轉向拉桿連接強度分析[J].鹽城工學院學報（自然科學版），2019，32（02）：7-11.

[3]牛營凱，李紅艷，尹華清，劉俊榮.新能源輕卡轉向系統零部件輕量化淺析[J].汽車實用技術，2019（07）：11-13.