汽車EPS控制系統研究

鄭志誼

摘要：現代汽車的電子化水平不斷提高，EPS就是一個結合了電子控制技術的先進的汽車轉向助力系統，它使得轉向系統變得靈活輕便、節能、環保，大大改善了汽車的操控性，助力特性靈活可變，易實現針對不同車速提供合適的助力。結構簡單易維護、緊湊、質量輕，符合現代汽車輕量化理念。易于實現不同的控制策略，通過軟件提高轉向系統和整車的穩定性。CAN總線的引入使得EPS具備與其他電控單元通信的能力，實現信息共享，協調控制。

Abstract： The electronic level of modern automobiles is constantly improving. EPS is an advanced automobile steering assist system that combines electronic control technology. It makes the steering system flexible， lightweight， energy-saving， and environmentally friendly， greatly improving the controllability of the automobile， and the power-assisting characteristics are flexible and flexible Changing. It is easy to provide suitable assistance for different vehicle speeds. The structure is simple， easy to maintain， compact， and light in weight， in line with the lightweight concept of modern automobiles. It is easy to implement different control strategies and improve the stability of the steering system and the vehicle through software. The introduction of CAN bus makes EPS have the ability to communicate with other electronic control units， realize information sharing， and coordinate control.

關鍵詞：EPS電子控制;控制策略;穩定性

Key words： EPS electronic control;control strategy;stability

1? EPS結構及功能

根據助力電機的位置，EPS系統有以下幾種不同類型：①轉向柱助力式，助力電機連接在轉向柱上。②小齒輪助力式，助力電機安裝在轉向器小齒輪軸上。③齒條助力式，助力電機安裝在轉向齒條上。④雙小齒輪助力式：助力電機通過單獨的小齒輪組件連接到轉向齒條。

典型的EPS系統由車速傳感器、扭矩傳感器、轉向角傳感器，電子控制單元和一個電機組成。基本助力將力矩分為高頻部分和低頻部分，助力特性曲線經歷從直線、折線、曲線的優化過程，曲線型助力特性能獲得較好的轉向手感和中間位置感?；卣刂圃诘退偾闆r下起回正作用，提供一個額外的力矩使方向盤回正，在高速情況下，阻尼控制起作用，提供一個反向的力矩，防止方向盤搖頭。（圖1）

2? EPS控制系統基本架構（圖2）

EPS系統從機械和電氣角度可分為機械系統和電控系統。電控系統又可分為ECU電子控制單元、電機和傳感器三部分?；镜妮斎氚ㄅぞ貍鞲衅餍盘?、方向盤轉角以及總線獲得的車速信號。控制電路通過外圍的扭矩傳感器檢測到駕駛員手轉方向盤的力矩，在得知駕駛員的轉向意圖后控制電路會在極短的時間內采集到相關信息，包括轉角傳感器的方向盤轉角信號，通過CAN總線傳來的車速信息等，然后根據控制電路單片機中預設的轉向助力特性曲線通過控制功率電路產生所需的三相電流給三相永磁同步電機PMSM或直流無刷電機BLDC，進而驅動機械系統，輸出對應的扭矩。對一些高級功能而言，還需從CAN總線獲取車身側偏角、橫擺角速度、左右前后輪速等參數。對于駕駛輔助或自動駕駛，還需要從CAN總線獲取目標方向盤轉角、目標方向盤轉速、疊加的力矩值等信號。EPS的控制策略就是基于各種輸入，計算電機輸出扭矩的過程。控制電路在整個EPS電控系統中起著中樞核心作用。它既要進行底層電機控制的計算，還要進行應用層助力特性曲線的擬合計算并快速響應，同時還要執行采集各種輸入信息監控整個電控系統等任務。因而EPS系統對控制電路的計算精度和速度及可靠性提出了很高的要求。即使控制電路有故障發生的情況下也要檢測到并輸出關斷信號到功率電路的相切斷單元，以保證功能安全目標的實現。（圖3）

3? EPS控制系統設計開發

電動助力轉向系統為系統集成商提供了具有挑戰性的控制設計問題。由于系統直接與駕駛員手互動，因此必須減少振動，但是，控制系統的基本機械共振需要環路補償，例如超前滯后，這會使系統對于更高頻率的干擾敏感。這可能包括電機產生的齒槽效應和轉動脈動，或者來自驅動電子設備的換向噪聲。因此，至關重要的是要有一個工具流程來支持這些技術之間的協調設計工作。Denso的工程師從頭設計系統時就考慮了冗余性，每個組件都已經在雙系統中復制了，但該單元比傳統EPS系統小30%，輕20%，這本身帶來了進一步的好處，減少了發動機罩下方的空間并減輕了重量，從而也改善了燃油消耗和排放。該技術的另一個優點是由于將逆變器單元和控制裝置加倍而降低了溫度，與早期系統相比，工作溫度的降低有助于減小EPS的尺寸。全球領先的技術和服務供應商博世專注于未來高度自動化的4級和5級系統，在2017年的北美車展上展示了其具有“故障操作功能”的EPS系統。

3.1 模型開發

EPS控制系統設計的第一步就是要理解其動態特性。一個高保真動力學模型可以深入了解系統行為，還可以作為驗證所設計控制器的平臺。與簡化的降階系統相比，高保真系統需要大量計算時間。為減少新車EPS設計開發時間，需要轉向機構和可靠的駕駛員等模型，來自不同學科的研究人員嘗試理解和預估駕駛員的行為。駕駛員模型分為基于汽車和基于人兩種，基于車的模型主要考慮車輛部件的設計和調整，而基于人的模型則要開發出路徑跟隨控制器和駕駛員的神經肌肉骨骼模型。路徑跟隨控制器分為補償控制和預覽控制。EPS控制器沒有明確定義駕駛員的轉向感覺和舒適度測量值。一些駕駛員抱怨轉向松動或沉重，以及方向盤產生不愉快的振動，研究發現，這只是駕駛員對偏心的中樞轉向感的偏愛。設計EPS系統需要在存在干擾和不確定的情況下解決跟蹤控制問題。

3.2 EPS控制策略

3.2.1 基于動態模型的EPS? 基于仿真軟件開發駕駛員和車輛模型，開發基于模型的EPS控制器，為每種預定義的驅動程序提供適當的幫助。使用系統的優化程序對特性曲線進行調整，為機具有不同體力的駕駛員提供適當幫助，以具有相似的道路和轉向感覺。然后基于調整后的EPS特性曲線，開發一種基于觀測器的最佳干擾抑制控制器，該控制器由線性二次調節器和加有整形濾波器的卡爾曼濾波器觀測器組成，可在衰減的同時提供輔助功能。

3.2.2 EPS參數估計，魯棒控制器設計和性能分析? EPS參數和干擾（包括助力電機參數、傳感器信號噪聲和隨機道路因素）使得系統穩定性得到廣泛研究。基于環路整形技術，環路整形過程目的在于盡量消除系統干擾對輸出的影響。利用簡化的精化工具變量算法，最小二乘狀態變量濾波器算法和工具變量狀態變量濾波器算法來減少理論EPS模型與實際EPS模型之間的模型不匹配，即EPS可以根據實驗EPS數據準確識別參數。將所提出方法性能與EPS系統的比例積分微分測試臺結果進行比較，結果表明提出的環路整形控制器在保證EPS系統穩定性的同時提供了良好的跟蹤性能。

3.2.3 基于擾動觀測器的電動助力轉向系統主動返回控制策略? 當車輛行駛在崎嶇不平的路面時，方向盤處于轉向反轉狀態時，方向盤扭矩可能會波動，為克服隨機路面激勵對車輛返回的不利影響，提出了一種將擾動觀測器與后推滑膜算法相結合的電動助力轉向控制算法。首先建立返回扭矩控制策略，將干擾器的觀測值作為理論依據。然后補償EPS助力電機的返回電流，確定返回控制的目標電流值。在ADAMS中建立整車模型，在MATLAB 中建立EPS系統控制器模型。然后在ADAMS整車模型中添加隨機路面激勵信號，最后在測試臺上驗證系統穩定性。

參考文獻：

[1]基于CAN總線的C-EPS永磁無刷電機控制器設計[D]. 陳嘯.浙江工業大學，2015.

[2]Electric power steering systems （EPS） have never been safer.Peter ElsXuewu.Automotive iQ.

[3]Design of control system for Electric Power Steering in vehicle [C]. M. R. Ahadiat. Proceedings - International Conference on Industrial Engineering and Operations Management， Kuala Lumpur， Malaysia， March 8-10， 2016.

[4]Active Return Control Strategy of Electric Power Steering System Based on Disturbance Observer [J].Zhipeng Li. Journal of Engineering Science and Technology Review 11 （3） （2018）： 61-69.