基于轉(zhuǎn)角的商用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向回正控制研究

劉晶郁，王 濤，虎 忠，李耀華

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性是汽車操縱穩(wěn)定性能中一個(gè)非常重要的指標(biāo)。根據(jù)司機(jī)駕駛經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)車輛低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正力矩較小時(shí)，轉(zhuǎn)向盤有可能出現(xiàn)回正不足的情況；當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向盤可能會(huì)出現(xiàn)回正超調(diào)的情況。因此，在EPS系統(tǒng)中消除回正過程中可能出現(xiàn)的回正不足和回正超調(diào)顯得尤為重要。

論文提出基于轉(zhuǎn)向盤絕對(duì)角度位置參考的回正控制方法，采用轉(zhuǎn)角傳感器[1]測量的轉(zhuǎn)向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角作為回正控制器的輸入變量，通過PID方式[2]調(diào)節(jié)并獲取回正目標(biāo)電流。該方法克服了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式[3]估算轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角誤差較大、控制不精確的缺點(diǎn)，大大提高了回正控制的精確性。

1 轉(zhuǎn)向盤角度測量原理

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角可以通過BI公司的扭矩-位置復(fù)合傳感器LH3得到，該傳感器可同時(shí)測量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)，其轉(zhuǎn)角測量原理如圖1所示。

信號(hào)P1和P2相位相差90°，信號(hào)P3用來檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，將這3個(gè)信號(hào)結(jié)合起來就能唯一確定此時(shí)方向盤的絕對(duì)轉(zhuǎn)角，通過A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)相應(yīng)端口即可為回正控制提供轉(zhuǎn)角依據(jù)。

圖1 轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)輸出（P1，P2，P3）Fig.1 Angle sensor signal output（P1，P2，P3）

2 回正控制器的開發(fā)

2.1 回正控制的原理

ECU根據(jù)輸入的車速信號(hào)、轉(zhuǎn)矩信號(hào)和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制模式判斷，當(dāng)檢測結(jié)果符合回正控制條件時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)便進(jìn)入回正控制模式?；卣刂圃砣鐖D2所示。

圖2 回正控制原理圖Fig.2 The principle diagram of return-to-center control

2.2 回正控制器結(jié)構(gòu)及控制策略

筆者設(shè)計(jì)的回正目標(biāo)電流控制器采用角度伺服控制，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的角度參考值（+5°C）和實(shí)測轉(zhuǎn)角的偏差，經(jīng)PID方式計(jì)算得到回正目標(biāo)決策電流[4-5]，回正控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 回正控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of aligning controller

回正目標(biāo)電流如式（1）所示：

式中：Kp′為控制器比例系數(shù)，Ki′為控制器積分系數(shù)，Kd′為控制器微分系數(shù)，θk為轉(zhuǎn)向盤的實(shí)際轉(zhuǎn)角，θ˙k為轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角速度。

低速回正過程中，為了得到較大的回正力矩，避免回正不足，采用比例-積分（PI）調(diào)節(jié)，輸出回正目標(biāo)電流，此時(shí)式（1）簡化為：

高速回正過程中，回正力矩較大，為了避免回正超調(diào)，采用比例-微分（PD）控制得到回正目標(biāo)電流，避免擺振，此時(shí)K′i=0，式（1）簡化為：

通過調(diào)節(jié) PID 參數(shù) Kp′、Ki′、Kd′， 即可獲得不同效果的回正控制方式。

2.3 回正控制器的軟件設(shè)計(jì)

回正控制器控制子程序流程如圖4所示。

根據(jù)轉(zhuǎn)向角度的判別，首先確定是左回正還是右回正，繼而判斷轉(zhuǎn)向盤角度θk和角速度θ˙k的乘積是否小于零，當(dāng)二者乘積滿足小于零的條件時(shí)，系統(tǒng)便進(jìn)入回正控制模式，進(jìn)行回正控制，施加回正力矩使轉(zhuǎn)向盤回到初始中心位置。

圖4 回正控制子程序流程Fig.4 Flow chart of the return-to-center progress

3 回正控制器建模與仿真

3.1 回正控制器的模型建立

根據(jù)以上理論分析，運(yùn)用Simulink仿真軟件，建立了該回正控制器的仿真模型[6]，如圖5所示：

圖5 EPS系統(tǒng)回正控制器仿真模型Fig.5 The controller simulation model of EPS system

車輛低速轉(zhuǎn)向回正時(shí)，采用比例-積分（PI）控制器來得到低速回正目標(biāo)電流，仿真模型如圖6所示：

圖6 PI控制器仿真模型Fig.6 The PI controller model

車輛高速轉(zhuǎn)向回正時(shí)，采用比例-微分（PD）控制器得到高速回正目標(biāo)電流，仿真模型如圖7所示：

圖7 PD控制器仿真模型Fig.7 The PD controller model

3.2 仿真結(jié)果分析

模擬商用車以20 km/h的車速和80 km/h的車速行駛，駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上10 N·m轉(zhuǎn)矩后釋放，轉(zhuǎn)向盤的回正

圖8 低速回正時(shí)轉(zhuǎn)向盤響應(yīng)特性Fig.8 The slow speed response

圖9 高速回正轉(zhuǎn)向盤響應(yīng)特性Fig.9 The high speed response

由圖8所示曲線可以看出，在低速回正時(shí)，EPS系統(tǒng)未加入回正控制時(shí)，轉(zhuǎn)向盤回正時(shí)間約為3 s；加入回正控制以后，轉(zhuǎn)向盤回到中間位置的時(shí)間約為2 s，提高了回正性能。

同理，由圖9曲線可以看出，高速回正時(shí)，EPS系統(tǒng)中未加入回正控制時(shí)，轉(zhuǎn)向盤回正時(shí)間約為3 s，并且回正過程中有高頻振蕩；加入回正控制后，轉(zhuǎn)向盤回到中間位置的時(shí)間縮短為1.5 s，并可有效地抑制轉(zhuǎn)向盤的擺振現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1）開發(fā)了一種基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的回正目標(biāo)電流控制器，該控制器采用PID控制方式獲取回正目標(biāo)電流，使轉(zhuǎn)向盤能夠準(zhǔn)確快速回位。

2）運(yùn)用Simulink仿真軟件搭建了該回正控制器仿真模型，通過低速回正和高速仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制器具有良好的回正特性，并可有效地抑制汽車高速行駛轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)向盤的擺振現(xiàn)象，改善汽車的操縱穩(wěn)定性。

[1]JI-HOON K，JAE-BOK S.Control logic for an electric power steering system using assist motor[J].Mechatronics， 2002，12（3）:447-459.

[2]于建成，宋振環(huán).基于PID控制策略的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005， 27（2）：129-132.YU Jian-cheng，SONG Zhen-huan.Research on the assisted power of EPS system based on PID control strategy[J].Journal of Hebei Polytechnic University， 2005， 27 （2）:129-132.

[3]徐建平，何仁，苗立東，等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制算法研究[J].汽車工程，2004， 26（5）：557-559，541.XU Jian-ping， HE Ren， MIAO Li-dong，et al.A study on returnability control algorithm for electric power steering system[J].Automotive Engineering， 2004， 26 （5）:557-559，541.

[4]劉方.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2006：30-55.

[5]景立群，季學(xué)武.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動(dòng)回正控制[J].汽車技術(shù)， 2008（9）：9-12.JING Li-qun，JI Xue-wu.Active return-to-center control of an electric powered steering system[J].Automobile Technology，2008（9）:9-12.

[6]施國標(biāo)，申榮衛(wèi)，林逸.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2007， 37（1）：31-36.SHI Guo-biao， SHEN Rong-wei， LIN Yi.Modeling and simulation of electric power steering system [J].Journal of Jilin University， 2007，37（1）:31-36.