電動化底盤動力轉向系統(tǒng)多工況切換控制策略及性能試驗

趙景波， 周冰， 李秀蓮， 貝紹軼

（1.江蘇理工學院汽車與交通工程學院，江蘇常州 213001;2.江蘇理工學院計算機工程學院，江蘇常州 213001）

電動汽車電動化底盤動力轉向系統(tǒng)（electric power steering，EPS）是電動汽車設計裝配過程中的關鍵部件之一，直接通過電動機輸出給駕駛員提供助力，輕型小巧、裝配及調整方便，而且噪聲、廢氣污染?。?］。EPS系統(tǒng)運行過程中工況復雜多變，傳統(tǒng)的控制策略難以兼顧EPS系統(tǒng)的多工況運行需求。駕駛員的轉向操縱對助力、回正和阻尼工況的控制要求較高，難以協(xié)調不同工況的轉向性能要求［2］。EPS系統(tǒng)應根據不同的行駛工況提供不同的控制算法，以獲得符合實際工況的控制效果。基于助力、回正和阻尼工況區(qū)間，建立相應的控制模型和控制器結構，可獲得比單一模型和單一控制器更好的控制性能。針對EPS系統(tǒng)的多工況控制特性，建立EPS系統(tǒng)動力學模型及其汽車轉向動力學模型，建立EPS系統(tǒng)的動態(tài)行為描述，設計EPS系統(tǒng)切換控制結構，進行臺架試驗。

1 EPS系統(tǒng)多工況動態(tài)行為描述

針對EPS系統(tǒng)的多工況特征和協(xié)調不同工況下轉向性能的要求，需建立EPS系統(tǒng)動力學模型和汽車三自由度轉向模型，在文獻［3］中進行了討論，這里不再贅述。

EPS系統(tǒng)應根據不同的行駛工況提供不同的控制算法，以獲得符合實際工況的控制效果。EPS系統(tǒng)控制結構如圖1所示，將整個EPS系統(tǒng)劃分為助力工況、回正工況和阻尼工況區(qū)間，針對各工況區(qū)間建立相應的控制模型和控制器結構，以獲得比單一模型和單一控制器更好的控制性能［4－5］。

圖1 EPS系統(tǒng)多工況控制結構Fig.1 Multi-state control structure of EPS system

建立 EPS系統(tǒng)的動態(tài)行為描述，為一個11元組

其中，M={m1，m2，m3，m4}為控制模式的集合，分別為助力工況及其柔性PID控制、回正工況及其模糊PID控制、阻尼工況及其Bang－Bang－PID控制和純機械轉向工況控制模式。

2 EPS系統(tǒng)多工況切換控制策略設計

2.1 EPS系統(tǒng)切換控制結構

針對EPS系統(tǒng)對助力、回正和阻尼工況的控制要求，設計切換控制結構，針對不同的控制模式，分別設計柔性PID控制、模糊PID控制和Bang－Bang－PID控制算法，通過控制算法的實時切換進行協(xié)調控制，如圖2所示。

圖2 EPS系統(tǒng)的切換控制結構Fig.2 Switched control structure of EPS system

系統(tǒng)輸入在助力工況時為轉向盤轉矩和車速信號，在回正工況時為轉向盤轉角和電動機轉角信號，在阻尼工況時為電動機轉速和車速信號;切換控制器輸出為電動機輸出轉矩Tm，與轉向盤輸入轉矩和路面隨機作用力共同構成EPS系統(tǒng)的輸入;系統(tǒng)輸出為橫擺角速度ωr、車身質心側偏角β和車身側傾角φ，反映整車系統(tǒng)響應;外部環(huán)境輸入主要是外界環(huán)境對系統(tǒng)的擾動作用;外部離散事件是由外界環(huán)境造成的離散事件，如EPS系統(tǒng)的啟動/停止、系統(tǒng)故障造成的離散事件等;內部離散事件為控制模式的演化或系統(tǒng)故障造成的離散事件。

2.2 多工況控制器設計

在EPS助力工況中，助力盲區(qū)導致轉向過程中的方向盤抖動，PID參數(shù)整定過程存在系統(tǒng)穩(wěn)定性與準確性的矛盾。設計助力工況的無縫車速助力模式和柔性PID控制器。根據誤差|ea|的運行狀態(tài)，設定|ea|＞ec，max=2 A 為大誤差區(qū)間，1 A ＜|ea|＜2 A、0.5 A＜|ea|＜1 A和|ea|＜0.5 A為小誤差區(qū)間，實時調整PID控制器的結構和參數(shù)，如圖3（a）。

由于轉向盤回正時的回正不足及回正超調現(xiàn)象，以及EPS系統(tǒng)存在非線性、時變性等不確定性因素，回正工況的控制參數(shù)修改不便、不能進行自整定。結合模糊控制與PID控制的優(yōu)點，設計回正工況的Fuzzy－PID控制器，基于模糊規(guī)則在線修正PID控制器的參數(shù)，如圖3（b）。

在汽車高速直線行駛（死區(qū)范圍內）時，回正力矩較大，由于克服系統(tǒng)固有慣性及摩擦導致在中位附近產生抖動，引起駕駛員長時間的沖擊，造成緊張和疲勞。利用Bang－Bang控制響應快速和PID控制精度高的優(yōu)點，設計阻尼工況的Bang－Bang－PID 控制，根據誤差|ed|的大小，|ed|＞ ed，max時采用Bang － Bang 控制，|ed|≤ed，max時采用 PID 控制，如圖3（c）。

圖3 各工況控制器設計Fig.3 Controller of each condition

3 試驗設計及性能試驗

設計1/4車輛EPS系統(tǒng)試驗臺架，主要包括臺架部分、助力電動機控制系統(tǒng)和信號采樣分析系統(tǒng)三個部分，可模擬各種不同的路面狀況并通過調速電機帶動輸入軸產生各種不同的車速［7－9］，如圖4。進行輸入/輸出特性試驗、輸入轉矩/電動機電流特性試驗和助力特性試驗。

圖4 EPS系統(tǒng)試驗臺架Fig.4 EPS test bed

在試驗臺架上，系統(tǒng)正常工作，向兩個方向勻速轉動轉向盤，分別紀錄0 km/h、30 km/h、60 km/h和90 km/h車速下的輸入扭矩/輸出拉壓力曲線，如圖5和表1，計算各車速下輸入/輸出特性的左右對稱度，滿足＞90%的推薦指標。

在試驗臺架上，系統(tǒng)工作正常，分別記錄0 km/h、30 km/h、60 km/h和90 km/h車速下輸入轉矩/電動機電樞電流特性曲線，如圖6和表2，回程遲滯、非靈敏區(qū)及最大電流均滿足指標要求［10］。計算各車速下輸入轉矩/電動機電樞電流的對稱度，滿足＞90%的指標要求。

圖5 輸入/輸出特性Fig.5 Input/output curve

圖6 輸入轉矩/電動機電流特性Fig.6 Torque/current curve

表1 輸入/輸出特性左右對稱度比較Table 1 Symmetrical comparison of input/output curve

表2 輸入轉矩/電動機電流特性比較Table 2 Comparison of torque/current curve

（c）非靈敏區(qū)比較轉動方向 試驗結果 推薦指標左1.037 ［0，2］右－1.068 ［0，2］（d）最大電流比較轉動方向 最大電流 推薦指標左31.2 ［30，35］右－30.7 ［30，35］

在試驗臺架上，輪胎處于靜止狀態(tài)，轉動轉向盤到600°，采集無控制時的轉向盤轉矩隨方向盤轉角的變化曲線，以及切換控制時的轉向盤轉矩和電動機電樞電流隨轉向盤轉角的變化曲線，如圖7所示。

圖7 0 km/h車速的助力特性曲線Fig.7 Assist characteristic curve at 0 km/h

在試驗臺架上，在5 km/h運行狀態(tài)下，轉動轉向盤到600°，分別采集無控制和切換控制時轉向盤轉矩隨轉向盤轉角的變化曲線，以及切換控制時對應的電動機電樞電流變化曲線［10］，如圖8所示。

圖8 5 km/h車速的助力特性曲線Fig.8 Assist characteristic curve at 5 km/h

助力特性測試結果如表3所示，結果表明，助力控制下的轉向盤輸入轉矩得到降低，原地轉向的轉向輕便性提高了69.6%，5 km/h車速的轉向輕便性提高了56.2%;并且隨著車速的增加，EPS系統(tǒng)的助力效能降低，符合汽車 EPS系統(tǒng)助力特性的要求。

表3 助力特性結果Table 3 Testing results of assist characteristic

4 結論

1）電動汽車EPS系統(tǒng)作為電動汽車設計裝配過程的關鍵部件之一，傳統(tǒng)的控制策略難以兼顧EPS系統(tǒng)的多工況運行需求，難以協(xié)調并滿足不同工況的轉向性能要求，將整個EPS系統(tǒng)劃分為助力、回正和阻尼工況區(qū)間，建立相應的控制器結構和參數(shù)，可獲得比單一模型和單一控制器更好的控制性能。

2）建立了EPS系統(tǒng)動力學模型和三自由度轉向動力學模型，設計了EPS系統(tǒng)的切換控制結構，針對助力、回正和阻尼工況分別設計了柔性PID控制、模糊PID控制和Bang－Bang－PID控制算法，在不同的工況下采用相應的控制算法實時切換和協(xié)調控制。輸入/輸出特性試驗、輸入轉矩/電動機電流特性試驗和助力特性試驗結果滿足推薦指標要求。

3）EPS系統(tǒng)的切換控制及其試驗對于優(yōu)化控制策略、增強控制功能和提高轉向操縱安全性都具有重要的理論研究意義和工程應用價值。

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（編輯：張詩閣）