汽車EPS回正控制與仿真試驗(yàn)研究

（1.邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南邵陽422000；2.株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南株洲412000）

（1.邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南邵陽422000；2.株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南株洲412000）

為了改善汽車轉(zhuǎn)向輕便性的問題以及解決傳統(tǒng)EPS系統(tǒng)所帶來的汽車回正性能降低的問題，建立了基于SIMULINK的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型，創(chuàng)建了基于系統(tǒng)環(huán)和控制環(huán)的控制策略，提出了基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和目標(biāo)操縱轉(zhuǎn)矩的PID控制方法，通過仿真與試驗(yàn)擬合出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θh——目標(biāo)操縱轉(zhuǎn)矩TdMap圖.運(yùn)用MATLAB仿真EPS助力效果與實(shí)車試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制策略，改善了汽車的助力回正性能，提高了汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和行車安全性.

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；回正；控制策略；仿真；試驗(yàn)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡(jiǎn)稱EPS）的操作特性與轉(zhuǎn)向路感良好、結(jié)構(gòu)緊湊、裝配方便等特點(diǎn)使其使用越來越廣泛.車輛在行駛過程中，由于系統(tǒng)慣量、摩擦、阻尼以及車速等影響，使得回正性能在低速狀態(tài)出現(xiàn)橫擺角速度和殘余方向盤轉(zhuǎn)角等回正不足的現(xiàn)象；汽車高速行駛時(shí)，輪胎與地面的摩擦力矩較小，側(cè)向加速度比較大，回正相對(duì)容易，轉(zhuǎn)向后可能出現(xiàn)回正過量，降低了汽車的行駛性能［1］.因此，在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中必須引入助力回正控制，使車輛在行駛中擁有更好的回正特性、操作特性和轉(zhuǎn)向路感，提高了汽車在行駛過程中的舒適性和安全性.

1 基于SIMULINK的EPS系統(tǒng)仿真模型的建立

1.1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖1為采用齒輪齒條助力式轉(zhuǎn)向器的EPS系統(tǒng)，其主要由扭矩傳感器、控制單元（ECU）、助力電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)等組成.

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 EPS system structure diagram

1.2 模塊劃分

把模型中兩個(gè)或多個(gè)機(jī)械元件合并，使系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，減少機(jī)械元件的數(shù)目，這樣得到的系統(tǒng)為降階物理模型，這種建模方法便稱為降階建模方法.按照這種方法，把EPS系統(tǒng)劃分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型（Mechanical＿M(jìn)odel）、電動(dòng)機(jī)模型（Motor＿M(jìn)odel）和控制器模型（Contrllor＿M(jìn)odel），如圖2所示.

圖2 汽車EPS模塊劃分圖Fig.2 EPS module partition graphs of automobile

圖3 直流電動(dòng)機(jī)的等效結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The equivalent structure diagram of DC motor

1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電機(jī)模型

機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程［2］

電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程為

電動(dòng)機(jī)的等效結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，根據(jù)電子電力學(xué)相關(guān)數(shù)學(xué)關(guān)系式可得：

助力電機(jī)電氣方程為

其中：

1.4 控制器模型

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，助力電流決策控制器的輸入量為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩Ts和車速V，控制器接收車速信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)，得到相應(yīng)的目標(biāo)電流Icmd（輸出量），PID調(diào)節(jié)器對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后電流控制器對(duì)電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行閉環(huán)控制，PID調(diào)節(jié)器的輸出電壓控制在±12V之內(nèi)，控制電壓通過直流斬波技術(shù)（PWM）的方法來實(shí)現(xiàn)［3］.由于系統(tǒng)的慣性和阻尼的存在，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)向盤快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)矩與駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩之間有一定的相位延遲.為了提高EPS控制響應(yīng)快速，對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行相位超前補(bǔ)償?shù)奶幚? PWM模塊相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)，延遲時(shí)間相當(dāng)于PWM的一個(gè)周期T，一般取1／20000s.采用的相位校正模塊的傳遞函數(shù)為：

1.5 模塊連接

在進(jìn)行系統(tǒng)建模時(shí)，一般將復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分，然后分別計(jì)算出各模塊的數(shù)學(xué)模型，最后將各模塊進(jìn)行連接，構(gòu)建的基于Simulink的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型到仿真模型如圖4所示.

圖4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)構(gòu)模型Fig.4 The Simulink structure model of electric power steering system

2 EPS系統(tǒng)控制策略

2.1 EPS系統(tǒng)控制要求

EPS系統(tǒng)一般應(yīng)該滿足良好的轉(zhuǎn)向助力特性、跟隨性、操縱穩(wěn)定性和回正特性等要求［4］.

2.2 EPS系統(tǒng)控制策略

EPS控制策略（如圖5所示）分為系統(tǒng)環(huán)、控制環(huán)，系統(tǒng)環(huán)主要完成對(duì)目標(biāo)電流的決策，確定具體的工作模式，并確定目標(biāo)電流的大小，控制環(huán)采用電機(jī)的電流伺服控制，利用PID算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)目標(biāo)電流的跟蹤控制［5］.

2.3 助力回正模塊設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)助力大小隨車速增加而減近中間位置且角速度低于某一值時(shí)采用基于小，即目標(biāo)操縱轉(zhuǎn)矩隨車速的增大而增大，如圖6所示.與此同時(shí)，目標(biāo)操縱轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)角的增大也增大.結(jié)合仿真和試驗(yàn)測(cè)得無助力條件下的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合出各車速下“轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θc——目標(biāo)操縱轉(zhuǎn)矩T”Map圖［6］，如圖7所示.由轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量得到的轉(zhuǎn)角信號(hào)、轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速傳感器測(cè)量得到的車速信號(hào)，根據(jù)“轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θc——目標(biāo)操縱轉(zhuǎn)矩T”Map圖得到T，助力模塊中電機(jī)控制電壓采用PID控制：

為了更快更準(zhǔn)確地使方向盤回到正中位置，以避免方向盤不必要的振動(dòng).在方向盤靠方向盤轉(zhuǎn)角的助力回正控制策略，將方向盤的中間位置（角度為－5°—＋5°）作為回正控制的目標(biāo)控制角度，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量得到的實(shí)際角度值作為反饋信號(hào)，兩者之間的偏差進(jìn)行閉環(huán)控制，使偏差趨于零，公式如下［7］：

圖5 EPS控制策略Fig.5 EPS control block diagram

其中Kp，Ki，Kd分別為PID控制器參數(shù).

圖6 目標(biāo)操縱轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角、車速的關(guān)系圖Fig.6 The target operating torque and angle，speed

3 仿真與試驗(yàn)分析

3.1 仿真分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的控制器，在MATLAB的環(huán)境下建立EPS仿真模型（如圖4），分別進(jìn)行了原地大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向及回正仿真［8］，仿真結(jié)果圖8、9所示.從圖可以看出：

圖7 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角—目標(biāo)操縱轉(zhuǎn)矩MAP圖Fig.7 Steering wheel angle—torque MAP chart control

圖8 原地大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向仿真圖Fig.8 The target operating torque and angle，speed

（1）有電動(dòng)助力比無助力的轉(zhuǎn)向盤作用轉(zhuǎn)矩降低明顯，說明以上控制方案助力效果明顯.

圖9 30km／h撒手回正仿真Fig.9 Steering wheel angle—torque MAP chart control

（2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以依靠自身的回正力矩能夠使方向盤回到中間位置，但是產(chǎn)生了很大的超調(diào)，引起行車時(shí)出現(xiàn)跑偏，殘留轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達(dá)11°，穩(wěn)定時(shí)間需1秒.而在有回正控制的情況下，方向盤不僅能回到中間位置，超調(diào)量也較小，殘留轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角僅為3°，穩(wěn)定時(shí)間約為0.3秒，從而使行車穩(wěn)定性加強(qiáng).證明所提出的助力回正控制算法能夠滿足車輛行駛時(shí)的回正性能，改善車輛的操縱穩(wěn)定性.這說明自主開發(fā)的帶助力回正功能的EPS控制器能夠提高汽車的助力回正性能，使得汽車具有較好的操縱穩(wěn)定性［9］.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)車試驗(yàn)車型為改裝電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一汽夏利X121轎車，具體參數(shù)如表1所示.

表1 EPS試驗(yàn)車參數(shù)Tab.1 EPS test vehicle parameters

為驗(yàn)證控制策略的有效性，首先進(jìn)行了原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，考察其助力效果，然后進(jìn)行了回正控制實(shí)車試驗(yàn)，考察其回正性能.試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）原地轉(zhuǎn)向無助力和助力對(duì)比

圖10 原地?zé)o助力轉(zhuǎn)向Fig.10 Without power steering in Situ

圖11 原地助力轉(zhuǎn)向Fig.11 Power steering in Situ

（2）30km／h轉(zhuǎn)向盤撒手回正試驗(yàn)

圖12 無回正控制Fig.12 No return control

圖13 有回正控制Fig.13 Return control

從原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)結(jié)果圖10、11可以看出最大操縱轉(zhuǎn)矩由40N.m（無助力）降低至5N. m（有助力）.能很好的反應(yīng)仿真結(jié)果.助力效果明顯，可以明顯降低轉(zhuǎn)向操縱轉(zhuǎn)矩，改善了汽車轉(zhuǎn)向輕便性.

由圖12、13可以看出，有回正控制時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間明顯較短，殘留轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角也較小，回正效果明顯.從而證明設(shè)計(jì)的回正控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)EPS系統(tǒng)在車輛低速時(shí)的回正性能.并能很好的反應(yīng)仿真結(jié)果，相互驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制策略的可行性.

4 結(jié)論

開發(fā)具有助力回正功能的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力回正控制.所采用的控制策略取得了良好的控制效果，滿足汽車對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性的要求，改善了汽車的回正性能，提高了汽車的操作穩(wěn)定性.

［1］馬崴.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略及試驗(yàn)研究［D］.湖北：武漢理工大學(xué)，2011.

［2］Zhigang Chen，Mengqi Li，Tingming Zhou. Statically indeterminate optimization analysis of steering column load of EPS［C］／／Electric Information and Control Engineering（ICEICE），2011 International Conference on.Wuhan：IEEE，2011（1）：2624－2627.

［3］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.

［4］謝剛.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)研究［D］.成都：四川大學(xué).2006.

［5］李武波.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制及試驗(yàn)研究［D］.廣州：華南理工大學(xué).2011.

［6］趙林峰.全工況電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模控制及試驗(yàn)研究［D］.安徽：合肥工業(yè)大學(xué).2010.

［7］向丹，李武波，楊勇.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制及其仿真研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2012（08）：115－117.

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汽車EPS回正控制與仿真試驗(yàn)研究

張 維1，陳志剛1，周廷明2，劉晟昱2

Study on Returnability Control and Simulation Test of EPS

ZHANG Wei1，CHEN Zhi－gang1，ZHOU Ting－ming2，LIU Sheng－yu2

（1．Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 412000，China；2．Zhuzhou Yi Lida Electromechanical Co．，Ltd，Zhuzhou，Hunan 412000，China）

In order to solve the vehicle returnability degradation problems of the traditional EPS system.In this paper，the simulation model of electric power steering system was constructed based on SIMULINK.the system diagram was created based on system loop and control loop.The PID control method was presented based on the steering wheel Angle and the target control torque.Through simulation and test fitting Map figure of the steering wheel Angleθh——target control torque Td.the simulation is performed and comparison is made with the designed return control strategy of vehicle steering.The results show that the control strategy can achieve better power back performance and improve the steering portability，stability and safety of automobile.

EPS；return；control strategy；simulation；test

張維（1988—），男，湖南漣源人，碩士研究生，研究方向：專用裝備設(shè)計(jì)與制造；E－mail：zhangwei063＠163.com.

U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1672－7010（2014）03－0073－06

2014－06－17

湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開發(fā)基金項(xiàng)目（13K109）；湖南省邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2013SY026）資助.