汽車電動助力轉向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

馮麗娜，申榮衛(wèi)，何澤剛，謝康（.天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津 300；.天津交通職業(yè)學院，天津 3000）

汽車電動助力轉向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

馮麗娜1，申榮衛(wèi)1，何澤剛2，謝康1
（1.天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222；2.天津交通職業(yè)學院，天津 300110）

摘 要：文章介紹了電動助力轉向系統(tǒng)的基本結構和工作原理，對目前的助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略進行了分析，對控制器和電動助力轉向系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析，并對電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢提出了一些展望。

關鍵詞：電動助力轉向；控制策略；控制器；穩(wěn)定性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.047

Present situation and development trend of the electric power steering system

Feng Lina1, Shen Rongwei1, He Zegang2, Xie Kang1
（1.School of Automotive and Transportation, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222; 2.Tianjin transportation vocational college, Tianjin 300110）

Abstract:Introduces the basic structure and working principle of electric power steering system, the present control strategies,such as power assisted control, return control ，damping control etc, are analyzed, the research of controller and stability are also analyzed. and the development trend of electric power steering system is put forward some expectations. Keywords: electric power steering; control strategy; controller; stability

CLC NO.: U463.4 Doc

ument Code: B Article ID: 1671-7988(2015)10-131-04

引言

隨著經濟和汽車電子技術的發(fā)展，人們對汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性、駕駛的舒適性以及節(jié)能環(huán)保性提出了更高的要求。同液壓助力轉向系統(tǒng)相比，電動助力轉向系統(tǒng)（electric power steering system，EPS）既節(jié)能環(huán)保，又能滿足人們對汽車操控性日益苛刻的要求。因此對汽車電動助力轉向系統(tǒng)的研究具有更加積極的現(xiàn)實意義。

本文對電動助力轉向系統(tǒng)的基本結構和工作原理進行了介紹，對目前的助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略進行了分析，對控制器和電動助力轉向系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析，并對電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢提出了一些展望。

1、汽車EPS系統(tǒng)的基本結構和工作原理

汽車電動助力轉向系統(tǒng)（electric power steering system ，EPS）主要的組成包括電子控制單元、轉矩傳感器、蝸輪蝸桿減速機構、助力電機及離合器和各傳動軸，機械轉向器為齒輪齒條轉向器。汽車EPS系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。

綜 述

當駕駛員操縱轉向盤進行轉向時，傳感器把所檢測到的轉向盤轉矩信號，轉角信號，車速信號，點火信號和發(fā)動機轉速信號等各類信號傳給ECU處理，根據(jù)傳來的各個信號ECU可以確定車所處的工況，通過轉矩信號進行助力控制，通過車速信號進行路感控制，助力電機輸出這一工況下的助力轉矩，通過減速機構進行減速增扭后并在齒輪齒條轉向器上再次放大轉矩，實現(xiàn)轉向助力作用。當轉向盤轉矩增大時，增加電機助力轉矩來保證轉向的輕便性；當車速較高時，減小助力轉矩以獲得較好的路感。

2、汽車EPS系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

2.1 控制策略的研究

現(xiàn)代控制理論的研究與應用已涉及各個領域，國內外研究學者已經嘗試將各種先進的控制理論應用于EPS系統(tǒng)助力控制、回正控制、阻尼控制的研究。

2.1.1 助力控制的研究

在汽車EPS系統(tǒng)控制策略的研究中對助力特性的研究最早，它影響著系統(tǒng)的轉向輕便性和路感。合肥工業(yè)大學對轉向系統(tǒng)模型的建立采用了多剛體系統(tǒng)動力學的方法，在這基礎上對模型進行數(shù)值求解，在助力控制時應用模糊神經網絡結合PID控制的方法，提高汽車在轉向時的靈敏性和輕便性[1]。大連理工大學提出了EPS系統(tǒng)的一種控制方案，并且進行了在不同的車速的狀況下汽車轉向的臺架實驗，結果表明采用這一控制器可以完成EPS系統(tǒng)的所要求的助力控制[2]。北京理工大學對EPS系統(tǒng)各個部分的數(shù)學模型進行建立，利用Matlab/Simulink進行仿真模型的建立，對EPS系統(tǒng)的兩層控制策略進行設計，上層控制策略是利用補償控制和助力控制來對目標電流進行控制，下層控制策略是利用PID調節(jié)器來對目標電流進行控制。分析結果說明構建的控制策略不僅可以提高轉向的動態(tài)效果還可以使轉向更加輕便[3]。

上海交通大學分析了電動助力轉向系統(tǒng)的操縱性能及其一些不確定因素，研究出一種雙層控制器，并進行一系列的仿真試驗，結果表明所提出的內外環(huán)雙層結構控制器比傳統(tǒng)的單層結構的PID控制器更能滿足電動助力轉向系統(tǒng)對操縱穩(wěn)定性能要求，具有一定的理論價值和實用價值[4]。重慶大學建立的電動助力轉向系統(tǒng)數(shù)學模型是包括輪胎模型的，并且在模型的基礎上，控制目標分別是電機的助力力矩輸出的波動、系統(tǒng)的魯棒抗干擾性能和方向盤給駕駛員的“路感”。并且對系統(tǒng)的增廣被控對象矩陣和狀態(tài)空間方向盤都進行了建立，最后求解出了魯棒控制器通過H∞魯棒控制理論[5]。長安大學經過研究對助力特性曲線的三個特征值進行了確定，通過實驗數(shù)據(jù)對變車速下的車速感應系數(shù)完成擬合，設計出的助力特性曲線是直線型的，通過輸出的助力電流可以滿足系統(tǒng)轉向時的助力要求[6]。

2.1.2 回正控制的研究

回正控制不僅可以使轉向盤準確迅速地回到中間位置，還能夠使轉向系統(tǒng)的回正性能得到優(yōu)化?；卣阅艿耐瓿墒峭ㄟ^回正力矩；輪胎回正力矩，車輪外傾角，主銷內傾角等都是回正性能的影響因素。重慶大學根據(jù)路感強度的表達式以及運用伯德圖進行頻域分析，來制定比例微分助力的控制策略，結合車身側傾的三自由度汽車模型和輪胎模型，建立分析電動助力轉向特性的仿真模型，并根據(jù)高速回正性，轉向輕便性來進行方向盤撒手和方向盤正弦輸入的仿真試驗，以及在不同的車速和不同的轉向盤轉矩輸入下控制參數(shù)的變化規(guī)律[7]。

清華大學在科研組已有的電動助力轉向控制策略的基礎上來進一步的進行完善和改進，解決了電動助力轉向系統(tǒng)控制器在匹配和裝車實驗過程中遇到的問題，進行了對相位補償方式的分析，采用了基于實際微分的相位補償策略來提高系統(tǒng)的綜合性能，并對回正控制進行了研究以及進行了對撒手回正工況的算法設計[8]。吉林大學提出一種無轉向盤轉角傳感器的主動回正控制方法，以軟件的形式施加到EPS系統(tǒng)的控制程序當中，來實現(xiàn)不需要附加的系統(tǒng)元件就可以改善汽車回正性能的目的。最后進行的實車試驗結果說明所提出的控制方法能夠滿足回正性能的要求[9]。重慶理工大學通過simulink建立非線性的動力學模型進行電動助力轉向系統(tǒng)特性的研究，轉矩和轉角制定死區(qū)控制是通過轉向盤的檢測來實現(xiàn)的，然后提出了綜合控制策略，進行仿真分析之后結果是提出的控制策略不僅可以使轉向輕便，高速行駛時穩(wěn)定，而且還可以使高速時回正超調以及低速時回正慢這些問題得到處理[10]。沈陽理工大學利用傳統(tǒng)的PID控制技術與模糊控制技術相結合，設計出符合電動助力轉向系統(tǒng)的模糊PID控制器。經過分析表明所設計的回正控制策略的有效性，而且還表明加入回正控制后可以讓轉向盤回正更加迅速，使達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間更短[11]。

2.1.3 阻尼控制的研究

阻尼控制是EPS系統(tǒng)針對汽車高速直線行駛穩(wěn)定性、減小路面沖擊對轉向盤的影響而采用的一種控制模式。長安大學建立了電動助力轉向系統(tǒng)的Simulink仿真模型其中包括助力控制模型和回正控制模型。結果說明加上電動助力轉向模型的汽車能夠提高操作穩(wěn)定性和靈敏性；系統(tǒng)使用模糊控制策略比使用PID控制策略的反應時間更短，靈敏度更高，并且加入回正控制避免了在中間位置附近的擺振，使得方向盤能更快地回到中間位置[12]。重慶交通學院進行了電壓控制方式以及電流控制方式的比較，結果表明電流控制方式優(yōu)于電壓控制方式，進行了基于電流控制方式的助力控制，回正控制，阻尼控制[13]。

武漢理工大學設計了轉角傳感器用于回正控制；設計了電動助力轉向系統(tǒng)的控制器；設計了電動助力轉向系統(tǒng)的試驗臺是關于直流電機進行路面阻力的模擬；設計了電機阻力模擬曲線是關于回正控制和阻力控制的，進行了阻力加載；完成labview的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)[14]。武漢理工大學在MATLAB/simulink里建立起EPS各個系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)的控制策略的仿真模型分別使用PID控制和模糊控制的方法，經仿真后分析在輸入了各個信號后，控制器的不同參數(shù)對系統(tǒng)的反應。最后證明所應用的控制策略是有效的[15]。中北大學經過助力控制、阻尼控制和回正控制，來確定目標電流，進行仿真分析后將得到的實驗數(shù)據(jù)和實際情況相比較的誤差較小，能夠得到良好的轉向輕便性并且讓駕駛員得到比較好的路感[16]。汽車EPS系統(tǒng)控制過程如圖2所示。

2.2 控制器的研究

控制器是EPS系統(tǒng)的核心，是EPS系統(tǒng)能夠實現(xiàn)助力控制的關鍵控制部件，其性能會影響到整個EPS系統(tǒng)的控制性能。吉林大學綜合分析了一些控制方法的控制量度以及使用的條件；并對側向加速度和車速對電動助力轉向系統(tǒng)的影響進行了分析，還設計了EPS系統(tǒng)的比例控制系數(shù)，并將其擬定成隨著側向加速度和車速的增加而相應遞減的函數(shù)，以此用來提高轉向盤力特性。最后實現(xiàn)硬件電路的設計，程序的編寫以及相關的試驗，并取得良好的試驗結果[17]。重慶大學設計開發(fā)電動助力轉向系統(tǒng)的軟件和硬件，在電動助力轉向系統(tǒng)的試驗臺上進行驗證，結果表明所設計的電動助力轉向系統(tǒng)的硬件和軟件的正確性，并且證明所選擇的控制策略的有效性[18]。

天津職業(yè)技術師范大學將Freescale微控制器MC56F 8346來作為主控芯片，開發(fā)了EPS系統(tǒng)控制器，設計了關于轉矩、車速、電流等信號的采集電路及驅動電路，并對控制器進行轉向助力試驗，試驗臺上的試驗說明開發(fā)的控制器具有動態(tài)響應快，靜態(tài)功耗低，助力特性平滑等優(yōu)點，并且可以滿足EPS系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的要求[19]。天津職業(yè)技術師范大學還設計了關于直流無刷電動機的電動助力轉向系統(tǒng)控制策略及助力特性，設計的轉矩控制策略是關于助力電機，開發(fā)了基于Freescale 微控制器MC56F8346 的汽車電動助力轉向系統(tǒng)控制器，并且在試驗臺上進行了轉向助力試驗，試驗結果表明所設計的控制策略的有效性[20]。

2.3 穩(wěn)定性的研究

汽車EPS系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素包括助力控制、回正控制等控制策略的研究以及控制器等硬件的研究。湖南大學建立整車模型是通過ADAMS/Car來實現(xiàn)，將建立好的模塊與MATLAB控制系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真，仿真分析結果說明所建立的模型是正確的，并將設計的控制策略對汽車操作穩(wěn)定性的影響進行了分析[21]。大連交通大學進行了電動助力轉向系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng)的設計，在控制的過程當中使系統(tǒng)依據(jù)轉矩信息和PID控制策略信息的相結合，解決了內部信息的優(yōu)化和融合這些問題，最后把所建立的電動助力轉向裝置通過試驗臺進行不同的性能的測試。結果是建立的電動助力轉向系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠很好地改善方向盤轉矩的輸出在不同的車速下，而且還增加轉向的輕便性和靈活性[22]。

在國外應用一個Takagi Sugeno模糊是用來代表一個EPS系統(tǒng)的非線性行為，為EPS系統(tǒng)在非線性約束和飽和控制輸入的情況下，穩(wěn)定的條件下提出的線性矩陣不等式（LMI）。仿真結果表明，飽和的約束控制可以穩(wěn)定閉環(huán)EPS系統(tǒng)，為非線性摩擦提高了一個穩(wěn)定的驅動[23]。還提出在EPS中應用六相位感應電機位置模糊控制，實現(xiàn)有效的位置置換。即使處于故障工作模式下，也可以有效地工作。最后試驗結果表明該研究對EPS控制器開發(fā)具有控制作用[24]。還有對減振控制策略進行探討，提出了電機驅動電路的設計來檢測傳感器以及控制信號，基于對常規(guī)輔助算法的研究提出了一個新的EPS策略，臺架試驗的結果表明該控制策略的有效性和靈活性[25]。還提出一種控制策略，可以快速地響應輔助轉矩，建立絕對適應建模誤差和參數(shù)的不確定的控制策略，控制策略的優(yōu)點是不用對不同的算法進行參數(shù)變化的調整以及切換，對控制系統(tǒng)進行了簡化，這一控制策略不僅降低了成本，還提高了系統(tǒng)的性能和魯棒性[26]。

還設計了基于LQG控制的一種新型主動轉向系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)點是較好的系統(tǒng)魯棒性能和魯棒穩(wěn)定性，這樣就能夠很好地克服關于轉矩傳感器的量測和路面的干擾等不同的影響，讓駕駛員可以獲得良好的路感[27]。還提出了EPS系統(tǒng)的簡化的運動方程，一個最佳的離散時間控制器使用LQR 和Kalman濾波技術設計與實現(xiàn)的系統(tǒng)模型曲線提供一種新的駕駛員的轉向。此外，消除了驅動扭矩傳感器在力學性能方面的影響。MATLAB / Simulink仿真ControlDesk聯(lián)合結果進行比較和分析，得出一個非常很好的對應關系，車輛實測數(shù)據(jù)證明了所提出的控制策略是有效的[28]。一種新的基于扭矩控制器（SAT）的設計是為了彌補EPS系統(tǒng)的不足，通過實證驗證了輪胎模型（MF），補救的辦法是新的控制策略基于SAT的和正弦輸入下的仿真評估。為了進一步地驗證實車控制器的性能，在一個的EPS系統(tǒng)進行正弦輸入，仿真和試驗結果表明該控制器可消除轉矩增量的突然關閉而引起的EPS的可行性[29]。還提出了以轉向盤轉矩作為控制目標的控制策略，這種控制策略調節(jié)方便，設計靈活能夠根據(jù)駕駛員的要求進行靈活設計[30]。

3、汽車EPS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與展望

EPS系統(tǒng)是一種機電一體化的新一代汽車轉向系統(tǒng)。本文對汽車EPS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要集中在助力電機結構方面和控制策略優(yōu)化方面。 在助力電機結構方面，助力電機是電動助力轉向系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。電動助力轉向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有刷電機，采用機械式換向方式，電機額定功率小，內部電刷易磨損、可靠性低。無刷直流電動機采用電子換向，低轉速、大轉矩、振動噪聲小、重量輕，可靠性和效率高。因此開發(fā)適合電動助力轉向系統(tǒng)使用的低成本的直流無刷電機是今后助力電機的研究方向。

在控制策略優(yōu)化方面，現(xiàn)代控制理論的研究與應用已涉及各個領域，國內外研究學者已經嘗試將各種先進的控制理論結合傳統(tǒng)的PID控制應用于EPS系統(tǒng)的研究，如模糊控制、遺傳算法、神經網絡控制等，而研究最優(yōu)的抑制電機轉矩波動的控制方法、如何獲得良好的路感等方面將是未來控制策略研究的重點，進一步優(yōu)化和完善EPS系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性、動態(tài)性能等。在控制器設計方面，故障檢測電路設計的少以及故障檢測范圍比較窄，因此需要在硬件和程序上加以完善和優(yōu)化。

4、結論

綜上所述，伴隨著汽車的不斷發(fā)展，人們對轉向系統(tǒng)的性能要求也越來越深入，EPS系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、安全等諸多優(yōu)點。并且隨著科技的發(fā)展，電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展也十分迅速。因此本文介紹電動助力轉向系統(tǒng)的基本結構和工作原理，總結了關于電動助力轉向系統(tǒng)控制策略的研究現(xiàn)狀，為更進一步的研究和發(fā)展奠定了基礎。

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基金項目：天津市科技支撐計劃項目（12ZCZDGX04400）。

作者簡介：馮麗娜，碩士研究生，就讀于天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，研究方向為汽車電子控制技術。

中圖分類號：U463.4

文獻標識碼：B

文章編號：1671-7988(2015)10-131-04