淺談汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS控制技術(shù)

韓振

摘 要：汽車電動助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，EPS）系統(tǒng)作為一種新型的動力轉(zhuǎn)向方式，與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向方式相比，在行車安全、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單等方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性，因此大力推廣汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)勢在必行。文章主要就EPS 的工作原理及分類進(jìn)行介紹，并對其控制技術(shù)做了簡要分析。

關(guān)鍵詞：汽車；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；EPS控制技術(shù)

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0014-02

1 引 言

隨著汽車性能的提升制造工藝以及汽車控制的要求也越來越高，不僅希望低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便，而且高速時必須有良好的操縱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能同時達(dá)到上述兩個要求，通過采用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子技術(shù)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很好的解決了這一矛盾。同時EPS系統(tǒng)是汽車的安全性能得到提升，耗能少、有利于環(huán)保。電動助力轉(zhuǎn)向代表著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，有著良好的應(yīng)用前景。

2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概述

2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由機(jī)械轉(zhuǎn)向器與電動助力部分相結(jié)合構(gòu)成。電動助力部分包括電動機(jī)、電池、傳感器和控制器（ECU）及線束，有的還有減速機(jī)構(gòu)和電磁離合器等。電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作原理如下：

當(dāng)駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施力并轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，位于轉(zhuǎn)向盤下方與轉(zhuǎn)向軸連接的轉(zhuǎn)矩傳感器將經(jīng)扭桿彈簧連接在一起的上、下轉(zhuǎn)向軸的相對轉(zhuǎn)動角位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺髦量刂破?，在同一時刻車速信號也傳至控制器。通過對上述兩種信號的分析，控制器對電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和助力轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行調(diào)整。并且通過D/A轉(zhuǎn)換器將控制器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信息，之后通過電流控制電路對信號進(jìn)行處理。來自微機(jī)的電流命令值同與電動機(jī)電流的實際值之間存在的一個差值，電流控制電路能夠檢測到這個差值信號，同時將此信號送往電動機(jī)驅(qū)動電路，該電路驅(qū)動電動機(jī)，并向電動機(jī)提供控制電流，完成助力轉(zhuǎn)向作用[1]。

2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類

EPS系統(tǒng)依據(jù)電動機(jī)布置位置的不同可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、小齒輪助力式、齒條助力式三個基本類型。分別如圖1、圖2和圖3所示。

3 EPS的控制技術(shù)

3.1 EPS常見的幾種控制策略

EPS控制系統(tǒng)主要是對助力電機(jī)的控制，同時對系統(tǒng)輸入與輸出的參量也需要進(jìn)行考慮，常用的系統(tǒng)輸入：路面干擾、側(cè)向力、方向盤傳感器噪聲、方向盤力矩大小、回正力矩及機(jī)械部件的非線性摩擦等。系統(tǒng)輸出：電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向器位移、方向盤轉(zhuǎn)角、電機(jī)助力力矩等參量。此外，汽車在轉(zhuǎn)向的過程中，車身的橫擺角速度與側(cè)傾角等參數(shù)會因為車身方向的改變而改變，因此還需綜合考慮EPS與懸架的集成化控制策略[4]。

EPS系統(tǒng)的控制要求最重要的就是在原地或低速時轉(zhuǎn)向輕便，高速時穩(wěn)定性好，且靈敏度高，反應(yīng)時間短等特點，盡可能的實現(xiàn)實時控制。根據(jù)控制內(nèi)容的不同，控制算法可分為：

①助力控制、回正控制、阻尼控制。除此之外，由于實際系統(tǒng)中存在摩擦和慣性作用，因此還需要進(jìn)行補(bǔ)償控制。

助力控制的特點是根據(jù)車速和方向盤力矩大小確定助力矩，使轉(zhuǎn)向輕便，利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流成比例的特性，通過對反饋電流與電機(jī)目標(biāo)電流的閉環(huán)控制輸出信號給動力回路，電動機(jī)受到反饋信號后產(chǎn)生合適的助力。助力控制主要是協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向，汽車在高速行駛時，可通過阻尼控制適當(dāng)增加轉(zhuǎn)向阻力，避免汽車在高速行駛途中發(fā)生“飄移”，在低速行駛時增加汽車轉(zhuǎn)向的靈活性，避免出現(xiàn)“打死”情況。

②回正控制是改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向后的回正性能，尤其是原地及低速時轉(zhuǎn)向。根據(jù)汽車不同的行駛工況，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行同正控制，當(dāng)汽車需要進(jìn)行同正控制時，EPS根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角信號和車速信號，計算出車輛的側(cè)向加速度，再產(chǎn)生與側(cè)向加速度相對應(yīng)的同正力矩?？刂谱饔靡话闶沁@樣的：當(dāng)汽車行駛速度較低時，同正過程中使電動機(jī)電流迅速減少，電動機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩也減小，轉(zhuǎn)向輪迅速同正；當(dāng)汽車高速行駛時，轉(zhuǎn)向輪稍稍改變方向就會使汽車改變較大的方向，為了使轉(zhuǎn)向幅度減小，電機(jī)電流逐漸減少，車輪在轉(zhuǎn)向過程中顯得更為平穩(wěn)。

③阻尼控制的特點是可抑制電機(jī)的超調(diào)，使高速行駛穩(wěn)定性得以改善，防止汽車“發(fā)飄”，利用電動機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢形成阻礙電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的阻尼轉(zhuǎn)矩。在低速行駛時，控制內(nèi)容以助力控制和回正控制為主，在高速行駛時，以阻尼控制為主。

④補(bǔ)償控制。實際應(yīng)用中由于摩擦和慣性的存在，若對數(shù)學(xué)模型的控制進(jìn)行理想化處理，不能得到良好的模擬效果。EPS中應(yīng)用的電動機(jī)，對于大功率的電動機(jī)，汽車在行駛途中所產(chǎn)生的摩擦力矩和轉(zhuǎn)動慣量會隨著功率的增加而增加。會對車輪的回正造成一定的影響，轉(zhuǎn)向相對較為困難。這時，若在系統(tǒng)控制中加入摩擦補(bǔ)償與慣量補(bǔ)償，可較好地解決此問題[5]。

3.2 EPS的控制方式

要實現(xiàn)上述EPS控制策略必須應(yīng)用相關(guān)的控制方式常見的控制方式有以下5種：PID控制、最優(yōu)二次型控制、魯棒性控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。

3.2.1 PID控制

PID控制又稱偏差控制，是根據(jù)系統(tǒng)的誤差（偏差），利用數(shù)學(xué)方法和公式來計算出控制偏差量。PID控制器有很多優(yōu)勢比如結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便。PID控制器現(xiàn)已成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。

3.2.2 最優(yōu)二次型控制

最優(yōu)二次型控制采用線性系統(tǒng)二次性能指標(biāo)高斯分布法（LQG法）來實現(xiàn)線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制。最優(yōu)二次型控制法使用最小的控制能量使得系統(tǒng)誤差最小化，通過數(shù)學(xué)建模可得出狀態(tài)現(xiàn)行反饋的最優(yōu)控制規(guī)律，不僅容易構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)系統(tǒng)，而且能夠達(dá)到工程實際問題中對線性系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。

3.2.3 魯棒性控制

魯棒性控制不像其他控制理論，在設(shè)計EPS控制策略時設(shè)計指標(biāo)的可行性太依賴所建立的EPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和精確程度。在實際中采用魯棒控制技術(shù)可使設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)，且可充分利用最優(yōu)控制理論的成果，不需在線辨識，是一種新的控制理論，目前已成為現(xiàn)代控制理論中最重要的分支和前沿技術(shù)。

3.2.4 模糊控制

模糊控制也稱為Fuzzy控制。模糊控制器是一種語言控制器，能更近似地反映人的控制行為，它不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，并不需要對系統(tǒng)參數(shù)變化有很明顯的反應(yīng)效果，具有很強(qiáng)的魯棒性和控制穩(wěn)定性。模糊控制的控制算法可直接通過語音進(jìn)行控制，非常簡捷，很適合汽車這一類快速動態(tài)系統(tǒng)。對于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，由于地面附著系數(shù)、車速、輪胎狀況、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦和間隙等因素的影響，要提出一個在各種運(yùn)行工況下都能滿意工作的電動機(jī)助力控制策略是非常困難的。

3.2.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于人腦和自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本特性，將這種特性抽象化和模擬化。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)主要還是依賴于對大腦的生理研究成果，模擬大腦的某些相應(yīng)的機(jī)理和機(jī)制來實現(xiàn)一些特定的功能。

4 結(jié) 語

本文從EPS的基本原理、控制策略以及控制方式三個方面對EPS的控制技術(shù)作了簡要分析。EPS的關(guān)鍵問題助力控制，同時回正控制和阻尼控制是EPS系統(tǒng)性能優(yōu)越性的體現(xiàn)，補(bǔ)償控制是主要體現(xiàn)在提升EPS控制精度方面。

對于EPS的控制方式，通過比較分析比例控制、比例加微分控制、最優(yōu)二次型控制、魯棒性控制、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)缺點，每種方法優(yōu)劣，其中PID控制方式使用性更強(qiáng)。要想更好的應(yīng)用EPS控制技術(shù)，必須對上述控制方式和控制策略進(jìn)行合理應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 任夏楠，鄧兆祥.汽車FPS助力特性設(shè)計方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2011，33（8）：1225-1232.

[4] 邵麗青.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS） 的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車與 配件，2011（36）：19-21.

[5] 施國標(biāo).電動助力轉(zhuǎn)向的控制技術(shù)[D].北京：北京理工大學(xué)電動車輛國 家工程實驗室，2008.