基于模糊控制算法的電動助力轉(zhuǎn)向控制器的設(shè)計(jì)

于鋒 陳帥

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714167

摘要：針對當(dāng)前汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的響應(yīng)慢，魯棒性差等問題，設(shè)計(jì)了一電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提出了一種模糊控制算法，利用圖標(biāo)的方法表示了模糊控制算中的隸屬函數(shù)，并對模糊論集進(jìn)行了規(guī)劃，最后用matlap對控制算法進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，試驗(yàn)表明電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，說明該控制器的設(shè)計(jì)比較成功。

關(guān)鍵詞：模糊控制；電動助力；轉(zhuǎn)向；汽車

汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠減輕駕駛員駕駛疲勞強(qiáng)度，提高汽車行駛的安全性與平順性，與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比存在以下優(yōu)點(diǎn)：減少了液壓系統(tǒng)繁雜的油路布置，不存在液壓油的泄露問題，能夠有效提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)精確性，故障相對較少，因此逐漸得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究也取得了大量的研究成果。文獻(xiàn)[12]從的硬件結(jié)構(gòu)上對電動助力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，取得了良好的效果。文獻(xiàn)[35]利用軟件模擬的方法對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了分析和論證。文獻(xiàn)[68]從軟件控制的方法上對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和設(shè)計(jì)，但上述控制方法魯棒性較差，實(shí)現(xiàn)起來較為困難，設(shè)計(jì)費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)性差。針對上述問題，本文利用模糊控制方法對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法進(jìn)行了優(yōu)化和控制，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的電子硬件結(jié)構(gòu)。

1 電動助力轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)

由圖1可知，汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置的構(gòu)成主要有如下結(jié)構(gòu)：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向柱，轉(zhuǎn)矩傳感器，電機(jī)和電機(jī)控制器，以及控制電腦ECU。工作原理如下：駕駛員在轉(zhuǎn)向過程中，由轉(zhuǎn)矩傳感器感知駕駛員轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向力矩，并把這個信號通過LIN總線傳送給ECU，ECU通過CAN總線獲取汽車行駛速度，電腦根據(jù)汽車的行駛速度和轉(zhuǎn)矩信號判斷此時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀況，并輸出一個控制信號給驅(qū)動電機(jī)放大器，電器放大器放大驅(qū)動信號驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，電機(jī)轉(zhuǎn)動通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向助力。系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，通過一個轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)角，并把電機(jī)轉(zhuǎn)角反饋給控制電腦，電腦根據(jù)此信號判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動情況，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2 模糊控制系統(tǒng)

模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它是智能控制的一個重要分支。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)駕駛員轉(zhuǎn)向動態(tài)不易掌握，難以用定性的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)，但，可以由汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向過程的定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則， 且，由于電動助力轉(zhuǎn)向模型的控制算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的始發(fā)點(diǎn)和控制目標(biāo)不同，比較容易造成較大差異。但，模糊控制算法卻可以利用電動助力轉(zhuǎn)向的控制規(guī)律間的模糊連接，輕松找到折中的方法，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器，另外由于模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，在電動助力轉(zhuǎn)向過程中可以模擬駕駛員轉(zhuǎn)向的過程和方法，提高電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使系統(tǒng)具有一定的預(yù)判性和智能學(xué)習(xí)的能力，其次模糊控制系統(tǒng)的魯棒性比較強(qiáng)，抗干擾能力和外部參數(shù)變化對控制效果的影響被極大的減弱，非常適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制[9]，因此本文使用模糊控制策略。

當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的輸入量為轉(zhuǎn)矩傳感器傳來的轉(zhuǎn)矩信號和從CAN總線傳來的車速信號，控制對象為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。在控制器設(shè)計(jì)中，取轉(zhuǎn)矩信號誤差范圍值為[4，4]，相應(yīng)的模糊論域取值為[4，4]，量化，7個等級，其余為邊界值，如記轉(zhuǎn)矩信號為E，即得出：[4，3，2，0，2，3，4]，模糊子集為{PB（正大），PS（正?。?，Z（零），NS（負(fù)小），NB（負(fù)大）}，輸入量的隸屬函數(shù)可以用圖片表達(dá)。如圖2所示：

車速模糊論域取值為[20，180]，180表示最高車速，20表示最低車速，用V表示，即：V=[20，60，100，140，180]，模糊子集為{ZE（零）， PZ（正零）， PS（正小）， PM（正中）， PB（正大]}，隸屬函數(shù)則用圖3函數(shù)圖表示：

電動助力轉(zhuǎn)向電機(jī)隸屬函數(shù)可以參考文獻(xiàn)[10]內(nèi)容所載。然后利用matlap軟件對上述隸屬函數(shù)圖形進(jìn)行仿真，得出圖4.

圖4中X坐標(biāo)為車速信號，Y坐標(biāo)為轉(zhuǎn)矩信號，Z坐標(biāo)為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制信號，從圖4可以看出控制曲面和線條平滑，并且按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)律走向，說明控制系統(tǒng)良好。

接下來對進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，首先將設(shè)計(jì)好的控制器裝入國產(chǎn)夏利A+的改裝車上，通過CAN總線將儀表盤車速信號引接至電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸入接口，通過常火線對系統(tǒng)供電，并將負(fù)極搭鐵，啟動汽車。開始時(shí)以30Km/h速度前進(jìn)，駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向，記錄測試駕駛員感覺狀況，緊接著以5km/h速度前進(jìn)，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤記錄駕駛員感覺情況，最后以100km/h速度行駛，轉(zhuǎn)動方向盤記錄駕駛員感覺，三次試驗(yàn)表明電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠明顯減輕駕駛者的操縱力度，長時(shí)間駕駛能夠減少駕駛員勞動強(qiáng)度，減少了方向盤的轉(zhuǎn)數(shù)，特別是減少了停車轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱力，回正力矩較大，驗(yàn)證了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的成功。

3 結(jié)論

在設(shè)計(jì)了汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用模糊控制策略的方法對硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，系統(tǒng)響應(yīng)性高，回正力矩較大，異響較小，助力作用明顯，起到了良好的設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李偉，光林穎，王元聰.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，34（2）：5256.

[2]趙景波，貝紹軼，劉海妹.純電動汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38（9）：2123.

[3]楊翔宇，呂世明，李楠，徐騰飛.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正力矩模型的比較及仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（2）：258260.

[4]張鐘光.汽車EPs動力學(xué)模型分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，18（3）：7275.

[5]徐中明，胡康博，余烽，張志飛.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的仿真分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（8）：8084.

[6]陳無畏，王奇瑞.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模糊自調(diào)整PD控制[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，25（2）：112115.

[7]陳慧鵬，陳國金，陳立平，龔友平.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多領(lǐng)域魯棒控制模型的降階方法[J].控制理論與應(yīng)用，2011，28（10）：14361440.

[8]劉增俊.基于微控制器和模糊算法的EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2015，38（3）：667669.

[9]丁鵬，田學(xué)鋒，葛如海，王瑩.農(nóng)用車空氣懸架的混沌振動特性[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017， 45（8）：202205.

[10]丁鵬，葛如海.基于模糊控制算法的純電動汽車空調(diào)控制器的研發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2015，23（12）：40794083.