電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略仿真

楊杰，冉光偉，馬樂，陳橋芳

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511400；3. 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略仿真

楊杰1，冉光偉2，馬樂3，陳橋芳3

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511400；3. 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

為了兼顧乘用車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性與回正特性，提出了一種基于模糊PID控制的電動助力轉(zhuǎn)向控制策略，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。首先，設(shè)計(jì)基于模糊PID控制的電動助力轉(zhuǎn)向控制策略。然后，利用Matlab/Simulink進(jìn)行離線仿真，對基本助力特性和回正特性進(jìn)行驗(yàn)證。最后，通過硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)對所提控制策略進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提控制策略能較好地實(shí)現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能和改善轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

乘用車；電動助力轉(zhuǎn)向；Matlab/Simulink；硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)

Abstract:In order to take into account the steering portability and the turning performance of passenger vehicle, an electric power steering control strategy based on Fuzzy PID control was proposed, and the simulation verification was performed.First of all, an electric power steering control strategy was designed on the basis of the fuzzy PID control method. Then the effectiveness of the steering portability and the turning performance was verified by means of Matlab/Simulink. Finally, the proposed control strategy was analyzed through the hardware-in-the-loop experiment. The experimental results show that the function of electric power steering system can be realized by the control strategy and the steering stability can be improved.

Keywords: passenger vehicle; electric power steering; Matlab/Simulink; hardware-in-the-loop experiment

CLC NO.: U461.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-192-03

前言

隨著電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的普及，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究得到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。Kim S.等[1]提出高通濾波方法，對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行處理以獲得路面干擾下電機(jī)角速度，從而確定沖擊補(bǔ)償電流。江浩斌[2]提出為兼顧直線型助力特性與曲線型助力特性的優(yōu)點(diǎn)，把兩種特性曲線組合而成一種新型助力特性曲線。李紹松[3]分析了EPS控制參數(shù)靈敏度，并給出控制參數(shù)對轉(zhuǎn)向性能的敏感關(guān)系，確定了滿足轉(zhuǎn)向性能要求的控制參數(shù)值。

為了兼顧四輪驅(qū)動汽車基本助力控制和回正控制，本文建立了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于模糊 PID控制的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略。然后，利用 Matlab/Simulink對其基本助力特性和回正特性進(jìn)行驗(yàn)證。最后，建立基于實(shí)時仿真系統(tǒng)dSPACE的EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺架，對所提控制策略進(jìn)行了硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)分析。

1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

本文選用轉(zhuǎn)向軸助力式C-EPS為研究對象，將整個電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分解為包括機(jī)械轉(zhuǎn)向系、轉(zhuǎn)向阻力系、整車模型系和助力電機(jī)系等多個模塊，分別進(jìn)行建模分析[4]。為了滿足在不同工況下，對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，適應(yīng)駕駛員的主觀感受，采用模糊PID控制方法確定助力電機(jī)目標(biāo)電流。為了便于簡化設(shè)計(jì)，提高程序響應(yīng)性，選用直線型助力曲線作為助力的基本控制方式。

EPS系統(tǒng)的控制策略主要包括兩個方面：

（1）確定電機(jī)助力特性，即確定目標(biāo)電流；

（2）對助力電機(jī)電流進(jìn)行閉環(huán)控制，即精確跟蹤控制電機(jī)電流。

將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型與汽車系統(tǒng)模型連接，得到電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Matlab/Simulink模型如圖1。

圖1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Matlab/Simulink模型

2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)離線仿真

為驗(yàn)證所提控制策略，在Matlab/Simulink中，分別進(jìn)行基本助力特性和回正特性仿真。

2.1 基本助力特性

選取車速在30 km/h、60 km/h和90 km/h三種工況，分別模擬低速轉(zhuǎn)向、中速轉(zhuǎn)向、高速轉(zhuǎn)向的行駛工況，對基本助力特性進(jìn)行仿真分析。

表1 不同車速下方向盤轉(zhuǎn)矩最大值

圖 2-(a)、(b)、(c)為在不同車速下，以幅值為 540°、周期為6.28 s的正弦信號作為方向盤轉(zhuǎn)角輸入，對比無助力時和有助力時扭矩傳感器偵測到的方向盤轉(zhuǎn)矩Simulink仿真結(jié)果。可見，加入EPS后，在各車速下方向盤轉(zhuǎn)矩明顯下降，低速轉(zhuǎn)向輕便性得到了很大提升；高速轉(zhuǎn)向方向盤力矩也有所下降，但又明顯高于低速轉(zhuǎn)向方向盤力矩，保證了車輛在高速行駛時的路感。不同車速下方向盤轉(zhuǎn)矩最大值如表1所示。

圖2 EPS基本助力效果

圖3為對比車速為30 km/h、60 km/h、75 km/h、90 km/h和120 km/h時的基本助力仿真結(jié)果。可見，方向盤轉(zhuǎn)矩隨著車速增大而增大，曲線的斜率隨著車速增大而增大。即在相同的轉(zhuǎn)角輸入下，車速越高，助力扭矩越小，方向盤轉(zhuǎn)矩越大，這是為了保證高速時轉(zhuǎn)向路感。這種助力特性能兼顧四輪驅(qū)動汽車低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向路感，滿足基本助力要求。

圖3 不同車速下的方向盤轉(zhuǎn)角--方向盤轉(zhuǎn)矩圖

2.2 回正控制特性

為了增加車輛在出彎道的時候方向盤回正的力矩，提高車輛回正性能，一般在電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中可以考慮采用回正控制。

圖 4-(a)、(b)、(c)分別為車速在 30 km/h、60 km/h、90 km/h時，在方向盤上作用10 N·m的轉(zhuǎn)矩，持續(xù)1 s后變?yōu)?，模擬駕駛員松開方向盤后自動回正過程，對比無回正控制和有回正控制兩種情況仿真結(jié)果。

由仿真結(jié)果可知，若未加回正控制，車速在30km/h時，松開方向盤后，由于回正力矩不足，方向盤沒有回到中間位置；車速在60 km/h時，松開方向盤后，由于回正力矩過大而出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，方向盤停留位置超過中間位置；車速在90 km/h時，松開方向盤后，方向盤轉(zhuǎn)角出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，沒有回到中間位置。但加入回正控制后，在各車速下松開方向盤，方向盤都能回到中間位置，驗(yàn)證了本文中回正控制的有效性。

經(jīng)過上述仿真實(shí)驗(yàn)，表明采用模糊自適應(yīng)PID控制的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，符合本文基本設(shè)計(jì)要求，可以導(dǎo)入dSPACE系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)。

圖4 方向盤回正控制仿真結(jié)果

3 硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)

硬件在環(huán)仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation，HILS）是指在仿真系統(tǒng)中引入實(shí)物硬件，與物理仿真模型相結(jié)合的實(shí)時動態(tài)仿真技術(shù)。dSPACE實(shí)時仿真系統(tǒng)是基于 Matlab/Simulink軟件控制系統(tǒng)開發(fā)、半實(shí)物仿真測試的工作平臺，能夠完成系統(tǒng)建模、控制分析、離線仿真、實(shí)時仿真整個過程。

本文通過搭建EPS系統(tǒng)快速控制原型試驗(yàn)平臺，模擬方向盤轉(zhuǎn)矩輸入，向dSPACE發(fā)送信號，采集助力電機(jī)的電壓輸出曲線，對所提控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5為車速在40 km/h時，輸入幅值為15 N·m，頻率為0.2 Hz的方向盤轉(zhuǎn)矩正弦信號，可得周期為5 s，幅值為12 V的梯形電壓輸出。

可得，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)矩| Th|≤2 N·m 時，電機(jī)無助力輸出；當(dāng)2 N·m<| Th|≤8 N·m時，電機(jī)電壓隨著轉(zhuǎn)矩的增大而增大；當(dāng)| Th|>8 N·m時，電機(jī)輸出維持在幅值不變。

所提控制算法在硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)上的控制效果和離線仿真效果相匹配，表明所提控制策略能滿足實(shí)際要求，可用于實(shí)車控制器的硬件設(shè)計(jì)開發(fā)。

圖5 方向盤轉(zhuǎn)矩-電機(jī)電壓圖( v = 40 km/h, | Th |max = 15 N·m )

4 結(jié)論

本文完成了基于模糊PID控制的四輪驅(qū)動汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制策略的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

（1）對于基本助力控制，對比不同工況下方向盤轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，可知較好地兼顧了低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向路感；對于回正控制，對比不同工況下方向盤轉(zhuǎn)角的變化，可知有回正控制后方向盤回正準(zhǔn)確度有明顯提升。

（2）硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)矩輸入在合理的變化范圍內(nèi)時，電機(jī)電壓的變化趨勢符合原有控制策略設(shè)定的變化趨向，滿足助力曲線變化要求。本文所提的電動助力轉(zhuǎn)向控制策略在實(shí)際硬件上的應(yīng)用與離線仿真效果相一致，滿足需求。

[1] Kim S. Pyo J.A.. A control strategy for kickback reduction using electric power steering and conbined chassis control[J]. SAE Techni-cal Paper, 2007. 01.3658.

[2] 江浩斌,楊曉峰,宋海兵等.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組合型助力特性研究[J].汽車技術(shù), 2010（06）: 17~20.

[3] 李紹松.基于轉(zhuǎn)向性能的電動助力轉(zhuǎn)向控制參數(shù)靈敏度分析及優(yōu)化[D] . 吉林:吉林大學(xué), 2013.

[4] 楊杰,冉光偉,馬樂等.四輪驅(qū)動汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2017.14: 65~68.

[5] 姜立標(biāo),丘華川,吳中偉等. 四輪驅(qū)動汽車牽引力控制系統(tǒng)控制策略[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2016.42（11）:2289~2298.

[6] 何華.基于dSPACE的汽車電動式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究[D].廣州:華南理工大學(xué), 2015.

Research on EPS control strategy of Four-wheel Drive Vehicle

Yang Jie1, Ran Guangwei2, Ma Le3, Chen Qiaofang3
( 1.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510640; 2.Automotive Engineering Institute Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511400; 3.Guangzhou college of South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510800 )

U461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-192-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.067

楊杰，碩士，就讀于華南理工大學(xué)、主要從事車輛系統(tǒng)動力學(xué)與電子控制研究。*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305139)。