基于模糊控制的汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

姜虎強

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院信息與控制工程系，山東 煙臺 265500)

電動助力轉(zhuǎn)向 (electric power steering，EPS) 系統(tǒng)是一種高效的輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，助力電機為EPS系統(tǒng)直接提供轉(zhuǎn)向助力。EPS系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、裝置靈活、調(diào)整簡單和助力大小可以實時調(diào)節(jié)與控制等優(yōu)點，減少了駕駛員的勞動量，可滿足不同工況下的駕駛需要。本文對EPS系統(tǒng)進行分析并建立其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了ARM單片機控制的EPS系統(tǒng)，采用模糊自調(diào)整PD控制策略實現(xiàn)PD參數(shù)的在線自調(diào)整，仿真結(jié)果證明設(shè)計的EPS系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

1 EPS系統(tǒng)

EPS系統(tǒng)主要包括助力電機、電子控制單元和轉(zhuǎn)向裝置等部件。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩傳感器將相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電信號傳給電子控制單元 (electronic control unit，ECU)，ECU測算車速和轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩，計算出助力電機的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，并將控制指令傳遞給助力電機，助力電機依據(jù)指令產(chǎn)生相應(yīng)的力施加到轉(zhuǎn)向軸上以實現(xiàn)駕駛員轉(zhuǎn)向操作的舒適性。當(dāng)汽車低速行駛時，助力電機增加電動助力以減輕駕駛員轉(zhuǎn)向操作的負(fù)擔(dān)；當(dāng)汽車高速行駛時，助力電機適當(dāng)減小助力以保持高速轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性。汽車EPS系統(tǒng)保證了汽車運行時駕駛員操作的輕便性和安全性[1]。

1.1 EPS系統(tǒng)硬件設(shè)計

EPS系統(tǒng)硬件主要包括ECU、電源電路、MOSFET驅(qū)動芯片、助力電機驅(qū)動電路、扭矩傳感器等，如圖1所示。為加強EPS系統(tǒng)的實時控制性，ECU采用32位的ARM單片機作為控制器的核心，ARM單片機集成了豐富的硬件資源，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，同時也為EPS系統(tǒng)的擴展和升級提供了方便。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

EPS系統(tǒng)工作原理：ECU采集方向盤扭矩傳感器的電壓信號、車載CAN網(wǎng)絡(luò)的點火信號和車速信號、電機轉(zhuǎn)子位置信號和電機電流反饋信號，采集的信號經(jīng)過ECU運算處理后輸出PWM信號，PWM信號輸入到MOSFET驅(qū)動芯片來控制由三相橋電路組成的逆變模塊，逆變模塊將電流逆變?yōu)槿嘟涣麟婒?qū)動電機旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得以助力，從而實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向功能。

1.2 助力電機控制方式

助力電機功率驅(qū)動模塊為由MOS管組成的H橋驅(qū)動電路。為提高汽車高速行駛時助力電機工作的可靠性，在控制死區(qū)范圍內(nèi)進行阻尼控制以提高汽車直線行駛的穩(wěn)定性。圖2為汽車高速行駛時的助力電機驅(qū)動電路，通過驅(qū)動芯片IR2132控制橋式電路開關(guān)的通和斷來實現(xiàn)對電機的控制。實驗數(shù)據(jù)得出：EPS系統(tǒng)中助力電機電樞的電感很小，改變電樞的占空比可改變阻尼轉(zhuǎn)矩的大?。辉O(shè)計PWM驅(qū)動電路時可在助力電機兩端并聯(lián)緩沖電容和續(xù)流二極管，以大幅度抑制助力電機驅(qū)動電路的脈峰，降低系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖2 助力電機驅(qū)動電路

2 EPS系統(tǒng)建模

在進行系統(tǒng)建模時, 為使系統(tǒng)仿真模型簡單實用，對研究的EPS系統(tǒng)進行等效簡化，在轉(zhuǎn)向輪處于小轉(zhuǎn)角條件下建立EPS系統(tǒng)動態(tài)模型，所構(gòu)建的基于Simulink的EPS系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 EPS系統(tǒng)模型

助力電機到轉(zhuǎn)向軸的傳動比為G1，從轉(zhuǎn)向軸到前輪的傳動比為G2，對轉(zhuǎn)向小齒輪進行受力分析，引用文獻[2]的數(shù)學(xué)模型，得到轉(zhuǎn)向小齒輪的動力學(xué)方程為：

(1)

式中：Th為路面作用于小齒輪軸的扭矩；δ1為轉(zhuǎn)向小齒輪轉(zhuǎn)角；θh為方向盤轉(zhuǎn)角；Ks為傳感器的扭轉(zhuǎn)剛度；Br為當(dāng)量阻尼系數(shù)；J為折算到小齒輪上的總慣性矩；Text為路面作用于轉(zhuǎn)向小齒輪的轉(zhuǎn)矩。

(2)

式中：Ka為電機扭矩系數(shù)；R為電機電樞電阻；Kb為反電動勢常數(shù)；V為助力電機電壓。

EPS模糊控制器如圖4所示，由1個PD控制器和1個模糊自調(diào)整機構(gòu)組成，模糊自調(diào)整機構(gòu)根據(jù)輸入信號在線整定PD控制參數(shù)，以優(yōu)化控制效果[3]。

圖4 EPS模糊控制器

(3)

式中：Jep為小齒輪的總慣性矩；Ks為傳感器的扭轉(zhuǎn)剛度；B1為系統(tǒng)當(dāng)量摩擦系數(shù)；θp為轉(zhuǎn)向小齒輪轉(zhuǎn)角；Kd為PD控制器的微分系數(shù)；Kp為PD控制器的比例系數(shù)；i1為減速機構(gòu)減速比。

表1 模糊控制規(guī)則

3 系統(tǒng)仿真與實驗分析

運用仿真工具MATLAB運行系統(tǒng)的Simulink模型。從優(yōu)化迭代過程和系統(tǒng)仿真結(jié)果得出結(jié)論：隨著系統(tǒng)的優(yōu)化，對系統(tǒng)的控制逐漸達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；在最優(yōu)設(shè)計變量處，EPS控制系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性也最好。

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真測試

為研究EPS系統(tǒng)的助力特性及系統(tǒng)的輕便性與路感性，結(jié)合EPS系統(tǒng)動力學(xué)模型建立其仿真模型，如圖5所示。該模型以車速和轉(zhuǎn)向軸力矩作為輸入量，根據(jù)轉(zhuǎn)向軸輸入力矩和車速信號運算得出目標(biāo)電流，采取PD控制方法對目標(biāo)電流進行控制，得出控制電壓。

在仿真試驗環(huán)境下，設(shè)定車速分別為80km/h、75km/h、65km/h，迅速旋轉(zhuǎn)方向盤，分析傳感器采集的數(shù)據(jù)，得出高速行駛狀態(tài)下的控制系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果，見表2。汽車在高速行駛狀態(tài)下，車體側(cè)偏角控制在3°左右，側(cè)向加速度為3m/s2左右，橫擺角速度增益較大，保持在0.4左右，減少了方向盤回正過度的現(xiàn)象，控制器性能可滿足汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)特性，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

圖5 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型

表2 汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)高速響應(yīng)結(jié)果

3.2 轉(zhuǎn)向輕便性分析

本文分別進行了兩種情況下的助力仿真——無助力和加助力仿真試驗。試驗條件為車速v=40km/h、轉(zhuǎn)向軸正弦角幅值為400°，仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，進行助力控制后，減少了轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩；大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時(圖中為300°)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，維持在4N·m不變，進一步改善了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操控性；轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角之間無相位延遲，轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩變化無波動，其瞬態(tài)響應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的實時響應(yīng)性[4]。

4 結(jié)束語

本文以ARM單片機為核心構(gòu)造EPS控制系統(tǒng)，采用PD算法對助力電機進行閉環(huán)控制，提高了電機驅(qū)動效率，保證了電機的運行可靠性。EPS控制器的模塊化設(shè)計提高了控制系統(tǒng)的可靠性，引入模糊控制策略，較好地解決了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕便性與靈敏性的矛盾。試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的EPS控制系統(tǒng)實時響應(yīng)快，抗干擾能力強，達(dá)到了汽車行駛的安全性要求。

圖6 轉(zhuǎn)向輕便性仿真

參考文獻：

[1] XIONG Jianqiao,TANG Xiaoqi,CHEN Jihong.A fuzzy control in electric power steering system[C]//Seventh International Conference on Intelligent Systems Design and Applications.Rio Janeiro,Brazil: IEEE, 2007:240-241.

[2] 趙景波,陳龍,江浩斌.汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制器驅(qū)動電路可靠設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008(11):24-25.

[3] 陳無畏,王啟瑞.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,2004(2):113-114.

[4] 申榮衛(wèi),林逸,臺曉虹,等.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩直接控制策略[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2007(3):505-506.