基于自動驅(qū)動控制的EPS性能教學測試系統(tǒng)的研究與設計①

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(1.安徽國防科技職業(yè)學院汽車技術(shù)學院，安徽六安 237011；2.合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，安徽合肥 230009；3.安徽星瑞齒輪傳動有限公司，安徽六安 237011)

0 引 言

在電動汽車技術(shù)實踐應用領域，目前電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS在汽車低速運行時轉(zhuǎn)向輕便性不強和高速行駛時道路感差及助力特性出廠性能單一導致其不能適應不同的駕駛員駕駛習慣，為實現(xiàn)其理論教學和實踐教學的目的，提出了一種基于自動驅(qū)動控制的EPS性能教學測試系統(tǒng)。對于該項技術(shù)的研究目前一些雜志和期刊的研究還處于研究和實驗室樣機階段，離產(chǎn)品需求還有很大差距[1]。另外，這些研究并沒有解決電動助力特性曲線適應不同駕駛員的駕駛習慣，而在實際駕駛過程中，不同的駕駛員駕駛習慣是不同的，所以對低速行駛時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速行駛時路感是不一致的，從而給出了一種基于自動驅(qū)動控制的EPS性能教學測試系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)的架構(gòu)

基于自動驅(qū)動控制的EPS性能教學測試系統(tǒng)，該教學測試系統(tǒng)包括汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，替代人手的方向盤力學測控系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有機械部分和電子部分。其機械部分結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)向器、步進電機及離合器、減速機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向盤等部件，電子控制部分主要包括轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器，ECU等元器件[2]。通過模擬人手的方向盤測控系統(tǒng)確定方向盤轉(zhuǎn)速和角度，并實時回傳打方向盤的扭矩[3]。系統(tǒng)裝置直流無刷電機使用TI公司的DSP28335作為控制芯片，控制直流無刷電機運行，采用交流伺服電機機構(gòu)替代人手模擬方向盤轉(zhuǎn)動，直接測量助力ECU的輸出電流來獲取助力電機轉(zhuǎn)矩。實現(xiàn)了EPS系統(tǒng)的控制基本算法：助力控制、回正控制和阻尼控制，并且設置了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法的助力特性曲線。系統(tǒng)采用Labview編程開發(fā)上位機軟件，可以快速且精確的測量助力特性曲線。系統(tǒng)的架構(gòu)框圖如圖1所示，機械部分的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 于自動驅(qū)動控制的EPS教學性能測試系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件的設計

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS三大類型，這三種不同形式是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的階段，傳統(tǒng)的機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)淘汰漸漸成為歷史。

圖2 系統(tǒng)機械部分結(jié)構(gòu)圖

EPS因為不再采用液壓執(zhí)行機構(gòu)，也就從根本上解決了HPS和EHPS的固有缺陷，是一種直接采用電機來提供轉(zhuǎn)向力矩的動力系統(tǒng)。電機驅(qū)動發(fā)出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)由傳遞機構(gòu)協(xié)助駕駛員人手進行動力轉(zhuǎn)向。車速和方向盤扭矩傳送給系統(tǒng)ECU，所以可根據(jù)控制策略實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié)EPS助力大小，也就是通過軟件程序編譯來不斷優(yōu)化提升助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能。EPS作為一個可以同時執(zhí)行多任務系統(tǒng)[4]，為了保證這些任務均能可靠執(zhí)行，我們在軟件設計時優(yōu)先選用了中斷的方式，這樣可以很大程度上節(jié)約大量的CPU資源，如把信號輸入與指令輸出控制等工作就交由其他模塊來完成，CPU功能主要是完成大量數(shù)據(jù)的內(nèi)部運算和高速分析工作，基于這種理念，不僅提高了EPS系統(tǒng)工作效率，而且有效地提升系統(tǒng)快速反應的能力。系統(tǒng)工作機理如圖3所示。首先，系統(tǒng)上電工作前自檢，同時EPS報警指示燈亮起，一旦自檢完成后報警指示燈會自動熄滅，表示EPS系統(tǒng)是正常的(否則表示可能出現(xiàn)故障，可由專用故障診斷接口讀取)，當電動機的電磁繼電器通電后，系統(tǒng)進入正常工作，此時如果駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)，扭矩傳感器采集到信號就被傳輸給電控單元ECU，喚醒中斷啟動， ECU同時需要采集車速進行計算分析處理，輸出與此扭矩和車速信號相匹配的控制電機的PWM輸出信號、轉(zhuǎn)動方向控制信號和電磁離合器控制信號。與此同時對電動機的電流進行全程無間斷即時監(jiān)測，以保證電機的安全可靠運行。在系統(tǒng)工作狀態(tài)中，EPS安全監(jiān)測單元將對整個EPS系統(tǒng)采取不間斷在線監(jiān)測，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定長效工作，例如：在連續(xù)25秒內(nèi)，電機電流一旦出現(xiàn)大于所允許限值范圍就使它電流減小，若依然無法將目標電機電流控制在安全允許限值內(nèi)，直至將切斷電磁繼電器、電磁離合器的電源，并且將故障碼存儲入ECU，儀表板上EPS報警燈會同時點亮，提醒駕駛員系統(tǒng)故障。

3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法在軟件具體實施中的應用

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器結(jié)合模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡兩者的優(yōu)勢，利用神經(jīng)網(wǎng)絡去高速并行地實現(xiàn)模糊推理，從而得到更為準確的規(guī)則和更強的自學習、自適應能力[5-6]。

圖3 軟件系統(tǒng)控制原理圖

此模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器分為5層，第1層：是輸入層，各個節(jié)點信號輸入直接傳遞下一層。第2層：隸屬度函數(shù)生成層，又叫模糊化層，該層各個節(jié)點計算一個隸屬度函數(shù)[7]。第3層：是規(guī)則層。

模糊推理規(guī)則為Mamdani型，設置EPS系統(tǒng)目標控制電流與方向盤力矩和車速之間的調(diào)整關(guān)系：當轉(zhuǎn)動方向盤力矩大且車速低時，目標控制電流就升高；當轉(zhuǎn)動方向盤力矩小且車速高時，目標控制電流就降低。具體規(guī)則表達式是：

If x is A and y is B then z is C

其中，Ai、Bj對應為x和y的模糊子集；模糊量為：C；輸入變量分別為：x，y。輸入量與輸出量分別對應了7個語言變量等級，即：{PB，PM，PS，ZE，NE，NM，NB}。它們?nèi)叩恼撚蛞粯泳鶠椋簕-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。綜上對數(shù)據(jù)分析，得到如表1所示模糊控制規(guī)則表：

表1 模糊控制規(guī)則

至此已建立電機電流的模糊控制模型，但為了便于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡識破和為其提供訓練樣本，故采用模糊推理強度轉(zhuǎn)移法求取模糊控制表[8]。模糊控制表如表2所示。

表2 模糊控制表

第4層為逆模糊化層，它主要是實現(xiàn)反模糊化的功能，反模糊化的實質(zhì)就是將語言表達的模糊量回復到精確數(shù)字[9]。第5層為輸出層，對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡進行必要的訓練自學習，采用反向傳播算法調(diào)整隸屬度函數(shù)自適應性達到最佳，直到符合所需的調(diào)整準則。

編制具體軟件程序必須滿足EPS系統(tǒng)功能的需求，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠控制的算法目前主要有助力控制、回正控制和阻尼控制三種。軟件編寫時，充分考慮采樣和各部分功能的模塊化設計。同時通過CAN總線，將助力效果對比在編制的Labview程序中顯示出來。實施中模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法控制BLDC框圖如圖4所示。

圖4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法控制BLDC框圖

4 結(jié) 語

就目前EPS在車輛低速運行時轉(zhuǎn)向輕便性不強和高速運行時路感差以及助力特性出廠單一性導致其不能適應不同的駕駛員駕駛習慣，為實現(xiàn)其理論教學和實踐教學的目的而提出的一種基于自動驅(qū)動控制的EPS性能教學測試系統(tǒng)。我們采取保留原車方向盤，在其方向盤后部安裝外置同步輪式的傳動機構(gòu)和伺服電機的方式來實現(xiàn)人手打方向盤的效果。此外置伺服電機系統(tǒng)能夠較好地代替人手打方向盤，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測外置伺服電機的扭矩變化得出車速、方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤轉(zhuǎn)矩、助力轉(zhuǎn)矩等大量數(shù)據(jù)，得出輸入和輸出的定量關(guān)系，達到實時觀察顯示 EPS 電機助力大小的目的。此系統(tǒng)不僅避免了人手操作的不穩(wěn)定性，還保證了教學實訓操作的可控性。