商用車EPS助力控制策略的研究

孟彬

摘要：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（electric power steering，EPS）已被廣泛應(yīng)用于乘用車上。與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS 具有助力特性可調(diào)、轉(zhuǎn)向跟隨性好、燃油消耗低和無污染等優(yōu)點(diǎn)，故已逐漸進(jìn)入商用車領(lǐng)域。但由于商用車具有總質(zhì)量大、質(zhì)心高、轉(zhuǎn)向橋載荷大，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器等特點(diǎn)，因而商用車與乘用車的EPS 在結(jié)構(gòu)和性能上有很大區(qū)別，應(yīng)根據(jù)商用車的特點(diǎn)設(shè)計(jì)其EPS 的參數(shù)和控制策略。

關(guān)鍵詞：商用車；EPS助力；控制策略

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝電機(jī)驅(qū)動單元構(gòu)成的，其主要目的是提供助力、改善汽車轉(zhuǎn)向性能、協(xié)助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作。EPS 系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向（HPS）系統(tǒng)有能耗小、污染少、節(jié)油、省空間等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用日益廣泛。

一、概述

目前電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要應(yīng)用于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，而輕中型商用汽車采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，乘用車所用的通用助力方式不適用于輕中型商用汽車，需要針對輕中型商用汽車的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向機(jī)設(shè)計(jì)新型的電機(jī)助力傳動耦合機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)在輕量、簡單的基礎(chǔ)上可穩(wěn)定、可靠、持續(xù)的傳遞電機(jī)助力到轉(zhuǎn)向輪；同時要考慮雙前輪轉(zhuǎn)向時運(yùn)動及助力的協(xié)調(diào)配合。根據(jù)這種助力方式，可以對傳動耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)助力傳動耦合機(jī)構(gòu)的基本原理是減小轉(zhuǎn)向功，考慮到轉(zhuǎn)向功是轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角之積，因此，減小轉(zhuǎn)向功可分兩種途徑：一是減小轉(zhuǎn)向力；二是減小轉(zhuǎn)向角。前者的原理是通過提供一個轉(zhuǎn)向助力來直接減小轉(zhuǎn)向力，可采用蝸輪蝸桿助力傳動機(jī)構(gòu)方案；后者的原理是通過提供另外一個運(yùn)動，此運(yùn)動與轉(zhuǎn)向運(yùn)動合成后可減小轉(zhuǎn)向角度，可采用差動輪系助力機(jī)構(gòu)方案。關(guān)于轉(zhuǎn)向助力特性曲線，可能出于技術(shù)保密要求，國內(nèi)外還沒有文獻(xiàn)專門對此進(jìn)行研究，只在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中附帶提及。對商用汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中助力特性曲線的研究基本處于空白：（1）商用汽車在不同載荷、不同車速下的轉(zhuǎn)向特性，特別是雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向特性是當(dāng)前商用汽車性能研究的空白區(qū)域；（2）車速對助力增益的影響不清楚；（3）助力特性曲線確定的理論依據(jù)不明確，沒有明確指出所采用的助力特性曲線到底對汽車的轉(zhuǎn)向路感、操縱穩(wěn)定性有沒有影響；（4）如何根據(jù)轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向路感綜合確定轉(zhuǎn)向助力特性曲線還沒有研究過。因此有必要對助力特性曲線的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入研究，這不僅可以填補(bǔ)國內(nèi)電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的空白，而且對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略研究具有指導(dǎo)作用。從而確定各車速下應(yīng)該助力的大小，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到助力大小與手力之間的關(guān)系曲線即助力特性曲線。最后驗(yàn)證這條曲線是否滿足轉(zhuǎn)向路感、穩(wěn)定性和電動機(jī)最大許可電流值的要求。若不滿足，則對它進(jìn)行修改，直到它滿足所有的條件為止。

二、商用車EPS助力控制策略

1. 商用車EPS 的數(shù)學(xué)模型。轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)向軸中間，用于測量轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩，簡化成剛度的扭桿，它的測量值作為ECU 控制電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)放大倍后傳遞到轉(zhuǎn)向軸，作為系統(tǒng)的助力矩的合力矩通過循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)傳遞給轉(zhuǎn)向節(jié)，用于克服轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)向阻力矩，使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過一定的角度，實(shí)現(xiàn)汽車助力轉(zhuǎn)向操作。根據(jù)EPS 工作原理，將轉(zhuǎn)向軸分為上轉(zhuǎn)向軸和下轉(zhuǎn)向軸，把轉(zhuǎn)向盤和上轉(zhuǎn)向軸受到的力矩和運(yùn)動等效到上轉(zhuǎn)向軸，把轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和前輪以及轉(zhuǎn)向軸下半部分受到的力矩和運(yùn)動等效到下轉(zhuǎn)向軸，從而得到其機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為對電動機(jī)采用跟蹤目標(biāo)電流的控制方式，根據(jù)直流電動機(jī)的機(jī)械特性建立的電動機(jī)數(shù)學(xué)模型。助力特性是指助力矩隨轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩和車速變化而變化的規(guī)律。在汽車行駛過程中，隨著轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)向阻力快速增加，助力矩增加的速度應(yīng)該相應(yīng)加快，以保證在行駛過程中車輛具有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向輕便性；同時，隨著車速的增加轉(zhuǎn)向阻力減小，助力矩應(yīng)隨著車速的增加而減小，以保證中高速行駛時轉(zhuǎn)向盤有合適的路感。因此本文中選用的曲線型助力特性，可以很好地滿足駕駛員對轉(zhuǎn)向輕便性和路感的要求。

2. 助力模式切換方案。EPS 轉(zhuǎn)向助力模式切換輸入方式一般有兩種：物理按鍵和虛擬按鍵。物理按鍵通過一個按鍵進(jìn)行助力模式切換循環(huán)控制或多個按鍵分別控制，本文中介紹的助力模式切換通過虛擬按鍵進(jìn)行控制。EPS 助力模式切換系統(tǒng)原理圖助力模式切換方案為：在EPS 控制器中集成轉(zhuǎn)向助力模式判別和執(zhí)行模塊，在中控信息娛樂系統(tǒng)中開發(fā)助力模式切換人機(jī)交互界面，EPS 系統(tǒng)和中控信息娛樂系統(tǒng)之間采用CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，駕駛員在中控大屏上按照個人需求進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力模式切換。中控信息娛樂系統(tǒng)界面中設(shè)置助力模式切換控件，當(dāng)駕駛員選中某一模式，中控娛樂系統(tǒng)發(fā)出模式切換指令至CAN 網(wǎng)絡(luò)，EPS 接收到模式切換指令，綜合判斷整車狀態(tài)后切換ECU內(nèi)部助力參數(shù)，給駕駛員提供對應(yīng)模式的轉(zhuǎn)向助力，同時EPS 發(fā)出切換成功信息至CAN 網(wǎng)絡(luò)，中控信息娛樂系統(tǒng)接收EPS 信息后，在界面中顯示對應(yīng)EPS 轉(zhuǎn)向助力模式執(zhí)行標(biāo)識和切換成功字樣3 秒鐘。中控信息娛樂系統(tǒng)交互界面示意圖如圖2 所示，界面中設(shè)置了三個控件：舒適、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)動。具體助力模式駕駛員選擇任意一個助力模塊（默認(rèn)為經(jīng)濟(jì)）后信息娛樂系統(tǒng)發(fā)出對應(yīng)的模式切換指令，EPS 發(fā)出當(dāng)前模式狀態(tài)信息，娛樂系統(tǒng)根據(jù)EPS 發(fā)出的信息進(jìn)行對應(yīng)模式標(biāo)示顯示。在整車模型建立完成后，根據(jù)試驗(yàn)要求對車輛的外部試驗(yàn)仿真環(huán)境和運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)置，其中車輛運(yùn)行工況主要針對整車的轉(zhuǎn)向控制進(jìn)行設(shè)置，用以實(shí)現(xiàn)整車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)。

3.EPS 助力模式切換及安全控制方案。EPS 通過CAN 總線接收中控信息娛樂系統(tǒng)發(fā)出的助力模式切換指令，并結(jié)合車輛信息進(jìn)行綜合判斷后，切換或不切換助力模式，同時將信息反饋給中控信息娛樂系統(tǒng)。助力模式選擇模塊：中控信息娛樂系統(tǒng)有三個虛擬按鍵，向CAN 總線上EPS 接收的固定地址發(fā)送三種不同的數(shù)值，分別代表舒適、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)動模式。中控信息娛樂系統(tǒng)默認(rèn)為經(jīng)濟(jì)模式，EPS 上電后從固定地址接收助力模式信息。安全控制模塊：EPS 從CAN 總線上接收到助力模式的數(shù)值發(fā)生變更后，同時判斷目前的車輛行車速度和方向盤力矩，只有車速≤15km/h& 方向盤力矩≤1.5N*m 兩個條件同時滿足下，執(zhí)行助力模式切換，否則維持原助力模式不變，同時反饋中控信息娛樂系統(tǒng)。模式切換顯示模式：模式切換成功，虛擬開關(guān)按鍵高亮，同時顯示“切換成功”字樣3 秒。模式切換不成功，維持原助力模式虛擬開關(guān)按鍵高亮，同時顯示“禁止切換”字樣3 秒。

4.EPS 整車調(diào)校及測試。基于EPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)調(diào)教，最終確定舒適、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)動模式三種助力曲線，助力曲線及典型工況助力特性對比。通過模擬客戶駕駛評價，得出以下結(jié)論：①舒適、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)動三種助力模式助力大小區(qū)別比較明顯，高速行駛轉(zhuǎn)向回饋力度合適，認(rèn)可三種助力模式調(diào)校結(jié)果；②在保證駕駛員在各種工況下的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性和安全性的前提下，三種助力模式滿足了不同的客戶群體的駕駛需求，同時滿足了客戶的個性化體驗(yàn)。

針對商用車的特點(diǎn)，對商用車EPS 進(jìn)行總體布置。根據(jù)在行駛過程中駕駛員對轉(zhuǎn)向輕便性和路感的要求設(shè)計(jì)了EPS 助力特性。目前針對商用汽車的EPS 系統(tǒng)國內(nèi)外均無此類產(chǎn)品和技術(shù)信息，具有很大的發(fā)展和創(chuàng)新空間。

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