基于模型設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)策略研究

劉世杰　嚴(yán)天一　賈兆功　陸金更　林軍

摘要：為兼顧車輛轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性，并提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，本文采用恩智浦32位MPC5634主控芯片，對(duì)基于模型設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)策略進(jìn)行研究。通過Simulink/Stateflow搭建助力控制策略、回正控制策略及阻尼控制策略的仿真模型，通過功能性和結(jié)構(gòu)性測(cè)試之后，自動(dòng)生成嵌入式C代碼，通過軟件在環(huán)（software in-the-loop，SIL）進(jìn)行仿真測(cè)試，并通過實(shí)車標(biāo)定試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，驗(yàn)證電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在車輛怠速工況下，開啟電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)與關(guān)閉電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)相比，轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的最大轉(zhuǎn)矩信號(hào)AD值由210降至174，轉(zhuǎn)矩差值由助力電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩彌補(bǔ)，說明所開發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較明顯的助力效果，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。該研究具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng); 電子控制單元; 控制策略; 性能試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： U463.4; U461.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1006-9798（2020）02-0097-07; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.015

車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為改變或恢復(fù)行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)，保證車輛可以按照駕駛員意圖進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛，其性能直接影響操縱穩(wěn)定性[1]、乘坐舒適性[2]和安全性。隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已發(fā)展到更加智能化的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[3]。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能夠根據(jù)駕駛員意圖和行駛工況提供實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向助力，可以確保低速行駛時(shí)輕便靈活，而高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠[4]。近年來，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其控制技術(shù)展開研究。李紹松等人[5]通過無轉(zhuǎn)角傳感器的主動(dòng)回正控制方法，改善了車輛回正性能;施國標(biāo)等人[6]介紹了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)過程，提出助力特性與車型的匹配原則;吳鋒等人[7]分析了電流閉環(huán)PI控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)和電流給定算法設(shè)計(jì)與系統(tǒng)性能的關(guān)系。目前，通過模型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)策略開發(fā)的研究較少。因此，本文基于模型設(shè)計(jì)方法，搭建電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Simulink/Stateflow控制策略模型，自動(dòng)生成嵌入式C代碼，為了驗(yàn)證所提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的有效性和可靠性，進(jìn)行實(shí)車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。通過實(shí)車試驗(yàn)，證明所開發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較明顯的助力效果。該研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1工作原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由信號(hào)采集系統(tǒng)、電子控制單元、助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電磁離合器等組成[9]，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖如圖1所示。信號(hào)采集系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、車速信號(hào)、助力電機(jī)電流信號(hào)[10]并傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧?電子控制單元通過信號(hào)采集系統(tǒng)獲得的轉(zhuǎn)矩信號(hào)、車速信號(hào)等判斷助力電機(jī)的理想工作狀態(tài)，計(jì)算得到目標(biāo)控制電流大小，并控制助力電機(jī)輸出合適的電磁轉(zhuǎn)矩[11];助力電機(jī)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力源，在電子控制單元控制下輸出相應(yīng)的助力轉(zhuǎn)矩[12]，本文選用三相無刷電機(jī)作為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力電機(jī);減速機(jī)構(gòu)與助力電機(jī)相連，起到降速增扭的作用[13];電磁離合器將輔助轉(zhuǎn)向力矩施加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的助力轉(zhuǎn)向，同時(shí)避免電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性引起的不利影響。

2助力特性曲線與控制策略模型

2.1助力特性曲線

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能需求主要包括分析助力控制模式、回正控制模式和阻尼控制模式的功能及可靠性的具體要求，確定各模式之間的切換條件和切換過程。

助力控制模式的核心是確定助力特性曲線及確定控制單元控制助力電流大小的方式，以滿足不同工況下對(duì)助力扭矩的要求[14]。助力特性曲線通常通過實(shí)車道路試驗(yàn)對(duì)基本特性曲線進(jìn)行調(diào)整獲得[15-17]，較為典型的有直線型、折線型和曲線型[18]。典型助力特性曲線如圖2所示。

直線型助力特性曲線可表示為

式中，I為助力電機(jī)目標(biāo)電流;f（v）為助力特性曲線梯度;Imax為助力電機(jī)最大工作電流;Td為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩;Td0為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始工作時(shí)轉(zhuǎn)向盤輸入力矩;Tdmax為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)轉(zhuǎn)向盤輸入力矩。

折線型助力特性曲線可表示為

式中，f1（v）、f2（v）為助力特性曲線梯度;Td1為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩。

曲線型助力特性曲線可表示為

式中，f（Td）為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩非線性函數(shù)[19]。

若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與角速度方向相反，需通過回正控制模式來改善轉(zhuǎn)向回正特性，提高車輛的操縱穩(wěn)定性;若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與角速度方向相同，且車輛行駛速度達(dá)到或超過設(shè)定的速度閥值，則需通過阻尼控制模式來減輕轉(zhuǎn)向盤抖動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤回正超調(diào)狀況[20]。

2.2控制策略模型

利用Simulink/Stateflow搭建電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略模型，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略模型如圖3所示。圖3中，主要包括檢查模塊、助力控制模塊、回正控制模塊和阻尼控制模塊等部分。

檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩傳感器和速度傳感器是否正常工作，然后根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)判斷應(yīng)執(zhí)行的控制模式。若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與角速度的方向相同，且車速低于設(shè)定的閥值，進(jìn)入助力控制模塊，助力控制模塊如圖4所示。

轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出信號(hào)值決定助力電機(jī)的工作狀態(tài)，若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值小于1 N·m，進(jìn)入無助力子模塊，該模式下助力電機(jī)不工作;若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值大于1 N·m且小于10 N·m，則進(jìn)入助力變化子模塊，該模式下，需根據(jù)車輛實(shí)際行駛速度，計(jì)算并輸出變占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)，控制助力電機(jī)輸出所需的助力轉(zhuǎn)矩;若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值大于10 N·m，進(jìn)入助力不變子模塊，該模式下，需根據(jù)車輛行駛速度，計(jì)算并輸出固定占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)，控制助力電機(jī)輸出所需的助力轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和其角速度的方向相反時(shí)，進(jìn)入回正控制模塊，回正控制模塊如圖5所示。該模式下，需根據(jù)車輛的行駛工況，輸出適當(dāng)占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)，控制助力電機(jī)輸出回轉(zhuǎn)助力或回正阻力，幫助駕駛員完成回正動(dòng)作;若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與角速度方向相同，且車輛實(shí)際行駛速度達(dá)到或超過設(shè)定的速度閥值，進(jìn)入阻尼控制模塊，阻尼控制模塊如圖6所示，該模式下，需根據(jù)方向盤輸入的轉(zhuǎn)矩方向和大小，控制助力電機(jī)輸出合適的阻力以減輕振動(dòng)。

2.3模型檢查與驗(yàn)證

利用Simulink Design Verifier模塊生成測(cè)試用例的仿真模型，需求文檔與模型關(guān)聯(lián)如圖7所示。其中，Inputs模塊包含轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角及角速度信號(hào)、車速信號(hào)等系統(tǒng)控制策略模型測(cè)試用例;Test Case Explanation模塊是對(duì)自動(dòng)生成的測(cè)試用例的說明。共有25種測(cè)試用例仿真模型，測(cè)試用例如圖8所示;Test Unit模塊為前文所搭建的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略模型。運(yùn)行測(cè)試仿真模型后，得到模型的覆蓋度分析結(jié)果，模型覆蓋度如圖9所示，模型覆蓋度報(bào)告顯示，自動(dòng)生成的測(cè)試用例具有較高的覆蓋度，能夠滿足模型的測(cè)試需求。

2.4代碼生成及驗(yàn)證

采用Matlab中的Embedded Coder模塊，將搭建的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略模型轉(zhuǎn)換為嵌入式C代碼，并驗(yàn)證其有效性和可靠性，然后通過Configuration Parameters模塊生成SIL仿真模型，并在控制策略模型中進(jìn)行仿真，原控制策略仿真模型與SIL仿真模型對(duì)比如圖10所示。由圖10可以看出，圖10b與圖10a的輸出結(jié)果相同，證明所生成的C代碼能夠有效運(yùn)行，且功能與原控制模型保持一致。

3電子控制單元開發(fā)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制單元主要由電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、信息采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、CAN通訊模塊、電流檢測(cè)模塊等部分組成。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元以恩智浦公司32位MPC5634單片機(jī)為主控芯片，該芯片集成了96 kB的RAM，1.5 M的Flash存儲(chǔ)器，32個(gè)eTPU2通道，32個(gè)12 bit增強(qiáng)型模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，2個(gè)eSCI模塊，2個(gè)DSPI模塊，2個(gè)FlexCAN模塊，邏輯運(yùn)算和數(shù)值運(yùn)算能力較強(qiáng)，具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力，最小系統(tǒng)的晶振頻率為8 MHz。

4實(shí)車性能試驗(yàn)

4.1轉(zhuǎn)矩信號(hào)標(biāo)定

通過轉(zhuǎn)矩標(biāo)定試驗(yàn)，將轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩模擬量轉(zhuǎn)換為主控制器能夠識(shí)別的轉(zhuǎn)矩信號(hào)值，轉(zhuǎn)矩信號(hào)值與轉(zhuǎn)矩傳感器輸出模擬量的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到轉(zhuǎn)矩信號(hào)值標(biāo)定曲線和車速標(biāo)定曲線，轉(zhuǎn)矩信號(hào)標(biāo)定曲線如圖11所示，轉(zhuǎn)矩信號(hào)值與傳感器輸出模擬量的關(guān)系為

y=0.025 4x-0.768 8? （ 4）

式中，y為轉(zhuǎn)矩模擬量;x為轉(zhuǎn)矩傳感器輸出值。

4.2速度信號(hào)標(biāo)定

通過車速標(biāo)定試驗(yàn)將車速傳感器輸出的數(shù)字頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際車速值，實(shí)際車速與車速傳感器單位時(shí)間輸出脈沖數(shù)的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線擬合，得到車速信號(hào)標(biāo)定曲線，車速信號(hào)標(biāo)定曲線如圖12所示。車速與脈沖數(shù)的關(guān)系為

ν=0.202n+0.732 8? （5）

式中，v為車速;n為脈沖數(shù)。

4.3實(shí)車性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的有效性，進(jìn)行實(shí)車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，試驗(yàn)車樣車如圖13所示。通過采集轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的變化曲線，原地轉(zhuǎn)向時(shí)，有助力與無助力轉(zhuǎn)矩值比較如圖14所示。

由圖14可以看出，在車輛怠速工況下，開啟電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)與關(guān)閉電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)相比，轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的最大轉(zhuǎn)矩信號(hào)AD值從210降低到174，轉(zhuǎn)矩差值由助力電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩彌補(bǔ)，證明所開發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較明顯的助力效果。

5結(jié)束語

本文基于模型設(shè)計(jì)方法對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能進(jìn)行層次化劃分，搭建Simulink/Stateflow控制策略模型，可以在測(cè)試過程中快速檢查錯(cuò)誤，直接生成穩(wěn)定的嵌入式代碼，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高效率;實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，開啟電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后，試驗(yàn)車轉(zhuǎn)向所需駕駛員提供的力矩明顯降低，證明該電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以有效為駕駛員提供實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向助力，驗(yàn)證了所開發(fā)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的有效性。但在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)助力系統(tǒng)長時(shí)間滿負(fù)荷工作會(huì)導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)熱嚴(yán)重，有待電子控制單元及其控制策略的進(jìn)一步研究完善。

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Study on the Strategy of EPS System Based on Model Design

LIU Shijie1， YAN Tianyi1， JIA Zhaogong1， LU Jingeng2， LIN Jun3

（1. School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China; 2. Huahai Technologies Co.， Ltd.， Beijing 100000， China; 3. Qingdao Three-Star Precision Forging Gear Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract：In order to take into account the vehicle steering lightness and control stability， reduce fuel consumption， this paper used NXP 32-bit MPC5634 microcontroller to study the Strategy of EPS System Based on Model Design. We build the Simulink/Stateflow control strategy model， carry out structural and functional tests， generate embedded code and verify through the SIL（software in-the-loop） test. Then， we verify the effectiveness of the electric power steering system control strategy through real vehicle calibration test and steering test. The test results show that when the electric power steering system is turned on， the torque signal of the torque sensor is compared with that of the torque sensor when the electric power steering system is turned off， the maximum torque signal AD value of the torque sensor is reduced from 210 to 174， and the torque difference is compensated by the torque provided by the booster motor. It shows that the developed electric power steering system has obvious power assist effect and can meet the design requirements. This research has a good application prospect.

Key words：electric power steering; electronic control unit; control strategy; performance test

收稿日期： 2019-12-24; 修回日期： 2020-02-28

基金項(xiàng)目： 山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ZR2016EEM49）;國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475248）

作者簡介： 劉世杰（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)態(tài)仿真與控制技術(shù)。

通信作者： 嚴(yán)天一（1970-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其控制技術(shù)。 Email： yan_7012@126.com