電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略及其仿真研究

胡遠(yuǎn)想

摘 要：我國(guó)在研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的起步時(shí)間較晚，但是隨著我國(guó)這幾年綜合國(guó)力的不斷提升，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能也有了大幅度的改善，但是目前我國(guó)制造的汽車(chē)在路試以及客戶體驗(yàn)的過(guò)程中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍存在許多不足之處，這些問(wèn)題的存在對(duì)汽車(chē)乘坐人的生命財(cái)產(chǎn)安全都產(chǎn)生了一定的威脅。基于此，制定出針對(duì)性的優(yōu)化改善措施，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)建結(jié)構(gòu)以及工作原理進(jìn)行了深入研究分析后，將復(fù)合控制策略的優(yōu)點(diǎn)充分結(jié)合在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，有效保障了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠帶給客戶更佳的使用體驗(yàn)，保障復(fù)合控制策略準(zhǔn)確性的同時(shí)，滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱性能要求，有效解決低速時(shí)輕便性不夠和高速時(shí)轉(zhuǎn)向路感不強(qiáng)的問(wèn)題，滿足了人們對(duì)于生活質(zhì)量和生活品質(zhì)的追求。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);控制策略;仿真研究

我國(guó)科技水平在高速發(fā)展的同時(shí)也帶動(dòng)了現(xiàn)代電子控制技術(shù)和汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，但是環(huán)境污染、能源損耗等問(wèn)題也逐漸加劇，隨著人們對(duì)于生活品質(zhì)和生活質(zhì)量的追求，傳統(tǒng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供能方式已經(jīng)被電能所替代，與時(shí)代發(fā)展中的環(huán)保、節(jié)能、安全三大主題所符合，更符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提出的要求。目前，我國(guó)研發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)成為了高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的一部分，這在一定程度上為我國(guó)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)以及物質(zhì)條件，為了實(shí)現(xiàn)汽行駛轉(zhuǎn)向的便捷性以及保障汽車(chē)乘坐人的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，需要對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制研究，通過(guò)設(shè)定的控制策略和控制算法控制電機(jī)提供合適的助力矩[1]。

1 EPS研究現(xiàn)狀分析

雖然我國(guó)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的起步較晚，但是幾年我國(guó)科技水平的不斷提升，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步飛快，較多企業(yè)和高校實(shí)施強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究上也獲取了較好地效果。EPS系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)汽車(chē)企業(yè)的發(fā)展具有重要意義，因此為了增強(qiáng)我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，需要加大對(duì)EPS系統(tǒng)的研發(fā)程度。雖然我國(guó)之前對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略有一定的研究，但是以往的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究的主要內(nèi)容是電機(jī)的力矩控制。這些電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略不能全面考慮系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此，可使用性并不強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱性能要求，本文主要是針對(duì)EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便性不夠和高速時(shí)轉(zhuǎn)向路感不強(qiáng)的特點(diǎn)，提出一種復(fù)合控制策略[2]。

2 EPS系統(tǒng)復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

2.1 電流環(huán)控制

運(yùn)用電流環(huán)控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較為嚴(yán)格的要求，其中首要要求就是電機(jī)產(chǎn)生助力作用，而且電機(jī)產(chǎn)生的助力作用不僅要迅速、靈敏，還要與駕駛員的輸入相匹配。因此這就對(duì)電流控制器提出了較為嚴(yán)格的要求，助力作用的靈敏、迅速主要與電流控制器有關(guān)，助力電機(jī)控制方式的好壞是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的決定因素。電流控制器的主要作用是用來(lái)控制助力電機(jī)的工作電流以及響應(yīng)目標(biāo)電流的信號(hào)的作用，電流控制器也能對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作電流的速度以及準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用，確定完目標(biāo)電流以后，能夠使電動(dòng)機(jī)的工作電流更加準(zhǔn)確的追蹤以及響應(yīng)目標(biāo)電流。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇一個(gè)合格的電流控制器能夠起到有效控制工作電流的作用，對(duì)助力電機(jī)持續(xù)輸出相對(duì)應(yīng)的助力扭矩起到基礎(chǔ)的保障作用。

PID電流控制器具有簡(jiǎn)單操作、可靠等特性，為編程提供了基礎(chǔ)，目前，在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中都是采用PID進(jìn)行電流環(huán)節(jié)的控制，因此，在開(kāi)展設(shè)計(jì)電流控制器的過(guò)程中也是采用PID控制方法。為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的有效控制，PID控制器通過(guò)對(duì)控制誤差的比例、積分、微分這幾個(gè)控制量進(jìn)行控制。

2.2 助力控制

汽車(chē)助力控制電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目標(biāo)電流主要組成部分是由基礎(chǔ)目標(biāo)電流、慣性補(bǔ)償電流以及阻尼補(bǔ)償電流有效結(jié)合相構(gòu)成的，基礎(chǔ)目標(biāo)在控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)不考慮方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)特性。目標(biāo)電流值主要是通過(guò)助力特性而得出的電流值數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)以及車(chē)速信號(hào)提供相應(yīng)輔助作用。設(shè)計(jì)過(guò)程中為了有效改善EPS系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行控制時(shí)，在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中加入了慣性補(bǔ)償電流以及阻尼補(bǔ)償電流，對(duì)助力控制提供了一定的幫助作用。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

隨著我國(guó)制造行業(yè)發(fā)展迅速的過(guò)程中，我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)為了能夠更好的滿足人們對(duì)汽車(chē)發(fā)展的要求，車(chē)企在設(shè)計(jì)過(guò)程中將汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的合理空間分布以及汽車(chē)前軸負(fù)荷量為主要考慮因素?，F(xiàn)階段的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大部分采用的都是軸助力設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)過(guò)程中將直流永磁電機(jī)來(lái)做為助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的助力電機(jī)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的減速機(jī)構(gòu)采用的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)組合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，使直流永磁電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)兩者進(jìn)行有效結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造過(guò)程。如圖1：

有效結(jié)合電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在仿真環(huán)節(jié)研究主要是分為傳感器模型、轉(zhuǎn)向輸入軸模型、電機(jī)和轉(zhuǎn)向輸出軸模型、阻力矩模型、電機(jī)模型和電流控制器模型，助力控制系統(tǒng)Simulink模型圖，模型中轉(zhuǎn)矩信號(hào)Td采用階躍輸入，其值為3.6N·m，整定后的PID參數(shù)分別為KP=1.69，KI=30，KD=0.0035，系統(tǒng)增益為0.0175，此時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)σP=1.94%。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)人們的主要交通方式還是以汽車(chē)為主，汽車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)乘坐人的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義，因此，應(yīng)該全面減少影響汽車(chē)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的因素，有效提升電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操作性能要求，針對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，合理調(diào)節(jié)和控制運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提升電機(jī)助力的準(zhǔn)確度，有效保持汽車(chē)在行駛過(guò)程中的操縱穩(wěn)定性。本次研究的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略充分結(jié)合了實(shí)際情況，為提升乘坐人的生命安全打下強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]方暉.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障原因分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（09）：123.

[2]夏金軍.基于直流電機(jī)的乘用車(chē)電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].江蘇大學(xué)，2019.