基于傳感器P 信號的EPS補償控制策略和算法

侯訓(xùn)波

（大連創(chuàng)新零部件制造公司）

現(xiàn)代汽車配裝電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡稱EPS）已非常普遍，而EPS 系統(tǒng)由于電機和減速機構(gòu)的存在，增加了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的摩擦力，給汽車回正性能帶來了不良影響[1]?；卣阅苡质瞧嚥倏v穩(wěn)定性的重要指標，回正性能不良不但使駕駛員產(chǎn)生操縱疲勞，還會影響行車安全。同時，汽車在高速行駛時，其自身的回正能力較強，阻尼較弱，又會產(chǎn)生回正超調(diào)現(xiàn)象，使汽車擺振，同樣會影響行車安全。懸架定位誤差和胎壓異常等會引起汽車跑偏[2]，雖不能使汽車發(fā)生嚴重的交通事故，但會增加駕駛員干預(yù)汽車的時間，加重駕駛員的疲勞感[3]。針對以上問題，通常由EPS 系統(tǒng)采用帶角度檢測能力的傳感器來配合，實現(xiàn)回正、阻尼及跑偏等補償，依此克服這些缺陷。文章通過對低成本純扭矩傳感器P 信號開展研究，基于此信號實現(xiàn)EPS 系統(tǒng)補償控制，并提出相應(yīng)控制策略和算法，供EPS 系統(tǒng)工程師參考。

1 傳感器P 信號工作原理

文章所研究的EPS 系統(tǒng)傳感器為Hella 非接觸交變電磁感應(yīng)式純扭矩傳感器，其輸出扭矩T 信號需要2個轉(zhuǎn)子與PCB 板上的預(yù)埋線圈和芯片配合，當(dāng)2 個轉(zhuǎn)子隨上下軸轉(zhuǎn)動時，由固定位置的預(yù)埋線圈感應(yīng)轉(zhuǎn)子角度變化，利用其相對角度差來檢測并輸出T 信號。其中一個40°轉(zhuǎn)子及芯片所對應(yīng)輸出的P 信號，即為文章所研究的對象，該P 信號是脈沖寬度調(diào)制（PWM）占空比形式。

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，將帶動EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向上軸旋轉(zhuǎn)，使P 信號在12.5%～87.5%內(nèi)變化，且以40°為一個循環(huán)周期性重復(fù)變化，這與帶角度檢測的傳感器對比，在結(jié)構(gòu)上缺少了一個磁性小齒輪和對應(yīng)芯片及相關(guān)附件，即缺少了P 信號配合，無法檢測絕對角度。而文章利用P 信號所具備的相對角度檢測能力，再使EPS 系統(tǒng)電子控制單元（簡稱ECU）算法配合，實現(xiàn)絕對角度的間接檢測能力，依此完成EPS 系統(tǒng)補償控制。

2 EPS 系統(tǒng)基本角度算法

EPS 系統(tǒng)基本角度檢測是通過ECU 對PWM_P 信號實時采樣，并按相應(yīng)規(guī)則計算來獲得，該基本角度是參照車輛直行中位為基準零點的絕對角度。

2.1 異常P 信號過濾

為保證對P 信號正確采樣，采取適當(dāng)算法對異常P信號進行過濾。通常駕駛員操控轉(zhuǎn)向盤的最快轉(zhuǎn)角速度小于 1 000（°）/s，若 ECU 按 1 ms 的采樣周期，相鄰采樣點變化量ΔPWM_Pn=PWM_Pn- PWM_Pn-1，其通常采樣結(jié)果|ΔPWM_Pn|≤1.875%均屬正常，但存在2 個特殊采樣范圍段，如：向右轉(zhuǎn)時由85.625%～87.5%變至12.5%～14.375 5%和向左轉(zhuǎn)時由12.5%～14.375%變至85.625%～87.5%，會出現(xiàn)P 信號采樣值突變，屬于區(qū)段轉(zhuǎn)換的正常現(xiàn)象，除此之外均屬異常，此時需對異常采樣點賦值為前次采樣值。據(jù)此分析所給出的策略，再結(jié)合信號自身特點，異常信號過濾算法如下：

當(dāng)對第n 次采樣，先按算式（1）進行判斷，再執(zhí)行算式（2），最終對PWM_P 信號采樣賦值。

2.2 EPS 系統(tǒng)基本角度算法

當(dāng)車輛下線，必須通過手動角度中點標定方法，使EPS 系統(tǒng)角度中點與車輛直行中位（即角度零點）重合，ECU 記憶當(dāng)前基準P 信號為PWM_P0及所處區(qū)段號K=0。標定后的P 信號與EPS 系統(tǒng)的基準P 信號PWM_P0、區(qū)段號 K 及絕對角度 θ 等的關(guān)系，如圖 1 所示。其中θ0為EPS 基準角度，設(shè)ΔPWM_P=PWM_PPWM_Pn-1。

圖1 EPS 角度中點標定后PWM_P 與θ 等的關(guān)系示意圖

EPS 基準角度 θ0的算法：

區(qū)段號K 的算法：

EPS 絕對角度 θ 的算法：

由算式（4）可知，區(qū)段號K 與前次區(qū)段號Kn-1相關(guān)，需ECU 連續(xù)滾動記憶，使車輛實際所處的角度區(qū)段號與ECU 計算結(jié)果保持一致。當(dāng)EPS 系統(tǒng)斷電后，且車輛轉(zhuǎn)向盤在此期間又被無意轉(zhuǎn)動，在EPS 系統(tǒng)再上電時，ECU 斷電時所記憶的區(qū)段號與車輛實際轉(zhuǎn)向盤所處轉(zhuǎn)角范圍就不能吻合了，會使角度檢測出現(xiàn)嚴重偏差，不能被EPS 系統(tǒng)應(yīng)用。因此，需找回角度中點，才能恢復(fù)各項控制功能。

3 角度中點自動找回和修正的方法

EPS 系統(tǒng)重新上電后，即執(zhí)行角度基本算法，并可獲得當(dāng)前EPS 絕對轉(zhuǎn)角θ。但此時，ECU 所記憶的區(qū)段號K 已不可信，故所獲EPS 絕對轉(zhuǎn)角θ 值也不可信，需暫停與其相關(guān)的功能，如：回正補償、阻尼補償、跑偏補償?shù)?。?dāng)EPS 系統(tǒng)找回角度中點后，方可啟動相關(guān)功能，但部分功能還需在角度中點修正后，才能啟動。

角度中點找回（或稱功能）是基于初始中點標定可信，即PWM_P0不變的情況下，當(dāng)區(qū)段號K 可能發(fā)生異常變化而不可信，僅需找回正確K 值即可；角度中點修正（或稱功能）是針對車輛直行零點與EPS 所標定中點可能存在較大偏差，影響了回正等功能，需對PWM_P0和K 同時檢驗并修正。

3.1 車輛直行狀態(tài)分析

當(dāng)駕駛員操控車輛直行時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角也通常在零點±5°范圍內(nèi)微調(diào)來保持汽車直行，并且微調(diào)手力通常小于0.5 N·m。圖2 示出車輛直行狀態(tài)的各物理參數(shù)關(guān)系示意圖。假設(shè)手動所標定的角度中點處于左側(cè)-5°位置，同時車輛存在向右跑偏現(xiàn)象，此假設(shè)為車輛被向左糾偏的直行狀態(tài)，EPS 系統(tǒng)角度中點所處為極限狀態(tài)。此時糾偏手力通常小于1.0 N·m，但駕駛員長時間保持糾偏手力在0.4～1.0 N·m，也會引起駕駛疲勞，若糾偏手力大于1.0 N·m 則認為是嚴重跑偏，需要維修解決。維持車輛直行所需糾偏手力≤0.4 N·m，即為符合標準[4]，也不會引起駕駛疲勞。

圖2 汽車直行狀態(tài)的各物理參數(shù)關(guān)系示意圖

歸納以上分析，車輛保持直行狀態(tài)，以車輛角度零點為基準，所體現(xiàn)出的相關(guān)參數(shù)變化范圍，如表1 所示。其中手力Ts和轉(zhuǎn)角θ 的方向性定義為：凡手力Ts有利于向右轉(zhuǎn)向為正值，反之為負值；轉(zhuǎn)角θ 以標定中點為基準，向右轉(zhuǎn)角為正值，反之為負值。

表1 車輛直行時相關(guān)參數(shù)的表現(xiàn)狀態(tài)

3.2 EPS 角度中點自動找回方法

表2 示出車輛直行時參數(shù)記錄表。

表2 車輛直行時參數(shù)記錄表

當(dāng)EPS 系統(tǒng)上電先清除表2 中所有數(shù)據(jù)。以0.5 s為記錄周期，僅當(dāng) AND（|Ts|≤1.0 N·m，V≥30 km/h，|θ-40 ROUND（θ/40,0）|≤8°）時，方可對相關(guān)參數(shù)按表 2進行記錄。當(dāng)EPS 系統(tǒng)上電所記錄數(shù)據(jù)填滿60 組后，需在2 s 內(nèi)完成統(tǒng)計處理，之后將自動清除表2 中所有記錄，再重新開始采樣并記錄。所記錄數(shù)據(jù)填滿60 組后，需對相同 ROUND（θ/40，0）取整值的頻次數(shù) N 進行統(tǒng)計，提取頻次數(shù)最高值Nmax對應(yīng)ROUNmax，依此，按算式（6）進行K 值更新。EPS 角度中點找回算法：

在理論上，車輛持續(xù)直行30 s 后，即可自動找回EPS 角度中點。

3.3 EPS 角度中點自動修正方法

每次EPS 系統(tǒng)上電，當(dāng)完成角度中點找回，區(qū)段號K 首次被更新后，角度中點自動找回功能即刻暫停，同時觸發(fā)角度中點自動修正功能啟動，并按自動找回方法中的要求及規(guī)則，來采樣和記錄表2 中的參數(shù)。

圖3 示出標定點PWM_P0和修正點PWM_PA拓展示意圖。為便于理解，初始標定角度中點的PWM_P0和θ0，已與車輛直行零點出現(xiàn)偏差，而能與車輛直行零點吻合的修正點，其基準P 信號設(shè)為PWM_PA，基準角度設(shè)為θA，二者角度差值設(shè)為ΔθA，ΔPWM_PA代表標定點和修正點的基準P 信號凈差。

圖3 標定點PWM_P0 和修正點PWM_PA 拓展示意圖

ΔθA和 ΔPWM_PA的算法：

PWM_PA和 KA的算法：

基準角度θA算法：

該功能將持續(xù)運行，最終可使EPS 系統(tǒng)角度中點逼近車輛零點。

4 回正補償和阻尼補償

回正補償特性是由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角所形成的，并隨車速變化的回正補償電流曲線族；阻尼補償特性是由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角速度所形成的，并隨車速變化的阻尼補償電流曲線族。以下所涉及補償電流的方向性定義為：凡有利于向右轉(zhuǎn)向的電流值為正，反之為負；同時，由于左右轉(zhuǎn)向的對稱性，所涉及回正過程中的電流特性曲線，均以右側(cè)轉(zhuǎn)向區(qū)域所體現(xiàn)出的特性來表達，而左側(cè)區(qū)域的電流特性的曲線，則是以原點對稱的。

4.1 回正補償和阻尼補償?shù)目刂撇呗?/h3>

圖4 示出回正和阻尼的額定電流隨車速變化曲線，其回正補償控制策略為：當(dāng)車速V≤Vr1時，視為駐車狀態(tài)，無回正補償電流，轉(zhuǎn)向盤所至轉(zhuǎn)向的位置將保持不動；當(dāng)車速Vr1Vr3時，車輛自身回正能力已完全可以實現(xiàn)自動回正，此時無需回正補償，反而需要阻尼補償來避免回正過快，甚至超調(diào)現(xiàn)象。如圖4所示，其在回正過程中的阻尼補償控制策略為：當(dāng)車速V≤Vd1時，車輛回正阻力較大（即阻尼較大），EPS 系統(tǒng)無需提供阻尼補償電流；當(dāng)車速Vd1Vd2時，車輛已進入較高車速行駛，需要轉(zhuǎn)向盤有較快的回正轉(zhuǎn)角速度，使車輛在較短時間內(nèi)，即可回到直行的中位，保持阻尼補償電流恒定。

圖4 回正和阻尼的額定電流隨車速變化曲線

即使是同批次車輛，仍具有差異性?？紤]到EPS系統(tǒng)所匹配參數(shù)具有普適性，也為避免出現(xiàn)補償風(fēng)險，需要將回正補償?shù)慕Y(jié)束點車速Vr3和阻尼補償?shù)钠瘘c車速Vd1（如圖 4 所示） 設(shè)置為Vr3>Vd1，通常Vr3-Vd1=10～20 km/h。結(jié)合某電動車的實際情況，推薦匹配參數(shù)范圍，如表3 所示。

表3 回正和阻尼的補償參數(shù)推薦范圍

4.2 回正補償算法

額定回正補償電流算法：

圖5 示出回正補償電流隨角度變化曲線。

圖5 回正補償電流隨角度變化曲線

EPS 系統(tǒng)回正補償與所處轉(zhuǎn)角位置相關(guān)，首先需設(shè)定一個角度死區(qū)，在此范圍內(nèi)無需回正補償，以防止干擾車輛直行，該角度死區(qū)定義為θr1，通常為10～20°；同時，在回正過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤回轉(zhuǎn)接近中位時，為避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，需設(shè)定一個角度θr2，作為回正補償能力遞減的起點角度，通常 θr2為 60～90°，由式（10）所確定的各車速下額定回正補償電流，即是在該角度點上的電流值。

回正補償電流算法：

4.3 阻尼補償算法

設(shè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角速度為：ωd=dθ/dt。額定阻尼補償電流算法：

圖6 示出阻尼補償電流隨轉(zhuǎn)角速度變化曲線，在車輛回正過程中，EPS 系統(tǒng)的阻尼補償與轉(zhuǎn)向盤回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角速度相關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)角速度較低時，無需阻尼補償，設(shè)該轉(zhuǎn)角速度為 ωd1，通常為 80～120（°）/s；隨著轉(zhuǎn)角速度提高則需加強阻尼作用，特別是在較高車速時，也可避免回正超調(diào)，設(shè)駕駛員能夠接受的較適宜的回正轉(zhuǎn)角速度為 ωd2，通常為 200～300（°）/s，由式（12）所確定的各車速下的額定阻尼補償電流，即是在該轉(zhuǎn)角速度點上的電流值；同時，在阻尼補償中需設(shè)定最大阻尼電流Idx（通常Idx=3.0～4.0 A）限制，以便在必須快打轉(zhuǎn)向時，EPS 系統(tǒng)的助力作用仍能充分發(fā)揮作用。

圖6 阻尼補償電流隨轉(zhuǎn)角速度變化曲線

阻尼補償電流算法：

4.4 回正補償和阻尼補償?shù)恼{(diào)校

利用此2 種補償特性的組合匹配，通過在整車上調(diào)校，才能實現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)向回正性能。其主要評價要求包括回正后剩余橫擺角速度與剩余橫擺角（或稱殘留角度），以及達到剩余橫擺角速度的時間[5]，同時，汽車在高速時的轉(zhuǎn)向回正性能較在低速行駛時更為重要，應(yīng)更加注重高速行駛的轉(zhuǎn)向回正性能[6]。按表3 所示的調(diào)校參數(shù)，推薦在車速為 10，20，30，50，80，100 km/h 時來進行調(diào)校評價。

5 EPS 系統(tǒng)跑偏補償

汽車行駛跑偏表現(xiàn)為直線行駛時，駕駛員將轉(zhuǎn)向盤自由置于中間位置，汽車行駛方向偏離汽車縱軸線，駕駛員需在轉(zhuǎn)向盤上施加一矯正力（或稱糾偏力），以保持汽車直行[2]。GB 17675《汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本要求》中規(guī)定：汽車以80 km/h 的速度行駛時，駕駛員必須能在不做異常轉(zhuǎn)向修正的條件下，保持汽車直線行駛。通常所需修正力≤0.4 N·m，即為符合標準[4]。

汽車跑偏因素較多，其中配裝EPS 系統(tǒng)的車輛，由于角度中點標定的偏差較大，轉(zhuǎn)向盤會出現(xiàn)向EPS 系統(tǒng)所標定角度中點一側(cè)轉(zhuǎn)動的趨勢，從而造成車輛跑偏[3]。該因素所引起的跑偏現(xiàn)象，可由文中EPS 角度中點修正的方法來解決，而針對其它因素所引起的跑偏現(xiàn)象，按以下跑偏補償?shù)姆椒☉?yīng)對。

5.1 糾偏手力和補償電流梯度估算

根據(jù)3.2 節(jié)中EPS 角度中點找回方法中所規(guī)定的采樣條件及規(guī)則，并利用表2 所記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，對手力Ts進行平均值統(tǒng)計，獲得糾偏手力ΔTs和補償電流梯度ΔIp的估算值。

糾偏手力和補償電流梯度的估計算法：

式（13）中的補償電流梯度設(shè)定為2 種：0.1 A 和0.2 A，主要目的是當(dāng)車輛跑偏不嚴重時，以較小的補償電流梯度來增減原補償量；當(dāng)跑偏較嚴重時，以較大的補償電流梯度來增減原補償量。這2 種補償梯度值均不會引起車輛行駛中的明顯手力變化，但會延遲跑偏補償?shù)倪_標時間。

5.2 EPS 系統(tǒng)跑偏補償

EPS 系統(tǒng)初始上電時，將額定跑偏補償電流設(shè)置為Ipn=0，之后EPS 系統(tǒng)無論斷電或上電運行，都需記憶前次Ipn-1值，以便加上式（13）所得的ΔIp估算值，獲得當(dāng)前需更新的額定跑偏補償電流值。同時，為了保證跑偏補償不會對其它功能造成影響，以及從安全的角度來考慮，需設(shè)置額定跑偏補償限制電流Ipmax，該限制電流是以車輛不需維修的糾偏手力（1.0 N·m），對應(yīng)匹配設(shè)定的，通常Ipmax=1.2～1.8 A。

額定跑偏補償電流算法：

當(dāng)獲得額定跑偏補償電流值（Ipn）后，該跑偏補償特性Ip與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ 相關(guān)，在一定的角度范圍有效，并隨角度增大而衰減，如圖7 所示。

圖7 跑偏補償電流隨角度變化曲線

跑偏補償電流算法：

對于圖7 中和式（16）中的2 個特征角度點，通常θp1=10～20°，θp2=20～30°。

6 結(jié)論

文章所述的角度中點自動找回功能和角度中點自動修正功能，均是在不影響車輛正常行駛中而自學(xué)習(xí)完成的，但在EPS 系統(tǒng)上電初期，會存在短時間部分功能被暫停的現(xiàn)象，通常車輛在持續(xù)直行1 min 左右即可恢復(fù)。EPS 系統(tǒng)角度中點自動修正功能是不斷重復(fù)地采樣和記錄，并滾動修正的，能使EPS 系統(tǒng)角度中點始終保持與車輛角度零點吻合，可使各種補償功能充分發(fā)揮作用；可信的角度檢測能力有助于繼續(xù)開展主動回正和主動阻尼等功能的深入研究。針對回正補償和阻尼補償，需進行匹配組合，并經(jīng)整車調(diào)校，才能實現(xiàn)EPS 系統(tǒng)良好的回正性能；同時，文章所提供的阻尼補償功能，可使車輛在不平路面高速行駛時，具有抑制中位沖擊的能力。