解析新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略

張文杰

摘要：蓄電池為新能源汽車的主要?jiǎng)恿碓?，其無法通過發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向泵，這使得電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為適合新能源車輛。基于此，本文將圍繞新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)、快速原型系統(tǒng)開發(fā)、模型的建立及驗(yàn)證、控制策略、試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用開展深入研究，希望研究?jī)?nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：新能源車輛;電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);控制策略

中圖分類號(hào)：U469.7;U463.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0203-03

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車保有量不斷提升，汽車帶來的能源消耗和環(huán)境污染問題也開始引起各界重視。為更好服務(wù)于社會(huì)發(fā)展并突破發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車專利封鎖，近年來我國(guó)在新能源車輛研發(fā)領(lǐng)域投入了大量資源，本文研究的新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)便屬于研發(fā)成果典型。

1? 新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)

1.1 助力電動(dòng)機(jī)

助力電動(dòng)機(jī)屬于EPS系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成（助力單元），負(fù)責(zé)提供全部的助力矩，其需要滿足各種情況下的轉(zhuǎn)矩要求，且需要擁有高速轉(zhuǎn)向時(shí)的路感和低速時(shí)輕便轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)，為保證擁有較快的起停響應(yīng)，需采用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的助力電動(dòng)機(jī)，同時(shí)需要具備一定抗干擾能力并滿足輸出力矩大要求。新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)可選用有刷電機(jī)或無刷電機(jī)，前者的可靠性較差但控制算法簡(jiǎn)單，后者的控制較為困難但可靠性較好，一般來說永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)適用于小型車，永磁無刷直流電機(jī)適用于助力要求較大車輛。助力電動(dòng)機(jī)在新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)中的應(yīng)用需關(guān)注助力特性曲線、最大阻力矩、電機(jī)最大助力矩、功率的設(shè)計(jì)[1]。

1.2 轉(zhuǎn)矩傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器主要負(fù)責(zé)測(cè)得駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的方向和對(duì)方向盤輸入的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，需基于扭桿檢測(cè)輸入輸出軸的角位移，以此轉(zhuǎn)換扭矩信號(hào)為電信號(hào)并向電子控制單元傳送，助力電機(jī)助力電流大小即可基于電子控制單元產(chǎn)生的控制信號(hào)改變。轉(zhuǎn)矩傳感器一般設(shè)置于轉(zhuǎn)向柱和助力電機(jī)之間，且制作工藝較高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制作成本較低、可靠性較高，主要存在電位計(jì)式轉(zhuǎn)矩傳感器、電磁感應(yīng)式傳感器、光電式轉(zhuǎn)矩傳感器三類，三者的抗干擾能力、成本、測(cè)量精度均存在顯著差異，需綜合考慮多方面因素影響。

1.3 電子控制單元

電子控制單元在完成車速信號(hào)及方向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)收集后，可基于控制算法發(fā)出指令對(duì)電磁離合器的運(yùn)行狀態(tài)和助力電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)擁有自我保護(hù)和自我診斷功能，助力作用在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可由電子控制單元自動(dòng)關(guān)閉，故障指示燈會(huì)同時(shí)發(fā)光。

1.4 離合器

電磁離合器用于切斷助力電機(jī)動(dòng)力傳輸，高速時(shí)EPS系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向功能造成影響情況可由此規(guī)避，有效發(fā)揮保護(hù)作用。收到電信號(hào)后，電磁離合器的電流進(jìn)入滑環(huán)，壓板會(huì)在電磁力的作用下將花鍵緊緊壓住，電動(dòng)機(jī)的輸出力矩會(huì)由此伴隨主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，力矩傳輸?shù)娜蝿?wù)可由此完成[2]。

1.5 車速傳感器

安裝在車輛變速器上的車速傳感器可負(fù)責(zé)采集車速，并向電子控制單元傳送轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)的車速數(shù)據(jù)，一般采用電磁感應(yīng)式的車速傳感器，在車輛變速箱的殼體安裝車速傳感器，磁通量會(huì)隨輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生改變，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)隨之產(chǎn)生。在接收車速傳感器發(fā)送的電信號(hào)后，電子控制單元可基于電動(dòng)勢(shì)的脈沖頻率完成車速計(jì)算。

1.6 減速機(jī)構(gòu)

通過輸出轉(zhuǎn)矩，助力電機(jī)輸出軸可直接連接減速機(jī)構(gòu)，減速增扭（增加輸出助力矩）可由此直接實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可向轉(zhuǎn)向齒輪箱傳送增大的扭矩，傳送出的助力扭矩會(huì)隨減速比增大而增大。行星齒輪減速器多用于轉(zhuǎn)向軸助力式EPS系統(tǒng)，蝸輪蝸桿減速器多用于齒條助力式EPS系統(tǒng)和齒輪助力式EPC系統(tǒng)，考慮到蝸輪蝸桿減速器在較大的傳動(dòng)比獲得和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性方面優(yōu)勢(shì)明顯，本文選擇采用樹脂等非金屬材料作為齒輪的蝸輪蝸桿減速器，而在減速器的減速比選擇時(shí)，選擇G為17，新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的耐久度提升和噪聲降低均可由此實(shí)現(xiàn)[3]。

2? 新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)快速原型系統(tǒng)的開發(fā)

圖1為本文開發(fā)的新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)快速原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、二自由度整車模型、助力電機(jī)模型、控制器模型共同組成。同時(shí)需建立采用模糊自適應(yīng)PID控制策略的新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型，具體如圖2所示。

3? 新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型的建立及驗(yàn)證

新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型的建立需分析系統(tǒng)受力，包括助力電機(jī)提供的助力矩、方向盤的輸入力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力矩。同時(shí)還需要考慮動(dòng)力學(xué)模型的不確定，包括周圍環(huán)境因素的變化、系統(tǒng)模型的仿真參數(shù)不確定、非線性的不確定因素。為順利建立新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型，研究做出了以下假設(shè)，包括忽視扭桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、存在100%的機(jī)械結(jié)構(gòu)力矩傳送效率、存在無窮大的機(jī)械單元?jiǎng)偠认禂?shù)。圖3為簡(jiǎn)化后的新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型[5]。

4? 新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)控制策略的深入研究

對(duì)于新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)常用的控制算法來說，這類算法可細(xì)分為五類，包括PID控制、基于PID的補(bǔ)償控制、智能PID控制、智能控制、H∞魯棒控制。助力控制模式屬于EPS系統(tǒng)最為常用的控制模式，控制中最重要的點(diǎn)為追蹤目標(biāo)電流。對(duì)于PID控制模式來說，其具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單特點(diǎn)，但對(duì)于不能確定被控對(duì)象結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況，該模式的調(diào)節(jié)作用無法充分發(fā)揮，需輔以其他算法;對(duì)于模糊自適應(yīng)PID控制策略，該策略能夠解決PID調(diào)節(jié)控制器出現(xiàn)的無法得到優(yōu)化性最好參數(shù)、導(dǎo)致系統(tǒng)抗干擾能力下降等問題，而通過將模糊控制理論（智能控制）與PID調(diào)節(jié)相融合，基于不同的運(yùn)行情況，車輛即可實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，超調(diào)量控制、系統(tǒng)穩(wěn)定性提升均可順利實(shí)現(xiàn)。模糊控制器屬于模糊自適應(yīng)PID控制核心，反模糊化的方法、模糊控制規(guī)則等因素直接影響模糊控制器性能，而由于其亂魯棒性較強(qiáng)，因此其能夠更好服務(wù)于新能源車輛這類時(shí)變非線性系統(tǒng)。模糊自適應(yīng)PID控制框架由五部分組成，包括定義變量、知識(shí)庫、推理機(jī)、模糊化、反模糊化。

在回正控制策略的選擇中，考慮到新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)控制需要采集方向盤角速度及方向盤的角度，回正控制所需要的電流需基于PID控制調(diào)整，快速穩(wěn)定回正到中間位置的方向盤必須規(guī)避回正不足或回正過量問題;阻尼控制策略的選擇需關(guān)注路況不好時(shí)快速行駛新能源車輛出現(xiàn)的方向盤抖動(dòng)、方向盤偏轉(zhuǎn)等問題，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下助力電機(jī)的輸出軸無法快速停止很容易引發(fā)安全事故，因此需做好對(duì)助力電機(jī)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向反方向的力矩控制，保證其能夠?qū)崿F(xiàn)快速停下。

開展仿真可以確定，基于助力控制仿真實(shí)驗(yàn)、EPS系統(tǒng)助力電流仿真、阻尼控制仿真實(shí)驗(yàn)、回正控制仿真實(shí)驗(yàn)，可確定安裝電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的新能源車輛的轉(zhuǎn)向輕便性大幅提升，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能在PID控制加入后提升明顯，PID控制可在模糊自適應(yīng)PID控制加入后實(shí)現(xiàn)顯著優(yōu)化。在模糊自適應(yīng)PID控制加入后，實(shí)際工作中助力電機(jī)的效果提升明顯，穩(wěn)定速度和超調(diào)量均有所降低?；卣刂萍尤牒?，可得到較小的回正后余角和更快的方向盤回正速度，回正效率提升明顯。阻尼控制應(yīng)用后，高速運(yùn)行時(shí)的安全性大幅提升，駕駛員可獲得較好路感，高速行駛不存在方向盤擺動(dòng)問題，整體仿真表明新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)控制策略是有效的[6]。

5? 新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用

本文研究開發(fā)了由電子控制單元、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器、方向盤、助力電機(jī)、輪胎輪轂等器件組成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，12V蓄電池為臺(tái)架助力電機(jī)動(dòng)力來源，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架參數(shù)化基于研究所選器件實(shí)現(xiàn)，臺(tái)架控制臺(tái)上包括保險(xiǎn)絲座、診斷座、點(diǎn)火開關(guān)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)助力模式的關(guān)閉和開啟可基于點(diǎn)火開關(guān)實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)還可以用于理論驗(yàn)收，新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的工作流程及工作特點(diǎn)可由此簡(jiǎn)潔明了表示，臺(tái)架出現(xiàn)問題時(shí)診斷座可自動(dòng)完成問題所在點(diǎn)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架故障點(diǎn)可基于保險(xiǎn)絲座設(shè)置。對(duì)于設(shè)有很多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的操作面板來說，傳感器信號(hào)可在運(yùn)行時(shí)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架出現(xiàn)的問題也可基于檢測(cè)點(diǎn)來測(cè)量判斷。設(shè)置顯示電流的顯示屏于臺(tái)架面板右下角，助力電機(jī)的電流可基于該顯示屏觀察。在臺(tái)架安裝過程中，涉及的內(nèi)容包括安裝整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)操作面板電路、修改電子控制單元、線束整理、安裝各零部件、測(cè)試臺(tái)架性能等。

新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)可用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以一部分轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)為例，可開展5次實(shí)驗(yàn)并取數(shù)據(jù)平均值，實(shí)驗(yàn)圖像可通過擬合獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取，由此即可得到助力電流實(shí)驗(yàn)圖，仿真中的電機(jī)電流與圖中的電流曲線相匹配，這說明仿真情況基本合理，所需要的助力特性基本滿足。進(jìn)一步獲取助力矩與力矩輸出、總體輸出力矩曲線圖，可證明仿真實(shí)驗(yàn)基本滿足，所需要的力矩大小基本符合。

6? 本文總結(jié)和今后成果的深入研究

結(jié)合仿真可以確定，PID控制在新能源車輛橫擺角速度響應(yīng)超調(diào)量減少、穩(wěn)定時(shí)間縮短方面的表現(xiàn)較為優(yōu)秀，且能夠改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輕便型。在加入模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)后，可得到進(jìn)一步優(yōu)化的控制效果，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超調(diào)量降低、穩(wěn)定時(shí)間縮短。回正控制、阻尼控制的效果也基于仿真得到驗(yàn)證，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不加入阻尼控制存在的較大方向盤轉(zhuǎn)向角問題、方向盤低速時(shí)無法回正到正中間位置且回正速度較慢問題均得到了較好解決，行使的安全性大幅提升。此外，基于新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，研究還針對(duì)性建立了實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架開展的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以確定，雖然實(shí)驗(yàn)臺(tái)架得到了存在一定波動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)基本平滑，和仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果基本符合，新能源車輛電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)控制策略的實(shí)用性得到了更好證明。

但值得注意的是，本文研究也存在一定不足，應(yīng)基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析對(duì)已設(shè)定的控制規(guī)則、隸屬度函數(shù)形狀、單元素隸屬度函數(shù)值、模糊控制論域進(jìn)行優(yōu)化修改，以此進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的助力轉(zhuǎn)向效果獲取，今后研究還應(yīng)考慮引入基于變論域的模糊控制理論。對(duì)于研究中整車模型的建設(shè)，模型以二自由度為依據(jù)，但由于較多參數(shù)在建模過程中被忽略，為提高仿真分析的精度，后續(xù)研究需要設(shè)法提升建模自由度。為保證新能源車輛能夠?qū)崿F(xiàn)不同工況下良好的助力轉(zhuǎn)向，還應(yīng)針對(duì)性開展助力特性曲線設(shè)計(jì)，以此結(jié)合多種助力特性曲線，進(jìn)一步提升助力特性曲線的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉俊榮，牛營(yíng)凱，尹華清，李紅艷.新能源輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展淺析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（19）：18-19.

[2]桂軍.基于Workbench的某新能源汽車轉(zhuǎn)向拉桿連接強(qiáng)度分析[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，32（02）：7-11.

[3]牛營(yíng)凱，李紅艷，尹華清，劉俊榮.新能源輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件輕量化淺析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（07）：11-13.