某純電動汽車電動助力轉(zhuǎn)向調(diào)校及客觀測試

（奇瑞新能源汽車股份有限公司，蕪湖 241002）

0 引言

目前隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車智能駕駛功能普及，傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸不能滿足要求，而電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則可以滿足自動泊車、車道偏離等智能駕駛功能要求。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作過程主要包括：駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)向管柱中的扭矩和角度傳感器，根據(jù)檢測到的扭矩角度大小，發(fā)送信號到轉(zhuǎn)向控制器中。轉(zhuǎn)向控制器再結(jié)合整車CAN信號中的車速信號進(jìn)行判斷，根據(jù)助力曲線中對應(yīng)的扭矩大小，發(fā)送指令給轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出對應(yīng)的大小的轉(zhuǎn)向助力扭矩，從而產(chǎn)生助力效果，減輕駕駛員操作手力。本文主要介紹某純電動汽車轉(zhuǎn)向調(diào)校過程及轉(zhuǎn)向客觀測試結(jié)果。

1 電動助力轉(zhuǎn)向原理

汽車轉(zhuǎn)向過程中的力矩關(guān)系如下：

轉(zhuǎn)向阻力矩=電機(jī)助力矩+駕駛員操作方向盤力矩

轉(zhuǎn)向阻力矩主要受汽車載荷、四輪參數(shù)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度等影響，這些隨整車參數(shù)確認(rèn)而定。而駕駛員直觀感受只有方向盤力矩，調(diào)整方向盤力矩只有通過優(yōu)化調(diào)整電動助力轉(zhuǎn)向曲線來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向曲線主要包括基本助力和動態(tài)補(bǔ)償兩大部分，其具體工作原理如圖1。

基本助力包括：助力、回正和阻尼3 大控制，其根據(jù)制定好的曲線關(guān)系，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的方向盤轉(zhuǎn)矩、角度和車速信號，輸出對應(yīng)的助力扭矩。而動態(tài)補(bǔ)償包括：摩擦、阻尼和慣性3 大補(bǔ)償，其主要彌補(bǔ)電機(jī)助力的弊端，提高轉(zhuǎn)向時(shí)的整體效果。

2 轉(zhuǎn)向調(diào)校過程

圖1 電動助力轉(zhuǎn)向工作原理

本次轉(zhuǎn)向調(diào)校在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度不變的前提下，更換轉(zhuǎn)向電機(jī)（電機(jī)功率、電流提升），匹配相應(yīng)助力曲線，從而滿足駕駛員的要求，提升轉(zhuǎn)向整體品質(zhì)。

2.1 基本助力

基本助力功能為電動轉(zhuǎn)向基本功能，某車型隨著前載荷的增大，基本助力存在如下問題：①原地/低速轉(zhuǎn)向手力偏大；②轉(zhuǎn)向力隨車速變化有明顯的建立，但轉(zhuǎn)向力的增益偏大；③彎道中高速行駛工況轉(zhuǎn)向力偏大。針對3 項(xiàng)問題進(jìn)行助力曲線優(yōu)化調(diào)校，其優(yōu)化前后對比如圖2。

不同車速下轉(zhuǎn)向時(shí)對方向盤施加的扭矩不同，而整車滿載前載荷是固定的，因此需要電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)輸入扭矩的不同，產(chǎn)生對應(yīng)的輸出扭矩，為駕駛員提供轉(zhuǎn)向助力[1]。轉(zhuǎn)向調(diào)校的總體方向：駐車低速輕便，高速穩(wěn)重。

在轉(zhuǎn)向小轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，助力矩應(yīng)最小，隨轉(zhuǎn)矩值的上升，助力矩逐漸上升后保持一定值不變。其中小轉(zhuǎn)矩內(nèi)電機(jī)小助力或不助力的目的為：保持駕駛時(shí)路面感覺的傳遞，防止喪失路感。而為保持較好的中間位置感覺，隨著車速的升高，不助力的區(qū)域應(yīng)增大。另一方面，助力上升后保持一定值不變，也是受電機(jī)峰值功率限值，達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的，避免過載情況。

根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向特性可知，汽車在靜止和低速狀態(tài)下受到的轉(zhuǎn)向阻力最大，因此需要的轉(zhuǎn)向助力值最大。為達(dá)此目的，原地和低速時(shí)轉(zhuǎn)向助力曲線最高。而隨著車速的增加，施加的轉(zhuǎn)向助力應(yīng)逐步減小，使駕駛員手力逐漸增大，以便獲得較好的路感，達(dá)到高速穩(wěn)定的目的，提高行車安全。

在中高車速下，曲線中助力矩增大到一定值時(shí)也應(yīng)該保持不變，且最高值的大小隨車速的增加逐漸降低，以便駕駛員手力有明顯清晰增加的感覺，提高駕駛樂趣。曲線隨車速、轉(zhuǎn)角增加，各曲線的間隙要保持均勻，過渡要平滑，使力的增加過程無突變無波動，力的線性感好。

由于本次調(diào)校助力電機(jī)功率提升，針對問題①，加大原地及低速時(shí)助力扭矩峰值大小，減小駕駛員手力，通過調(diào)校后評價(jià)測試滿足要求；針對問題②和問題③，增加各車速助力曲線間隙和峰值，使力的建立感清晰。而峰值提高可解決中高速和大轉(zhuǎn)角手力偏重問題。

圖2為調(diào)校前后基本助力曲線對比，橫坐標(biāo)為扭矩傳感器檢測到的扭矩信號，其中轉(zhuǎn)向角度和扭矩成正比關(guān)系；縱坐標(biāo)為助力電機(jī)扭矩的大小，值越大助力矩越大，手力越輕；不同顏色代表不同的速度下的助力曲線。通過調(diào)校前后的曲線對比可知，調(diào)校后曲線縱坐標(biāo)最大值提高到60 N·m，各速度下曲線峰值整體提高，且各曲線間隔較之前更加均勻，不同速度下曲線峰值有明顯的區(qū)分。經(jīng)過一輪轉(zhuǎn)向調(diào)校，轉(zhuǎn)向品質(zhì)有提升。

2.2 回正控制

汽車的主動回正功能與車輪結(jié)構(gòu)形式、車輪外傾角、主銷后傾角、內(nèi)傾角、四輪參數(shù)及前橋總成摩擦力矩相關(guān)[2]，而回正主要包括低速回正和高速回正。某車型回正性能主要有如下問題：①低速工況轉(zhuǎn)向回正有較大的殘余角，極限位置有卡滯情況；②中高速工況，小角度不回正，大角度回正速度偏快，方向盤有多次振蕩情況。針對這2 項(xiàng)問題，進(jìn)行回正和阻尼控制調(diào)校。

回正控制主要針對中低速工況，不同角度、不同車速下的回正參數(shù)不同。原地靜止工況不存在回正性能；低速工況下所需回正力矩最大；隨車速的增加四輪主動回正力矩增加，所需力矩逐漸降低。當(dāng)車速達(dá)到一定值后，助力矩為零，防止助力矩大于同工況下無助力時(shí)轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩，出現(xiàn)“打手”現(xiàn)象。

回正控制隨轉(zhuǎn)向角度的變化而逐漸增大，轉(zhuǎn)向達(dá)到一定角度后保持力矩恒定，0°轉(zhuǎn)向情況下方向盤已為回正狀態(tài)，回正力矩為零。而5～10°小角度工況，避免出現(xiàn)不回正情況，回正力矩最大。

圖3為回正控制曲線，橫坐標(biāo)為方向盤角度信號，縱坐標(biāo)為助力電機(jī)扭矩大小，不同的顏色代表不同的速度曲線。通過調(diào)校前后的回正控制曲線對比，調(diào)校前的曲線針對低速回正有較大殘余角，主要原因?yàn)榛卣夭蛔銓?dǎo)致。調(diào)校后提高各速度下的助力扭矩，另一方面針對低速極限位置卡滯情況，提高低速（圖3中5 km/h）時(shí)極限角度的助力扭矩值，可有效避免卡滯不回位情況。

圖2 某電動汽車轉(zhuǎn)向助力曲線（左：原始狀態(tài)，右：調(diào)校后）

2.3 阻尼控制

阻尼控制主要針對中高速工況，用于不同車速和不同角速度下的阻尼補(bǔ)償。阻尼補(bǔ)償主要為了避免車輛自身回正力矩過大不容易收斂，EPS 電機(jī)通以一定反向電流并持續(xù)一定的時(shí)間來抵消。當(dāng)小于一定車速時(shí)，不添加阻尼，以防止低速回位卡滯情況發(fā)生；而當(dāng)大于一定車速工況時(shí)，車速和轉(zhuǎn)向速率越快，阻尼補(bǔ)償越大，來限值方向盤回正后來回左右擺動情況。

阻尼控制的另一個(gè)目的，則是減小路面沖擊對方向盤的影響。汽車中高速行駛時(shí)，由于路面的激勵(lì)較大，傳遞到方向盤上的振動要比低速時(shí)大很多。為了抑制這種振動并優(yōu)化手感，必須采用阻尼控制。

圖4為阻尼控制曲線，橫坐標(biāo)為方向盤轉(zhuǎn)角變化的角速度，縱坐標(biāo)為助力電機(jī)扭矩大小，不同的顏色代表不同的速度。通過對比調(diào)校前后的阻尼控制曲線，調(diào)校后的曲線針對回正速度過快的問題，降低助力扭矩的縱坐標(biāo)大小，減少回正扭矩大小，以減緩回正速度。同時(shí)提高各曲線的斜率，阻尼控制更加精準(zhǔn)，可有效抑制方向盤在中高速回正時(shí)來回?cái)[動的問題。

通過回正和阻尼的協(xié)調(diào)調(diào)校，不同速度下的轉(zhuǎn)向回正性能有很大提升。

2.4 動態(tài)補(bǔ)償

由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加了助力電機(jī)和減速結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)質(zhì)量變大，隨之導(dǎo)致系統(tǒng)慣性變大，因此必須添加動態(tài)補(bǔ)償控制（圖5）。動態(tài)補(bǔ)償是根據(jù)預(yù)估的助力電機(jī)轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生一定反向的補(bǔ)償力矩，避免轉(zhuǎn)向電機(jī)在開始階段和結(jié)束階段存在轉(zhuǎn)向粘滯感，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向助力跟隨性變差。

摩擦補(bǔ)償：由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦的存在，使方向盤正轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)力矩均存在差異。摩擦補(bǔ)償可有效彌補(bǔ)這種力矩差，避免駕駛員有“發(fā)飄”的感覺，增強(qiáng)路感。

阻尼補(bǔ)償：用來克服電機(jī)的阻尼對EPS 動態(tài)性能的影響，保證高速時(shí)抑制回正超調(diào)和振蕩的情況發(fā)生。阻尼補(bǔ)償產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與助力電機(jī)的方向相反。

慣性補(bǔ)償：主要目的為克服轉(zhuǎn)向電機(jī)的慣量對輸出的影響，抑制輸出力矩?cái)_動，避免輸出存在力矩波動情況，影響轉(zhuǎn)向手感。

圖3 回正控制曲線（左：原始狀態(tài)，右：調(diào)校后）

圖4 阻尼控制曲線（左：原始狀態(tài)，右：調(diào)校后）

圖5 動態(tài)補(bǔ)償圖

3 主觀評價(jià)及客觀測試

從目前的汽車性能開發(fā)來說，都還是嚴(yán)格遵循著“從人的感覺中來，到人的感覺中去”的規(guī)則。也就是說，系統(tǒng)的性能開發(fā)是以人的感覺為出發(fā)點(diǎn)，然后設(shè)定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能工程目標(biāo)，最后再用主觀評價(jià)的方式對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，客觀測試作為輔助[3]。

3.1 主觀評價(jià)

對助力曲線進(jìn)行調(diào)校后的樣車，從轉(zhuǎn)向力、轉(zhuǎn)向響應(yīng)和轉(zhuǎn)向線性3 方面進(jìn)行主觀評價(jià)驗(yàn)證（表1），通過與調(diào)校前和目標(biāo)值進(jìn)行對比，達(dá)到目標(biāo)要求（圖6）。

3.2 客觀測試

主觀評價(jià)目標(biāo)達(dá)成，后續(xù)進(jìn)行一輪轉(zhuǎn)向客觀測試，作為最終的驗(yàn)證發(fā)布數(shù)據(jù)留存?？陀^測試主要進(jìn)行轉(zhuǎn)向力測試和中間位置轉(zhuǎn)向，采用設(shè)備為測力方向盤和V-box 車輛測試系統(tǒng)（圖7）。

表1 轉(zhuǎn)向主觀評價(jià)內(nèi)容

圖6 轉(zhuǎn)向主觀評價(jià)結(jié)果雷達(dá)圖

3.2.1 轉(zhuǎn)向力測試

轉(zhuǎn)向力測試中，包括原地轉(zhuǎn)向力和低速轉(zhuǎn)向力，測試方法參考JASO C705-2004 中的要求。通過測試結(jié)果可以看出（表2），駐車及低速的目標(biāo)為輕便，減輕駕駛員操作手力。經(jīng)過對比，調(diào)校前平均力矩為2.53 N·m，調(diào)校后為1.47 N·m，總體轉(zhuǎn)向力矩有下降，符合一般客戶的使用要求。

3.2.2 中間位置轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

中間位置轉(zhuǎn)向試驗(yàn)方法參考ISO13674-1-2010[4]。通過測試不同車速下（40 km/h、60 km/h、80 km/h 和100 km/h），側(cè)向加速度為0 g 和0.1 g 時(shí)方向盤力矩值（表3）。通過測試結(jié)果可以得出，隨著車速的逐漸提高，方向盤力矩逐漸增加，力的建立清晰。

表2 轉(zhuǎn)向力測試結(jié)果

圖7 轉(zhuǎn)向客觀試驗(yàn)安裝圖

表3 中間位置轉(zhuǎn)向試驗(yàn)結(jié)果/N·m

4 結(jié)束語

綜上所述，電動助力轉(zhuǎn)向調(diào)校的過程，首先針對調(diào)校車輛進(jìn)行一輪初始狀態(tài)主觀評價(jià)，針對評價(jià)后的問題點(diǎn)，專項(xiàng)進(jìn)行問題整改及性能優(yōu)化。其過程主要是進(jìn)行轉(zhuǎn)向曲線的優(yōu)化調(diào)校，包括調(diào)整基本助力、回正控制、阻尼控制和動態(tài)補(bǔ)償?shù)葏?shù)，然后根據(jù)調(diào)校的經(jīng)驗(yàn)值和推薦值設(shè)定曲線的范圍和方向。當(dāng)調(diào)校后目標(biāo)達(dá)到要求后再進(jìn)行一輪主觀評價(jià)和客觀測試留存。當(dāng)軟件不能滿足要求后，可以通過提升轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度（轉(zhuǎn)向管柱總成或轉(zhuǎn)向機(jī)安裝座襯套等），輔助提升轉(zhuǎn)向性能。