新能源汽車電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：伴隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車領(lǐng)域的相關(guān)控制理論逐漸增多，微電子技術(shù)得到了全面的進(jìn)步，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)并被廣泛使用，此類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究逐漸成為新能源汽車設(shè)計(jì)中的熱點(diǎn)。據(jù)此，主要從新能源的汽車設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)其內(nèi)部采用的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析，提升了新能源汽車在運(yùn)行過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)型的精準(zhǔn)性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng);電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向;EPS 控制策略

中圖分類號(hào)：U463.4收稿日期：2022-05-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.019

1 前言

伴隨著現(xiàn)代化社會(huì)的建設(shè)，人們?cè)诔鲂羞^(guò)程中能夠選擇的方式逐漸增多，由于在經(jīng)濟(jì)狀況改善的情況下，更多人會(huì)選擇私家車，這使得社會(huì)面的車輛數(shù)量不斷增多。在綠色環(huán)保理念的發(fā)展下，傳統(tǒng)的燃油汽車對(duì)于環(huán)境帶來(lái)了較大的污染，相應(yīng)推動(dòng)了新能源汽車的發(fā)展與進(jìn)步。新能源汽車是一種全新的汽車種類，因此在設(shè)計(jì)中也相應(yīng)地與傳統(tǒng)燃油汽車區(qū)分，需要形成針對(duì)性的設(shè)計(jì)體系，才可以保障汽車的安全性。

2 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車內(nèi)部組成中十分重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)部件，也是保障汽車安全駕駛的重要安全裝置。在其構(gòu)件的運(yùn)行中，需要嚴(yán)格地基于駕駛?cè)藛T的意愿，進(jìn)行自由地控制汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)件一方面直接影響到汽車行駛過(guò)程中的操縱性，對(duì)汽車的操作效率、操作節(jié)能性、機(jī)動(dòng)性等起到了關(guān)鍵影響。另一方面，還要保障該結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)各種駕駛工況，例如對(duì)于常見(jiàn)的直線行駛、正常轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向以及快速轉(zhuǎn)向等，可以基于不同的行車速度，保持較高的運(yùn)行穩(wěn)定性。在長(zhǎng)期的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都是設(shè)計(jì)人員十分關(guān)注的重要領(lǐng)域。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了純機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這幾個(gè)系統(tǒng)類型。

3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)

電動(dòng)助力是整個(gè)汽車行業(yè)未來(lái)發(fā)展和研究的主要內(nèi)容，相較其他的類型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它有著諸多的優(yōu)勢(shì)。

3.1 節(jié)能環(huán)保

在EPS系統(tǒng)當(dāng)中，并不會(huì)設(shè)置液壓裝置，這是一種按需供能的設(shè)計(jì)方式，只有在系統(tǒng)運(yùn)行中，才會(huì)提供充足的能源，因此相較傳統(tǒng)系統(tǒng)，節(jié)約了大量的能源消耗。特別是相較液壓動(dòng)力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)90%的能耗節(jié)約值。而在不轉(zhuǎn)向的時(shí)候，則可以降低2.5%的能耗。這樣的系統(tǒng)首先在啟動(dòng)階段并不需要預(yù)熱，因此避免了能耗的損失。其次，也避免了在進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中的液態(tài)油的泄露問(wèn)題，解決了帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，符合當(dāng)下的環(huán)保方面的需求。

3.2 助力效果好

在設(shè)計(jì)出EPS系統(tǒng)之后，能夠針對(duì)不同汽車行駛工況，對(duì)助力系統(tǒng)進(jìn)行集中的優(yōu)化，全面地保障助力流程的準(zhǔn)確性與可靠性，提升助力的效果。另外，也可以基于阻尼控制的方式，降低因路面不平而所帶來(lái)的轉(zhuǎn)向阻礙。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，能夠提升汽車在高速行駛過(guò)程中的整體運(yùn)行安全性。

3.3 重量降低

相較傳統(tǒng)的HPS系統(tǒng)，采用的EPS系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，同時(shí)使用的零部件數(shù)量也比較少，這樣可以降低汽車的總重量，也相應(yīng)地在進(jìn)行實(shí)際的結(jié)構(gòu)布置環(huán)節(jié)，為工作人員提供一定的便利，甚至也相應(yīng)地降低在后續(xù)維修環(huán)節(jié)工作過(guò)程中的噪聲山。

3.4 安全性較高

即便是在運(yùn)行時(shí)，EPS系統(tǒng)出現(xiàn)了故障問(wèn)題，系統(tǒng)也相應(yīng)地利用電磁離合器，馬上切斷電機(jī)與減速傳動(dòng)及機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳送，使其進(jìn)入純機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)當(dāng)中。另外，所采用的系統(tǒng)動(dòng)力方式由電機(jī)直接提供動(dòng)力，因此這樣的系統(tǒng)會(huì)獨(dú)立于汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在DC-DC系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)，即便汽車未啟動(dòng)也可以提供一定的動(dòng)力[2]。

3.5 開發(fā)周期降低

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在前期進(jìn)行研發(fā)的周期雖然比較長(zhǎng)，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一旦完成了初步設(shè)計(jì)，就可以在后續(xù)進(jìn)行針對(duì)性修改與調(diào)整，快速地與特定車型實(shí)現(xiàn)匹配，這種設(shè)計(jì)CG8derqc5Uhdkz6PRkML8A==方式可以很好地提升不同類型汽車的研發(fā)效果。

4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類及工作原理

基于汽車助力電機(jī)裝配位置的不同，在設(shè)計(jì)出的EPS系統(tǒng)中，可以分為以下類型：轉(zhuǎn)向軸EPS，應(yīng)用到小型汽車中;齒輪式EPS，運(yùn)用在中型汽車上;齒條式EPS，助力電機(jī)主要安裝到小齒輪齒條上，利用齒條的處理方式可以提供充足的動(dòng)力，基本上應(yīng)用到一些重型車輛與高級(jí)轎車中。所采用的齒條處理方式，也分電機(jī)軸與齒條軸的布置方式，C-EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CEPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式需要設(shè)計(jì)出電子控制單元、轉(zhuǎn)矩傳感器、角度傳感器、轉(zhuǎn)向盤等構(gòu)件。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，利用轉(zhuǎn)向軸與扭桿相連接，在輸入軸與輸出軸組成上，需要經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)、離合器以及助力電機(jī)進(jìn)行連接4。在駕駛?cè)藛T轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的過(guò)程中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要投入運(yùn)行，轉(zhuǎn)向柱上的扭矩和角度的傳感器，就會(huì)將方向盤上的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息全面地傳入到ECU中。在ECU中的轉(zhuǎn)向力矩大小以及方向、發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)節(jié)，要對(duì)助力的大小以及方向進(jìn)行相應(yīng)的處理。一旦需要助力電機(jī)的時(shí)候，往往要完成一個(gè)良好的助力效果，一旦出現(xiàn)了故障問(wèn)題，就需要對(duì)轉(zhuǎn)向進(jìn)行針對(duì)性的分析以及處理。

一個(gè)良好的控制方式可以讓駕駛?cè)藛T在對(duì)方向盤的操控時(shí)，全面保障操作方面的良好，同時(shí)保障駕駛過(guò)程中的體驗(yàn)提升，無(wú)論是在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反應(yīng)速度、實(shí)時(shí)性，都發(fā)揮出相應(yīng)的技術(shù)效果。伴隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，更高性能的MCU以及電機(jī)專用的驅(qū)動(dòng)芯片，也相應(yīng)地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等各種復(fù)雜的算法引用到系統(tǒng)中，提升EPS系統(tǒng)助力的實(shí)時(shí)性與效果，進(jìn)一步提升電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體效果[5]。

5 電動(dòng)汽車EPS控制策略和算法

控制策略以及算法的設(shè)計(jì)，一直都是新能源汽車領(lǐng)域中所關(guān)注的十分重要的內(nèi)容，也是EPS控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)所在，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)分析。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以很好地降低駕駛?cè)藛T駕駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向力，因此相應(yīng)提升整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的便捷性、跟隨性以及實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)就可以發(fā)揮出抑制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)情況。控制策略以及算法的使用，正是為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能性所建立出的理性化的助力模型，同時(shí)保障助力特性的曲線，這對(duì)于系統(tǒng)跟蹤其助力特性曲線的基本算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真、EPS控制器設(shè)計(jì)、臺(tái)架試驗(yàn)以及實(shí)車試驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的正確分析。

5.1 整車布置

為了全面滿足汽車在行駛過(guò)程中的性能預(yù)期，同時(shí)不對(duì)底盤系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的改動(dòng)，首先就要在設(shè)計(jì)過(guò)程中保障原車的變速箱和離合器的設(shè)計(jì)。其次，還需要整車的質(zhì)量和重心始終不會(huì)出現(xiàn)變化，在電池組的合理安排過(guò)程中，要盡可能地進(jìn)行分散化的布置設(shè)計(jì)。再次，還要將專用件進(jìn)行精細(xì)化的合理設(shè)計(jì)分析，全面降低總體的重量。

整車的布置過(guò)程中，電機(jī)輸出軸基本上是利用花鍵的設(shè)計(jì)方式，與原車變速箱進(jìn)行配接，在原發(fā)動(dòng)機(jī)以及變速箱位置的設(shè)置中，電機(jī)控制器與DC-DC設(shè)計(jì)時(shí)，要放置在電機(jī)的上方，其中制動(dòng)真空助力系統(tǒng)設(shè)置在變速箱的前方。一方面，這樣的整車布置方式，使得整車的空載時(shí)前軸負(fù)荷程度變化并不大，基本上符合設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求。另一方面，在這種設(shè)計(jì)方式下，需要避免使用全速型的EPS系統(tǒng)。

5.2 EPS控制策略以及算法設(shè)計(jì)

新能源汽車在不同的行駛速度中，需要EPS控制部件，利用不同的助力電機(jī)提供的電流，實(shí)現(xiàn)精確性較高的轉(zhuǎn)向助力。這樣的設(shè)計(jì)方式可以很好地降低駕駛?cè)藛T的操作負(fù)擔(dān)值，也相應(yīng)地全面保障了整體的路感效果。實(shí)際進(jìn)行運(yùn)行過(guò)程中，該系統(tǒng)不僅僅能夠?qū)ζ囋诘退俚那闆r下進(jìn)行較為便捷的操作，也可以很好地在汽車高速行駛中提供充足的操作穩(wěn)定性。這樣的設(shè)計(jì)方式主要是將便捷性與路感進(jìn)行合理的權(quán)衡設(shè)計(jì)。

EPS系統(tǒng)中的控制策略選擇，以及確定出控制算法，是決定EPS系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在不同類型的汽車行駛過(guò)程中，不同的行駛狀態(tài)下，助力轉(zhuǎn)向控制方法常見(jiàn)的有三種，分別為助力控制、阻尼控制以及回正控制。在車輛處于原地轉(zhuǎn)向或者低速行駛的時(shí)候，基本上以助力控制方式為主。而在車輛中低速行駛的時(shí)候，則會(huì)采用助力與回正控制結(jié)合的方式。在車輛高速行駛的狀態(tài)下，會(huì)采用阻尼控制的方式，避免車輛由于行駛過(guò)程中過(guò)快而直接導(dǎo)致側(cè)滑或者翻車。在不同的控制方式下，要讓系統(tǒng)中的中央處理元件與系統(tǒng)核心部件，進(jìn)行有效的聯(lián)系與協(xié)同，將設(shè)計(jì)好的控制策略以及數(shù)據(jù)信息的算法儲(chǔ)存到微處理器中，進(jìn)行及時(shí)的處理。

5.2.1 助力控制模式與措施

助力控制模式是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中十分基礎(chǔ)的控制方式。這種控制模式可以幫助駕駛?cè)藛T提供駕駛體驗(yàn)，也相應(yīng)地全面提升車輛運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。這種模式基本上可以讓EPS助力電動(dòng)機(jī)提供充足的動(dòng)能，同時(shí)保障車輛在原地轉(zhuǎn)向的時(shí)候，為EPS提供充足的動(dòng)力，充分地保障車輛行駛的安全性。

助力力矩基本上與電機(jī)的電流始終成一個(gè)特定的比例關(guān)系，因此一般情況下都會(huì)使用方向盤力矩為橫坐標(biāo)，而將電機(jī)電流以及輸出扭矩當(dāng)作縱坐標(biāo)，同時(shí)還要充分考量到車速的變化情況進(jìn)行針對(duì)性的處理，以此形成關(guān)系曲線，更加直觀了解到助力的特性。

VMOUs8ypwZj2D8LW5FM30Q==當(dāng)下助力控制模式與傳統(tǒng)的HPS設(shè)計(jì)方式并不相同。HPS在完成制造之后，其特性曲線始終保持不變，并不會(huì)受到外界環(huán)境的影響，除非進(jìn)行底盤的整體調(diào)整。但是在采用EPS的時(shí)候，為了保障得到理想的特性曲線，就需要對(duì)其車速、扭矩以及傳感器的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析。設(shè)計(jì)出的助力特性曲線還要能夠協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向與其駕駛體驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)性，能夠在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中始終保障手動(dòng)轉(zhuǎn)向的一致性、準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)向過(guò)程中的輕便，也是設(shè)計(jì)的基本要求。

5.2.2 回正控制模式

回正控制模式需要在轉(zhuǎn)向車輪的過(guò)程中恢復(fù)到直線行駛位置。該系統(tǒng)研發(fā)基本上還在初級(jí)階段，因此EPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就需要充分地提供車輛在實(shí)際轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)可以始終保持合理的助力大小。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與其HPS相同，并不會(huì)使用回正控制模式，因此車輛行駛中的回正能力，都是基于汽車的參數(shù)決定的。

汽車行駛中的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)，要保障對(duì)其各種影響因素進(jìn)行全面的分析以及處理，在科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方式下，才可以很好地對(duì)其EPSDE電動(dòng)汽車的實(shí)際轉(zhuǎn)向進(jìn)行合理化的處理。

5.2.3 阻尼控制模式

阻尼控制模式可以很好地保障汽車在高速直線行駛的過(guò)程中，有一個(gè)良好的駕駛穩(wěn)定性。在減少回正的過(guò)程中，由于EPS系統(tǒng)的慣性，在大于機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性的情況下，會(huì)直接導(dǎo)致不收斂的情況，并在汽車運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)一定程度的問(wèn)題。

汽車在實(shí)際的行駛過(guò)程中，因受到地面摩擦力的降低而逐漸出現(xiàn)車輛環(huán)向模式的輕便與靈敏，但是這樣也會(huì)導(dǎo)致車輛出現(xiàn)方向盤發(fā)飄的情況。為了很好地提升駕駛體驗(yàn)，就要在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)置出良好的阻尼模式，以此保障駕駛?cè)藛T保持一個(gè)較為合理的方向盤的阻尼感，不會(huì)受到外界因素的影響，導(dǎo)致駕駛體驗(yàn)不佳。同時(shí)，還要對(duì)四驅(qū)進(jìn)行阻尼控制，這樣就可以避免在高速駕駛的時(shí)候出現(xiàn)方向盤的抖動(dòng)問(wèn)題，特別是要保持方向盤始終在中心位置，提升汽車行駛過(guò)程中的安全穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)明顯的駕駛體驗(yàn)的下降問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效率的行駛。

6 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代化的汽車發(fā)展中，新能源汽車成為研究的重要領(lǐng)域，為了保障駕駛過(guò)程中的安全性與穩(wěn)定性，就需要針對(duì)汽車的實(shí)際特性，積極地調(diào)整轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，以此滿足新能源汽車行駛需求，提升整體的駕駛體驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

王書衡，男，1992年生，助教，研究方向?yàn)檐囕v工程。