助力轉(zhuǎn)向?qū)MS 系統(tǒng)怠速控制的影響

馮華帥 蘆英杰 麥衛(wèi)平 麥衛(wèi)平 葉才盛

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

EMS 發(fā)動機控制系統(tǒng)能夠在怠速工況實現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)控制，完全暖機后目標(biāo)怠速一般設(shè)定在750±50rpm，開啟空調(diào)后則會相應(yīng)的提高到800±50rpm，防止未知負(fù)載如突然打開大燈、轉(zhuǎn)動方向盤、開啟雨刮負(fù)載等突然的施加造成發(fā)動機熄火，引起售后市場問題。雖然提高靜態(tài)目標(biāo)怠速能夠有效規(guī)避發(fā)動機熄火問題，但是附帶會引起NVH 問題，主觀感受受到影響。隨著電氣化、智能化的推動，目前整車集成更多的是采用電機助力系統(tǒng)EPS（Electornic Power Steering），通過電機的輔助能夠讓駕駛員輕松方便的控制方向盤的轉(zhuǎn)動，助力電機由蓄電池或者發(fā)電機提供電壓，通常來說發(fā)電機通過皮帶與發(fā)動機直接連接，是一種未知的外加負(fù)載，當(dāng)EPS 工作的時候，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制也會受到影響。所以，就如何在有限的目標(biāo)怠速閥值范圍內(nèi)實現(xiàn)精準(zhǔn)的EMS 怠速控制提出了挑戰(zhàn)性。文本結(jié)合整車項目開發(fā)經(jīng)驗，分析和助力轉(zhuǎn)向?qū)Φ∷倏刂频挠绊懙慕庾x，提出了一些工程改進(jìn)方案和改進(jìn)前后的測試結(jié)果，以提供工程借鑒和參考。

2 理論分析

2.1 怠速控制

為了滿足整車不同控制模塊之間的架構(gòu)需求，通常定義以扭矩為接口進(jìn)行控制需求和干預(yù)上的交互，所以，在架構(gòu)平臺化的基礎(chǔ)上，EMS 控制系統(tǒng)中的怠速控制也會通過扭矩結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。（在整車上，不同的控制模塊之間的通訊通常是通過CAN 總線發(fā)送通訊信號，發(fā)送方發(fā)送指令給接收方，接收方進(jìn)行響應(yīng)作出動作，常用的通訊信號有標(biāo)志位、有轉(zhuǎn)速請求值、還有扭矩請求值，這些設(shè)計理念是為了更好的實現(xiàn)整車平臺化）EMS 控制系統(tǒng)實現(xiàn)怠速控制的時候一般會設(shè)定一個隨著發(fā)動機水溫變化而變化的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機輸出力矩（扭矩）和阻力力矩的達(dá)到一種平衡的狀態(tài)，這是一個可以標(biāo)定的Map，一般結(jié)合臺架試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計算后可以得到。然而實際的阻力力矩如泵氣損失、機械損失、液力變矩器的泵輪損失等往往會隨著未知的外界因素變化，所以怠速控制中一般還包含PID 調(diào)節(jié)，使怠速控制圍繞著目標(biāo)轉(zhuǎn)速在一定閥值范圍內(nèi)波動，如下圖1 所示。同時，為了控制上調(diào)節(jié)的更合理，在實際工程應(yīng)用中通常EMS 系統(tǒng)中還包含PID 控制因子自學(xué)習(xí)的邏輯，控制較慢的時候，PID 參數(shù)會逐漸變大，以使收斂到目標(biāo)怠速值的速度更快，從而不引起駕駛感知的過差。然而，這種自學(xué)習(xí)的方式當(dāng)系統(tǒng)存在故障模式時會帶入一些問題，工程上稱之為學(xué)習(xí)不合理，出現(xiàn)這種情況時，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)嚴(yán)重偏離控制目標(biāo)怠速值，這個時候為了解決這種風(fēng)險，則需要引入學(xué)習(xí)邊界、學(xué)習(xí)時常、學(xué)習(xí)死區(qū)等防冗余邏輯，以規(guī)避自學(xué)習(xí)值過大或者過小，引起失控。

圖1 系統(tǒng)怠速控制示意圖

PID 調(diào)節(jié)原理如下，由于D 項對于噪聲的調(diào)控較為靈敏，對于EMS 怠速控制系統(tǒng)來說通常只有PI 部分的調(diào)控。

其中，e（t）是系統(tǒng)偏差，即控制誤差，u（t）是被控制對應(yīng)的控制輸出偏移量，t 是時間，Kp、KI、Kd分別為P 項、I 項、D 項控制因子，是一個可以標(biāo)定的部分。

2.2 扭矩補償

由于PID 控制是一種通過控制偏差反饋回系統(tǒng)進(jìn)而補救的一種理論，在實際工程環(huán)境下，即使EMS 控制系統(tǒng)引入了PID 控制也會導(dǎo)致控制上的遲滯，甚至有可能會出現(xiàn)失控的情況。為了規(guī)避這種風(fēng)險，EMS 控制系統(tǒng)引入另一種反饋的控制方式，即扭矩補償。其目的除了可以防止發(fā)動機熄火，還可以避免由于系統(tǒng)偏差過大導(dǎo)致的PID 控制因子學(xué)習(xí)過大。補償扭矩通常會根據(jù)上一輪的控制表現(xiàn)或者CAN 總線的觸發(fā)信號，根據(jù)設(shè)定提前給多一點輸出扭矩，當(dāng)外界負(fù)載突然變化的時候發(fā)動機轉(zhuǎn)速才不會有過大的轉(zhuǎn)速掉坑，但是也不能過早的補償扭矩，否則會引起較大的轉(zhuǎn)速鼓包現(xiàn)象，有些EMS 控制系統(tǒng)在設(shè)計上會更加的靈活，比如會加入扭矩補償?shù)淖詫W(xué)習(xí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)初始設(shè)定的扭矩補償值在某一次的突加負(fù)載下不足以保持控制目標(biāo)穩(wěn)定的話，便會增加扭矩補償值，即在基礎(chǔ)值上增加一個偏移值，在用于抵御下一次的突加負(fù)載，同時為了避免多余的扭矩補償，還會限定補償?shù)倪吔?、補償隨時間的衰減系數(shù)等等。扭矩補償?shù)幕驹砣鐖D2 所示。另外，還需要注意的是，在扭矩補償過程時的數(shù)值不宜設(shè)定過大，還會影響發(fā)動機燃油經(jīng)濟(jì)性。扭矩補償與儲備扭矩的本質(zhì)區(qū)別在于激活方式的不一樣，其實現(xiàn)的原理都是EMS 控制系統(tǒng)在進(jìn)氣、噴油、點火上的靈活實現(xiàn)。

圖2 PID參數(shù)自學(xué)習(xí)邏輯示意圖

圖3 EMS控制系統(tǒng)扭矩補償示意圖

圖4 EPS負(fù)載標(biāo)志位作動示意圖

2.3 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（又稱EPS）一般由助力電機、EPS 控制模塊、扭矩傳感器、減速器等組成，在轉(zhuǎn)向過程中，方向盤信號作用輸入給EPS 控制模塊后，由控制模塊根據(jù)工況前饋實時輸出電機電流，再根據(jù)檢測到的電壓反饋值實時對摩擦、阻尼、彈簧回位、車輪慣性等進(jìn)行修正，所以方向盤轉(zhuǎn)動角度和EPS 電機電流變化的不完全是線性關(guān)系，這種關(guān)系的遲滯性可以通過EPS 控制模塊采集到的反饋電流后通過CAN 信號發(fā)給EMS 控制模塊，進(jìn)而達(dá)到對目標(biāo)怠速的精準(zhǔn)控制。一般來說，可以用如下關(guān)系來表示EPS 工作狀態(tài)（EPS 負(fù)荷）發(fā)到CAN 總線的信號：

1＞EPS 電機工作電流上升過程中≥15A時，CAN 總線相關(guān)標(biāo)志位置位

2＞EPS 電機工作電流下降過程中≤10A時，CAN 總線相關(guān)標(biāo)志位不置位

3 控制策略

當(dāng)EMS 控制系統(tǒng)中收到EPS 工作狀態(tài)標(biāo)志后，發(fā)動機的輸出扭矩就可以開始補償，扭矩補償?shù)姆绞街饕譃槿缦聝煞N方式來加載。需要注意的是，在扭矩補償?shù)倪^程中，怠速PID 調(diào)節(jié)也是實時參與控制的，扭矩補償值過大會引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化過大，進(jìn)而影響PID 參數(shù)自學(xué)習(xí)過程。

3.1 靜態(tài)扭矩補償

當(dāng)EPS 工作狀態(tài)置位后，EMS 控制系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定好的靜態(tài)扭矩補償數(shù)值直接加載扭矩，是一種扭矩多補償和立即執(zhí)行的概念，一般通過點火角前推實現(xiàn)。這是因為考慮到車輛散差以及不確定因素如溫度、濕度的影響導(dǎo)致發(fā)動機負(fù)載過大，防止導(dǎo)致發(fā)動機熄火。當(dāng)EPS 工作狀態(tài)不置位的時候或者超過一定標(biāo)定時間后，靜態(tài)扭矩補償會立刻去除，防止EPS 工作狀態(tài)的錯誤發(fā)送導(dǎo)致的發(fā)動機轉(zhuǎn)速鼓包甚至飛車現(xiàn)象。

3.2 動態(tài)扭矩補償

當(dāng)EPS 電機轉(zhuǎn)動起來后，動態(tài)扭矩加載過程實際是一種衰減的概念，這是因為由于電機負(fù)載的特性，電機最初轉(zhuǎn)動起來需要克服的靜摩擦力要比動摩擦更大，所以電機負(fù)載阻力是一個先大后小的關(guān)系。引入動態(tài)衰減的概念，能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩平穩(wěn)的過渡，從而發(fā)動機轉(zhuǎn)速不會產(chǎn)生過大的偏移。

實際上這兩種方式扭矩補償?shù)姆绞娇梢愿鶕?jù)EPS 電機散差靈活運用，通過標(biāo)定手段選擇單一邏輯或者兩者一起使用，如下圖5所示。

圖5 EMS扭矩補償邏輯示意圖

4 試驗結(jié)果

對五菱某款車型測試在怠速下突然轉(zhuǎn)動方向盤的情況，試驗設(shè)備及測試點布置如圖6，圖7 所示。測試結(jié)果顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤時，由于EPS 電機工作狀態(tài)置位不合理，實際負(fù)載作用時未置位，導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速有凹坑，如下圖8 所示。增加及改進(jìn)EPS 負(fù)載標(biāo)志位作動的電流閥值后，怠速工況下即使遇到方向盤突然轉(zhuǎn)動所帶來的突加未知負(fù)載，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速仍然能夠很好的控制在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，如下圖9 所示。另外，結(jié)合工程經(jīng)驗，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速開始掉坑到轉(zhuǎn)速谷底的時間寬度1/3 處對應(yīng)的電流值為基準(zhǔn)，調(diào)整為EPS電機工作狀態(tài)置位電流閥值，依次反復(fù)縮短時間軸和電流基準(zhǔn)值，最終確定調(diào)整EPS 電機工作狀態(tài)置位的電流閥值大小，同時結(jié)合靜態(tài)動態(tài)扭矩補償?shù)募虞d方式，能夠優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制。

圖6 電流試驗測試設(shè)備

圖7 電流測試點示意圖

圖8 改進(jìn)前怠速測試結(jié)果圖

圖9 改進(jìn)后怠速測試結(jié)果圖

5 結(jié)語

本文分析了助力轉(zhuǎn)向?qū)Φ∷倏刂朴绊懙年P(guān)鍵是如何讓EMS 系統(tǒng)準(zhǔn)確識別這種未知的外加負(fù)載，從而防止出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的掉坑或鼓包的現(xiàn)象。一種可取的方式是可以通過在CAN 總線上發(fā)送EPS 電機工作狀態(tài)標(biāo)志位，EMS 系統(tǒng)識別到該標(biāo)志位后進(jìn)行扭矩上的補償，而其實施難點是需要通過實驗的方式確定EPS 電機工作電流與實際負(fù)載加載的真實關(guān)系。電流閥值的確定需要通過多樣本的采樣點，有必要的話電流閥值可以放得更寬以考慮不同樣本之間的散差。另外本文通過對EMS 怠速控制的原理進(jìn)行了解析，PID參數(shù)自學(xué)習(xí)的原理和存在的風(fēng)險，還提出了結(jié)合靜態(tài)和動態(tài)扭矩補償加載方式，可以更有效和靈活的去克服怠速控制過程中的未知負(fù)載。