魏萬迎，殷國富，田大慶

WEI Wan-ying1,2, YIN Guo-fu1, TIAN Da-qing1

（1. 四川大學(xué) 制造學(xué)院，成都 610065；2. 成都大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610106）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙閉環(huán)模糊PID控制系統(tǒng)分析

Analysis on eps machitrical fuzzy dual closed-loop control system

魏萬迎1,2，殷國富1，田大慶1

WEI Wan-ying1,2, YIN Guo-fu1, TIAN Da-qing1

（1. 四川大學(xué) 制造學(xué)院，成都 610065；2. 成都大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610106）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是機電結(jié)合的控制系統(tǒng)，電流PID控制是以目標電流和反饋電流為差值的閉環(huán)控制系統(tǒng)，模糊控制是以機械轉(zhuǎn)向軸取差值的機電閉環(huán)控制系統(tǒng)，本文以力矩反饋環(huán)為外環(huán)，電流反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，設(shè)計了一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。將模糊PD控制的輸出作為助力目標值，然后進行電流PID控制，快速跟蹤目標力矩。 經(jīng)仿真模擬, 雙閉環(huán)模糊PID控制使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的跟蹤性和穩(wěn)定性。

助力轉(zhuǎn)向；電流PID控制；模糊控制；模糊PID控制；機電雙閉環(huán)

0 引言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是目前車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究熱點。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用是可靠、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)車輪方向，但從實質(zhì)上講，這是由駕駛員來完成的，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要功能是使駕駛員操作更方便舒適、使轉(zhuǎn)向更加穩(wěn)定可靠。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）在助力時是一個力跟隨隨動系統(tǒng)，由扭矩傳感器測得轉(zhuǎn)向柱扭矩，經(jīng)控制器以一定算法處理后產(chǎn)生控制信號，經(jīng)H橋驅(qū)動電路輸出電壓U到電機電樞上，驅(qū)動電機產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩。目前控制器實際使用的控制算法以電流PID(PD) 控制和模糊控制較為普遍，前一種是電機電樞電流反饋形成電流差值PID控制，后一種是通過轉(zhuǎn)向柱角度的機械反饋形成角度差值（反映為扭矩）控制，后者通常采用模糊控制，或模糊自適應(yīng)PID控制。為提高控制性能，本文在不增加硬件的條件下，將兩者結(jié)合，形成模糊PID機電雙閉環(huán)控制策略來提升控制效果。經(jīng)仿真，模糊PID雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的跟隨能力得到增強。

1 EPS建模系統(tǒng)

把汽車前輪和轉(zhuǎn)向機構(gòu)向轉(zhuǎn)向軸簡化,得到簡化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型如圖1 所示。汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件包括:扭矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電子控制單元(Elec- tric Control Unit ,簡稱ECU) 、直流電動機和帶離合器的減速機構(gòu)。扭矩傳感器檢測到的扭矩信號、車速傳感器檢測到的車速信號和電流傳感器檢測的電機電樞電流信號送入ECU，根據(jù)車速信號和扭矩信號決定電動機的目標電流的大小；反饋的電機電樞電流經(jīng)PID電流控制跟蹤目標電流，決定電機助力矩, 以保證汽車在低速行駛時輕便靈活, 高速行駛時穩(wěn)定可靠。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型示意圖

2 轉(zhuǎn)向柱受力形成扭矩Ts

研究的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 駕駛員手力Tsw通過轉(zhuǎn)向盤施加到轉(zhuǎn)向柱的上部；電機助力Tm經(jīng)減速裝置

加到轉(zhuǎn)向柱的下部，旋轉(zhuǎn)方向與Tsw

相同；路面阻力TR 由傳動結(jié)構(gòu)作用于轉(zhuǎn)向

柱的下部，旋轉(zhuǎn)方向與Tsw相反；轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器反映了轉(zhuǎn)向柱的形變，轉(zhuǎn)向柱上、下部的作用力矩差值決定轉(zhuǎn)向柱的形變角Δ，扭矩Ts由角度Δ決定。

當Tsw增大，Δ增大，Ts增大；

當Tm增大，Δ減小，Ts減?。?/p>

當TR增大，Δ增大，Ts增大；

即：在轉(zhuǎn)向柱上，

Ts = Tsw + TR－Tm = Tsw－(Tm－TR)

或：Tsw = Ts + (Tm－TR)

3 控制策略分析

通常采用的控制策略有兩種方法，一種是機電閉環(huán)反饋模糊控制，由機械部件轉(zhuǎn)向軸反映出上下部力矩差值，由Ts表示，在ECU中，作PD運算后，輸出電機控制電壓：

Ud = KpTs + Kd dTs/dt

圖2 模糊控制示意圖

模糊控制器我們采用常見的二維結(jié)構(gòu)，以誤差和誤差的變化率為輸入，以控制量的目標值為輸出。模糊控制器為Mamdani型，去模糊化采用重心法。定義E、Ec、U模糊量的模糊子集均為{NB,NM, NS,ZO, PS, PM, PB }，分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中和正大，E和Ec的論域均為[- 6, 6], U的論域為[0, 12]。

另一種是電流閉環(huán)PID反饋控制，根據(jù)車速信號和扭矩信號根據(jù)經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)得到助力特性曲線，由此決定電動機的目標電流I的大小，再從電流傳感器檢測出電機電樞電流Im，在ECU中，算出電流差值，經(jīng)PID運算，輸出電機電壓控制信號:

Ud = Kp（Ia－Im） + Kd d（Ia－Im）/dt

電流閉環(huán)PID反饋控制能夠加快對目標轉(zhuǎn)矩的跟隨能力。

圖3 電流PID控制示意圖

將機電反饋模糊閉環(huán)控制作為外環(huán)，電流PID反饋控制作為內(nèi)環(huán)，可以組成雙閉環(huán)PID反饋控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)將轉(zhuǎn)向軸扭矩信號經(jīng)模糊算法處理確定電動機的目標電流I（決定電機助力力矩），可以解決EPS系統(tǒng)的非線性時變不確定性問題；后者時間常數(shù)小，實時性強，能快速縮小電機電樞反饋電流和目標電流的差值，故能提高系統(tǒng)的力跟隨性能。

I = KP1Ts + Kd1 dTs/dt

Ud = Kp（I－Im）+ Kd d（I－Im）/dt

圖4 雙閉環(huán)PID控制示意圖

與一般電機的位移、電流雙閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)不同，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角位移反饋是由機械部件傳遞，由轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器將其角位移差值反映為扭矩電信號，送到控制器進行處理。

4 仿真結(jié)果與分析

采用上述的電流PID控制、模糊PD控制和模糊PID閉環(huán)控制三種控制策略，對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在Matlab軟件下進行仿真計算分析。仿真計算時, 其相關(guān)的參數(shù)如下：Ra=0.167Ω，La=0.00015H，Kv=0.057V /rad·s-1，Kt=0.04N·m /A， Jp=0.00018 kg·m，Bp=0.003 399N·m·s/ rad ；

圖5 三種控制策略階躍響應(yīng)比較

從圖5可見，電流PID控制的調(diào)整時間約為0.3s，超調(diào)量為20%；模糊控制的調(diào)整時間約為0.12s，超調(diào)量為7%。機電雙閉環(huán)PID控制的調(diào)整時間約為0.06s，超調(diào)量為接近于0。模糊PD控制優(yōu)于電流PID控制，模糊PID雙閉環(huán)控制又優(yōu)于模糊控制，反映系統(tǒng)有良好的跟隨性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文提出了將力矩反饋和電機電樞電流反饋兩者結(jié)合的機電雙閉環(huán)PID控制策略。仿真計算的結(jié)果表明，所提出的機電雙閉環(huán)PID控制策略優(yōu)于常用的兩種控制策略，具有更好控制效果和較好的魯棒性，抗干擾能力也有明顯的提高。

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TP273

A

1009-0134(2010)12(上)-0041-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).14

2010-07-20

四川省科技廳重點攻關(guān)項目基金資助（03GG0082001）

魏萬迎（1955 -），男，教授，博士，主要從事工業(yè)自動化及機電控制的研究工作。