摘 要：分析了采用模糊控制方法獲得EPS系統(tǒng)目標(biāo)助力電流的可行性，設(shè)計(jì)了以轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)和車(chē)速傳感器的信號(hào)為輸入，以目標(biāo)助力電流為輸出的模糊控制器，通過(guò)仿真及結(jié)果分析驗(yàn)證了這種方法的可行性。

關(guān)鍵詞：模糊控制 電流決策

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（c）-0003-02

在EPS系統(tǒng)中助力電動(dòng)機(jī)輸出的助力電流值是根據(jù)助力的特性曲線(xiàn)來(lái)確定的，因此助力特性曲線(xiàn)決定了EPS系統(tǒng)的性能。常用的助力特性曲線(xiàn)有直線(xiàn)型，折線(xiàn)型和曲線(xiàn)型，在設(shè)計(jì)是根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求選用不同的助力特性曲線(xiàn)類(lèi)型[1]。本文介紹采用模糊控制方法獲得目標(biāo)助力電流。

1 采用模糊控制的可行性

車(chē)輛的速度直接影響了操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)上力的大小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)顯示，車(chē)速越快，操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)所需的轉(zhuǎn)向力就越小。因此設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就需要依照車(chē)速的變化而不斷地調(diào)整助力系統(tǒng)的模式。但是想要為車(chē)速提供一個(gè)精確的助力模式卻又是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)橥ǔ５碾妱?dòng)助力控制系統(tǒng)是采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)，大量的數(shù)據(jù)處理顯然是不合情理的[1]。此外，車(chē)速高低是由駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣來(lái)進(jìn)行判斷的，而駕駛?cè)藛T也只是大概對(duì)車(chē)速的敏感度存在一個(gè)區(qū)間和范圍。因此，對(duì)車(chē)輛速度精確的劃分也是不必要的。

再者，因?yàn)镋PS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是隨動(dòng)系統(tǒng)[2]，而其提供輔助力的大小是依據(jù)駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)上操縱力矩的大小來(lái)確定的，但施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的操縱力矩也和駕駛員自身的經(jīng)驗(yàn)是密不可分的，并且考慮到轉(zhuǎn)向軸扭桿自身物理特性的影響，所以對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行的精確定量處理就不必要了。

同時(shí)，應(yīng)用模糊控制實(shí)現(xiàn)也比較容易，實(shí)時(shí)性也很好[4]。這樣不僅能夠使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更能夠清晰地體現(xiàn)出系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的具體情形，還能夠在很大程度上減輕處理器的負(fù)荷。

2 助力電流模糊控制器的建立

我們確定模糊控制器的輸入量分別為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)Td和車(chē)速傳感器的信號(hào)V，輸出量是電動(dòng)機(jī)的助力電流I。形成一個(gè)雙輸入—單輸出的模糊控制器。

EPS系統(tǒng)助力電流模糊控制器的建立過(guò)程如以下幾點(diǎn)。

2.1 輸入、輸出變量的模糊化

根據(jù)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，本論文中的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)定開(kāi)始助力的方向盤(pán)輸入力矩為1 Nm，即當(dāng)方向盤(pán)的輸入扭矩小于這個(gè)值時(shí)，EPS是不進(jìn)行助力的。設(shè)定10 Nm作為助力電流上升的閥值，即方向盤(pán)輸入力矩大于此閥值后電機(jī)電流保持最大值，且電動(dòng)機(jī)在整個(gè)車(chē)速范圍內(nèi)提供助力。在助力電流決策的模糊控制系統(tǒng)中，輸出變量為電動(dòng)機(jī)的助力電流I。可設(shè)Td的論域?yàn)閇1，10]，單位Nm，V的論域?yàn)閇0，120]，單位km/h。設(shè)I的論域?yàn)閇0，28]，單位A。對(duì)各個(gè)輸入變量和輸出變量用自然語(yǔ)言進(jìn)行模糊化，設(shè)定變量模糊語(yǔ)言值。

轉(zhuǎn)矩Td的模糊語(yǔ)言論域?yàn)椋簕PB（很大），PM（大），PS（較大），ZE（適中），NS（較?。琋M（?。?，NB（很?。﹠；車(chē)速V的模糊語(yǔ)言論域?yàn)椋簕PB（很快），PM（快），PS（較快），ZE（適中），NS（較慢），NM（慢），NB（很慢）}；電流I的模糊語(yǔ)言論域?yàn)椋簕PB（很大），PM（大），PS（較大），ZE（適中），NS（較小），NM（?。琋B（很?。﹠。

2.2 輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)的確定

隸屬度函數(shù)應(yīng)該是連續(xù)的對(duì)稱(chēng)的，常用的基本隸屬度函數(shù)有：三角形、梯形、鐘形、高斯型和Sigmoid型。隸屬度函數(shù)的形狀對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)控制效果的影響較小，為了達(dá)到設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便及實(shí)時(shí)計(jì)算的要求，轉(zhuǎn)矩Td和車(chē)速V各語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)均采用梯形隸屬函數(shù)。如圖1～3所示。

2.3 模糊規(guī)則及模糊推理的制定

模糊規(guī)則的制定是模糊控制器的核心，是模糊推理的依據(jù)。本系統(tǒng)中，根據(jù)EPS系統(tǒng)對(duì)助力特性曲線(xiàn)的要求以及駕駛員的經(jīng)驗(yàn)，得出49條控制規(guī)則，采用以下表述形式：

If Td =PB and V =ZE then I =PB

上述規(guī)則的意義是：如果轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩Td很大但此時(shí)車(chē)速V很小，則此時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出助力電流I應(yīng)取一個(gè)很大的值。將得到的類(lèi)似形式全部49條控制規(guī)則制成一個(gè)表，反映轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩Td、車(chē)速V及助力電流I三者關(guān)系的模糊規(guī)則表，如表1所示。本研究中采用Mandani直接推理法。

2.4 反模糊化

反模糊化有多種方法，常用的有最大隸屬度函數(shù)法、取中位數(shù)法及加權(quán)平均法（或重心法）。本系統(tǒng)反模糊化采用加權(quán)平均法（重心法）。這樣，整個(gè)模糊控制器的設(shè)計(jì)就完成了。如圖4所示。

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)助力電流的模糊控制器參數(shù)的調(diào)整，如調(diào)整隸屬度函數(shù)或改變模糊規(guī)則等，可以得到EPS系統(tǒng)助力特性曲線(xiàn)，如圖4所示。三維助力特性曲線(xiàn)能夠直觀地反映任意車(chē)速與任意轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩輸入下的助力目標(biāo)電流的值。

通過(guò)分析EPS助力特性曲線(xiàn)三維圖，可得根據(jù)不同的車(chē)速以及不同的轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩獲得相對(duì)應(yīng)的EPS系統(tǒng)助力電流關(guān)系，如圖5、6所示。

綜合分析圖5和圖6，研究不同轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩和不同車(chē)速與助力目標(biāo)電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（1）從圖5我們可以看出：任意車(chē)速下，目標(biāo)助力電流會(huì)隨著轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入扭矩的提高而增大，直到達(dá)到目標(biāo)電流的閥值，使駕駛員獲得良好的轉(zhuǎn)向助力，提高了轉(zhuǎn)向輕便性和駕駛舒適性；車(chē)速越高，電機(jī)開(kāi)始提高助力所需要的轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩就越大，即使車(chē)速為零，同樣需要轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩達(dá)到一定值，才產(chǎn)生助力電流，開(kāi)始提供助力，這是為了防止助力過(guò)于靈敏，使駕駛員通過(guò)方向盤(pán)獲得一定的路感，提高駕駛的安全性。

（2）從圖6我們可以看出：在扭矩一定的情況下，目標(biāo)助力電流會(huì)隨著車(chē)速的提高而減小，既助力值隨車(chē)速提高而減小，這是為了使駕駛員在車(chē)輛高速行駛時(shí)保持良好路感，防止誤操作引發(fā)車(chē)輛側(cè)傾的危險(xiǎn)；車(chē)速越低，需要的目標(biāo)助力電流值越大，使低速轉(zhuǎn)向更加輕便。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析表明，研究設(shè)計(jì)的助力電流模糊決策控制基本達(dá)到了EPS系統(tǒng)對(duì)助力特性曲線(xiàn)的要求，具有一定的可行性。同時(shí)文章設(shè)計(jì)的助力電流模糊決策控制具有一定靈活性，通過(guò)對(duì)各個(gè)輸入量、輸出量相應(yīng)論域、模糊推理規(guī)則及隸屬度函數(shù)的修改，可以使控制器匹配不同的EPS系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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[3]Ji Hoon Kim，Jae Bok Song.Control logic for electric Power steering system using assistmotor[J].Mechatronies，2002，12（3）：447-459.

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