梁志宏

摘 要：隨著現(xiàn)代汽車(chē)電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（ElectricPowerSteering，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS）系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該文通過(guò)對(duì)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，建立了車(chē)輛了EPS系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，提出了基于模糊控制的EPS系統(tǒng)助力控制策略，并對(duì)其建模仿真，為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 助力特性 模糊控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0118-02

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是集合安全、環(huán)保和節(jié)能為一體的助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，它的助力特性屬全車(chē)速感應(yīng)型，通過(guò)對(duì)EPS控制器進(jìn)行軟件的編程設(shè)定，能夠方便地對(duì)系統(tǒng)的助力特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，使汽車(chē)可以在不同工況下獲得相應(yīng)的助力特性，從而提高駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)的路感和手感。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力機(jī)構(gòu)由復(fù)雜的液壓機(jī)構(gòu)變成了依靠電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生助力的系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)控制助力電動(dòng)機(jī)電流的方向和幅值，實(shí)現(xiàn)為轉(zhuǎn)向器提供助力扭矩的要求，提高了汽車(chē)在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向操縱的輕便性；同時(shí)又保證了汽車(chē)在高速行駛時(shí)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。由于取消了液壓泵、儲(chǔ)液罐、液壓管路等液壓系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更容易進(jìn)行裝配和檢測(cè)，能耗低，也更環(huán)保。[1-4]在汽車(chē)產(chǎn)品環(huán)保、低能耗和智能化的大方向下，目前國(guó)外多家大型公司的EPS產(chǎn)品已經(jīng)成功裝配于微、輕型轎車(chē)，國(guó)內(nèi)對(duì)EPS的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但與國(guó)際先進(jìn)水平依然存在一定的差距。著眼于未來(lái)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)巨大的潛力，開(kāi)發(fā)EPS系統(tǒng)，尤其制定性能可靠的EPS控制策略對(duì)于提高我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由裝在轉(zhuǎn)向器輸入端的轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)矩）傳感器、機(jī)械式轉(zhuǎn)向器、車(chē)速傳感器、電子控制單元（ECU）、電動(dòng)機(jī)、減速器和電源等組成。[4，5]ECU根據(jù)作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩信號(hào)以及車(chē)速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)等，決定EPS系統(tǒng)是否投入工作。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)其轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集、判斷和處理后，根據(jù)ECU存儲(chǔ)器中制定的助力特性，控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和作用在電動(dòng)機(jī)上的助力轉(zhuǎn)矩電流的大小及作用時(shí)間。通過(guò)減速器將輔助動(dòng)力施加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，從而完成助力轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)控制。低速行駛時(shí)助力作用大，轉(zhuǎn)向輕便；高速行駛時(shí)減小助力，以提高路感和操縱穩(wěn)定性。

1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略

EPS系統(tǒng)的主要功能給助力電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)力、保持良好的轉(zhuǎn)向路感，同時(shí)確保轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度、抑制來(lái)自轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的振動(dòng)和路面不平造成的振動(dòng)和沖擊。EPS系統(tǒng)控制策略主要包括轉(zhuǎn)向助力控制、回正控制和阻尼控制等。而轉(zhuǎn)向助力控制是其基本的控制策略。在汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中，ECU根據(jù)駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的輸入轉(zhuǎn)矩和當(dāng)前車(chē)速信息，由存儲(chǔ)在ECU中的助力特性決定應(yīng)提供多大的助力電流給電動(dòng)機(jī)，從而得到與不同行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。圖1所示為EPS系統(tǒng)的助力控制過(guò)程框圖，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車(chē)速傳感器檢測(cè)到的車(chē)速信號(hào)V，由轉(zhuǎn)向助力特性確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流，之后由電流控制器控制電動(dòng)機(jī)的電流，使電動(dòng)機(jī)輸出目標(biāo)助力矩Tm。

EPS的助力特性由嵌入其ECU中的程序設(shè)置，可以輸出任意形狀的助力特性曲線，且調(diào)節(jié)方便。該文采用如圖2所示的一種折線型的助力特性曲線，該特性曲線由直線行駛區(qū)I、強(qiáng)路感區(qū)II和輕便轉(zhuǎn)向區(qū)Ⅲ等三個(gè)助力區(qū)域組成。在無(wú)轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向角非常小的中心區(qū)域?qū)?yīng)助力曲線采用直線行駛區(qū)I；輕便轉(zhuǎn)向區(qū)則是對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向角較大的區(qū)域；強(qiáng)路感區(qū)介于二者之間。

折線型助力特性曲線可用以下函數(shù)表示，式中，、分別為助力特性曲線的梯度，其具體數(shù)值隨車(chē)速的增加而減小，Td為轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩。該助力曲線的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)向助力與轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩成分段線性關(guān)系，易于編程實(shí)現(xiàn)。

（1）

2 基于模糊控制的轉(zhuǎn)向助力控制

2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)械模型、電動(dòng)機(jī)模型、ECU控制算法模型等模塊組成，[8，9]根據(jù)EPS系統(tǒng)各模塊間的聯(lián)系建立系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。輸入為系統(tǒng)給定信號(hào)即轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩和反饋信號(hào)即電動(dòng)機(jī)的電流I，輸出為作用到轉(zhuǎn)向軸下端的轉(zhuǎn)角degree和助力力矩。

2.2 模糊規(guī)則的建立

模糊集合理論（FuzzySetTheory）1965年由Zadeh教授提出，模糊控制是基于“專(zhuān)家知識(shí)或操作經(jīng)驗(yàn)，采用語(yǔ)言規(guī)則表示的一種人工智能控制策略。[8，9]電動(dòng)機(jī)助力電流的控制決策所采用的是一個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器。輸入量分別為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩和車(chē)速V，輸出量是電動(dòng)機(jī)的助力電流。該文設(shè)的論域?yàn)閇1，10]，單位是N·m，V的論域?yàn)閇0，120]，單位是km/h。設(shè)的論域?yàn)閇0，28]，單位是A。制定好控制規(guī)則，建立轉(zhuǎn)向助力電流決策的模糊控制器后，可以得到該系統(tǒng)助力特性三維圖，如圖4所示。從圖中可以清晰地看到不同車(chē)速、轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩下對(duì)應(yīng)的助力電機(jī)轉(zhuǎn)向助力電流值。

3 系統(tǒng)仿真運(yùn)行結(jié)果

圖5中分別為車(chē)速在00km/h、40km/h及60km/h下的轉(zhuǎn)向助力特性曲線，曲線表明該文制定的助力控制策略是符合實(shí)際EPS系統(tǒng)在行駛過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)向助力的要求的。通過(guò)該控制策略能得到與不同工況相匹配的轉(zhuǎn)向助力電流值。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)分析EPS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和工作原理對(duì)電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)與EPS系統(tǒng)的匹配進(jìn)行了討論，完成了EPS系統(tǒng)各部件的選型及數(shù)學(xué)模型的建立。設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力控制策略，并在simulink中進(jìn)行了仿真，得到了在不同車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩輸入下的轉(zhuǎn)型助力特性曲線，該控制器對(duì)助力電機(jī)的電流具備較高的響應(yīng)速度，所制定的轉(zhuǎn)向助力控制策略和控制方法基本可以滿(mǎn)足實(shí)際EPS系統(tǒng)的要求。

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