（濱州學(xué)院 山東·濱州 256600）

0 引言

汽車在轉(zhuǎn)向行駛過程中，如果方向盤不能及時(shí)回正，勢(shì)必會(huì)引起駕駛安全問題。隨著人們對(duì)駕駛安全要求的提高，如何提高轉(zhuǎn)向性能成為了重要問題。轉(zhuǎn)向控制策略是影響轉(zhuǎn)向性能的關(guān)鍵，同時(shí)也是EPS系統(tǒng)研究和開發(fā)的重點(diǎn)，其優(yōu)劣直接影響電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體性能進(jìn)而影響汽車的駕駛體驗(yàn)。目前，關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的研究大多集中在轉(zhuǎn)向性能的單向指標(biāo)控制方面，對(duì)于兼顧多項(xiàng)性能指標(biāo)的回正控制策略的硏究較少。因此，研究如何能使方向盤快速、平穩(wěn)的回到中間位置的同時(shí)，減輕駕駛員的操縱力，提高汽車的回正性能具有重要意義。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正模型建立

本文對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不影響系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的條件下進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，主要考慮阻尼、彈性和慣性的影響，忽略一些對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的次要影響，這樣不僅可以減少不必要的工作量，還能減少各個(gè)部件之間的耦合影響。想要所建模型簡(jiǎn)潔，將一些系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行合并，將EPS系統(tǒng)劃分成以下幾個(gè)部分來分別研究和建立數(shù)學(xué)模型：

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

1.1.1 轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，方向盤首先受到力的作用，接著傳遞到轉(zhuǎn)向軸上通過轉(zhuǎn)向軸向下傳遞，完成這一部分傳遞扭矩的任務(wù)。建立轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸的動(dòng)力學(xué)方程如下：

1.1.2 轉(zhuǎn)矩傳感器

本文扭矩傳感器用扭力桿模型代替，通過轉(zhuǎn)向軸輸入和輸出端的轉(zhuǎn)角的變化差值與扭力桿剛度系數(shù)相乘，就可計(jì)算出轉(zhuǎn)向軸的扭矩，假設(shè)所有連接都是剛性的，則轉(zhuǎn)向輸出軸的轉(zhuǎn)角可用小齒輪的轉(zhuǎn)角來代替，根據(jù)以上信息所列出的方程為：

1.1.3 助力電機(jī)

助力電機(jī)的電壓方程是：

對(duì)助力電機(jī)進(jìn)行受力分析，建立其動(dòng)力學(xué)模型：

1.1.4 齒輪齒條機(jī)構(gòu)

建模時(shí)將齒條和輪胎看做一個(gè)整體進(jìn)行研究，對(duì)齒輪齒條進(jìn)行受力分析，得：

1.2 回正控制數(shù)學(xué)模型

汽車轉(zhuǎn)向回正時(shí)輪胎所受的力矩主要由路面與輪胎的摩擦力矩、重力回正力矩、側(cè)向力引起的回正力矩等組成。

汽車在低速回正時(shí)，側(cè)向回正力矩較小，輪胎與地面的摩擦阻力Tf和前軸載荷引起的重力回正力矩TG起主要作用：Td1=Tf+TG

此時(shí)由于汽車車速極低，輪胎與地面的摩擦阻力可以近似等于原地轉(zhuǎn)向時(shí)所受的摩擦阻力，即

2 EPS回正控制策略的研究

2.1 回正性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

回正殘余角是評(píng)判回正性能的重要指標(biāo)，主動(dòng)回正性能好的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠保證不同工況下都能保持較小的回正殘余角，回正時(shí)間也是評(píng)價(jià)回正性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，相同工況下，方向盤回到中間位置的時(shí)間越短，回正性能越好。所以本文回正性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是回正殘余角和回正時(shí)間。

2.2 回正控制方案的設(shè)計(jì)

圖1：助力特性曲線

本文設(shè)計(jì)一種算法，該算法有兩部分構(gòu)成，分別是模糊控制器和PID控制器，模糊控制算法設(shè)計(jì)的主要仼務(wù)是完成模糊控制器的設(shè)計(jì)，控制器的輸入為目標(biāo)電流和電機(jī)實(shí)際電流的偏差和偏差變化率。根據(jù)直線型助力特性曲線的研究方案，設(shè)計(jì)助力特征參數(shù)Td0、Tdmax、Imax和k(v)。其中車速感應(yīng)系數(shù)k(v)的確定根據(jù)軟件進(jìn)行模擬，將特征車速和目標(biāo)電流的值輸入到MATLAB中進(jìn)行指數(shù)函數(shù)的擬合，最終得到的助力特性曲線如圖1所示。

3 電動(dòng)助力系統(tǒng)回正控制仿真

3.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及回正模塊的建立

本文利用Matlab中的simulink工具箱，根據(jù)各模塊的數(shù)學(xué)模型完成各個(gè)部分的搭建，經(jīng)過封裝后完成電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體的搭建，再利用 carsim軟件建立汽車模型導(dǎo)入到simulink中。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行回正控制策略的優(yōu)化，下圖是電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體模型：

圖2：回正控制整體模型

3.2 回正控制策略仿真分析

研究控制策略的影響，我們采用的是MATLAB中的MPC Designer工具箱，直接驗(yàn)證回正策略的影響，下圖分別為有無回正控制策略和有回正控制策略生成的曲線：

圖3：有回正策略(左)與無回正策略(右)對(duì)比圖

由圖3可知有回正控制的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在2.3秒內(nèi)回正，無回正控制的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正過程需要3秒，不帶回正控制策略的會(huì)出現(xiàn)回正不足和超調(diào)現(xiàn)象，所以，本文設(shè)計(jì)的回正控制策略能有效提高汽車回正性能。

3.3 回正仿真分析

本節(jié)進(jìn)行不同工況下的模型性能仿真，設(shè)置速度范圍為60～90km/h，橫坐標(biāo)為回正時(shí)間，縱坐標(biāo)為回正殘余角。

圖4：回正仿真曲線

在速度范圍為60～90km/h情況下有回正控制產(chǎn)生的超調(diào)量減小小很多，且回正曲線相對(duì)平穩(wěn)，說明回正過程更加平穩(wěn)，回正時(shí)間更短，響應(yīng)更加迅速。所以，本文所設(shè)計(jì)的回正控制策略能夠提高汽車的回正性能。

4 結(jié)論

控制策略研究是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，雖然本文在對(duì)電動(dòng)助力系統(tǒng)的回正策略硏究方面已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的效果，但是由于本人能力有限，有關(guān)問題還需要進(jìn)一步研究：

（1）本文只硏究了EPS系統(tǒng)的回正控制策略，對(duì)于補(bǔ)償控制和阻尼控制等有待進(jìn)一步研究。

（2）建立更加準(zhǔn)確完善的回正力矩模型，對(duì)地面和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的摩擦阻力進(jìn)行更精確的分析，以便得到更加接近實(shí)況的EPS系統(tǒng)模型。