電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)研究

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric power steering，簡稱EPS)是世界汽車電子控制技術(shù)發(fā)展的研究熱點和前沿技術(shù)之一。國外汽車電動助力轉(zhuǎn)向已部分取代傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向(Hydraulic power steering，簡稱HPS)。目前國內(nèi)清華大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等高校正從事該方面的研究，并取得了階段性的成果，爭取進(jìn)一步改進(jìn)與完善，早日實現(xiàn)商品化。EPS 通過對控制器軟件的設(shè)計，十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性，使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性，以滿足不同的駕駛情況的需求。同時，EPS 用電動機(jī)直接提供助力，它能
節(jié)約燃料，提高主動安全性，有利于環(huán)保。
1、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型及EPS的基本控制策略
1.1 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型
（1）傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向
液壓動力轉(zhuǎn)向的控制閥采用滑閥式，即控制閥中的閥以軸向移動來控制油路。這種滑閥式控制結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝性好，操縱方便，宜于布置，使用性能較好。但是滑閥式控制閥靈敏度不夠高，后來逐漸被轉(zhuǎn)閥代替。
（2）電控液壓動力轉(zhuǎn)向
電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的種類很多，但其原理基本上都是通過在油泵或轉(zhuǎn)向器上加裝電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)或輔助裝置，根據(jù)車速信號來控制液壓系統(tǒng)的流量或壓力。

表1 電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的種類

（3）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的工作原理

圖1 EPS的控制系統(tǒng)示意圖

1—車輪 2—拉桿 3—齒條 4—小齒輪 5—離合器 6—動力開關(guān)

7—輸出軸 8—扭桿 9—轉(zhuǎn)矩傳感器 10—輸入軸 11—方向盤

12—轉(zhuǎn)矩信號 13—電機(jī) 14—電流控制 15—控制單元 16—車速信號

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成包括：扭矩傳感器、車速傳感器、控制元件、電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等。圖1 所示為配用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的EPS。信號控制器根據(jù)各傳感器的輸入信號確定助力扭矩的幅值和方向，并且直接控制電機(jī)。電機(jī)的輸出扭矩由減速齒輪放大，并通過萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向器中的傳送裝置把輸出扭矩送到齒條，使之向轉(zhuǎn)向輪提供助推扭矩。
系統(tǒng)的信號源包括：扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器和車速傳感器，轉(zhuǎn)向角傳感器可根據(jù)齒條的位移量和位移的方向來測出轉(zhuǎn)向角。
（4）EPS 的關(guān)鍵部件

1.2 EPS 的控制原理圖

圖2 汽車EPS控制原理圖

EPS 主要部件包括傳感器、電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元等。
在掌握EPS 的工作原理前提下，將EPS 系統(tǒng)用框圖表示如下。
1.3 EPS 的基本控制策略
根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況要求，EPS 按不同的控制方式進(jìn)行控制，通常來說，對應(yīng)汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況有四種基本控制方式。
（1）普通控制
普通控制(助力控制)是EPS 的基本控制模式。其控制過程主要是：根據(jù)車速傳感器測得的車速信號和方向盤力矩傳感器測得的方向盤力矩信號，調(diào)用助力特性控制表，并根據(jù)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性確定助力電流，以獲得適當(dāng)?shù)闹D(zhuǎn)矩。
（2）回正控制策略
在方向盤“轉(zhuǎn)向回正”時，對EPS 進(jìn)行的控制為回正控制，目的在于改善系統(tǒng)的回正性能。轉(zhuǎn)向時，前輪回正力矩使轉(zhuǎn)向輪向直線行駛的狀態(tài)變化。
回正控制的控制過程為:首先判斷方向盤是否處于“轉(zhuǎn)向回正”狀態(tài)，當(dāng)助力電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)向輸入的旋轉(zhuǎn)方向相反，進(jìn)行“轉(zhuǎn)向回正”控制，否則進(jìn)行助力控制。
（3）阻尼控制策略
阻尼控制是EPS 為提高汽車高速直線行駛時的穩(wěn)定性，減小路面沖擊對方向盤的影響而采用的一種控制模式。阻尼控制是在普通控制確定的目標(biāo)電流之上補(bǔ)償阻尼控制電流，其主要是通過引入電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來實現(xiàn)。
（4）補(bǔ)償控制策略
補(bǔ)償控制策略是根據(jù)轉(zhuǎn)向作用力的變化率沿力矩變化的方向產(chǎn)生補(bǔ)償力矩，來克服電機(jī)的慣量、阻尼和摩擦對電機(jī)輸出力矩的影響。補(bǔ)償力矩的大小由電機(jī)的慣量、阻尼和摩擦力的大小及電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向加速度和轉(zhuǎn)動方向決定。
2、EPS仿真的初步研究及控制仿真驗證
2.1 理想助力特性
配備電動助力裝置的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)盡可能不悖于駕駛員原有的駕駛習(xí)慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時得心應(yīng)手。方向盤力矩與助力矩之間的理想關(guān)系應(yīng)具備以下特點：
(1)在輸入轉(zhuǎn)向力矩很小的區(qū)域，希望助力部分的輸出越小越好，助力部分基本不起作用，以保持較好的路感。
(2)在常用的快速轉(zhuǎn)向行駛區(qū)間，為使轉(zhuǎn)向輕便，降低駕駛員勞動強(qiáng)度，助力部分發(fā)揮作用，助力效果要明顯。
(3)原地轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向阻力矩很大，應(yīng)盡可能產(chǎn)生較大的助力轉(zhuǎn)向效果，此時，助力矩增幅也應(yīng)較大。
(4)隨著車速的升高，方向盤力矩減小時，不助力的區(qū)域應(yīng)增大，且在高速行駛至一定車速時停止助力，以使駕駛員獲得良好的路感，保證行車安全。
(5)各區(qū)段過渡要平滑，避免操作力出現(xiàn)跳躍感，且助力矩不能大于同工況下無助力時的轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩。將上述特點與原則量化，可得理想的助力特性曲線。如圖3 所示，由于電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電流間存在線性關(guān)系，因此該圖反映出助力矩隨行駛工況的變化規(guī)律，可以把它作為研究電動機(jī)控制規(guī)律的參照。

圖3 理想助力特性
2.2 控制系統(tǒng)的選擇
對助力電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制是EPS 研究的重點。由于電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是由其工作電流決定的，因此助力控制可歸結(jié)為對電動機(jī)電流的控制(如圖4)，其控制輸入為車速信號和方向盤扭矩信號。

圖4 控制系統(tǒng)框圖
控制系統(tǒng)主要采用PID 控制系統(tǒng)。
PID 控制是zui早發(fā)展起來的控制策略之一，由于算法簡單、和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制，尤其適用于可建立數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。

圖5 典型的PID控制結(jié)構(gòu)
圖5 所示為典型的PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PID 控制器是由比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)疊加構(gòu)成的，各環(huán)節(jié)分別對誤差信號e(t)進(jìn)行運算，其結(jié)果的加權(quán)和將構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號u(t)一并送給對象模型。PID 控制器的數(shù)學(xué)描述為：

（公式1）

式中：kp—比例環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)；

ki—積分環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)；

kd—微分環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)。

PID 控制器各環(huán)節(jié)所起的作用如下：
(1)比例環(huán)節(jié)抑止閉環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)偏差信號e(r)，通過增加kp值還可加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高閉環(huán)響應(yīng)的幅值。但kp值不能無限制增加，對于不同的閉環(huán)控制系統(tǒng)kp的取值范圍不同，超出該限制范圍，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；
(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分的時間常數(shù)K；K 越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。而過強(qiáng)的積分作用使系統(tǒng)的超調(diào)量增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞；
(3)微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。其不足之處是放大了噪音信號。