電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)研究

電動(dòng)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(diǎn)和前沿技術(shù)之一。國外汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已部分取代傳統(tǒng)液壓動(dòng)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(shí)現(xiàn)商品化。EPS 通過對(duì)控制器軟件的設(shè)計(jì)，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(shí)，EPS 用電動(dòng)機(jī)直接提供助力，它能
節(jié)約燃料，提高主動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向
液壓動(dòng)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(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向
電控液壓動(dòng)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(hào)來控制液壓系統(tǒng)的流量或壓力。

表1 電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的種類

（3）電動(dòng)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(dòng)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(hào) 13—電機(jī) 14—電流控制 15—控制單元 16—車速信號(hào)

電動(dòng)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(dòng)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(hào)控制器根據(jù)各傳感器的輸入信號(hào)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(hào)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(cè)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(dòng)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(duì)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(cè)得的車速信號(hào)和方向盤力矩傳感器測(cè)得的方向盤力矩信號(hào)，調(diào)用助力特性控制表，并根據(jù)電動(dòng)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(shí)，對(duì)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(shí)，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(shí)的穩(wěn)定性，減小路面沖擊對(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來實(shí)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(duì)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(dòng)方向決定。
2、EPS仿真的初步研究及控制仿真驗(yàn)證
2.1 理想助力特性
配備電動(dòng)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(shí)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(diǎn)：
(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(dòng)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(shí)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(shí)，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(shí)，不助力的區(qū)域應(yīng)增大，且在高速行駛至一定車速時(shí)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(shí)的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩。將上述特點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(duì)助力電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制是EPS 研究的重點(diǎn)。由于電動(dòng)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(duì)電動(dòng)機(jī)電流的控制(如圖4)，其控制輸入為車速信號(hào)和方向盤扭矩信號(hào)。

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(yùn)動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)疊加構(gòu)成的，各環(huán)節(jié)分別對(duì)誤差信號(hào)e(t)進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果的加權(quán)和將構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號(hào)u(t)一并送給對(duì)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(hào)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(duì)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(shí)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(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。其不足之處是放大了噪音信號(hào)。