汽車EPS系統(tǒng)助力控制策略實現(xiàn)研究

李 偉，宋曉華

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(MS)到液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)的發(fā)展階段。隨著嵌入式系統(tǒng)技術、傳感器技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，采用新型傳感器和電子控制的電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)已經(jīng)成為部分車型的標準裝備。隨著對汽車各項性能要求的不斷提高，對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求也越來越高，不僅要求低速和駐車時的轉(zhuǎn)向輕便性，同時也要求汽車高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，然而傳統(tǒng)方式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都不能同時滿足低速行駛轉(zhuǎn)向輕便性和高速行駛操縱穩(wěn)定性的要求。目前在汽車電子方面的熱門研究課題“電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”可以解決汽車轉(zhuǎn)向“輕與靈”的矛盾。此系統(tǒng)是根據(jù)轉(zhuǎn)向盤上的傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩信號和測量的車速信號確定助力電機的目標轉(zhuǎn)矩值，并通過閉環(huán)控制策略使電機施加在轉(zhuǎn)向軸上的助力轉(zhuǎn)矩大小快速跟隨目標轉(zhuǎn)矩值，達到電機為轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向提供助力的目的。

1 EPS控制系統(tǒng)組成

EPS控制系統(tǒng)主要由MSC1210控制器、傳感器信號采集電路及信號調(diào)理電路、電機雙H橋驅(qū)動電路等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ECU控制系統(tǒng)總體框圖

1.1 微控制器

微控制器采用MSC1210芯片，它擁有ADC高精度微位移傳感器電路模塊，能完成微弱信號8通道多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位ΣΔA/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號校準以及UART通信等功能。MSC1210內(nèi)部集成有最大32 kB的Flash存儲器。該Flash可分區(qū)使用，分別劃分為程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)，支持在系統(tǒng)編程(ISP)，可擦寫/編程10萬次，數(shù)據(jù)保存時間可達100年。MSC1210還提供了雙數(shù)據(jù)指針(DPTR)，可以加速整塊數(shù)據(jù)的移動。每個指令周期只包含4個時鐘周期，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，還可以使訪問周期延展2～9個指令周期，以適應不同的外設速度。

1.2 扭矩傳感器

扭矩傳感器是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的一個重要部件，它將測量的駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和方向盤轉(zhuǎn)角傳給ECU，通過扭桿將轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器連接起來，建模時將它與轉(zhuǎn)向盤合為一體進行力學分析。在電動助力轉(zhuǎn)向器提供轉(zhuǎn)向助力的狀態(tài)下，微型車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩應在5 N·m以下才能夠滿足輕便性的要求，因此選定測量范圍在10 N·m左右的傳感器。傳感器和信號調(diào)理電路在該范圍內(nèi)進行了多次重復標定，其輸出電壓－轉(zhuǎn)矩如圖2所示［1］。

圖2 傳感器主、副轉(zhuǎn)矩輸出電壓－轉(zhuǎn)矩

用最小二乘法對圖2中的主轉(zhuǎn)矩信號數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到主轉(zhuǎn)矩信號 VA和轉(zhuǎn)矩 Td的關系

根據(jù)式(1)可得

同時計算得其非線性誤差為±3.64%，主轉(zhuǎn)矩信號遲滯為 ±0.48%，主轉(zhuǎn)矩信號重復性為±0.52%，以上3項誤差求和后作為主轉(zhuǎn)矩信號的誤差，由此可得其精度為4.64%。從這個指標可以得知，所選的傳感器基本滿足EPS系統(tǒng)的要求［1］。

2 EPS控制系統(tǒng)的控制策略

EPS控制系統(tǒng)的控制策略算法由電機助力大小控制策略和電機轉(zhuǎn)矩大小控制策略2部分組成。電機助力大小控制是根據(jù)駕駛員對方向盤施加的轉(zhuǎn)矩大小和車速測定模塊測定的車速大小來確定電機助力的目標轉(zhuǎn)矩;電機轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)有相應的控制策略計算出的電機目標轉(zhuǎn)矩值與電機實際輸出的轉(zhuǎn)矩值進行比較，將兩者之間的差量作為直接控制對象進行閉環(huán)控制。

2.1 電機助力大小控制算法

電機助力大小控制算法是控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員施加在方向盤和轉(zhuǎn)向系上的轉(zhuǎn)矩和當時測定出的車速大小，按照預先設定的助力特性曲線確定出電機助力的目標轉(zhuǎn)矩值。本系統(tǒng)選用的是折線型的助力特性曲線，該助力特性曲線可用式(3)表示。

Td0取值大小與駕駛員主觀感受有關系，事先可以根據(jù)設計者和駕駛員對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輕便性和路感的具體要求，通過試驗來綜合確定。參考有關資料，初步取Td0=1.0 N。當車輛動力轉(zhuǎn)向時，駕駛員作用在轉(zhuǎn)向系方向盤上的切向力應在20～50 N，設定駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的最大切向力為28 N，根據(jù)文獻［2］確定 Tdmax為5.0 N·m。

2.2 助力電機閉環(huán)控制算法

本課題采用永磁式直流電動機。如圖3所示，助力電機端電壓U與電感L、電樞電阻R、反電動勢常數(shù)Ke、轉(zhuǎn)速θm、電流大小I和時間t之間的關系為

圖3 電機等效電路

由于電流穩(wěn)定時，電感作用很小，此方程可改變?yōu)?/p>

電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流I和氣隙磁通φ有如下規(guī)律:

式中:Ka為電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m·A－1);Tm為電機輸出轉(zhuǎn)矩;Kf為勵磁系數(shù);if為勵磁電流;Ka為電樞系數(shù);I為電樞繞組電流。Kf·if·Ka用Ka來代替，稱Ka為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，這樣直流電機輸出轉(zhuǎn)矩

對電動機機械部分進行受力分析，可以得到

式中:Im為電動機和離合器的轉(zhuǎn)動慣量(kg/m2);Bm為電動機黏性阻尼系數(shù)(N·m·rad/s);θm為電動機的轉(zhuǎn)角(rad);Tm為電動機電磁轉(zhuǎn)矩(N·m);Ta為電動機輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)。

在實際的控制系統(tǒng)中，電動機助力轉(zhuǎn)矩Ta可以表示為

式中Km為電動機和減速機構(gòu)的輸出軸剛性系數(shù)(N·m/rad)。

本課題采用了PD算法的電流控制方法控制電機轉(zhuǎn)矩大小，將按照電機助力特性曲線確定的電機目標轉(zhuǎn)矩直接轉(zhuǎn)換成電機目標電流，再與電流傳感器測得的電機實際電流相比較，求其差值作為控制量，通過PD控制算法對其進行比例和微分修正，通過反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)控制，再通過控制算法獲得控制驅(qū)動電路的脈寬調(diào)制信號。與常規(guī)的PID控制算法相比，積分部分對電機電流控制影響很小，可忽略。

2.3 控制算法流程

電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制算法的主程序主要具有狀態(tài)參數(shù)初始化，系統(tǒng)外部信號(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、車速信號和電機電流信號)采集，根據(jù)程序預設方案計算電機目標電流，與反饋電機電流值比較確定控制量大小，通過PD算法得到控制電機的PWM斬波信號等功能。

本文電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在軟件實現(xiàn)方面的思想是使用多任務分時調(diào)用控制策略，利用計數(shù)器定時，設置單個任務執(zhí)行時間，定時時間到后，程序自動進入中斷服務子程序，根據(jù)PID變量的值，可進入不同的子程序執(zhí)行，每中斷一次可執(zhí)行一次其中一個子程序，這樣就實現(xiàn)了多任務的分時調(diào)用，并且可實時地更新全局變量值，不需要子程序與主程序之間的變量互傳?？刂葡到y(tǒng)主程序流程框圖如圖4所示。

圖4 主程序流程框圖

3 結(jié)束語

本文提出了一種電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)利用定時器的定時功能實現(xiàn)多任務分時調(diào)用的控制方法，定時器每中斷一次就執(zhí)行一次相應的子程序，使不同任務循環(huán)定時執(zhí)行。該方案易于實現(xiàn)，并且保證了轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)具有很好的實時性和轉(zhuǎn)向跟蹤性。

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