基于方向盤(pán)角度的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)回正控制設(shè)計(jì)

何殿福，高偉

（萬(wàn)向錢潮傳動(dòng)軸有限公司EPS工廠，浙江 杭州 311215）

基于方向盤(pán)角度的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)回正控制設(shè)計(jì)

何殿福，高偉

（萬(wàn)向錢潮傳動(dòng)軸有限公司EPS工廠，浙江 杭州 311215）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)向輕便。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子、減速機(jī)構(gòu)的摩擦阻尼，致使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能變差。針對(duì)系統(tǒng)回正不足，設(shè)計(jì)了基于方向盤(pán)角度信息查表的主動(dòng)回正控制算法,進(jìn)行了電控單元（ECU）軟、硬件設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該控制策略可使方向盤(pán)順利回到接近中點(diǎn)位置，不過(guò)度。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；角度；主動(dòng)回正

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-24-03

1、系統(tǒng)簡(jiǎn)介及原因分析

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，是一種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)電一體化汽車轉(zhuǎn)向部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、節(jié)能環(huán)保以及控制精確等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)為管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS），電機(jī)選用直流永磁式有刷電機(jī)?？刂粕喜捎肏橋式脈寬調(diào)制（PWM）全控橋模式，助力控制策略為扭矩-電流雙閉環(huán)PI控制。渦輪-蝸桿減速機(jī)構(gòu)減速比為16.5。

電機(jī)轉(zhuǎn)子、減速機(jī)構(gòu)的摩擦阻尼，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性能變差的主要因素。實(shí)際應(yīng)用中，管柱摩擦阻尼力矩通常為0.6～0.8N·m，由減速比可得，回正控制所需電機(jī)輸出力矩應(yīng)小于0.048N·m。由圖1左下角坐標(biāo)0點(diǎn)附近可見(jiàn)，電機(jī)工作電流小于1.5A。電機(jī)工作在小電流、低扭矩的啟動(dòng)階段，電機(jī)的電流-力矩線性度極差，難于控制。

有文獻(xiàn)采用回正補(bǔ)償、回正力矩估計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方法進(jìn)行回正控制，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性有一定的作用。但由于缺少角度的絕對(duì)位置信息，給回正控制帶來(lái)很大的不確定性，且算法復(fù)雜、差異大，會(huì)出現(xiàn)回正不足或過(guò)頭打手等異常，難于推廣。

本系統(tǒng)采用基于方向盤(pán)角度-角速度查表的控制策略。通過(guò)傳感器實(shí)測(cè)方向盤(pán)角度位置，計(jì)算瞬時(shí)角速度，設(shè)計(jì)不同的回正情形。通過(guò)模型計(jì)算，施加適當(dāng)?shù)幕卣刂屏?，獲得很好的回正性能。

2、方案設(shè)計(jì)

2.1 回正-阻尼控制邏輯

在轉(zhuǎn)向回正過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量方向盤(pán)角度值，計(jì)算其角速度，確定回正方向。依據(jù)表一，執(zhí)行相應(yīng)控制邏輯。通過(guò)電機(jī)施加適當(dāng)控制力矩，改善系統(tǒng)回正性能。原地（車速=0）、方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)停止及助力區(qū)域（輸入扭矩＞1.2 N·m）不回正，高速行駛實(shí)施阻尼控制。

表1 回正-阻尼控制邏輯

2.2 回正算法

期望回正控制輸出PWM為弧形曲線族，如圖2所示，回正控制分為三個(gè)階段，t0段為漸入階段，t1段為調(diào)節(jié)保持階段，t2段為漸出階段。弧形曲線為理想輸出目標(biāo)曲線，直線為實(shí)際執(zhí)行曲線。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向力矩均勻、平順。

回正輸出采用開(kāi)環(huán)脈寬調(diào)制（PWM）控制，實(shí)測(cè)最大回正輸出力矩（最大靜摩擦）時(shí)的PWM值Pmax，設(shè)定為輸出上限值。實(shí)測(cè)最小回正輸出力矩等于0.2N·m(通常人手可感知0.3N·m)時(shí)的PWM值Pmin，設(shè)定為輸出下限值。脈寬步調(diào)△Pwm=Pmax×5% 。Pmax 、Pmin 、及△Pwm需實(shí)車路試匹配。

構(gòu)建模型算法如下：

其中：

PmaxR 回正輸出PWM

V 車速信號(hào)

θ 方向盤(pán)角度

ω 方向盤(pán)角速度

T 方向盤(pán)輸入扭矩

在回正控制過(guò)程中，橫坐標(biāo)參量時(shí)間t與方向盤(pán)角度成正比，與角速度ω成反比。對(duì)t 、ω不進(jìn)行控制。

2.3 阻尼控制

閉合H橋低端的2個(gè)MOS FET開(kāi)關(guān)，使電機(jī)繞組短路，電機(jī)工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。方向盤(pán)在阻尼力矩作用下回到中間位置，從而避免回正過(guò)度及擺振。高速行駛增強(qiáng)操作穩(wěn)定性。

2.4 零點(diǎn)配置

首次安裝，或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)維修，方向盤(pán)角度零點(diǎn)變化時(shí)，需進(jìn)行零點(diǎn)配置。將車身擺正， 用電控單元（ECU）參數(shù)配置軟件，發(fā)送零點(diǎn)配置指令，觸發(fā)ECU進(jìn)行角度零點(diǎn)信息采集、校準(zhǔn)，并將零點(diǎn)值存儲(chǔ)在微控制器（MCU）的Date Flash中。存儲(chǔ)完成后，還需對(duì)零點(diǎn)值進(jìn)行讀取、校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后，進(jìn)行零點(diǎn)配置成功確認(rèn)指示。

系統(tǒng)上電工作初始化時(shí)，需進(jìn)行角度零點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取、校驗(yàn)。校驗(yàn)錯(cuò)誤，回正功能失效。存儲(chǔ)區(qū)規(guī)劃見(jiàn)表二。

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器工作參數(shù)見(jiàn)表三。

表2 方向盤(pán)角度零點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)規(guī)劃（第一扇區(qū)0x1000-0x10FF）

表3 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器工作參數(shù)

2.5 主動(dòng)回正控制子程序流程圖，見(jiàn)圖3

3、試驗(yàn)測(cè)試

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

安裝在汽車轉(zhuǎn)向模擬臺(tái)上，進(jìn)行低車速轉(zhuǎn)向模擬試驗(yàn)，手感平順，助力控制、回正-阻尼控制邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換連續(xù)、穩(wěn)定。

在綜合性能測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，曲線如圖4所示。左側(cè)為助力控制功能曲線（輸入力矩-輸出力矩[上]，輸入力矩-電機(jī)電流[下]），右側(cè)為助力控制增加主動(dòng)回正控制功能曲線。曲線表明，主動(dòng)回正控制工作在不助力區(qū)（輸入扭矩≤1.2 N·m），與助力曲線過(guò)度平滑、連續(xù)。

3.2 試驗(yàn)車路試

該系統(tǒng)安裝在四川汽車工業(yè)股份公司的野馬YM F12試驗(yàn)車上，多人次進(jìn)行了綜合路況路試，主觀評(píng)價(jià)較為滿意。該車還完成了3000Km（城市路況和高速路）綜合路試。低速掉頭、轉(zhuǎn)彎，高速變道、直線行駛等，方向盤(pán)均能較好地回到近于中點(diǎn)（殘留角小于5°），不過(guò)度，操作穩(wěn)定。

4、結(jié)論

通過(guò)對(duì)C-EPS系統(tǒng)回正不足原因分析,采用了基于角度-角速度查表控制邏輯，平順的開(kāi)環(huán) PWM 控制算法，將助力控制和回正-阻尼控制相結(jié)合, 轉(zhuǎn)向行程判斷準(zhǔn)確, 編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。在不同工況下達(dá)到較好的回正效果,操作穩(wěn)定、路感清晰。

設(shè)計(jì)了電控單元（ECU）硬件和軟件， 進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)、試驗(yàn)車路試。結(jié)果表明，此方法的回正力矩改善了車輛的回正性能，阻尼力矩阻止回正過(guò)度，高速阻尼增強(qiáng)操作穩(wěn)定性。

不足之處，回正左右對(duì)稱性略有差異。初步分析可能為電機(jī)啟動(dòng)階段對(duì)稱性、減速機(jī)構(gòu)及方向機(jī)等部件正-反向的差異。還需進(jìn)一步測(cè)試、優(yōu)化，以及左右回正控制參數(shù)獨(dú)立匹配等。

[1]徐濤等?；谵D(zhuǎn)角的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性能控制。湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23（1）.

[2]徐建平等。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制算法研究.汽車工程，2004，26（5）.

[3]劉晶郁等。基于轉(zhuǎn)角的商用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向回正控制研究。電子設(shè)計(jì)工程，2011,19 (19) .

[4]馬葳等。基于轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制。湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2010，24 (1) .

[5]王元聰 李偉光。汽車電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EPS) 控制策略研究。交通與計(jì)算機(jī)，2005，23（6）.

Design on Return to center Control of Electric Power Steering System Based on Angle of Steering wheel

He Dianfu, Gao Wei
(Wanxiang Qianchao Transmission Shaft Co., Ltd. EPS factory, Zhejiang Hangzhou 311215)

Electric Power Steering System is development from the simple Mechanical Steering System，uses electric motor to assist power for reduction in steering torque. Friction of Motor rotor and worm gear destroys the performance of returnto-center. In order to improve the performance of return-to-center，the control strategy by searching table for steering wheel aligning based on angle of steering wheel is proposed and the system’s hardware and software are designed. The experiment results show that the control strategy can make the steering wheel return to the center smoothly and mitigate the aligning overshoot.

Electric power steering；Angle；Return-to-center

U463.4

A

1671-7988(2014)10-24-03

何殿福，就職于萬(wàn)向錢潮傳動(dòng)軸有限公司 EPS工廠。