汽車電動助力轉向系統(tǒng)的模糊控制研究*

袁 森，柳 飛，張 宏

(1.貴州大學 機械工程學院, 貴州 貴陽 550025; 2.中石油西南管道公司蘭州輸測氣分公司，甘肅 蘭州 730000)

汽車電動助力轉向系統(tǒng)的模糊控制研究*

袁 森1，柳 飛1，張 宏2

(1.貴州大學 機械工程學院, 貴州 貴陽 550025; 2.中石油西南管道公司蘭州輸測氣分公司，甘肅 蘭州 730000)

汽車電動助力轉向是當前汽車安全性和舒適性等方面研究的重點。通過對汽車轉向機構的分析和改造，設計了基于小型貨車的電動助力轉向系統(tǒng)，并在此基礎上提出了模糊PID控制算法，有效地滿足了模糊判斷和反饋控制的需求。采用MATLAB進行模型仿真，得到了較好結果，證明算法有效地改善了轉向盤的轉矩輸出曲線，為轉向過程的靈活性和實時性提供了保障。

電動助力轉向; MC9SXS128; 模糊控制; PID控制

Abstract: Electric power steering (EPS) is the key topic of safety and comfort in automobile industry. Based on analysis of steering mechanism and structure of car, one solution of electric power steering system is designed. One algorithm of fuzzy- PID is given in this paper, which can fit the command of fuzzy control and feedback, the good result is got by MATLAB. it is proved that the algorithm can improve the torque output curve of steering wheel，which provides protection for flexibility and real time in steering.

Key words: EPS; MC9SXS128; fuzzy control; PID control

0 引 言

電動助力轉向(Electric Power Steering，簡稱EPS)是現(xiàn)代汽車助力轉向的主要研究方向。EPS通過對助力電機的驅動控制，實現(xiàn)對轉向助力大小的調節(jié)，滿足策略化控制的要求，能夠有效地滿足現(xiàn)代汽車對綠色，安全和可控性等多方面的要求，是助力轉向的未來發(fā)展方向[1]。

EPS系統(tǒng)對電動機的控制主要是依靠電機控制單元實現(xiàn)，其核心是具有強大計算和控制功能的MC9SXS128微控制芯片。MC9SXS128芯片具有體積小巧，體系架構緊湊，在低功耗、低成本、易用性、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到保證，且具有功能強大的功能指令，有效地滿足EPS控制的多重需要。

筆者以Freescale 16位單片機MC9SXS128為核心構建EPS控制單元，通過數(shù)據(jù)接口卡傳遞控制命令，并將輸出結果實時采集后發(fā)送到后臺展示，和生成統(tǒng)計報文。

1 EPS的組成及其工作原理

EPS根據(jù)控制需要，主要包括四部分：傳感器組件，電機控制單元ECU，電動機，和傳動控制組件。其中，傳感器組件對汽車轉角，車速，和電機功率等多樣信息進行感知，主要包括扭矩傳感器，車速傳感器，和電機電流傳感器等；傳動控制組件實現(xiàn)助力轉向動力的傳遞和隔斷，包括減速裝置，傳動裝置和離合裝置等[2-3]。EPS系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 EPS系統(tǒng)原理圖

EPS系統(tǒng)啟動后，傳感器組件感知當前汽車轉向系統(tǒng)的工作狀態(tài)。車速傳感器感知當前汽車行駛速度，轉矩傳感器感知到駕駛員施加在方向盤上的轉動力矩，電流傳感器感知當前電機的運行功率。通過接口卡單元，各個傳感器的感知信息反饋給電機控制單元ECU。ECU根據(jù)內置的控制策略，給出電機運行的參考電流，經(jīng)過ECU上的電機控制芯片，給予電機相應大小的電流，實現(xiàn)對電機功率的控制。電機根據(jù)運行電流的大小發(fā)出相應的轉動扭矩，經(jīng)過減速機構的放大效應，和傳動裝置的動力傳遞，將助力轉向的力矩加載到轉向輪上，最終與駕駛員的轉向力形成合力，驅動汽車轉向[4]。

2 ECU的單片機選型

MC9SXS128MA是飛思卡爾推出的16位芯片，屬于S12X家族。芯片包括大量的片上存儲器和外部IO。其中，片內存儲器包括128KB程序FLASH，8 KB內存RAM，和8 KB數(shù)據(jù)FLASH。同時，該芯片還包括2個異步通信接口SCI，一個串行外設接口SPI，一個8通道定時模塊TIM，16通道12位數(shù)模轉換單元ADC，以及1個8通道脈沖寬度調制模塊PWM。此外，MC9SXS128MA具有91個IO端口，其中部分具備終端和喚醒功能，且擁有1個CAN 2.0 A/B標準兼容模塊[5]。

與高性能的XE系列的芯片相比，包括MC9SXS128MA在內的XS系列芯片具備更好的性價比，也同樣具備一系列與汽車控制相關的片上外圍設備、存儲模塊，可以快速地用于各種汽車控制系統(tǒng)。

3 ECU模塊設計

3.1 控制模型

ECU的控制原理如圖2所示。ECU控制模塊主要包括六個部分：主控單片機MC9SXS128MA；傳感器；電機驅動；轉向動力傳動；上位機通信；電源供給。

圖2 EPS控制原理圖

工作流程如下：單片機MC9SXS128MA得到+5 V的電平進入工作狀態(tài)，通過扭矩傳感器、車速傳感器和電機電流傳感器獲得所需參考信息，包括方向盤轉矩，實時車速，和電機助力轉矩等。根據(jù)傳感器感知的數(shù)據(jù)，MC9SXS128MA查詢內嵌的轉向控制邏輯，給出參考電機電流大小，驅動電機給出需要的轉向助力，并通過傳動組件實現(xiàn)轉向動力的傳輸。其中，驅動組件中的驅動電路和H橋電機控制電路的運行電壓是12 V，電機運行所需的電流通過驅動電路產(chǎn)生的PWM波控制繼電器提供。所有電源供給都來自24 V的汽車電瓶。ECU控制模塊的信號輸出包括兩個部分，其一是將當前的組件狀態(tài)信號發(fā)送給位于駕駛室的顯示裝置，供駕駛員參考；其二是通過串口線路，將信息傳遞給車輛的主控單片機，由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計，智能控制，以及車聯(lián)網(wǎng)的管理等[6]。

考慮到安全原因，助力控制組件提供了手動控制接口。當助力過程出現(xiàn)異常，如單片機異常工作，電機燒毀或工作不穩(wěn)定，系統(tǒng)掉電，傳感器失效等，助力轉向系統(tǒng)根據(jù)問題的性質，將錯誤代碼發(fā)送給駕駛室的顯示單元，由駕駛員選擇操作模式。駕駛員可以根據(jù)需要啟用助力轉向系統(tǒng)的離合器，切斷助力電機與轉向機構的連接，進入手動轉向駕駛模式[7]。

3.2 直流電機驅動電路設計

EPS系統(tǒng)的動力來源來自直流電機。由于電機的輸出功率、精度和實時性直接對于著車輛的安全性，所以電機驅動電路需要具有較高的可調性和穩(wěn)定性[8]。

這里采用常見的H橋電機驅動電路，驅動脈沖來自于單片機的脈寬調制信號(PWM)，如圖3所示。

圖3 H橋電機驅動電路

設計電路簡單，簡化了外部電路及分離元件的數(shù)量，同時，可以將定時功能、轉向角度和轉向力等要求直接由單片機通過對PWM設置的改變實現(xiàn)，可靠性高，能夠避免開關管的誤動作，特別適合EPS等需要較大功率和轉動慣量的場合。

3.2.1 H橋式電路設計

功率管選型。EPS中的H橋式電路經(jīng)常工作在高開關頻率、高驅動電流和長使用壽命的工作環(huán)境，需要用大功率MOSFET管構成。系統(tǒng)采用4個IRF3205功率管，構成H橋的4個驅動電路，每個IRF3205具備額定電流110 A，反向耐壓55 V，導通電阻為8 mΩ，功率最大可至220 W，滿足EPS系統(tǒng)需要。

驅動芯片選型。系統(tǒng)采用ST公司提供的TD340ID大功率驅動芯片，它可以有效地減少外部電路數(shù)量，提高集成度，減少外部干擾和提高控制穩(wěn)定性。TD340ID用于驅動4個N通道的MOSFET功率管，TD340ID的具備常規(guī)的欠壓和過壓保護，峰值輸出電壓可達30A，工作電壓可達60V。

冗余控制。為了提高系統(tǒng)的可控制水平，H橋驅動電路中，在電機旁串聯(lián)了一個繼電器，其控制端由MC9SXS128MA控制，并經(jīng)過光耦6N137實現(xiàn)雜波隔離。

電流采樣。為了滿足后續(xù)電機反饋控制要求，系統(tǒng)對電機工作電流進行監(jiān)控。采用常見的AD8210芯片，它被廣泛應用在電流檢測、電機控制、車輛動態(tài)控制等方面。系統(tǒng)中，AD8210采用5 V供電，利用VREF1和VREF2的設置確定檢測量程，并用電流電壓轉換的方法，在電機驅動電路中串聯(lián)一個0.01 Ω電阻，實現(xiàn)對電機電流的測量。

3.2.2 信號采集和處理

系統(tǒng)中涉及的信號源主要包括三個部分，分別是轉向桿的扭矩信號，車速信號，和方向盤轉角信號。

利用轉矩傳感器獲取轉向桿的轉矩大??；利用旋轉編碼器獲得方向盤的轉動方向和轉動速度；利用汽車內部的車速信號源，獲取瞬時車速。

上述信號都存在雜波、干擾和非TTL電平等情況，需要進行相應的濾波、去噪、分壓、A/D和TTL轉換等操作，將輸出結果加載到主控ECU端，進行后續(xù)的模糊判斷和PID控制。

4 EPS控制算法設計

4.1 控制算法選擇

在EPS中，軟件平臺需要進行相關信息處理，并給出兩個方面的結果，一個是目標電流，一個反饋控制信號的調整數(shù)據(jù)。

輸入端。在實際駕駛中，EPS助力電機的目標電流與汽車方向盤的轉矩信號和車速信號等，都是非線性關系，線性化難度大，采用模糊控制可以將定量轉變?yōu)槎ㄐ裕瑥亩蟠蠼档湍繕穗娏鞯挠嬎懔?，同時也提高了系統(tǒng)的自適應能力和魯棒性。

輸出端。汽車傳動的多部件造成實際輸出與理想輸出常存在差異，需要進行反饋控制。為了保證實時性和簡化計算復雜性，系統(tǒng)采取常規(guī)PID控制，將目標電流與輸出電流之間的誤差作為控制算法的輸入?？傮w的控制系統(tǒng)原理，如圖4所示。

圖4 EPS控制系統(tǒng)原型

EPS系統(tǒng)軟件模塊的工作流程簡要如下，首先，車輛啟動后，經(jīng)過設備初始化操作和自檢操作后，若系統(tǒng)正常，則快速進入往復檢測循環(huán)，直到車輛停止工作。其次，在循環(huán)過程中，ECU根據(jù)來自方向盤的扭矩傳感器信號和車速傳感器信號，根據(jù)模糊邏輯處理給出目標電流。最后，ECU根據(jù)反饋回來的助力電機反饋電流，計算目標電流與反饋電流之間的差值E，經(jīng)過PID控制，給出修正后的電流信息，并通過PWM脈寬調制器和電機驅動模塊，驅動直流助力電機運行。

系統(tǒng)的模糊控制算法和PID控制算法都是通過BDM調試器和CodeWarrior軟件平臺刷寫到MC9SXS128MA芯片。程序模塊包括：控制主程序，轉矩信號獲取程序，車速信號獲取程序，助力電機開合狀態(tài)控制，錯誤處理程序，及故障報警程序，等。

4.2 目標電流設計

目標電流設計需要經(jīng)過模糊化，模糊判斷，和解模糊三個階段。

首先，以車速傳感器和方向盤扭矩傳感器傳回的速度V和轉矩T，作為模糊化處理的輸入變量，以助力電機的目標電流I作為輸出變量[9]。

車速的論域V=[0,80] (Kilos/Hour)，T=[-10,+10] (N·m)，電流I=[0，20] (A)，都采用7個等分的三角形劃分，包括：NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。

其次，建立模糊判斷策略。系統(tǒng)采用三角形隸屬度函數(shù)，表達式如式(1)：

(1)

式中：a，b，c分別是三角隸屬函數(shù)的起點，最大隸屬度點，終點。

根據(jù)車速和轉矩，建立模糊規(guī)則表，如表1所列。

表1 模糊規(guī)則表

最后，通過查表獲取目標電流I的模糊值，并進行解模糊處理，具體算法采用重心法，從而得到具體的助力電機目標電流。

根據(jù)EPS系統(tǒng)中可能存在的性能損失，包括摩擦力損耗、阻尼損耗和回正損耗等，系統(tǒng)需要在在輸入端加上相應的補償輸入總和，具體數(shù)值由公式(2)計算可知：

Iobj=m+If+Id+Ir

(2)

式中：Iobj是目標電流，m是助力電流，If是摩擦力補償電流，Id是阻尼補償電流，Ir是回正補償電流。其中，If，Id，Ir的計算公式如下：

If=Kf×sgn (ωM)

(3)

Id=-Kd×ωM

(4)

Ir=Kr×dωM/dt

(5)

式中：Kf，Kd，Kr，分別是摩擦力，阻尼，和回正的補償參數(shù)，ωM是電機角速度。

4.3 系統(tǒng)誤差校正

助力電機的輸出值通常與實際輸出值存在誤差，需要進行反饋控制，系統(tǒng)采用的PID算法進行調整[10]。

電流誤差Ie是目標電流Iobj與反饋電流Ifb之差，如公式(6)所示。

Ie=Iobj-Ifb

(6)

則，PID處理后電流如式(7)：

I(t)=Kp(Ie+Ki∫Iedt+KddIe/dt)

(7)

式中：Kp是比例系數(shù)，Ki是積分系數(shù)，Kd是微分系數(shù)。

在第n次采樣中，電流I(n)的值如式(8)：

[Ie(n)-Ie(n-1)])

(8)

其中：T是采樣周期，n是序號，Ie(n)是第n次采樣時得到的電流偏差。

由式(8)可得電流PWM控制增量，如公式(9)所示：

(9)

5 仿真結果分析

算法以某小型貨車參數(shù)為依據(jù)，在MATLAB7.01下建立EPS系統(tǒng)模型，包括EPS模型，汽車二自由度轉向模型，模糊判斷模型和PID控制模型。路面輸入模型采用白噪聲，對模型采用模糊PID控制系統(tǒng)仿真，測試科目包括伯努利雙紐線測試和階躍輸入。軟件仿真的結果，在后續(xù)實車測試中得到了驗證。

雙紐線測試結果如圖5、圖6所示。由圖可見，方向盤轉動過程中，帶EPS的曲線毛刺明顯減少，扭矩抖動得到較好控制，對應著轉彎時的駕駛穩(wěn)定性得到改善。

階躍輸入測試結果如圖7所示。由圖中可知，帶EPS控制的貨車能夠在階躍轉向輸入時，更加快速地到達穩(wěn)定狀態(tài)，且抖動性小于無EPS的系統(tǒng)，說明車輛的轉向相應速度和穩(wěn)定性得到較好地改善。

圖5 無EPS雙紐線測試圖

圖6 帶EPS雙紐系測試圖

圖7 階躍輸入測試圖

6 結 語

本文對傳統(tǒng)的EPS進行了控制系統(tǒng)優(yōu)化，以模糊判斷給出電機助力電流，用PID對電機電流輸出誤差進行修正，很好地滿足了EPS系統(tǒng)智能控制的要求，同時，系統(tǒng)建立了硬件測試平臺，對軟件仿真結果進行了有效地驗證，明確了控制算法的正確性和可靠性。

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Research on Fuzzy Control of Electric Power Steering System of Car

YUAN Sen1, LIU Fei1, ZHANG Hong2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,GuizhouUniversity,GuiyangGuizhou550025,China； 2.LanzhouOilandGasBranchCompany,PetroChinaSouthwestpipelineCompany,LanzhouGansu730000，China)

2014-06-16

貴州省重大專項資助項目(黔科合重大專項字(2011)6018)；貴州大學青年基金項目：電動助力轉向系統(tǒng)的控制策略研究(貴大自青基合字(2009)033)

袁 森 (1975-)，男，貴州遵義人，副教授，研究方向：汽車智能控制，車聯(lián)網(wǎng)。

V463

A

1007-4414(2014)04-0199-04