電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略快速測試平臺研究

杜常清,李 晃,顏伏伍

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

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電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略快速測試平臺研究

杜常清1,2,李 晃1,2,顏伏伍1,2

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

為了實時測試驗證在各種服役條件下電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)控制策略的可行性與可靠性，基于靈活、快速和實時的模擬EPS系統(tǒng)阻力矩和方向盤輸入力矩，運用Matlab/Simulink圖形化編程的便利性和dSPACE系統(tǒng)的實時性建立EPS快速控制原型，產(chǎn)生控制EPS系統(tǒng)服役力矩模擬電機的控制信號，模擬車載環(huán)境下的發(fā)動機信號、車速信號等EPS輸入信號，采集EPS工作過程中的各種信息，并將測試結(jié)果在ControlDesk環(huán)境的人機交互界面進行顯示和分析，最終搭建了EPS控制策略快速測試平臺。測試與運用結(jié)果表明，試驗臺使用方便穩(wěn)定，測試精度滿足設(shè)計要求。

電動助力轉(zhuǎn)向；控制策略；測試平臺；性能試驗

轉(zhuǎn)向性能是決定汽車操縱穩(wěn)定性和安全性最重要的因素之一。汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)因為具有傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不具有的環(huán)保、低功耗、高主動安全性等優(yōu)點正成為各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流技術(shù)。無論是從安全性還是從操縱性，對EPS的控制策略所產(chǎn)生的效果進行研究都是十分必要的，考慮到轉(zhuǎn)向工況下汽車動力學(xué)的復(fù)雜性及道路實驗的危險性，采用實車試驗研究車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性不但成本高且存在安全風(fēng)險，如何在實驗室完成對EPS控制策略的性能測試成為重要的研究課題。目前國內(nèi)外關(guān)于EPS轉(zhuǎn)向器性能試驗的標(biāo)準與系統(tǒng)尚未形成，國內(nèi)部分學(xué)者和科研機構(gòu)對EPS試驗臺進行了研究，如劉俊等對助力電機輸出電流使用模糊PID閉環(huán)反饋控制研究[1]；伍穎等利用交流伺服技術(shù)設(shè)計出了EPS 性能測試系統(tǒng)[2]；翟紹春等根據(jù)EPS試驗檢測要求，采用伺服電機和DMA數(shù)據(jù)采集方法設(shè)計出EPS試驗臺[3]；向丹等針對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出一種結(jié)合慣性補償電流和阻尼補償電流的復(fù)合控制策略開發(fā)EPS試驗系統(tǒng)[4]。EPS控制策略測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是快速建立控制策略模型，以及如何進行EPS系統(tǒng)服役條件的實時準確模擬。以上研究均采用單片機等控制系統(tǒng)結(jié)合手工編程來實現(xiàn)，模擬系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性受到一定的限制。筆者采用具有自動化實時模擬與測試功能的dSPACE仿真系統(tǒng)，結(jié)合Matlab圖形化編程軟件對EPS系統(tǒng)控制策略及其服役條件進行模擬，通過靈活豐富的通信及I/O接口配置，加上Simulink圖形化編程的強大算法功能和良好的可讀性等優(yōu)點，建立EPS系統(tǒng)控制策略快速測試平臺，能提高EPS系統(tǒng)的開發(fā)速度并降低開發(fā)成本。

1 EPS系統(tǒng)組成及基本原理

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。EPS系統(tǒng)在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加了助力電機、減速機構(gòu)、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器和ECU電控單元(如圖1所示)。相比液壓助力系統(tǒng)，EPS系統(tǒng)有許多優(yōu)勢，例如取消了液壓裝置，直接采用電機助力，不僅降低了能量消耗，而且由于架構(gòu)簡化，布置更加方便。EPS系統(tǒng)的助力特性對汽車的操縱性和穩(wěn)定性有很大影響。在轉(zhuǎn)向過程中，汽車電控單元通過接收車速信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號，助力電機通過預(yù)先設(shè)定的控制策略對轉(zhuǎn)向柱施加一個輔助力矩[5]。EPS系統(tǒng)的助力特性應(yīng)滿足：在汽車低速行駛的環(huán)境下，隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩增加，助力增加，減輕駕駛員轉(zhuǎn)向負擔(dān)；當(dāng)汽車高速行駛時，助力適當(dāng)減小，保持高速轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性。另外，EPS系統(tǒng)還應(yīng)能抑制來自路面的高頻干擾。

2 EPS試驗臺系統(tǒng)設(shè)計

2.1 EPS試驗臺系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圖2為EPS試驗臺結(jié)構(gòu)圖，它主要由機械試驗臺架和dSPACE實時仿真平臺兩大部分組成。機械試驗臺由機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、EPS方向盤轉(zhuǎn)矩輸入模擬電機、EPS總成連接軸及其固定裝置、各類傳感器和數(shù)據(jù)采集部分組成[6]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由實際硬件系統(tǒng)組成，輸入轉(zhuǎn)矩和輸出負載都選用伺服電機模擬。試驗臺軟件部分由dSPACE實時仿真系統(tǒng)及其配套接口軟件、試驗實時監(jiān)控軟件、整車動力學(xué)模型、EPS系統(tǒng)控制器模型等組成。

圖2 EPS試驗臺結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)測試原理

筆者設(shè)計的EPS系統(tǒng)控制策略的快速測試系統(tǒng)主要包括硬件實物、軟件模型、實時仿真平臺及信號處理系統(tǒng)3個部分。在主控計算機中使用Matlab/Simulink搭建出EPS服役條件下的控制器模型。EPS控制器的輸出是兩個伺服電機的電流大小，輸入信號有發(fā)動機點火信號和車速信號，需要采集的數(shù)據(jù)信號有EPS總成上的轉(zhuǎn)矩傳感器信號、電機的吸收電流和助力電流，其中轉(zhuǎn)矩信號及電機電流的相關(guān)參數(shù)由傳感器分別傳送至各自控制器，然后再通過A/D接口及CAN總線將數(shù)據(jù)傳送給dSPACE系統(tǒng)。在整個試驗臺測試過程中，dSPACE實時仿真系統(tǒng)利用A/D轉(zhuǎn)換接口及CAN總線采集各傳感器信號，通過D/A、PWM輸出接口向相應(yīng)的電機驅(qū)動器發(fā)送控制信號。DS1103單板系統(tǒng)能通過TCP/IP協(xié)議與主控計算機完成數(shù)據(jù)交換功能。

車輛模型和EPS控制器模型在Matlab/Simulink中調(diào)試好后，編譯下載至dSPACE的DS1103單板系統(tǒng)上。由于在dSPACE仿真環(huán)境中用實物代替了目標(biāo)系統(tǒng)模型，因此需要通過MicroAutoBox的I/O接口實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)與EPS硬件實物之間的連接。整車模擬器(DS1103)通過接收模擬的轉(zhuǎn)角傳感器信號、發(fā)動機點火信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、車速信號，輸出控制信號給伺服電機驅(qū)動器模擬轉(zhuǎn)向阻力。在建立的Simulink仿真模型的基礎(chǔ)上保留控制算法模塊，用RTI的I/O接口模塊替換相應(yīng)的邏輯運算即可實現(xiàn)電機控制。EPS的控制器模型根據(jù)傳感器采集到的轉(zhuǎn)矩信息、電機電流信息和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角大小向電機驅(qū)動器發(fā)送控制信號進行助力控制。

此外還根據(jù)實時仿真模型及試驗的需求，使用ControlDesk所提供的虛擬儀表技術(shù)完成人機交互界面的開發(fā)。ControlDesk是dSPACE實時仿真系統(tǒng)自帶的一款實時測試監(jiān)控軟件，它能在線獲得 dSPACE仿真板上運行程序中各種參數(shù)變量的情況，通過建立和修改模型、配置或擴展接口完成系統(tǒng)的集成和調(diào)試工作[7]。

3 EPS控制策略建模

圖3 EPS助力控制原理框圖

EPS助力電機的基本控制邏輯是ECU接收來自傳感器的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信號和車速信號，通過控制助力電機調(diào)節(jié)助力矩的大小和方向[8]。EPS控制系統(tǒng)中的助力電機基本控制原理如圖3所示。ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器信號Ts和車速傳感器信號V調(diào)節(jié)助力電機的目標(biāo)電流Icmd，然后根據(jù)電流傳感器測量的實際電流I的大小進行反饋控制。由于助力電動輸入的電流大小與輸出轉(zhuǎn)矩的大小正相關(guān)，因此助力電機轉(zhuǎn)矩T的大小也就確定了。

由圖3可知，EPS控制主要要解決的問題是如何根據(jù)助力需求確定助力電機的目標(biāo)電流，即電機電流的閉環(huán)控制問題[9]。上述EPS系統(tǒng)通過助力特性曲線得出目標(biāo)電流值僅取決于輸入系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩信號和車速信號，不考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)特性。由多個機械元件組成的EPS系統(tǒng)加裝助力電機會對汽車的操縱性能產(chǎn)生一定的影響，如造成轉(zhuǎn)向路感減弱、轉(zhuǎn)向靈敏度降低、轉(zhuǎn)向盤抖動等問題，因此在對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行基本的助力控制時還需要考慮一些補償控制。目前很多研究顯示對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本助力控制增加電機補償控制、轉(zhuǎn)向盤回正控制能顯著改善電動助力的轉(zhuǎn)向特性[10]。優(yōu)化的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模型不僅考慮了基本的電動助力功能，還增加了力矩微分補償和電機補償控制。其中電機補償控制包括摩擦補償、阻尼補償和慣量補償。此外，為保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具備良好的轉(zhuǎn)向特性還增加了轉(zhuǎn)角回正控制補償，如圖4所示。

圖4 EPS控制策略圖

轉(zhuǎn)向盤的回正控制和阻尼控制的主要功能是防止回正過程中出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象[11]。用方向盤中位值作為目標(biāo)角度，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器測量值作為實際角度值θh，通過對轉(zhuǎn)向盤實際角度值與目標(biāo)角度之間的偏差進行閉環(huán)控制，使偏差趨于零，公式如下：

其中：Icmd為助力電機目標(biāo)電流；KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。

在確定控制模式及目標(biāo)電流Icmd之后，為了使助力電機電流能快速響應(yīng)目標(biāo)電流值的變化，需要通過電流傳感器和邏輯運算控制實際電流值。PID控制算法簡單、魯棒性好，且易通過編程實現(xiàn)，適合對跟蹤電流的確定性控制[12]。PID控制一般由給定值r(t)和實際輸出值c(t)之差構(gòu)成控制偏差e(t)。

e(t)=r(t)-c(t)

在Matlab/Simulink中搭建出EPS實驗的仿真控制模型(如圖5所示)，并連接平臺所需的各個實驗系統(tǒng)。dSPACE實時仿真系統(tǒng)能夠與Matlab/Simulink無縫連接，因此可以利用RTI實時接口庫中的相關(guān)模塊將所需要的信號直接搭建到EPS控制模型中，再通過Matlab/RTW完成控制模型到控制代碼的自動生成與下載，從而實現(xiàn)快速控制原型開發(fā)。

圖5 EPS轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模型

4 EPS系統(tǒng)控制策略快速測試驗證

在該臺架上進行模擬汽車運行工況下的轉(zhuǎn)向?qū)嶒?，驗證試驗臺的功能是否達到設(shè)計目標(biāo)。由于是臺架試驗，車速信號選用固定50%占空比的PWM脈沖信號來實現(xiàn)。EPS試驗臺架依據(jù)某車參數(shù)設(shè)定，其車輪外直徑為562mm，車速信號計算公式為：

F=V/(0.562×3.14)

式中：F為車速信號頻率；V為車速。

試驗臺主要用來驗證被測EPS系統(tǒng)控制策略的功能是否完備，性能是否優(yōu)良，能否滿足設(shè)計要求。在實際測試之前先對試驗臺架進行功能測試，主要是檢查EPS系統(tǒng)在行程內(nèi)能產(chǎn)生的最大助力特性是否平穩(wěn)連續(xù)，是否存在卡頓、慣性延遲等現(xiàn)象。在試驗臺功能驗證符合測試條件后，利用試驗臺對一電動助力轉(zhuǎn)向裝置進行了9個測試項目。測試系統(tǒng)人機交互界面如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)人機交互界面

車速信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生低頻脈沖模擬低速(≤30 km/h)、中速(30～80 km/h)、高速(≥80 km/h)這3種車速。測試項目都是在原地轉(zhuǎn)向工況下進行，測試結(jié)果及分析如下：

漸進力矩測試是在試驗中使輸入軸連接而輸出軸斷開，來檢查助力系統(tǒng)的機械摩擦及其他機械阻力。在測試中用零負載代替輸出軸斷開(負載電機)，造成所測轉(zhuǎn)矩沒有完全以0 N·m為軸對稱，而是整體向下有一個偏移量，如圖7所示。

圖7 漸進力矩測試

最大性能測試是檢驗電動助力轉(zhuǎn)向裝置在其行程內(nèi)對輸入軸轉(zhuǎn)速能產(chǎn)生的最大助力特性是否滿足設(shè)計要求。試驗時將輸入、輸出軸連接好，并在輸出軸加上負載。打開汽車點火開關(guān)，設(shè)定輸入軸轉(zhuǎn)速最大值為100 r/min(600°/s)。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的輸入電機的減速比20得到伺服電機轉(zhuǎn)速最大值為2 000 r/min，故伺服電機轉(zhuǎn)速值由0開始線性增加至2 000 r/min即可。轉(zhuǎn)向盤恢復(fù)到初始位置后再以相同的轉(zhuǎn)速向相反的方向轉(zhuǎn)動，并繪制最大性能試驗曲線圖，如圖8所示，0基準線以上為正向，以下代表反向。

圖8 最大性能測試

方向盤輸入轉(zhuǎn)矩-吸收電流特性試驗是檢測不同車速下輸入轉(zhuǎn)矩與EPS系統(tǒng)吸收電流的關(guān)系特性，如圖9所示。在某一車速下，當(dāng)方向盤輸入轉(zhuǎn)矩從0增大到2 N·m時，EPS系統(tǒng)的吸收電流很小，電機助力也很??；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩在2～8 N·m區(qū)間時，吸收電流隨輸入轉(zhuǎn)矩的增大而迅速變大，助力也相應(yīng)增大；而當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩超過8 N·m后，吸收電流進入恒定區(qū)，即助力大小不變，符合設(shè)計要求。

圖9 輸入轉(zhuǎn)矩-吸收電流特性

圖10為模擬車速40 km/h時輸入轉(zhuǎn)矩-助力電流特性試驗曲線。由圖10可知，在輸入轉(zhuǎn)矩小于3 N·m時，助力電流很小，說明EPS助力也很小；當(dāng)轉(zhuǎn)矩從3 N·m增加到9 N·m時，助力電流隨輸入轉(zhuǎn)矩成線性增長；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩大于9 N·m時，助力電流進入恒定區(qū)，確保駕駛員有足夠的路感。

圖10 輸入轉(zhuǎn)矩-助力電流特性

5 結(jié)論

在分析汽車EPS基本工作原理的基礎(chǔ)上，搭建了由機械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、伺服電機和多種傳感器組成的EPS控制策略快速測試平臺。通過對EPS基本助力控制方法的分析，提出利用方向盤轉(zhuǎn)角回正控制和電機補償控制來確定助力電機的目標(biāo)電流，采用PID控制算法跟蹤目標(biāo)電流，搭建了EPS系統(tǒng)控制策略模型；根據(jù)車輛動力學(xué)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略建立EPS服役條件的控制模型，運用Matlab/Simulink建模和dSPACE仿真系統(tǒng)完成EPS控制策略快速測試。測試平臺實際運用結(jié)果顯示，其綜合性能與預(yù)期相符，說明試驗臺架具有較完備的測試功能，且與dSPACE系統(tǒng)兼容性較好。試驗臺可以方便地對電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略進行測試，并對系統(tǒng)各個參數(shù)和控制邏輯進行優(yōu)化，檢驗汽車EPS的有效性，可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，為實車試驗奠定了基礎(chǔ)。

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DU Changqing:Assoc. Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Rapid Test-bench for Electric Power Steering Control Strategy

DUChangqing,LIHuang,YANFuwu

The feasibility and reliability of control strategy for electric power steering system (EPS) needed to be verified under various working conditions. The test was based on the fast and real-time simulation of resistance torque of EPS system and input torque of steering wheel. According to the convenience of graphical programming of Matlab/Simulink and real-time of dSPACE systems, the EPS rapid control prototype was established. The signal of control EPS system service torque simulating the motor was generated. The EPS input signals including engine signals and vehicle speed signals were simulated in automotive environment. Various kinds of information were collected during the course of EPS work. The obtained test results were displayed and analyzed based on the interface of man-machine in the Control-Desk environment. The test bench of EPS control strategy was eventually built. The debugging and actual application results showed that the test bench was easy and stable to use and the test precision met the design requirements.

EPS; control strategy; test-bench; performance test

2015-03-07.

杜常清(1975-),男，四川南充人,武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授；博士.

湖北省重點新產(chǎn)品新工藝研究開發(fā)科研基金資助項目(2013BAA083)；國家科技支撐計劃基金資助項目(2013BAG09B00)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃基金資助項目(IRT13087).

2095-3852(2015)05-0557-05

A

U461.6

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.007