基于模糊控制的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究

梁志宏

摘 要：隨著現(xiàn)代汽車電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向（ElectricPowerSteering，簡稱EPS）系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該文通過對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)分析，建立了車輛了EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型，提出了基于模糊控制的EPS系統(tǒng)助力控制策略，并對其建模仿真，為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向 助力特性 模糊控制

中圖分類號：U463.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0118-02

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是集合安全、環(huán)保和節(jié)能為一體的助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，它的助力特性屬全車速感應(yīng)型，通過對EPS控制器進行軟件的編程設(shè)定，能夠方便地對系統(tǒng)的助力特性進行調(diào)節(jié)，使汽車可以在不同工況下獲得相應(yīng)的助力特性，從而提高駕駛員在轉(zhuǎn)向時的路感和手感。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力機構(gòu)由復(fù)雜的液壓機構(gòu)變成了依靠電動機產(chǎn)生助力的系統(tǒng)，系統(tǒng)通過控制助力電動機電流的方向和幅值，實現(xiàn)為轉(zhuǎn)向器提供助力扭矩的要求，提高了汽車在低速行駛時轉(zhuǎn)向操縱的輕便性；同時又保證了汽車在高速行駛時穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高高速行駛時的操縱穩(wěn)定性。由于取消了液壓泵、儲液罐、液壓管路等液壓系統(tǒng)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更容易進行裝配和檢測，能耗低，也更環(huán)保。[1-4]在汽車產(chǎn)品環(huán)保、低能耗和智能化的大方向下，目前國外多家大型公司的EPS產(chǎn)品已經(jīng)成功裝配于微、輕型轎車，國內(nèi)對EPS的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但與國際先進水平依然存在一定的差距。著眼于未來的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)巨大的潛力，開發(fā)EPS系統(tǒng)，尤其制定性能可靠的EPS控制策略對于提高我國汽車行業(yè)的競爭力具有一定的現(xiàn)實意義。

1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由裝在轉(zhuǎn)向器輸入端的轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)矩）傳感器、機械式轉(zhuǎn)向器、車速傳感器、電子控制單元（ECU）、電動機、減速器和電源等組成。[4，5]ECU根據(jù)作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩信號以及車速信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號等，決定EPS系統(tǒng)是否投入工作。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，經(jīng)過對其轉(zhuǎn)矩信號的采集、判斷和處理后，根據(jù)ECU存儲器中制定的助力特性，控制電動機的旋轉(zhuǎn)方向和作用在電動機上的助力轉(zhuǎn)矩電流的大小及作用時間。通過減速器將輔助動力施加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，從而完成助力轉(zhuǎn)向的實時控制。低速行駛時助力作用大，轉(zhuǎn)向輕便；高速行駛時減小助力，以提高路感和操縱穩(wěn)定性。

1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略

EPS系統(tǒng)的主要功能給助力電動機提供一個合適的驅(qū)動力、保持良好的轉(zhuǎn)向路感，同時確保轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度、抑制來自轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的振動和路面不平造成的振動和沖擊。EPS系統(tǒng)控制策略主要包括轉(zhuǎn)向助力控制、回正控制和阻尼控制等。而轉(zhuǎn)向助力控制是其基本的控制策略。在汽車轉(zhuǎn)向過程中，ECU根據(jù)駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的輸入轉(zhuǎn)矩和當(dāng)前車速信息，由存儲在ECU中的助力特性決定應(yīng)提供多大的助力電流給電動機，從而得到與不同行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。圖1所示為EPS系統(tǒng)的助力控制過程框圖，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩信號和車速傳感器檢測到的車速信號V，由轉(zhuǎn)向助力特性確定電動機的目標(biāo)電流，之后由電流控制器控制電動機的電流，使電動機輸出目標(biāo)助力矩Tm。

EPS的助力特性由嵌入其ECU中的程序設(shè)置，可以輸出任意形狀的助力特性曲線，且調(diào)節(jié)方便。該文采用如圖2所示的一種折線型的助力特性曲線，該特性曲線由直線行駛區(qū)I、強路感區(qū)II和輕便轉(zhuǎn)向區(qū)Ⅲ等三個助力區(qū)域組成。在無轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向角非常小的中心區(qū)域?qū)?yīng)助力曲線采用直線行駛區(qū)I；輕便轉(zhuǎn)向區(qū)則是對應(yīng)轉(zhuǎn)向角較大的區(qū)域；強路感區(qū)介于二者之間。

折線型助力特性曲線可用以下函數(shù)表示，式中，、分別為助力特性曲線的梯度，其具體數(shù)值隨車速的增加而減小，Td為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩。該助力曲線的特點是轉(zhuǎn)向助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成分段線性關(guān)系，易于編程實現(xiàn)。

（1）

2 基于模糊控制的轉(zhuǎn)向助力控制

2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由轉(zhuǎn)向機構(gòu)機械模型、電動機模型、ECU控制算法模型等模塊組成，[8，9]根據(jù)EPS系統(tǒng)各模塊間的聯(lián)系建立系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。輸入為系統(tǒng)給定信號即轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和反饋信號即電動機的電流I，輸出為作用到轉(zhuǎn)向軸下端的轉(zhuǎn)角degree和助力力矩。

2.2 模糊規(guī)則的建立

模糊集合理論（FuzzySetTheory）1965年由Zadeh教授提出，模糊控制是基于“專家知識或操作經(jīng)驗，采用語言規(guī)則表示的一種人工智能控制策略。[8，9]電動機助力電流的控制決策所采用的是一個雙輸入單輸出的模糊控制器。輸入量分別為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和車速V，輸出量是電動機的助力電流。該文設(shè)的論域為[1，10]，單位是N·m，V的論域為[0，120]，單位是km/h。設(shè)的論域為[0，28]，單位是A。制定好控制規(guī)則，建立轉(zhuǎn)向助力電流決策的模糊控制器后，可以得到該系統(tǒng)助力特性三維圖，如圖4所示。從圖中可以清晰地看到不同車速、轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩下對應(yīng)的助力電機轉(zhuǎn)向助力電流值。

3 系統(tǒng)仿真運行結(jié)果

圖5中分別為車速在00km/h、40km/h及60km/h下的轉(zhuǎn)向助力特性曲線，曲線表明該文制定的助力控制策略是符合實際EPS系統(tǒng)在行駛過程中對轉(zhuǎn)向助力的要求的。通過該控制策略能得到與不同工況相匹配的轉(zhuǎn)向助力電流值。

4 結(jié)語

該文通過分析EPS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和工作原理對電動機特性參數(shù)與EPS系統(tǒng)的匹配進行了討論，完成了EPS系統(tǒng)各部件的選型及數(shù)學(xué)模型的建立。設(shè)計了一種基于模糊控制的EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力控制策略，并在simulink中進行了仿真，得到了在不同車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩輸入下的轉(zhuǎn)型助力特性曲線，該控制器對助力電機的電流具備較高的響應(yīng)速度，所制定的轉(zhuǎn)向助力控制策略和控制方法基本可以滿足實際EPS系統(tǒng)的要求。

參考文獻

[1] 陳家瑞，馬天飛，蔣興閣等.汽車構(gòu)造（第五版）[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 齊軍國.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2005.

[3] 劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[4] 郭孔輝.汽車操縱動力學(xué)[M].長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，199l.

[5] 葉耿，楊家軍，劉照，等.汽車電動式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向路感研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2002，30（2）：24-26.

[6] 陳奎元，馬小平，季學(xué)武.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)的研究[J].江蘇大學(xué)學(xué)報，2004，25（1）：21-24.

[7] Thomas D.Gillespie（趙六齊，金達鋒.譯）.車輛動力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[8] 曾光齊，胡均安，王東，等.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[9] 李書龍，許超.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的模糊控制[J].公路交通科技，2004，21（4）：l01-103，108.