純電動汽車EPS系統(tǒng)控制策略研究

劉曉爽

摘 要：隨著世界經(jīng)濟及汽車電控技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的安全性、駕駛的舒適性、節(jié)能環(huán)保性、以及操縱穩(wěn)定性越來越重視。具備著節(jié)能環(huán)保及助力可調(diào)節(jié)等優(yōu)點的汽車電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)，越來越受到人們的重視，而且裝配簡單、占用空間小，因此，EPS系統(tǒng)有很大的應(yīng)用領(lǐng)域及市場發(fā)展空間。對于新能源汽車來說，必須選擇EPS系統(tǒng)，因為它不需要使用內(nèi)燃機，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力的來源只有來自電動機。

關(guān)鍵詞：純電動；電動助力轉(zhuǎn)向；控制策略

隨著汽車電控技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的安全性、駕駛的舒適性、節(jié)能環(huán)保性、以及操縱穩(wěn)定性越來越重視。傳統(tǒng)的純機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)有被淘汰的趨勢，目前的多種類型的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于系統(tǒng)零部件較多，能源消耗多，高速時路感差；電動機驅(qū)動的油泵，雖然增用了電控系統(tǒng)來調(diào)節(jié)助力轉(zhuǎn)向，但它依然存在液壓管路，并且最環(huán)境造成污染，成本較高，這已經(jīng)不能滿足人們對汽車環(huán)保節(jié)能等方面的要求。

EPS系統(tǒng)既環(huán)保節(jié)能，又能滿足人們對汽車性能越來越高的要求，而且其自身價格會隨著產(chǎn)量的上升呈下降趨勢，非常適合使用在大多數(shù)轎車身上，EPS系統(tǒng)代替液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在未來已經(jīng)成為必然的轉(zhuǎn)變趨勢，所以EPS系統(tǒng)的在汽車市場的發(fā)展空間十分大。

1 發(fā)展趨勢

EPS系統(tǒng)是以機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號和車速信號，計算出目標電流從而使電機產(chǎn)生相應(yīng)大小的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，協(xié)助駕駛員進行轉(zhuǎn)向并獲得最好的轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng)。隨著人們對汽車駕駛舒適性的要求越來越高及政府“節(jié)能環(huán)保”的大力支持下，EPS已成為未來汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 電動助力轉(zhuǎn)向的核心技術(shù)

（1）傳感器技術(shù)方面?，F(xiàn)代汽車技術(shù)主要以電自控制技術(shù)的應(yīng)用為主，電控系統(tǒng)的主要元件是傳感器，作為信息采集的重要元件。傳感器數(shù)據(jù)采集的準確性是實現(xiàn)控制精度的前提。EPS系統(tǒng)中應(yīng)用了多種傳感器，如：轉(zhuǎn)矩傳感器、助力電機電流傳感器等。融合多種先進技術(shù)，設(shè)計和開發(fā)性能優(yōu)越、價格低廉的智能集成傳感器，是傳感器技術(shù)發(fā)展方向，例如，EPS系統(tǒng)相對較近部位的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器以及傳感器的集成化。

（2）助力電機。助力電機是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用直流有刷電機，原因是其成本較低，采用較為傳統(tǒng)的機械換向方式，且主要應(yīng)用于微型及小型車的轉(zhuǎn)向助力。無刷直流電動機采取電子換向的方式，其優(yōu)點是低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、重量輕。

EPS系統(tǒng)采用的電動機，必須適用于其系統(tǒng)的工作條件。根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向時處于不同的工況，助力電機需要不同的工作狀態(tài)，比如起動、停止、反向助力等。因此，EPS系統(tǒng)要求助力電機具有較高的性能。一般EPS系統(tǒng)對助力電機的基礎(chǔ)要求為：噪聲低、轉(zhuǎn)矩大、可靠性較高等。

當前，由于直流有刷電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低及輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，被普遍應(yīng)用于轎車上EPS系統(tǒng)助力。但是直流有刷電機功率密度低，采用機械式換向方式，具有電刷及換向器等易損件，定期維護率高。為了解決以上問題，使用電子換向的直流無刷電動機已經(jīng)成為EPS系統(tǒng)探究和發(fā)展的方向，但是無刷電機的控制比較復(fù)雜，控制器成本高，目前國內(nèi)應(yīng)用較少，因此本課題中設(shè)計的控制器是以直流有刷電機為控制對象研發(fā)的。

電機電樞電壓控制法屬于開環(huán)控制，控制精度不高；轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩直接控制法及電機電樞電流控制法基本指導(dǎo)思想雷同，都屬于閉環(huán)控制，前者是對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的反饋修正，后者是對助力電機的電流進行反饋修正。本文采用較易于實現(xiàn)且控制精度高的電樞電流控制方法，當上層控制策略確定目標電流后，與電機電流檢測模塊得到的反饋電流進行比較得到差值，電流控制器與此電流偏差進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制，再經(jīng)過對應(yīng)的控制算法計算出助力電機的控制電壓信號，以便使助力電機輸出適合此工況的轉(zhuǎn)矩。

在確定了EPS系統(tǒng)的助力電機電流跟蹤反饋控制的基本控制策略前提下，需要確定關(guān)鍵的電機控制算法對電流進行控制。目前，常規(guī)的控制算法為PID控制，該控制方法計算相對簡單、實時性好，但是對于非線性與較復(fù)雜的被控對象難以獲得很高的控制效果；現(xiàn)代控制理論方法已經(jīng)被普遍應(yīng)用，使得控制系統(tǒng)更加智能化。本文前期采用較為簡單易于實現(xiàn)的PID控制算法。

PID控制實際上就是對被控系統(tǒng)實施校正，例如穩(wěn)定性（過渡之后實際輸出量與希望輸出量之間的偏差）、瞬態(tài)性（最大超調(diào)量、延遲時間、上升時間、調(diào)整時間等）等要求。實際應(yīng)用中，要加必要的校正，使兩方面性能都適當?shù)臐M足。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

EPS系統(tǒng)主要應(yīng)用于較為普及使用的小型乘用車上，應(yīng)用十分普及，具備成熟的技術(shù)，但在商用車領(lǐng)域，尤其是大型商用車方面，EPS系統(tǒng)沒有真正意義上的應(yīng)用，只是處在研究及試驗階段，在商用車領(lǐng)域還有廣闊的發(fā)展空間，所以該系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴大化是未來的重要發(fā)展方向及趨勢。

4 電動助力轉(zhuǎn)向優(yōu)勢

傳統(tǒng)的純機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)趨于淘汰，目前的各類液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于系統(tǒng)元件較多，油泵是由發(fā)動機或電動機驅(qū)動，發(fā)動機驅(qū)動的油泵隨著發(fā)動機的運作會持續(xù)工作，能源消耗多，高速時路感差；電動機驅(qū)動的油泵，雖然增加了電控系統(tǒng)來調(diào)節(jié)助力特性，但仍然存在液壓管路，而且污染環(huán)境，成本高，這已經(jīng)不能滿足人們對汽車各個方面的要求。

5 總結(jié)

影響汽車性能，特別是駕駛員的操縱穩(wěn)定性的主要系統(tǒng)是是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它對于保證車輛的安全行駛起著重要作用。隨著電控技術(shù)在汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用，使汽車的操縱穩(wěn)定性達到了使人較為滿意的程度。在國家大力提倡節(jié)能環(huán)保的影響下，以及人們對汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性、駕駛的舒適性要求的提高，EPS系統(tǒng)由于具有節(jié)能環(huán)保與助力性能可調(diào)等優(yōu)點，越來越受到人們的喜愛，而且在未來的市場中，發(fā)展空間較大。

參考文獻：

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