電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動回正控制策略和算法研究

侯訓(xùn)波 劉小波 張作功 董春迎 鄭勇

摘? 要：本文結(jié)合汽車自身回正力矩分析，針對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出主動回正控制策略和算法。該系統(tǒng)通過回正控制和阻尼控制進行匹配組合，并以理想回正轉(zhuǎn)角速度模型為目標(biāo)，用PI閉環(huán)控制而自動修正實際轉(zhuǎn)角速度，使汽車轉(zhuǎn)向后能獲得期望的回正性能。同時，本文所給出的主動回正控制特性的調(diào)校/標(biāo)定參數(shù)，可指導(dǎo)工程技術(shù)人員，重新匹配相關(guān)參數(shù)，能夠滿足不同系列汽車的主動回正功能要求。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);主動回正;控制策略和算法;回正控制;阻尼控制;仿真分析

中圖分類號：TP273.2? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2019）03-0012-09

1? ? 前言

轉(zhuǎn)向回正性能是汽車操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，不良的回正性能，不但使駕駛員產(chǎn)生操縱疲勞，而且還會影響行車安全。現(xiàn)代汽車配裝電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡稱EPS）已非常普及，而EPS系統(tǒng)由于電機和減速機構(gòu)的存在，增加了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的摩擦力，對汽車回正性能帶來了不良影響[1]。但EPS系統(tǒng)可通過回正控制，對回正不足現(xiàn)象進行補償，并通過阻尼控制對回正超調(diào)現(xiàn)象進行抑制。

有些文獻采用回正補償、回正力矩估計、試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等方法進行回正控制，對EPS系統(tǒng)回正性能有一定的改善作用，但由于缺少角度的絕對位置信息，給回正控制帶來極大的不確定性，且算法復(fù)雜，差異大，會出現(xiàn)回正不足或回正超調(diào)等異常[2]。本文通過對方向盤轉(zhuǎn)角位置與回正電流（等效回正力矩）和方向盤轉(zhuǎn)角速度與阻尼電流（等效阻尼力矩）進行設(shè)計匹配，并對回正轉(zhuǎn)角速度進行實時跟蹤控制，使EPS系統(tǒng)獲得較好的回正性能。

3? ? 主動回正控制特性設(shè)計

在汽車轉(zhuǎn)向回正行程中，我們期望方向盤的回正轉(zhuǎn)角速度要適中，既不能過快也不能過慢，同時回正結(jié)束時的殘留角度越小越好，并且不能出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。因此，EPS系統(tǒng)通過回正控制和阻尼控制進行匹配組合，且基于理想回正轉(zhuǎn)角速度模型為目標(biāo)，進行自動修正控制，即可實現(xiàn)期望的回正過程，其控制邏輯如表1[2]所示：

3.1? ?控制策略

如圖1所示可以看出，隨著車速降低，凈回正力矩隨之減小，甚至為負(fù)值，對回正過程起阻礙作用。在此工況下，EPS系統(tǒng)應(yīng)提供明顯的促進回正作用，同時還要兼顧當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角接近轉(zhuǎn)向中間位置時，應(yīng)逐漸減弱回正作用，甚至撤銷。

而隨著車速提高，凈回正力矩也隨之增大，對回正過程起促進作用。在此工況下，方向盤的回正轉(zhuǎn)角速度會不斷地被加速，對駕駛員還會產(chǎn)生不安全的心理恐慌，特別是，當(dāng)接近轉(zhuǎn)向中間位置時仍保持較高的回正轉(zhuǎn)角速度，則極易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，而使汽車發(fā)生擺振。故此時，EPS系統(tǒng)應(yīng)提供明顯的阻礙回正作用，并跟隨轉(zhuǎn)角速度而增強或減弱。

經(jīng)上述分析可知，車速與回正過程具有明顯的關(guān)聯(lián)性，再結(jié)合表1所給出期望回正過程的控制邏輯，本文提出如表2所示與車速相關(guān)的EPS系統(tǒng)回正電流及阻尼電流的基本控制策略。

按上述EPS系統(tǒng)回正及阻尼的基本控制策略，在規(guī)定路面所調(diào)校完成的汽車回正性能，通常能

夠滿足類同路面的回正要求，但由于行駛路面及載重具有較大差異性，其回正性能也有較大差異。因此，本文又提出在回正和阻尼基本控制的基礎(chǔ)上，增加自動修正功能，來跟蹤回正過程中方向盤的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)角速度。

自動修正功能是回正和阻尼基本控制的補充，其控制策略是以車速和轉(zhuǎn)角等參數(shù)所形成的理想回正轉(zhuǎn)角速度模型為目標(biāo)，通過PI閉環(huán)控制，使回正實際轉(zhuǎn)角速度跟蹤其目標(biāo)，從而使EPS系統(tǒng)具有主動回正的行為能力，并以適宜的轉(zhuǎn)角速度將方向盤帶回轉(zhuǎn)向中間位置。帶自動修正功能的主動回正控制邏輯關(guān)系如圖2所示，它同樣可滿足表1所示的邏輯關(guān)系。其中，自動修正功能控制邏輯關(guān)系如圖3所示：

3.2? ?控制特性設(shè)計方法

回正控制特性是由方向盤轉(zhuǎn)角所形成的，并隨車速變化的回正電流曲線族;阻尼控制特性是由方向盤轉(zhuǎn)角速度所形成的，并隨車速變化的阻尼電流曲線族;自動修正功能控制特性是由方向盤轉(zhuǎn)角所形成的，并隨車速略有變化的理想回正轉(zhuǎn)角速度曲線族。其中，回正和阻尼二種控制特性設(shè)計，需根據(jù)圖1所示汽車凈回正力矩規(guī)律，并要滿足表2所示的基本控制策略要求。

為便于描述，本文對回正、阻尼的電流特性，以及對自動修正功能的理想轉(zhuǎn)角速度特性等設(shè)計研究，均以右側(cè)轉(zhuǎn)向區(qū)域而回正過程的曲線形式來概括表達，并且所涉及各物理量均以正值標(biāo)量來表達。而對于左側(cè)區(qū)域的曲線，在設(shè)計要求上是以原點對稱的。

控制特性設(shè)計時，首先要在EPS系統(tǒng)未提供主動回正控制時，來分析目標(biāo)汽車。總存在一個特征車速點（如圖1所示θ1=360deg時所對應(yīng)的車速，稱第一特征車速點），使EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在360deg轉(zhuǎn)角位置起的回正過程中，汽車自身剛好不能回正（無回正趨勢），通常轎車該特征車速為10-20km/h;也總存在一個特征車速點（如圖1所示θ2=180deg時所對應(yīng)的車速，稱第二特征車速點），會使EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在360deg轉(zhuǎn)角位置起的回正過程中，汽車自身即可按適宜的轉(zhuǎn)角速度（200-300deg/s）回轉(zhuǎn)到方向盤中間位置，通常轎車該特征車速為30-40km/h，并且通常在轉(zhuǎn)角180deg位置時，汽車的凈回正力矩由正值變?yōu)樨?fù)值;還存在一個特征車速點（如圖1所示θ3=30-90deg時所對應(yīng)的車速，稱第三特征車速點），使EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在360deg轉(zhuǎn)角位置起的回正過程中，在汽車的凈回正力矩由正值變?yōu)樨?fù)值切換點上，仍保持較高回正轉(zhuǎn)角速度（100-200deg/s），該車速點是考慮回正控制關(guān)閉的最高車速點，此車速下阻尼控制較強，且表現(xiàn)出明顯增大的趨勢，通常設(shè)定為50-80km/h。

1）回正控制特性設(shè)計方法

首先繪制如圖4所示的額定回正電流曲線。該曲線表征了轉(zhuǎn)角大于180deg位置時，在各車速下回正控制應(yīng)提供的額定回正電流。其中車速Vr1代表了回正控制起作用的最低車速，車速Vr2與第一特征車速點基本等效，車速Vr3與第三特征車速點基本等效。在Vr1-Vr2和Vr2-Vr3二段之中，分別設(shè)定隨速衰減系數(shù)，以調(diào)節(jié)各車速下的額定回正電流Irv。

2）阻尼控制特性設(shè)計方法

如圖6所示的額定阻尼電流曲線，表征了轉(zhuǎn)角速度等于300deg/s時，在各車速下阻尼控制應(yīng)提供的額定阻尼電流。其中車速Vd1代表了阻尼控制起作用的最低車速，與第一特征車速點基本等效，車速Vd2與第二特征車速點基本等效，車速Vd3與第三特征車速點基本等效，車速Vd4代表阻尼控制最強作用時的對應(yīng)車速，之后則額定阻尼電流保持恒定。在Vd2-Vd3和Vd3-Vd4二段之中，分別設(shè)定隨速增益系數(shù)，以調(diào)節(jié)各車速下的額定阻尼電流Idv。

4? ? 建模和仿真驗證分析

轉(zhuǎn)向回正性能主要評價要求，包括回正后剩余橫擺角速度與剩余橫擺角（或稱殘留角度），以及達到剩余橫擺角速度的時間[4]。通常令汽車沿半徑為15m的圓周路徑行駛，調(diào)整車速，使側(cè)向加速度達4±0.2m/s2（與車速28km/h和轉(zhuǎn)角180deg組合條件等效），固定方向盤并穩(wěn)定車速，待3s后突然松開方向盤[4]。此時，前輪在回正力矩的作用下將力圖恢復(fù)到直線行駛狀態(tài)，記錄這一過程的時間、車速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角速度，整理ω-t及θ-t曲線，進行評價。

汽車在高速時的轉(zhuǎn)向回正性能較在低速行駛時更為重要，應(yīng)更加注重高速行駛的轉(zhuǎn)向回正性能[5]。因此，還需設(shè)定車速100kmh和方向盤轉(zhuǎn)角180deg條件（僅為仿真條件）時的回正過程，對ω-t及θ-t曲線進行評價。

4.1? ?建立EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型

如圖12所示的EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制原理簡圖，已將系統(tǒng)中所有慣量、阻尼、摩擦等，沿轉(zhuǎn)向軸線進行等效轉(zhuǎn)化。其規(guī)則為：電機等效值=原始值Χ減速機構(gòu)傳動比，轉(zhuǎn)向前輪、轉(zhuǎn)向主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)的等效值=原始值Χ轉(zhuǎn)向傳動比[6];轉(zhuǎn)向器齒條和球頭拉桿的等效值=原始值Χ轉(zhuǎn)向器線角傳動比。

4.2? ?仿真驗證分析

在有主動回正控制（RTC-***）和無回正控制（NORTC-***）的兩種狀態(tài)下，以時間t（s）為橫坐標(biāo)軸，對ω-t和θ-t進行歷程曲線的仿真分析。

1）10 km/h車速時（θ0=300deg）

當(dāng)?shù)退伲?0km/h）無主動回正控制時，汽車自身沒有回正能力（在原位置不動）;若加主動回正控制功能后，在300deg時松手，大約2s左右可回正到預(yù)期的中間位置0～5deg之間。

2）28 km/h車速時（θ0=180deg）

當(dāng)中低速（28km/h）無主動回正控制時，汽車自身具有一定的回正能力，但殘留角度非常大（約120deg），并且在回正區(qū)段的轉(zhuǎn)角速度極慢;若加主動回正控制功能后，在180deg時松手，大約1.5s左右可回正到預(yù)期的中間位置0～5deg之間。

3）100 km/h車速時（θ0=180deg）

當(dāng)高速（100km/h）無主動回正控制時，汽車自身具有較強的回正能力，回正過程的轉(zhuǎn)角速度極快，會讓駕駛員產(chǎn)生心理恐慌，并出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象（超調(diào)量約80deg），且發(fā)生轉(zhuǎn)向擺振;若加主動回正控制功能后，在180deg時松手，大約1.2s左右可回正到預(yù)期的中間位置0～5deg之間，且回正轉(zhuǎn)角速度適中。

5? ? 結(jié)論

針對汽車自身回正的影響因素，通過回正和阻尼的基本控制方法，在低速時提供基本回正控制，補償汽車自身的回正力矩不足，而在高速時提供基本阻尼控制，補償汽車自身的阻尼力矩不足。該基本控制方法，通常能夠滿足常規(guī)城市路面的回正要求，但汽車行駛路面及載重具有較大的差異性，其回正性能也會有較大差異。

本文所提出在回正和阻尼基本控制的基礎(chǔ)上，增加自動修正功能，來跟蹤回正過程中方向盤的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)角速度。其主動回正控制策略和算法，通過仿真模擬汽車轉(zhuǎn)向的回正過程，驗證了可實現(xiàn)對低速回正不足現(xiàn)象進行補償，對高速回正超調(diào)現(xiàn)象進行抑制，并按適宜的轉(zhuǎn)角速度，使EPS系統(tǒng)在路面及載重等差異較大的工況下，仍能獲得較好的回正性能。

當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向負(fù)載等參數(shù)變化后，該主動回正控制功能，仍可以通過ECU控制參數(shù)的調(diào)校/標(biāo)定，對匹配設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整（如表3～8），而滿足不同系列汽車的主動回正功能要求。

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