多工作模式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究

金永旭　嚴(yán)天一　張旗　張陸達(dá)

文章編號(hào)： 10069798（2022）01006911; DOI： 10.13306/j.10069798.2022.01.011

摘要：? 針對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的助力模式單一，難以滿足不同駕駛員的駕駛需求問題，本文以基于三相無(wú)刷直流電機(jī)的EPS系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出一種具有輕盈模式、舒適模式以及沉穩(wěn)模式等多工作模式的EPS系統(tǒng)控制策略。利用Matlab/Simulink搭建整車動(dòng)力學(xué)模型、EPS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和輪胎模型等，并且構(gòu)建具有3種典型工作模式的控制策略模型。同時(shí)，基于英飛凌AURIX系列32位多核微控制器TC275主控芯片，設(shè)計(jì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元，為驗(yàn)證具有多助力模式控制策略的有效性，進(jìn)行相關(guān)離線仿真和硬件在環(huán)性能試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，具有多種助力模式的EPS系統(tǒng)，在輕盈模式、舒適模式、沉穩(wěn)模式下，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩分別為328，500，726 N·m，說明具有多種工作模式的EPS系統(tǒng)可有效提高轉(zhuǎn)向體驗(yàn)感。該研究具有一定的創(chuàng)新性和學(xué)術(shù)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：? 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng); 三相無(wú)刷直流電機(jī); 多工作模式; 電子控制單元; 硬件在環(huán)

中圖分類號(hào)： TM36+1; U463.4; TM33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（electric power steering，EPS）對(duì)于汽車操縱穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性都有一定的提升，但傳統(tǒng)EPS系統(tǒng)固化了助力特性，通常僅提供單一助力模式，未能充分滿足不同駕駛員的駕駛需求。而具有多種助力模式的EPS系統(tǒng)，能夠使駕駛者根據(jù)駕駛習(xí)慣的差異，自主選擇合適的助力模式，提高操縱體驗(yàn)感。近年來，EPS系統(tǒng)仿真建模和控制策略等研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。N.TRUEMMEL等人[1]考慮電磁耦合和不同故障模式，對(duì)無(wú)分相器結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，提出在不可分離驅(qū)動(dòng)部分發(fā)生短路故障時(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行的解決方案;NA S D等人[2]提出改進(jìn)EPS電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法，建立與轉(zhuǎn)向盤角度、角速度等轉(zhuǎn)向過程參數(shù)有關(guān)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩算法，實(shí)車試驗(yàn)表明，其可提高轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩平滑度;Y.W.JEONG等人[3]提出基于轉(zhuǎn)矩疊加的轉(zhuǎn)向控制方法，其通過控制齒條式EPS系統(tǒng)的齒輪轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛橫向控制;保證平穩(wěn)地從自動(dòng)駕駛模式切換至手動(dòng)駕駛模式;T.SUN等人[4]通過將機(jī)械參數(shù)和控制參數(shù)同時(shí)優(yōu)化，與參數(shù)單獨(dú)優(yōu)化時(shí)進(jìn)行對(duì)比，提出新型EPS系統(tǒng)控制方法，并在時(shí)域和頻域?qū)Σ倏v穩(wěn)定性進(jìn)行客觀評(píng)價(jià);D.LEE等人[5]通過區(qū)分轉(zhuǎn)向感覺設(shè)計(jì)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性能等問題，以解決傳統(tǒng)EPS控制器在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和轉(zhuǎn)向感覺設(shè)計(jì)耦合方面難題;高振剛等人[6]建立二自由度整車模型及傳感器故障模型，并提出EPS系統(tǒng)容錯(cuò)控制策略，結(jié)果表明該策略可在傳感器發(fā)生故障時(shí)，一定程度上恢復(fù)EPS系統(tǒng)助力性能;趙林峰等人[7]提出了一種基于反步法的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，并通過Lyapunov穩(wěn)定定理證明其穩(wěn)定性;潘國(guó)棟等人[8]綜合利用滑?？刂婆cPID控制，對(duì)EPS系統(tǒng)實(shí)施助力控制;邱文濤等人[9]提出可以根據(jù)復(fù)雜工況，實(shí)時(shí)自調(diào)整PID參數(shù)的模糊PID控制策略，并通過聯(lián)合仿真和臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行EPS系統(tǒng)助力電流特性以及空載力矩特性分析;潘陽(yáng)等人[10]搭建EPS系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向阻力矩模型，并利用Carsim搭建整車模型，結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制策略以實(shí)時(shí)控制EPS系統(tǒng)，相關(guān)仿真結(jié)果表明，該控制策略可提高操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便性;陸金更等人[1112]采用基于模型設(shè)計(jì)方法，對(duì)EPS系統(tǒng)控制策略進(jìn)行相關(guān)研究，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證;商顯赫等人[13]通過搭建輕型貨車模型、EPS系統(tǒng)模型及模糊自適應(yīng)PID控制器模型。研究結(jié)果表明，新型控制器響應(yīng)速度更快，且左右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)輸出轉(zhuǎn)角更加對(duì)稱。上述對(duì)EPS系統(tǒng)的研究在提高轉(zhuǎn)向輕便性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但通常存在助力模式單一問題。因此，本文以基于三相無(wú)刷直流電機(jī)的EPS系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用Matlab/Simulink搭建含EPS系統(tǒng)的整車動(dòng)力學(xué)模型和輪胎模型，提出并驗(yàn)證具有輕便模式、正常模式及運(yùn)動(dòng)模式等多工作模式的EPS系統(tǒng)新型控制策略。該研究可以滿足不同駕駛員的駕駛需求。

1系統(tǒng)理論模型構(gòu)建

1.1整車動(dòng)力學(xué)理論模型構(gòu)建

1.1.1車身運(yùn)動(dòng)模型

整車動(dòng)力學(xué)理論模型主要包含車身的垂向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)[14]，側(cè)向模型如圖1所示，垂向和側(cè)傾模型如圖2所示。

側(cè)向力平衡方程為

垂向力矩平衡方程為

縱向力矩平衡方程為

輪胎側(cè)偏角αij為

車輪垂直載荷為

輪胎靜態(tài)垂直載荷為

輪胎動(dòng)態(tài)載荷變化量為

側(cè)向加速度為

式中，m為整車質(zhì)量;ms為懸掛質(zhì)量;mu1和mu2為前、后軸非懸掛質(zhì)量;hs為懸掛質(zhì)心到側(cè)傾中心的距離;hc為整車質(zhì)心高度;hu1和hu2分別為前、后軸非懸掛質(zhì)量質(zhì)心高度;Iz為整車?yán)@Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Ix為整車?yán)@X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Ixz為懸掛質(zhì)量對(duì)XZ軸的慣性積;Lf為車輛質(zhì)心到前軸距離;Lr為車輛質(zhì)心到后軸距離;L為軸距;Tf為前輪距離;Tr為后輪距離;Df為前懸架側(cè)傾阻尼系數(shù);Dr為后懸架側(cè)傾阻尼系數(shù);Cφ1為前懸架側(cè)傾剛度系數(shù);Cφ2為后懸架側(cè)傾剛度系數(shù);Ef為前懸架側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù);Er為后懸架側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù);ωr為車身橫擺角速度;β為質(zhì)心側(cè)偏角;φ為車身側(cè)傾角;δ為前輪轉(zhuǎn)角;R為轉(zhuǎn)彎半徑;v為車輛縱向速度;Fij（i，j=1，2）為四輪側(cè)向力。車輛模型主要參數(shù)如表1所示。

1.1.2輪胎模型構(gòu)建

本文采用Fiala橋石輪胎模型，該模型通過路面附著系數(shù)、輪胎印跡長(zhǎng)度、輪胎拖距、垂直載荷及側(cè)偏角為0時(shí)的側(cè)偏剛度，求得輪胎側(cè)向力、回正力矩與側(cè)偏角相互關(guān)系。輪胎側(cè)向力、無(wú)量綱側(cè)偏角、回正力矩分別為

式中，F(xiàn)y為輪胎側(cè)向力;Ma為回正力矩;μ為路面附著系數(shù);Fz為垂直載荷;Lr為輪胎印跡長(zhǎng)度;α為輪胎側(cè)偏角;K為α等于0時(shí)的輪胎側(cè)偏剛度;ξr為輪胎拖距。

1.2EPS系統(tǒng)理論模型構(gòu)建

該模型由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和助力電機(jī)等構(gòu)成，機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向盤及上轉(zhuǎn)向柱、下轉(zhuǎn)向柱及輸出軸和齒條3部分，其中助力電機(jī)為三相無(wú)刷直流電機(jī)。

轉(zhuǎn)向盤及上轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)矩和下轉(zhuǎn)向柱與輸出軸轉(zhuǎn)矩分別為

齒條和電機(jī)分別為

式中，Td為駕駛員作用到轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩;θc為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角;θe為輸出軸轉(zhuǎn)角;θm為電機(jī)轉(zhuǎn)角;Kc為扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù);Tc為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)感器檢測(cè)轉(zhuǎn)矩;rp為小齒輪半徑;xr為齒條位移，其中θp為小齒輪轉(zhuǎn)角;Tw為電機(jī)作用在輸出軸上的力矩;Kr為地面對(duì)輪胎的摩擦作用到齒條上的等效彈簧剛性系數(shù);Tm為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，其中KT為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，i為電機(jī)電樞電流;N為減速機(jī)構(gòu)減速比;Km為電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)剛性系數(shù);Ta為電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩;Jc為轉(zhuǎn)向盤的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Bc為轉(zhuǎn)向盤的等效阻尼系數(shù);Jc1為下轉(zhuǎn)向柱的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Bc1為下轉(zhuǎn)向柱的等效阻尼系數(shù);mr為齒條質(zhì)量;br為齒條的阻尼系數(shù);Jm為電機(jī)慣性矩;Bm為電機(jī)粘性阻尼系數(shù);Fr為輪胎回正力矩等效在齒條上的阻力，輪胎回正力矩隨車輛行駛狀態(tài)發(fā)生改變，所以Fr的獲得要通過建立車輛模型和輪胎模型求解得到。EPS系統(tǒng)模型主要參數(shù)如表2所示。根據(jù)上述方程，建立狀態(tài)空間方程[15]為

設(shè)狀態(tài)變量x=[c，θc，r，xr，m，θm]T，輸入量u=[Td，Tm，F(xiàn)r]T，輸出量y=[Ta，Tc，θc，xr，m]T。

系統(tǒng)矩陣為

控制矩陣為

輸出矩陣為

直接傳遞矩陣為

其中

1.3三相無(wú)刷直流電機(jī)理論模型

三相無(wú)刷直流電機(jī)定子繞組采用星型接法，定子繞組相電流之間的關(guān)系為

三相無(wú)刷直流電機(jī)理論模型為

式中，ua、ub、uc為定子繞組相電壓;ia、ib、ic為定子繞組相電流;L和M為定子繞組的自感和互感系數(shù);R為定子繞組阻值;ea、eb、ec為定子繞組相反電動(dòng)勢(shì)[16]。助力電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩及電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程分別為

2具有多工作模式的助力控制策略

本文提出的具有多工作模式的EPS系統(tǒng)助力策略，包括輕盈模式、舒適模式及沉穩(wěn)模式。其中，舒適模式屬于默認(rèn)模式。EPS控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化率和車輛橫擺角速度，為駕駛員匹配助力模式[17]，駕駛員亦可根據(jù)駕駛習(xí)慣，自主選定助力模式。

2.1助力特性曲線設(shè)計(jì)

3種助力模式的主要技術(shù)特點(diǎn)：輕盈模式，相同工況下助力轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)向手感輕盈;舒適模式，相同工況下助力轉(zhuǎn)矩適中，為默認(rèn)模式;沉穩(wěn)模式，相同工況下助力轉(zhuǎn)矩較小，轉(zhuǎn)向手感沉穩(wěn)。上述3種模式均采用直線型助力特性曲線，該曲線主要參數(shù)有速度梯度K（v），助力電機(jī)的最大工作電流Imax，助力電機(jī)開始工作時(shí)的轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩Td0和助力電機(jī)開始提供最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩Tdmax。

在舒適模式、輕盈模式和沉穩(wěn)模式下，確定特征車速與對(duì)應(yīng)速度梯度的關(guān)系，特征車速與對(duì)應(yīng)的速度梯度關(guān)系如表3所示。

在舒適模式、輕盈模式和沉穩(wěn)模式下，舒適模式助力特性曲線如圖3所示，輕盈模式助力特性曲線如圖4所示，沉穩(wěn)模式助力特性曲線如圖5所示。

在舒適模式、輕盈模式和沉穩(wěn)模式下，擬合速度系數(shù)為

擬合得到的速度系數(shù)與車速的變化規(guī)律分別為

上述3種EPS系統(tǒng)助力模式，可由EPS系統(tǒng)電子控制單元自動(dòng)切換，也可由駕駛員根據(jù)自身駕駛習(xí)慣手動(dòng)切換，以滿足其多元化的轉(zhuǎn)向體驗(yàn)感。

2.2助力模式切換

EPS助力模式切換方式可分為自動(dòng)切換和手動(dòng)切換。當(dāng)處于自動(dòng)切換模式時(shí)，需實(shí)時(shí)判斷駕駛員的駕駛意圖，確定對(duì)應(yīng)的助力模式并適時(shí)切換。因此，利用Simulink/Fuzzy Logic工具箱搭建模糊控制器，并將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化率的絕對(duì)值|δt|和車輛橫擺角速度的絕對(duì)值|ωr|作為輸入信號(hào)，助力模式m作為輸出信號(hào)。選取高斯型隸屬度函數(shù)，建立各模糊子集與隸屬度函數(shù)之間的關(guān)系，模糊控制規(guī)則表如表4所示。

當(dāng)處于手動(dòng)切換模式時(shí)，駕駛員可根據(jù)個(gè)人駕駛風(fēng)格，通過人機(jī)交互界面向EPS電子控制單元發(fā)送模式切換指令，控制單元根據(jù)切換指令選擇對(duì)應(yīng)的助力模式，并將當(dāng)前助力模式信息反饋至人機(jī)交互界面。

3EPS系統(tǒng)建模

EPS系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，該結(jié)構(gòu)主要由整車模型、控制器模型和電機(jī)模型等組成。

3.1EPS系統(tǒng)仿真模型

EPS系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和車速為輸入量，以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車輛橫擺角速度和車身側(cè)傾角等為輸出量。

3.2整車動(dòng)力學(xué)仿真模型

根據(jù)式（1）～式（9），建立三自由度車輛模型，三自由度車輛模型如圖8所示。該模型以前輪轉(zhuǎn)角和4個(gè)車輪受到的側(cè)向力為輸入量，以車輛側(cè)傾角、橫擺角速度等為輸出量。

根據(jù)式（10）～式（12），建立Fiala橋石輪胎模型，F(xiàn)iala橋石輪胎模型如圖9所示。該模型以前輪轉(zhuǎn)角、側(cè)偏角、橫擺角速度、車身側(cè)傾角等為輸入量，以輪胎的側(cè)向力和回正力矩為輸出量。其中，輪胎模型包括輪胎側(cè)偏角、四輪垂直載荷、輪胎回正力矩及輪胎側(cè)向力子模型。

3.3助力電機(jī)仿真模型

助力電機(jī)仿真模型如圖10所示。模型由三相無(wú)刷電機(jī)、換向控制表和三相逆變器等模塊組成[18]。該模型以助力電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸入量，以助力轉(zhuǎn)矩為輸出量。

4EPS系統(tǒng)仿真分析

4.1EPS系統(tǒng)助力曲線驗(yàn)證

為驗(yàn)證新型控制策略的主要性能，設(shè)置轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩Td的幅值為5 N·m，周期為4 s，轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩信號(hào)如圖11所示;設(shè)置車速分別為10，20，30 km/h，對(duì)3種工作模式下的助力特性曲線進(jìn)行仿真分析，各車速下助力電機(jī)電流如圖12所示。由圖11和圖12可以看出，隨著車速的增加，助力電流逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩小于1 N·m時(shí)，助力電機(jī)不工作，滿足EPS系統(tǒng)助力特性曲線的基本要求。

4.2EPS系統(tǒng)助力效果離線仿真分析

1）不同工作模式對(duì)EPS性能影響離線仿真。為深入驗(yàn)證具有多種助力模式EPS系統(tǒng)模型及助力特性曲線的有效性，現(xiàn)設(shè)定車速為10 km/h，轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩幅值為5 N·m，周期為4 s的正弦信號(hào)，在此工況下進(jìn)行離線仿真實(shí)驗(yàn)，有無(wú)EPS系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩影響效果如圖13所示，不同工作模式對(duì)EPS系統(tǒng)性能影響效果如圖14所示。

由圖13和圖14可以看出，單一模式EPS系統(tǒng)因僅提供一種助力模式，其方向盤輸入轉(zhuǎn)矩5 N·m;而具有多種助力模式的EPS系統(tǒng)，在沉穩(wěn)模式、舒適模式、輕盈模式下，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩分別為500，726，328 N·m;在關(guān)閉EPS系統(tǒng)助力后，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩增加到12 N·m。仿真結(jié)果表明，本文所提出的新型多助力模式的EPS系統(tǒng)控制策略，可提供不同的電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩，滿足不同駕駛員的個(gè)性化操縱需求。

2）車速對(duì)多助力模式EPS性能影響離線仿真。為分析不同車速條件下EPS系統(tǒng)的助力特性，設(shè)定車速分別為10 km/h和40 km/h，進(jìn)行離線仿真試驗(yàn)，不同車速對(duì)多助力模式EPS系統(tǒng)性能影響如圖15所示。由圖15可以看出，在舒適模式下，當(dāng)車速為10 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩為500 N·m。當(dāng)車速為40 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩為740 N·m;在沉穩(wěn)模式下，車速為10 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩為726 N·m，當(dāng)車速為40 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩為980 N·m;在輕盈模式下，當(dāng)車速為10 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩為328 N·m，當(dāng)車速為40 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩為478 N·m。說明在同一助力模式下，隨著車速變高，多助力模式EPS系統(tǒng)提供的助力效果亦逐漸減小。

5EPS系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文基于EPS系統(tǒng)電子控制單元、Kvaser Leaf Light V2 CAN總線分析儀以及Simulink環(huán)境，搭建實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過Kvaser Leaf Light V2 CAN總線分析儀，實(shí)現(xiàn)Simulink仿真模型與EPS系統(tǒng)電子控制單元之間的通信，EPS系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)如圖16所示。將Simulink模型中的車輛信息，通過CAN[19]通訊發(fā)送至EPS系統(tǒng)電子控制單元，并對(duì)上述信息進(jìn)行計(jì)算處理，輸出得到控制信號(hào)，將控制信號(hào)通過Kvaser Leaf Light V2 CAN總線分析儀發(fā)送回Simulink仿真模型，控制EPS系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。通過試驗(yàn)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的多工作模式控制策略的有效性。

硬件在環(huán)試驗(yàn)軟件代碼分為底層代碼和應(yīng)用層代碼兩部分，本文設(shè)計(jì)的EPS系統(tǒng)電子控制單元，采用英飛凌AURIX系列多核微控制器TC275，底層代碼使用底層驅(qū)動(dòng)庫(kù)進(jìn)行編程[20];應(yīng)用層代碼利用自動(dòng)代碼生成技術(shù)，將應(yīng)用層模型轉(zhuǎn)化為C代碼，下載至EPS系統(tǒng)電子控制單元，完成相關(guān)硬件在環(huán)試驗(yàn)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的具有多工作模式的助力控制策略的有效性，對(duì)EPS系統(tǒng)3種助力模式進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)，分別設(shè)置車速為10 km/h和40 km/h，觀察轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并與離線仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。離線仿真與硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖17所示。

由圖17可以看出，當(dāng)車速為40 km/h時(shí)，3種助力模式下，離線仿真與硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果稍有偏差，但曲線趨勢(shì)保持一致。當(dāng)車速為10 km/h時(shí)，3種模式下離線仿真與硬件在環(huán)試驗(yàn)的轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩均維持在500，328，726 N·m左右;當(dāng)車速為40 km/h時(shí)，3種模式離線仿真與硬件在環(huán)試驗(yàn)的轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩均維持在740，478，980 N·m左右。

6結(jié)束語(yǔ)

本文提出具有輕盈模式、舒適模式和沉穩(wěn)模式3種工作模式的EPS系統(tǒng)助力控制策略，并仿真分析該控制策略的助力特性，仿真結(jié)果顯示，具有多工作模式的助力控制策略相對(duì)于傳統(tǒng)助力控制策略，可以更好契合不同駕駛習(xí)慣，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。通過自行搭建硬件在環(huán)平臺(tái)，開展多種條件下的半實(shí)物試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證具有多工作模式的新型助力控制策略可提供較好的轉(zhuǎn)向體驗(yàn)感。本實(shí)驗(yàn)存在的不足之處是對(duì)駕駛模式切換時(shí)的判別方式研究不夠深入，可以引入一些其他的判別方式，這也是本實(shí)驗(yàn)今后值得深入研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]TRUEMMEL N， POETZL T， REUSS H C. Improvements on availability and comfort of electric drives for electric power steering application[C]∥ 8th IET International Conference on power electronics， machines and drives （PEMD2016）. Beijing： The Institution of Engineering and Technology， 2016： 11831197.

[2]NA S D， LI Z P， QIU F，et al. Torque control of electric power steering systems based on improved active disturbance rejection control[J]. Mathematical Problems in Engineering， 2020， 2020（6）： 113.

[3]JEONG Y W， CHUNG C C， KIM W. Nonlinear hybrid impedance control for steering control of rackmounted electric power steering in autonomous vehicles[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2019， 21（7）： 29562965.

[4]SUN T， FRANCIS A， DU P P. An integrated mechanical/control design approach to optimisation of an electric power steering system under objective evaluation of vehicle handling and stability[J]. International Journal of Vehicle Design， 2017， 74（3）： 257259.

[5]LEE D， JANG B， HAN M， et al. A new controller design method for an electric power steering system based on a target steering torque feedback controller[J]. Control Engineering Practice， 2021， 106： 104658104667.

[6]高振剛， 陳無(wú)畏， 談東奎， 等. 考慮傳感器與執(zhí)行器故障的EPS主動(dòng)容錯(cuò)控制[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2018， 54（22）： 103113.

[7]趙林峰， 邵文彬， 徐飛揚(yáng)， 等. 基于反步法的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)EPS摩擦補(bǔ)償[J]. 汽車工程， 2018， 40（12）： 14541460， 1474.

[8]潘國(guó)棟. 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略研究[D]. 沈陽(yáng)： 遼寧工業(yè)大學(xué)， 2018.

[9]邱文濤， 林慕義， 于忠杰， 等. 輕型貨車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性控制策略研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2017， 34（9）： 151155.

[10]潘陽(yáng)， 馮能蓮， 王軍， 等. 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制策略的研究[C]∥中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì). 2015中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集. 上海： 汽車工業(yè)， 2015： 618621.

[11]陸金更. 基于模型的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略開發(fā)及其試驗(yàn)研究[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2018.

[12]劉世杰， 嚴(yán)天一， 賈兆功， 等. 基于模型設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)策略研究[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版）， 2020， 35（2）： 97 103.

[13]商顯赫， 林幕義， 童亮， 等. 基于Carsim輕型貨車EPS系統(tǒng)控制策略研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2021， 38（1）： 129133.

[14]徐中明， 王吉全， 余烽， 等. 基于Simulink的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略仿真[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012， 26（3）： 17.

[15]胡康博. 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真研究[D]. 重慶： 重慶大學(xué)， 2010.

[16]江浩斌， 唐斌， 耿國(guó)慶. 無(wú)刷直流電機(jī)助力式EPS控制器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 汽車工程， 2011， 33（11）： 980984.

[17]ZHU B， YAN S D， ZHAO J， et al. Personalized controller design for electric power steering system based on driver behavior[J]. SAE International Journal of Passenger CarsElectronic and Electrical Systems， 2017， 11（2）： 7787.

[18]夏常亮. 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2008： 6667.

[19]VERSHININ Y， NNADIEKWE B， SCHULZ S. Simulation of signal transmission in motion simulator using controller area network （CANbus）[C]∥2015 IEEE 18th International Conference on Intelligent Transportation Systems. Gran Canaria： IEEE， 2015： 26882693.

[20]張薇， 王維志. 淺談新一代三核處理器AURIX的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備， 2016（1）： 144146.

Research on MultiMode Control Strategy for EPS Systems

JIN Yongxu YAN Tianyi ZHANG Qi ZHANG Luda

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：? Electric power steering （EPS） system only can provide one power mode，? which solidifies the power characteristics of EPS system and is difficult to effectively meet the driving needs of different drivers.This paper takes the EPS system based on threephase brushless DC motor as the research object，? and proposes an EPS system control strategy with multiple working modes such as light mode，? comfort mode and calm mode. It uses Matlab/Simulink to build the vehicle dynamics model，? EPS system dynamics model and tire model，? and build the control strategy model with three typical working modes. Meanwhile，? based on Infineon Aurix 32bit multicore micro controller TC275 main control chip，? the electronic control unit of electric power steering system is designed. In order to verify the effectiveness of multimode control strategy，? relevant offline simulation and hardware in the loop performance test are carried out. The results show that the maximum input torque of EPS system with multiple power assisted modes is 328，? 500 and 726 N·m respectively in light mode，? comfort mode and steady mode. It shows that EPS system with multiple working modes can effectively improve the steering experience. The research has certain innovation and academic value.

Key words： electric power steering; BLDC; multimode; electronic control unit; hardwareintheloop

收稿日期： 20210830; 修回日期： 20211000

基金項(xiàng)目：? 山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ZR2016EEM49）; 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（5147524）

作者簡(jiǎn)介：? 金永旭（1998），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠嚨妆P電子控制技術(shù)。

通信作者：? 嚴(yán)天一（1970），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及控制技術(shù)。 Email： yan_7012@126.com