電動(dòng)助力轉向系統的開(kāi)發(fā)研究

電動(dòng)助力轉向系統(Electric power steering，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS)是世界汽車(chē)電子控制技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一。國外汽車(chē)電動(dòng)助力轉向已部分取代傳統液壓動(dòng)力轉向(Hydraulic power steering，簡(jiǎn)稱(chēng)HPS)。目前國內清華大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等高校正從事該方面的研究，并取得了階段性的成果，爭取進(jìn)一步改進(jìn)與完善，早日實(shí)現商品化。EPS 通過(guò)對控制器軟件的設計，十分方便地調節系統的助力特性，使汽車(chē)能在不同車(chē)速下獲得不同的助力特性，以滿(mǎn)足不同的駕駛情況的需求。同時(shí)，EPS 用電動(dòng)機直接提供助力，它能
節約燃料，提高主動(dòng)安全性，有利于環(huán)保。
1、助力轉向系統的類(lèi)型及EPS的基本控制策略
1.1 助力轉向系統的類(lèi)型
（1）傳統液壓動(dòng)力轉向
液壓動(dòng)力轉向的控制閥采用滑閥式，即控制閥中的閥以軸向移動(dòng)來(lái)控制油路。這種滑閥式控制結構簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝性好，操縱方便，宜于布置，使用性能較好。但是滑閥式控制閥靈敏度不夠高，后來(lái)逐漸被轉閥代替。
（2）電控液壓動(dòng)力轉向
電控液壓動(dòng)力轉向系統的種類(lèi)很多，但其原理基本上都是通過(guò)在油泵或轉向器上加裝電子執行機構或輔助裝置，根據車(chē)速信號來(lái)控制液壓系統的流量或壓力。

表1 電控液壓動(dòng)力轉向系統的種類(lèi)

（3）電動(dòng)助力轉向系統(EPS)的工作原理

圖1 EPS的控制系統示意圖

1—車(chē)輪 2—拉桿 3—齒條 4—小齒輪 5—離合器 6—動(dòng)力開(kāi)關(guān)

7—輸出軸 8—扭桿 9—轉矩傳感器 10—輸入軸 11—方向盤(pán)

12—轉矩信號 13—電機 14—電流控制 15—控制單元 16—車(chē)速信號

電動(dòng)助力轉向系統的基本組成包括：扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、控制元件、電動(dòng)機和減速機構等。圖1 所示為配用齒輪齒條式轉向器的EPS。信號控制器根據各傳感器的輸入信號確定助力扭矩的幅值和方向，并且直接控制電機。電機的輸出扭矩由減速齒輪放大，并通過(guò)萬(wàn)向節、轉向器中的傳送裝置把輸出扭矩送到齒條，使之向轉向輪提供助推扭矩。
系統的信號源包括：扭矩傳感器、轉向角傳感器和車(chē)速傳感器，轉向角傳感器可根據齒條的位移量和位移的方向來(lái)測出轉向角。
（4）EPS 的關(guān)鍵部件

1.2 EPS 的控制原理圖

圖2 汽車(chē)EPS控制原理圖

EPS 主要部件包括傳感器、電動(dòng)機、減速機構和電子控制單元等。
在掌握EPS 的工作原理前提下，將EPS 系統用框圖表示如下。
1.3 EPS 的基本控制策略
根據汽車(chē)轉向行駛的不同情況要求，EPS 按不同的控制方式進(jìn)行控制，通常來(lái)說(shuō)，對應汽車(chē)轉向行駛的不同情況有四種基本控制方式。
（1）普通控制
普通控制(助力控制)是EPS 的基本控制模式。其控制過(guò)程主要是：根據車(chē)速傳感器測得的車(chē)速信號和方向盤(pán)力矩傳感器測得的方向盤(pán)力矩信號，調用助力特性控制表，并根據電動(dòng)機的電磁轉矩特性確定助力電流，以獲得適當的助力轉矩。
（2）回正控制策略
在方向盤(pán)“轉向回正”時(shí)，對EPS 進(jìn)行的控制為回正控制，目的在于改善系統的回正性能。轉向時(shí)，前輪回正力矩使轉向輪向直線(xiàn)行駛的狀態(tài)變化。
回正控制的控制過(guò)程為:首先判斷方向盤(pán)是否處于“轉向回正”狀態(tài)，當助力電機旋轉方向和轉向輸入的旋轉方向相反，進(jìn)行“轉向回正”控制，否則進(jìn)行助力控制。
（3）阻尼控制策略
阻尼控制是EPS 為提高汽車(chē)高速直線(xiàn)行駛時(shí)的穩定性，減小路面沖擊對方向盤(pán)的影響而采用的一種控制模式。阻尼控制是在普通控制確定的目標電流之上補償阻尼控制電流，其主要是通過(guò)引入電動(dòng)機轉速的方法來(lái)實(shí)現。
（4）補償控制策略
補償控制策略是根據轉向作用力的變化率沿力矩變化的方向產(chǎn)生補償力矩，來(lái)克服電機的慣量、阻尼和摩擦對電機輸出力矩的影響。補償力矩的大小由電機的慣量、阻尼和摩擦力的大小及電機的轉速、轉向加速度和轉動(dòng)方向決定。
2、EPS仿真的初步研究及控制仿真驗證
2.1 理想助力特性
配備電動(dòng)助力裝置的汽車(chē)轉向系統，應盡可能不悖于駕駛員原有的駕駛習慣，這樣駕駛員才能在轉向時(shí)得心應手。方向盤(pán)力矩與助力矩之間的理想關(guān)系應具備以下特點(diǎn)：
(1)在輸入轉向力矩很小的區域，希望助力部分的輸出越小越好，助力部分基本不起作用，以保持較好的路感。
(2)在常用的快速轉向行駛區間，為使轉向輕便，降低駕駛員勞動(dòng)強度，助力部分發(fā)揮作用，助力效果要明顯。
(3)原地轉向時(shí)的轉向阻力矩很大，應盡可能產(chǎn)生較大的助力轉向效果，此時(shí)，助力矩增幅也應較大。
(4)隨著(zhù)車(chē)速的升高，方向盤(pán)力矩減小時(shí)，不助力的區域應增大，且在高速行駛至一定車(chē)速時(shí)停止助力，以使駕駛員獲得良好的路感，保證行車(chē)安全。
(5)各區段過(guò)渡要平滑，避免操作力出現跳躍感，且助力矩不能大于同工況下無(wú)助力時(shí)的轉向驅動(dòng)力矩。將上述特點(diǎn)與原則量化，可得理想的助力特性曲線(xiàn)。如圖3 所示，由于電動(dòng)機輸出轉矩與電流間存在線(xiàn)性關(guān)系，因此該圖反映出助力矩隨行駛工況的變化規律，可以把它作為研究電動(dòng)機控制規律的參照。

圖3 理想助力特性
2.2 控制系統的選擇
對助力電動(dòng)機輸出轉矩的控制是EPS 研究的重點(diǎn)。由于電動(dòng)機的輸出轉矩是由其工作電流決定的，因此助力控制可歸結為對電動(dòng)機電流的控制(如圖4)，其控制輸入為車(chē)速信號和方向盤(pán)扭矩信號。

圖4 控制系統框圖
控制系統主要采用PID 控制系統。
PID 控制是zui早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于算法簡(jiǎn)單、和可靠性高，被廣泛應用于過(guò)程控制和運動(dòng)控制，尤其適用于可建立數學(xué)模型的確定性控制系統。

圖5 典型的PID控制結構
圖5 所示為典型的PID 控制系統結構。PID 控制器是由比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節疊加構成的，各環(huán)節分別對誤差信號e(t)進(jìn)行運算，其結果的加權和將構成系統的控制信號u(t)一并送給對象模型。PID 控制器的數學(xué)描述為：

（公式1）

式中：kp—比例環(huán)節調整參數；

ki—積分環(huán)節調整參數；

kd—微分環(huán)節調整參數。

PID 控制器各環(huán)節所起的作用如下：
(1)比例環(huán)節抑止閉環(huán)系統的瞬態(tài)偏差信號e(r)，通過(guò)增加kp值還可加快系統響應速度，提高閉環(huán)響應的幅值。但kp值不能無(wú)限制增加，對于不同的閉環(huán)控制系統kp的取值范圍不同，超出該限制范圍，系統將不穩定；
(2)積分環(huán)節主要用于消除系統的靜差，提高系統的無(wú)差度。積分作用的強弱取決于積分的時(shí)間常數K；K 越大積分作用越弱，反之則越強。而過(guò)強的積分作用使系統的超調量增加，系統的穩定性變壞；
(3)微分環(huán)節能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變大之前，在系統中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統的動(dòng)作速度，減少調節時(shí)間。其不足之處是放大了噪音信號。