微型車電動助力轉(zhuǎn)向控制策略的研究與設(shè)計＊

池保忠

(江蘇廣播電視大學(xué)常熟學(xué)院，江蘇常熟215500)

微型車電動助力轉(zhuǎn)向控制策略的研究與設(shè)計＊

池保忠

(江蘇廣播電視大學(xué)常熟學(xué)院，江蘇常熟215500)

微型車在實際駕駛的過程中隨車速的變化，駕駛員所需轉(zhuǎn)向力矩也在變化。EPS核心技術(shù)是EPS的控制策略，這種策略依然處于不斷的發(fā)展之中。本文在對EPS基本控制原理進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，對EPS具體控制模式進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并設(shè)計了微型車EPS的具體控制策略。

微型車;電動助力轉(zhuǎn)向;控制策略

微型車在實際環(huán)境下的駕駛過程中，隨著其車速的快慢，車輛駕駛員所需要的相關(guān)轉(zhuǎn)向力矩也是不一樣的，具體表現(xiàn)如下:在進(jìn)行高速轉(zhuǎn)向時，駕駛員所需的力矩較小，而與之相對應(yīng)的是:低速轉(zhuǎn)向所需的力矩大。所以，應(yīng)該隨著車輛行駛和轉(zhuǎn)向狀態(tài)而改變EPS助力大小。電機(jī)助力特性指的是隨車輛受力狀況(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩)和運動狀況(車速)的變化而變化的一般規(guī)律。對于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，直流電機(jī)電流與助力的關(guān)系是成比例的，所以，微型車的助力特性能夠引入變化關(guān)系曲線來進(jìn)行表示，此曲線是以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、車速與電機(jī)電流的關(guān)系而得出的。理想的助力特性能夠?qū)D(zhuǎn)向輕便性與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系充分協(xié)調(diào)，并提供給手動轉(zhuǎn)向與駕駛員一致的路感。

一、微型車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略設(shè)計

EPS主要通過助力特性實現(xiàn)助力控制策略，EPS具有多種形式的助力特性，存在三種典型EPS助力特性，分別為:直線型助力特性、折線型助力特性與曲線型助力特性。直線型助力特性的特點是參數(shù)調(diào)整方便，實現(xiàn)簡單，控制系統(tǒng)設(shè)計容易，故廣泛應(yīng)用;曲線型助力實現(xiàn)方法復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計也相對偏難，故在實際中應(yīng)用比較少見;折線型助力特性的優(yōu)勢與缺點介于上述兩者之間。

(一)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計原則

在設(shè)計EPS系統(tǒng)助力特性時，應(yīng)該符合以下原則:

①在微型車的助力曲線中，由于難以避免轉(zhuǎn)向助力的死區(qū)。系統(tǒng)若處于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩較小的區(qū)域內(nèi)，是不會存在轉(zhuǎn)向助力的;此外，在汽車處于不同車速時，為保證足夠的路感，開始助力的時機(jī)也是不同的。

②為保證足夠的路感，應(yīng)隨著車速的不同而提供不同助力比的轉(zhuǎn)向助力區(qū)。

③為保持轉(zhuǎn)向過程的平穩(wěn)性，轉(zhuǎn)向助力隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的減小而減小，同理，隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的增大而增大。

④轉(zhuǎn)向助力在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩已經(jīng)抵達(dá)事先設(shè)定好的限值之前，其值是一直保持不變的，這樣就形成了一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向飽和區(qū)，這個飽和區(qū)可以使由于電機(jī)的電流過大而導(dǎo)致控制器中的功率器件燒毀等事件的幾率大幅度降低。

⑤為了保證方向盤操作力不會出現(xiàn)跳躍感，助力特性曲線各區(qū)段過渡要平滑。

(二)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的具體設(shè)計

對于微型車EPS助力控制策略的設(shè)計，核心內(nèi)容是設(shè)計其助力特性，典型EPS助力特性有三種，分別是直線型助力特性、折線型助力特性和曲線型助力特性。結(jié)合課題實際開發(fā)的要求，通過對比研究上述三種典型助力特性，本文所設(shè)計的EPS助力控制采用直線型助力特性。在對EPS助力特性進(jìn)行設(shè)計時，主要對以下兩個層面進(jìn)行闡述:

①電機(jī)助力電流和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩在某一特定車速下的關(guān)系;

②電機(jī)助力電流和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩在不同車速下的變化關(guān)系。

圖1所示為典型的直線型助力特性曲線。

圖1 典型的直線型助力特性曲線

由圖可知，在微型車處于數(shù)據(jù)行使的某一車速下，且微型車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩比門限值Td0的值要小時，系統(tǒng)所提供助力的值為0，也就是說不提供任何助力;而當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩超越了Tdmax門限值的時候，處于保護(hù)電機(jī)的目的，設(shè)置系統(tǒng)助力的值為該車速下所能達(dá)到的最大值;當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩處于圖中門限值Td0與Td max的數(shù)值之間時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)助力之間的變化關(guān)系是線性的。對于直線型助力特性，當(dāng)確定了參數(shù)助力增益K(V)以及Td0和Tdmax之后，就可以確定整個助力特性曲線。

結(jié)合參考文獻(xiàn)［3］中的理論分析結(jié)果，并考慮到本文所研究的微型車的實際需要，本文確定以下的參數(shù):Td max=8Nm，Td0=2Nm，則可知助力恒定區(qū)的范圍在［8，15］Nm，轉(zhuǎn)向助力區(qū)的范圍在為［2，8］Nm，助力死區(qū)的范圍在［0，2］Nm，而高于15Nm的時候，系統(tǒng)助力會停止。EPS系統(tǒng)的靜態(tài)特性與K(V)關(guān)系密切，考慮到影響轉(zhuǎn)向阻力的因素很多，難以進(jìn)行精確確定，所以需要試驗調(diào)試結(jié)合理論分析來確定。

具體到本文所設(shè)計的EPS控制器，由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是針對小排量微型車的，為了使EPS控制系統(tǒng)設(shè)計得到簡化，將車輛速度區(qū)分為無助力車速區(qū)和助力車速區(qū)的界限為車速80公里/小時。當(dāng)微型車處在無助力車速區(qū)時，系統(tǒng)助力將取消;而當(dāng)微型車的行駛處于助力車速區(qū)的時候，結(jié)合具體的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩及車速信號，系統(tǒng)會為車輛確定相應(yīng)的助力值。

考慮到在實際情況中，高速轉(zhuǎn)向時阻力的變化較小，助力的變化比較緩慢，二低速轉(zhuǎn)向的時候想通阻力變化比較大，助力的變化也較快;本文在具體的設(shè)計中，對助力車速區(qū)進(jìn)行區(qū)分，共劃分為十七個速度區(qū)，高速段速度區(qū)間取值大而低速段速度區(qū)間取值小，在設(shè)計中，劃分情況的實際值為:當(dāng)微型車的車速小于20公里每小時的時候，速度區(qū)間長度為2.5公里每小時;當(dāng)微型車的車速高于20公里每小時同時低于50公里每小時的時候，速度區(qū)間長度為5公里每小時;當(dāng)微型車的車速高于50公里每小時同時低于80公里每小時的時候，速度區(qū)間長度為10公里每小時，表1所示為詳細(xì)速度分區(qū)情況。

由表可知，這是考慮到微型車在實際行駛中，其行駛速度一般來講不會總是連續(xù)發(fā)生變化，最常見的情況是在車輛從一個速度變化到另一速度后，就會在一段時間內(nèi)維持這個相對穩(wěn)定的速度。

各速度區(qū)間端點處的助力增益系數(shù)通過理論分析進(jìn)行初步的確定，可通過插值的方法獲得速度區(qū)間內(nèi)助力增益系數(shù)，考慮到插值算法的復(fù)雜程度及系統(tǒng)的要求，在本文的設(shè)計中，選用二次插值方法(即拋物線插值)，插值公式如下:

式中，V表示任意車速，i(i=0，1，2…17)表示速度參考點上的相關(guān)增益系數(shù);VR代表車速參考點，K(V)的代表處于任意速度之下的助力增益系數(shù)，VR=［V0，V1，V2…V17］，KR代表車速參考點處助力增益系數(shù)，KR=［K(0)，K(1)，K(2)…K(17)］。

確定微型車助力特性后，結(jié)合助力特性曲線函數(shù)，即可對系統(tǒng)在任意轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩、任意車速下的電機(jī)助力目標(biāo)電流進(jìn)行計算。

助力特性曲線函數(shù)表達(dá)式為:

其中，電機(jī)助力電流由Ia表示，電機(jī)的最大助力電流由參數(shù)Iamax表示，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩由參數(shù)Td表示，助力增益系數(shù)由參數(shù)K(V)表示，可知隨車速增加，K(V)會呈現(xiàn)逐步減小的變化趨勢;系統(tǒng)在開始助力時，由Td0表示其轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，由Tdmax表示最大助力時的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩。

二、微型車EPS回正控制策略的具體設(shè)計

在微型車操縱穩(wěn)定性中，轉(zhuǎn)向回正性能是一個非常重要的性能指標(biāo)。在微型車進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向盤在主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的作用下具有自動回正功能，而在微型車的駕駛員將轉(zhuǎn)向盤松開時，作用在轉(zhuǎn)向盤上力矩呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢，隨著此趨勢，在自動回正力矩的作用下，轉(zhuǎn)向盤將回正。轉(zhuǎn)向盤在理想情況下，由于自動回正力矩的作用，會自行回到中間位置。但由于EPS系統(tǒng)中所增加減速機(jī)構(gòu)和電機(jī)等部件，不僅存在著彈性或間隙，還有摩擦和慣性等，有時候會致使轉(zhuǎn)向盤難以做到迅速準(zhǔn)確回到中間位置。

為使裝備EPS系統(tǒng)微型車回正性能提高，必須控制其回正過程。主要由兩部分組成轉(zhuǎn)向盤回正到中間位置的控制策略:一個策略是是低速回正控制，這種控制方式結(jié)合具體的低速轉(zhuǎn)向回正過程，在電機(jī)上施加一定的外轉(zhuǎn)矩，從而促使轉(zhuǎn)向盤準(zhǔn)確迅速的回到中間位置，又稱作回正助力控制;另一個策略是高速回正控制，這種控制方式結(jié)合高速轉(zhuǎn)向回正過程，以電機(jī)對系統(tǒng)所施加的的阻尼作用，在有阻尼的情況下使微型車回到中間位置，從而避免了擺振的發(fā)生，又稱作回正阻尼控制。

鑒于在微型車EPS產(chǎn)品開發(fā)中對系統(tǒng)可靠性的要求較高，本文所涉及的回正控制策略引入的是動力回正控制方案，圖2所示為其具體控制模式。

圖2 動力回正控制示意圖

動力回正控制方案與助力控制策略類似，結(jié)合微型車轉(zhuǎn)向回正時的轉(zhuǎn)向力矩，在整個回正過程為其提供成一定比例的回正控制力矩，這種模式可以不計車輛速度的變化，容易實現(xiàn)，實現(xiàn)過程比較簡單。

轉(zhuǎn)向盤作用轉(zhuǎn)矩在車輛回正過程中逐漸減小，若仍然按圖中曲線AO和BO為助力特性曲線進(jìn)行控制，可能會導(dǎo)致高速時出現(xiàn)超調(diào)，而低速時不能回到中間位置的情況發(fā)生。因此，在設(shè)計時應(yīng)注意，要根據(jù)回正特性來進(jìn)行回正控制電機(jī)，高速時逐漸衰減助力電流，低速時迅速衰減助力電流，具體闡述如下:

(1)在微型車低速行駛時，為減輕回正操縱力及保證其回正的快速響應(yīng)，以圖中回正曲線Al為模式，采用快速大電流回正;

(2)在微型車高速行駛時，為防止回正超調(diào)及提高其回正過程的操縱穩(wěn)定性，以圖中回正曲線Bl為模式，采用慢速小電流回正控制。

三、微型車EPS阻尼控制策略的具體設(shè)計

微型車EPS系統(tǒng)中，由于一些慣性如電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等的存在，使其慣性大于傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向盤的瞬時角速度當(dāng)快速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時會變得很大，電機(jī)在慣性的作用下，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不再轉(zhuǎn)動后也并未立即停止轉(zhuǎn)動，這種情況易造成車輛的轉(zhuǎn)向過多，會在車速較高時造成非常危險的狀況。故當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動停止的時候，電機(jī)也應(yīng)立即停止轉(zhuǎn)動，需要通過EPS阻尼控制才能實現(xiàn)電機(jī)這種快速跟隨轉(zhuǎn)向盤停轉(zhuǎn)的性能。EPS系統(tǒng)以阻尼控制的方式，使車輛高速直線行駛穩(wěn)定性得到提高，使車輛高速行駛時出現(xiàn)橫擺振動得到抑制，防止回正超調(diào)或轉(zhuǎn)向過于靈敏，并使微型車高速直線行駛時快速轉(zhuǎn)向收斂性有所提高。

在阻尼控制實現(xiàn)方案中，圖3所示為其助力電機(jī)等效電路圖。

圖中，電機(jī)的端電壓表示為:Um=LdI/dt+RIm+E

電機(jī)的反電動勢可以表示為:E=Kbωm=Kbθm

感應(yīng)電動勢可忽略不計，上式可簡化為:Um=RIm+Kbωm

短路電機(jī)兩端，Um=0，此時得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩:Tm=KaIm=－KaKbωm/R

其中，Um:電機(jī)端電壓;Im:電機(jī)電樞電流;Tm:電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;L:電機(jī)電感;R:電機(jī)電樞電阻;Kb:反電動勢常數(shù);E:反電動勢;Ka:電機(jī)特性系數(shù);ωm:電機(jī)角速度;t:時間。

由以上分析可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩當(dāng)電機(jī)短路時表現(xiàn)為制動力矩，其大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例，方向與電機(jī)轉(zhuǎn)向相反。當(dāng)引入電機(jī)短路的模式實現(xiàn)阻尼控制時，阻礙電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的阻尼轉(zhuǎn)矩由電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢形成。通過分析EPS阻尼控制實現(xiàn)方案，當(dāng)EPS控制器輸出PWM信號使電機(jī)短路時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的作用即為制動力矩。本文的設(shè)計中，使功率管FET1和FET2在控制器輸出PWM信號作用下同時導(dǎo)通，從而實現(xiàn)短路電機(jī)，控制電機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩。

四、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角估算算法的具體設(shè)計

上述EPS阻尼控制及回正控制實現(xiàn)方案中，均涉及到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的計算，若裝備有轉(zhuǎn)角傳感器在EPS系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速可通過對轉(zhuǎn)角傳感器信號進(jìn)行微分來獲取;若沒有裝備轉(zhuǎn)角傳感器在EPS系統(tǒng)中，則需要進(jìn)行預(yù)估，下面說明根據(jù)利用現(xiàn)有的傳感器信號，以電機(jī)的電壓和電流參數(shù)對電機(jī)角速度進(jìn)行估計，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角可以通過積分環(huán)節(jié)估計得到:

由式Um=RIm+Kbωm可得:

轉(zhuǎn)向盤角速度:ωsw=ωm/Gr

則θs=ωSW=ωm/Gr

對上市兩段進(jìn)行積分，即可得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的值，并用于確定阻尼控制及回正控制相關(guān)控制量。

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［3］肖生發(fā)，瑪櫻，劉洋.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的研究［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2001，1S(3):34－37.

2011－02－22

池保忠(1978－)，男，江蘇常熟人，講師，工程師，碩士。