基于方向盤角度的電動助力轉向系統主動回正控制設計

何殿福，高偉

（萬向錢潮傳動軸有限公司EPS工廠，浙江 杭州 311215）

基于方向盤角度的電動助力轉向系統主動回正控制設計

何殿福，高偉

（萬向錢潮傳動軸有限公司EPS工廠，浙江 杭州 311215）

電動助力轉向（EPS）系統是在機械轉向系統的基礎上，加入電動機作為執行機構，使得轉向輕便。由于電機轉子、減速機構的摩擦阻尼，致使轉向系統的回正性能變差。針對系統回正不足，設計了基于方向盤角度信息查表的主動回正控制算法,進行了電控單元（ECU）軟、硬件設計。結果表明，該控制策略可使方向盤順利回到接近中點位置，不過度。

電動助力轉向；角度；主動回正

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-24-03

1、系統簡介及原因分析

電動助力轉向系統是汽車轉向技術未來的發展方向，是一種電動機驅動的機電一體化汽車轉向部件，具有結構簡單、安裝方便、節能環保以及控制精確等優點。本系統為管柱式電動助力轉向系統（C-EPS），電機選用直流永磁式有刷電機?？刂粕喜捎肏橋式脈寬調制（PWM）全控橋模式，助力控制策略為扭矩-電流雙閉環PI控制。渦輪-蝸桿減速機構減速比為16.5。

電機轉子、減速機構的摩擦阻尼，是轉向系統回正性能變差的主要因素。實際應用中，管柱摩擦阻尼力矩通常為0.6～0.8N·m，由減速比可得，回正控制所需電機輸出力矩應小于0.048N·m。由圖1左下角坐標0點附近可見，電機工作電流小于1.5A。電機工作在小電流、低扭矩的啟動階段，電機的電流-力矩線性度極差，難于控制。

有文獻采用回正補償、回正力矩估計、試驗數據統計分析等方法進行回正控制，對電動助力轉向系統回正性有一定的作用。但由于缺少角度的絕對位置信息，給回正控制帶來很大的不確定性，且算法復雜、差異大，會出現回正不足或過頭打手等異常，難于推廣。

本系統采用基于方向盤角度-角速度查表的控制策略。通過傳感器實測方向盤角度位置，計算瞬時角速度，設計不同的回正情形。通過模型計算，施加適當的回正控制力矩，獲得很好的回正性能。

2、方案設計

2.1 回正-阻尼控制邏輯

在轉向回正過程中，通過實時測量方向盤角度值，計算其角速度，確定回正方向。依據表一，執行相應控制邏輯。通過電機施加適當控制力矩，改善系統回正性能。原地（車速=0）、方向盤轉動停止及助力區域（輸入扭矩＞1.2 N·m）不回正，高速行駛實施阻尼控制。

表1 回正-阻尼控制邏輯

2.2 回正算法

期望回正控制輸出PWM為弧形曲線族，如圖2所示，回正控制分為三個階段，t0段為漸入階段，t1段為調節保持階段，t2段為漸出階段?；⌒吻€為理想輸出目標曲線，直線為實際執行曲線。實現轉向力矩均勻、平順。

回正輸出采用開環脈寬調制（PWM）控制，實測最大回正輸出力矩（最大靜摩擦）時的PWM值Pmax，設定為輸出上限值。實測最小回正輸出力矩等于0.2N·m(通常人手可感知0.3N·m)時的PWM值Pmin，設定為輸出下限值。脈寬步調△Pwm=Pmax×5% 。Pmax 、Pmin 、及△Pwm需實車路試匹配。

構建模型算法如下：

其中：

PmaxR 回正輸出PWM

V 車速信號

θ 方向盤角度

ω 方向盤角速度

T 方向盤輸入扭矩

在回正控制過程中，橫坐標參量時間t與方向盤角度成正比，與角速度ω成反比。對t 、ω不進行控制。

2.3 阻尼控制

閉合H橋低端的2個MOS FET開關，使電機繞組短路，電機工作在發電制動狀態。方向盤在阻尼力矩作用下回到中間位置，從而避免回正過度及擺振。高速行駛增強操作穩定性。

2.4 零點配置

首次安裝，或轉向系統維修，方向盤角度零點變化時，需進行零點配置。將車身擺正， 用電控單元（ECU）參數配置軟件，發送零點配置指令，觸發ECU進行角度零點信息采集、校準，并將零點值存儲在微控制器（MCU）的Date Flash中。存儲完成后，還需對零點值進行讀取、校驗，校驗正確后，進行零點配置成功確認指示。

系統上電工作初始化時，需進行角度零點數據讀取、校驗。校驗錯誤，回正功能失效。存儲區規劃見表二。

方向盤轉角傳感器工作參數見表三。

表2 方向盤角度零點存儲區規劃（第一扇區0x1000-0x10FF）

表3 方向盤轉角傳感器工作參數

2.5 主動回正控制子程序流程圖，見圖3

3、試驗測試

3.1 臺架試驗

安裝在汽車轉向模擬臺上，進行低車速轉向模擬試驗，手感平順，助力控制、回正-阻尼控制邏輯狀態轉換連續、穩定。

在綜合性能測試臺上進行測試，曲線如圖4所示。左側為助力控制功能曲線（輸入力矩-輸出力矩[上]，輸入力矩-電機電流[下]），右側為助力控制增加主動回正控制功能曲線。曲線表明，主動回正控制工作在不助力區（輸入扭矩≤1.2 N·m），與助力曲線過度平滑、連續。

3.2 試驗車路試

該系統安裝在四川汽車工業股份公司的野馬YM F12試驗車上，多人次進行了綜合路況路試，主觀評價較為滿意。該車還完成了3000Km（城市路況和高速路）綜合路試。低速掉頭、轉彎，高速變道、直線行駛等，方向盤均能較好地回到近于中點（殘留角小于5°），不過度，操作穩定。

4、結論

通過對C-EPS系統回正不足原因分析,采用了基于角度-角速度查表控制邏輯，平順的開環 PWM 控制算法，將助力控制和回正-阻尼控制相結合, 轉向行程判斷準確, 編程實現簡單。在不同工況下達到較好的回正效果,操作穩定、路感清晰。

設計了電控單元（ECU）硬件和軟件， 進行了臺架試驗、試驗車路試。結果表明，此方法的回正力矩改善了車輛的回正性能，阻尼力矩阻止回正過度，高速阻尼增強操作穩定性。

不足之處，回正左右對稱性略有差異。初步分析可能為電機啟動階段對稱性、減速機構及方向機等部件正-反向的差異。還需進一步測試、優化，以及左右回正控制參數獨立匹配等。

[1]徐濤等。基于轉角的電動助力轉向系統回正性能控制。湖北汽車工業學院學報，2009，23（1）.

[2]徐建平等。電動助力轉向系統回正控制算法研究.汽車工程，2004，26（5）.

[3]劉晶郁等?；谵D角的商用車電動助力轉向回正控制研究。電子設計工程，2011,19 (19) .

[4]馬葳等。基于轉向盤角速度的電動助力轉向系統回正控制。湖北汽車工業學院學報,2010，24 (1) .

[5]王元聰 李偉光。汽車電動助力式轉向系統( EPS) 控制策略研究。交通與計算機，2005，23（6）.

Design on Return to center Control of Electric Power Steering System Based on Angle of Steering wheel

He Dianfu, Gao Wei
(Wanxiang Qianchao Transmission Shaft Co., Ltd. EPS factory, Zhejiang Hangzhou 311215)

Electric Power Steering System is development from the simple Mechanical Steering System，uses electric motor to assist power for reduction in steering torque. Friction of Motor rotor and worm gear destroys the performance of returnto-center. In order to improve the performance of return-to-center，the control strategy by searching table for steering wheel aligning based on angle of steering wheel is proposed and the system’s hardware and software are designed. The experiment results show that the control strategy can make the steering wheel return to the center smoothly and mitigate the aligning overshoot.

Electric power steering；Angle；Return-to-center

U463.4

A

1671-7988(2014)10-24-03

何殿福，就職于萬向錢潮傳動軸有限公司 EPS工廠。