汽車EPS控制策略和控制方式*

郝亮 孫劍 郭濤 于繼開(kāi) 王群 劉素偉 鄭利民

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)；2.錦州明日世紀(jì)科技有限公司）

汽車性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）能夠保證汽車的安全性和穩(wěn)定性，受到越來(lái)越多汽車廠商的青睞。因此，目前針對(duì)EPS 的控制策略和控制方式進(jìn)行研究，以便對(duì)EPS 進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)于提高國(guó)產(chǎn)轎車的自主開(kāi)發(fā)與科技創(chuàng)新能力，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 汽車EPS及原理

EPS 是由傳感器、助力電機(jī)、電機(jī)減速機(jī)構(gòu)、控制器及控制策略等要素組成，由電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力協(xié)助系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

當(dāng)駕駛員操縱方向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向軸上的扭矩和轉(zhuǎn)角傳感器不斷檢測(cè)轉(zhuǎn)向軸上的信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)與檢測(cè)到的車速信號(hào)一起輸入控制器（ECU）。ECU 根據(jù)這些信號(hào)，并結(jié)合所檢測(cè)到的助力電機(jī)的電流反饋信號(hào)，按照設(shè)定的助力控制策略進(jìn)行運(yùn)算處理，從而確定電機(jī)應(yīng)該產(chǎn)生的目標(biāo)助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，電機(jī)控制器控制電機(jī)產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩。該電流即為所需的助力扭矩，由電磁離合器通過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速增矩后加在汽車的轉(zhuǎn)向軸上，使之得到一個(gè)與汽車行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。EPS 雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是EPS 存在提供的功率不足的問(wèn)題，因此EPS 在小型車輛上應(yīng)用居多[1-2]。近年來(lái)，隨著車用電源電壓不斷提升（提升至24 V，甚至42 V），EPS 在車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3]。

2 EPS控制策略和控制方式的研究現(xiàn)狀

EPS 控制系統(tǒng)要求響應(yīng)速度快。在不同的車速下?lián)碛胁煌霓D(zhuǎn)向力矩，EPS 需保證低速操縱時(shí)的輕便性和高速操縱時(shí)的穩(wěn)定性，進(jìn)而有效緩解駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)。此外，由于EPS 各個(gè)機(jī)構(gòu)之間有不同程度的摩擦和慣性，EPS 能提供合理摩擦和慣性補(bǔ)償控制，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)向控制精度；EPS系統(tǒng)要有故障處理程序?qū)Σ徽＿\(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行故障處理。針對(duì)上述控制目標(biāo)，要制定出相應(yīng)的控制策略和控制方式。

2.1 國(guó)內(nèi)EPS系統(tǒng)控制策略和控制方式的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)EPS 的研究起步較晚。一些高等院校和汽研機(jī)構(gòu)正投入很大精力對(duì)EPS系統(tǒng)控制策略和控制方式進(jìn)行跟蹤研究，并取得了階段性的成果。

文獻(xiàn)[4]提出了基于混合靈敏度方法的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了用此方法設(shè)計(jì)的控制器符合系統(tǒng)性能要求，與經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)的超前-滯后控制器相比較，證明用此控制器具有更好的魯棒性能。

文獻(xiàn)[5]對(duì)EPS助力特性補(bǔ)償策略的耦合進(jìn)行仿真分析。利用MATLAB 與ADAMS 耦合仿真的方法，將轉(zhuǎn)向控制算法與整車模型有效結(jié)合，進(jìn)行助力特性補(bǔ)償策略的仿真研究。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了用耦合方法研究助力特性補(bǔ)償策略是有效的。此外，橫擺角速度補(bǔ)償和阻尼補(bǔ)償仿真分析分別表明：當(dāng)汽車處于橫擺角速度過(guò)大的不穩(wěn)工況時(shí)，對(duì)其路感反饋的補(bǔ)償，可提高行駛穩(wěn)定性；在不平路面汽車高速行駛時(shí)，通過(guò)阻尼補(bǔ)償，有效降低了路面對(duì)方向盤的沖擊，改善了駕駛員的操作舒適性。

文獻(xiàn)[6]提出了應(yīng)用PID 控制算法對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行估計(jì)，該控制算法并不需要方向盤轉(zhuǎn)角或者電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。因此，有效降低了EPS系統(tǒng)的成本。另外，對(duì)提出的控制算法進(jìn)行仿真和與其他回正控制算法的試驗(yàn)對(duì)比分析，證實(shí)此算法可有效提高方向盤的回正性和穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[7]針對(duì)汽車EPS系統(tǒng)低高速特性的缺陷，提出了新型的回正與主動(dòng)阻尼控制策略，回正力矩或阻尼力矩的大小可以隨車速和方向盤轉(zhuǎn)角的不同而自動(dòng)調(diào)整。實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該控制策略改善了汽車低速和中高速時(shí)的回正性能和回正超調(diào)現(xiàn)象，且在施加了主動(dòng)阻尼與回正控制后，駕駛員的操縱手感并沒(méi)有受到不良影響。

文獻(xiàn)[8]通過(guò)進(jìn)一步分析EPS 各組成部分的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)Matlab/Simulink 軟件建立了EPS 仿真模型，并構(gòu)建了EPS系統(tǒng)的兩層控制策略，上層策略采用基本補(bǔ)償控制和助力控制的方法確定目標(biāo)電流，下層策略通過(guò)PID 調(diào)節(jié)器精確跟蹤控制目標(biāo)電流。仿真結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的這一控制策略能夠有效解決轉(zhuǎn)向輕便性和路感的問(wèn)題，而且可改善轉(zhuǎn)向的回正能力和動(dòng)態(tài)效果。

文獻(xiàn)[9]提出了相位補(bǔ)償?shù)腅PS 控制方法。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)可表示為內(nèi)外兩環(huán)，內(nèi)環(huán)包含了反電動(dòng)勢(shì)的反饋通道，采用快速比例積分（PI）控制的內(nèi)環(huán)，可以忽略反電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)行相位補(bǔ)償后系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，反之穩(wěn)定性較差。結(jié)果表明：在低頻共振頻率范圍內(nèi)，EPS 采用超前校正及提供相位補(bǔ)償是解決系統(tǒng)振動(dòng)和穩(wěn)定性的有效方法。同時(shí)，文獻(xiàn)[9]建立了客車用循環(huán)球式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要模塊的數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用Matlab/Simulink 建立的仿真模型，提出了助力特性控制策略（“轉(zhuǎn)矩傳感器輸出信號(hào)的比例-微分”+“助力電動(dòng)機(jī)角速度反饋策略”），可以按需改變EPS 的阻尼。仿真結(jié)果表明：此算法能顯著提高汽車EPS 的動(dòng)態(tài)性能。

文獻(xiàn)[10]建立了針對(duì)助力電機(jī)目標(biāo)電流輸出控制特點(diǎn)的EPS 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，建立Sugeno 型模糊控制器，同時(shí)電機(jī)實(shí)際電流采用PID 閉環(huán)反饋控制，并對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行幅頻復(fù)合濾波處理，從而進(jìn)一步提高了控制效果。通過(guò)硬件在環(huán)和模擬仿真試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了此方法明顯改善了EPS 的控制性能。

文獻(xiàn)[11]分析了EPS 存在的不確定性因素和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的要求，提出EPS 混合H_2/H_∞控制器，運(yùn)用H_∞方法研究在極小化系統(tǒng)中各種干擾對(duì)被控輸出的影響，以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用H_2 方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。EPS 路感仿真結(jié)果表明：此系統(tǒng)綜合了H_2 控制和H_∞控制的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的魯棒性能和魯棒穩(wěn)定性，可有效抑制路面隨機(jī)激勵(lì)和模型參數(shù)等不確定因素所引起的各種干擾和噪聲，使駕駛員獲得滿意的路感。

文獻(xiàn)[12]利用虛擬樣機(jī)軟件建立EPS 的整車動(dòng)力學(xué)模型，分別對(duì)3 種不同助力特性曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向回正性能和蛇行試驗(yàn)仿真分析，研究助力特性對(duì)汽車轉(zhuǎn)向輕便性、操縱穩(wěn)定性和路感的影響。此方法可為臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車道路試驗(yàn)提供指導(dǎo)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約成本。文獻(xiàn)[13]提出了一種適用于全車速范圍的基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)的EPS 方向盤力矩突變助力電機(jī)前饋修正策略。仿真結(jié)果表明：該策略使得伴隨主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)同時(shí)出現(xiàn)的方向盤力矩突變得到了有效削弱，且在高速時(shí)該修正策略仍然有效，改善了主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向路感。文獻(xiàn)[14]提出了實(shí)時(shí)跟蹤的EPS 的模糊自適應(yīng)PID 控制。仿真結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)PID 比常規(guī)的PID 控制具有更好的穩(wěn)定性和可靠性，完全滿足EPS 快速特性的要求。

文獻(xiàn)[15]提出了EPS 多領(lǐng)域最優(yōu)平方積分誤差魯棒控制（ISE）模型降階方法。該方法對(duì)EPS 魯棒控制器進(jìn)行降階，并與最優(yōu)Hankel 范數(shù)降階法進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明：此方法具有更好的降階效果，且降階系統(tǒng)具有很好的魯棒性。文獻(xiàn)[16]提出基于粒子群優(yōu)化算法的汽車EPS 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)表明，EPS 參數(shù)全局優(yōu)化后，方向盤操縱力矩峰值、側(cè)向加速度峰值及最大超調(diào)量數(shù)值均有顯著降低，汽車轉(zhuǎn)向輕便性和側(cè)向行駛穩(wěn)定性均得到明顯改善。文獻(xiàn)[17]提出了汽車EPS 反向助力控制策略，主要是為提高EPS 的抗側(cè)向干擾性能。通過(guò)60 km/h 側(cè)向風(fēng)作用下的3 種車速工況下的整車動(dòng)力學(xué)模型與在Simulink 中建立的EPS 反向助力控制模型聯(lián)立，仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了此策略改善了EPS 抗側(cè)向干擾性能和增強(qiáng)了整車橫向穩(wěn)定性，為進(jìn)一步完善EPS 控制策略提供了技術(shù)支持。

文獻(xiàn)[18]針對(duì)汽車爆胎時(shí)產(chǎn)生的方向盤沖擊力矩，在EPS 加入補(bǔ)償電流（補(bǔ)償力矩算法），從而衰減沖擊力矩。通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)此算法進(jìn)行分析和驗(yàn)證，結(jié)果表明控制算法有效，進(jìn)而減少了駕駛員由于爆胎產(chǎn)生的不適感。文獻(xiàn)[19]提出了無(wú)轉(zhuǎn)角傳感器的主動(dòng)回正控制方法，并以軟件形式附加在EPS 控制程序中，以改善汽車的回正性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：此控制方法不影響EPS基本助力特性，降低了汽車低速和高速回正時(shí)的方向盤殘留角度和橫擺角速度超調(diào)量。因此，無(wú)轉(zhuǎn)角傳感器的主動(dòng)回正控制方法在減少系統(tǒng)元件的基礎(chǔ)上有效改善了汽車的回正性能。文獻(xiàn)[20]針對(duì)EPS 中存在模型不確定性和路面干擾問(wèn)題，提出了遺傳算法的EPS系統(tǒng)魯棒H_∞控制方法。仿真結(jié)果表明，遺傳優(yōu)化后的EPS 魯棒控制器有效地增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和系統(tǒng)的抗干擾能力，使駕駛員獲得滿意的路感，提高了行駛安全性。文獻(xiàn)[21]進(jìn)行了基于狀態(tài)觀測(cè)器的EPS 的研究，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)側(cè)偏角進(jìn)行估計(jì)和對(duì)橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行反饋控制，并運(yùn)用最優(yōu)控制理論設(shè)計(jì)了EPS 控制器，通過(guò)與常規(guī)控制對(duì)比，體現(xiàn)了自身的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[22]提出了采用NLPQL 算法對(duì)電動(dòng)輪汽車差速助力轉(zhuǎn)向參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，此算法在保證EPS 具有較好轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性和較高轉(zhuǎn)向靈敏度的基礎(chǔ)上，有效提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向路感和降低系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向能耗，為電動(dòng)輪汽車EPS 的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

2.2 國(guó)外EPS系統(tǒng)控制策略和控制方式的研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)EPS 技術(shù)研究已經(jīng)有30 多年的歷史，技術(shù)日趨成熟，美國(guó)、德國(guó)及韓國(guó)等國(guó)家，都屬于研制EPS比較早的國(guó)家。國(guó)外的EPS 制造企業(yè)迅速占據(jù)了我國(guó)EPS 市場(chǎng)份額的90%以上，國(guó)內(nèi)EPS 企業(yè)僅占市場(chǎng)份額的不到10%，從而阻礙了我國(guó)EPS 技術(shù)的發(fā)展。此外，德國(guó)、美國(guó)及日本等國(guó)家開(kāi)發(fā)了許多基于不同控制策略和控制方式的控制器，并引領(lǐng)著整個(gè)汽車工業(yè)EPS系統(tǒng)的發(fā)展。

文獻(xiàn)[23]采用解耦控制來(lái)設(shè)計(jì)可變齒輪傳動(dòng)的EPS控制器的方法，該控制器利用解耦控制（采用角度控制和轉(zhuǎn)矩控制）設(shè)計(jì)2 個(gè)分離的系統(tǒng)控制器，然后應(yīng)用于整個(gè)控制器中，并通過(guò)測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證了該控制器的有效性。文獻(xiàn)[24]對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)時(shí)方向盤力矩的突變進(jìn)行了研究，該方法可以對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)時(shí)方向盤力矩的突變進(jìn)行有效修正控制。由于現(xiàn)代EPS 的助力電機(jī)所采用的助力增益具有一定車速上的局限性，當(dāng)行駛速度超過(guò)此限值時(shí)，助力電機(jī)的常規(guī)助力增益為0，此方法不能對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)時(shí)方向盤力矩所發(fā)生的突變進(jìn)行有效修正。

文獻(xiàn)[25]提出了采用六相感應(yīng)電機(jī)位置的模糊控制應(yīng)用到EPS 中，實(shí)現(xiàn)了有效的位置控制。即使處于故障（1，2，3 相位丟失）工作模式下，它也可以進(jìn)行有效工作。試驗(yàn)表明該研究對(duì)EPS 控制器開(kāi)發(fā)具有很大的促進(jìn)作用。

文獻(xiàn)[26-27]提出了一種新的EPS 控制策略，其控制目標(biāo)是能夠產(chǎn)生快速響應(yīng)駕駛者轉(zhuǎn)矩的輔助轉(zhuǎn)矩，同時(shí)建立起必須適應(yīng)建模誤差和參數(shù)的不確定性控制策略。此控制策略無(wú)需對(duì)不同的算法進(jìn)行切換和參數(shù)變化調(diào)整，進(jìn)而簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且該策略提高了系統(tǒng)的性能和魯棒性，降低了成本。仿真結(jié)果表明：所提出的控制策略能滿足EPS 所需的性能要求。

3 結(jié)論

EPS 是動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展的一個(gè)代表。伴隨著轉(zhuǎn)向技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益更新、控制技術(shù)的不斷進(jìn)步以及電子技術(shù)的高集成化，智能化和線控化成為助力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于EPS 的研究與開(kāi)發(fā)，控制器是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而控制算法又是控制器的核心，開(kāi)發(fā)更加優(yōu)良的控制算法，對(duì)于提高EPS 性能和節(jié)約成本等方面具有更加重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，文章就EPS系統(tǒng)控制策略和控制方式國(guó)內(nèi)外近期的研究做了總結(jié)，為以后的研究工作奠定了基礎(chǔ)。