基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)回正控制研究

史松卓，郭艷玲，趙 輝

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

為了探究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric power steering，EPS)回正控制對(duì)車輛行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性、安全性和轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱穩(wěn)定性的影響，提高駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性，同時(shí)增加轉(zhuǎn)向時(shí)的方向感，本文對(duì)文獻(xiàn)[1]中提出的算法加以改進(jìn)提出了一種基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的積分分離PID控制策略[1]。通過硬件電路和Simulink軟件建立的模型對(duì)控制策略進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明該控制策略可降低轉(zhuǎn)向盤的回正余差量，提高車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

1 EPS系統(tǒng)組成及工作原理

EPS電動(dòng)助力系統(tǒng)與機(jī)械助力系統(tǒng)相比增加了電動(dòng)控制單元(MCU)、車速傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和離合器等助力部分，EPS系統(tǒng)的組成及原理，如圖1所示。

車速傳感器通常采用電磁式的霍爾傳感器[2]，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的行駛速度；扭矩傳感器主要是用來測(cè)量轉(zhuǎn)向盤力矩的大小和方向。由于方向盤的力矩信號(hào)很容易受到外界因素的干擾，這就要求扭矩傳感器具有良好的精確性和抗干擾能力。目前主要使用的是電位器式扭矩傳感器[3]。電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流經(jīng)電機(jī)的電流。電子控制單元綜合處理傳感器傳送來的信號(hào)，根據(jù)設(shè)定好的控制策略輸出控制信號(hào)，通過減速機(jī)構(gòu)和離合器由電動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)向助力。電磁離合器的作用是將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的助力轉(zhuǎn)矩傳遞給減速機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生相對(duì)平緩的助力。電動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速非常快如果直接作用在轉(zhuǎn)向桿會(huì)產(chǎn)生不良效果，人們普遍在電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向軸之間加上減速機(jī)構(gòu)來降低電動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速。

圖1 EPS系統(tǒng)的組成及原理

2 EPS系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)及PWM功能寄存器

采用飛思卡爾單片機(jī)mc9s12xs128作為微控制器的芯片[4-5]。與傳統(tǒng)的MCS51系列單片機(jī)相比mc9s12xs128集成了脈沖寬度調(diào)制器(PWM)功能無需外接擴(kuò)展電路。

mc9s12xs128內(nèi)含6個(gè)PWM 通道，可由編程決定寬度和間隔的脈沖。PWM0 的輸出是第74引腳，PWM1 的輸出是第73引腳，PWM2 的輸出是第72引腳，PWM3的輸出是第71引腳，PWM4是第70引腳，PWM5是第69引腳。PWM 調(diào)制的電壓頻率由公式(1)確定。

f=F/(PWMCNTX+1)。

(1)

式中：f為調(diào)制電壓頻率；F為單片機(jī)晶振頻率；PWMCNTX為PWM 計(jì)數(shù)寄存器；mc9s12xs128單片機(jī)共有8個(gè)這樣的寄存器。PWM波的占空比由兩個(gè)比較寄存器周期寄存器PWMPER和占空比寄存器PWMDTY決定。

2.2 電路結(jié)構(gòu)

EPS 控制系統(tǒng)硬件組成及電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，該電路主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電路，電流測(cè)量電路等組成。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是由 FET 橋式電路、FET 驅(qū)動(dòng)電路和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路上的電流傳感器及繼電器構(gòu)成的，如圖3所示。FET驅(qū)動(dòng)電路將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行放大，分別通過兩組FET管，即FET4管和FET2管，F(xiàn)ET3管和FET1管的通斷實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，減小目標(biāo)電流與控制電流之間的誤差。

圖2 EPS硬件電路圖

圖3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電路：由于單片機(jī)能夠接受的最大電壓為5 V，而FET電路的驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，所以在電動(dòng)機(jī)與單片機(jī)之間要加一個(gè)直流變電器來進(jìn)行電壓匹配。為了避免控制信號(hào)與FET驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間互相產(chǎn)生干擾，使用光電隔離器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行隔離。

2.3 電機(jī)助力實(shí)時(shí)大小控制

通過軟件對(duì)控制系統(tǒng)中的車速傳感器、扭矩傳感器和電流傳感器的輸出值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并使用中斷模塊結(jié)合積分分離PID控制算法對(duì)傳感器輸出的電流值施加實(shí)時(shí)反饋控制，減小實(shí)際電流與目標(biāo)電流之間的偏差。當(dāng)方向盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，PWM0 與 PWM3 口輸出高電平使FET4管和FET2管導(dǎo)通，PWM1 與 PWM2 口輸出低電平使FET3管和FET1管關(guān)閉，并由PWM0口輸出電機(jī)的脈寬調(diào)制電流。當(dāng)方向盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，PWM1 與 PWM2 輸出高電平使FET4管和FET2管關(guān)閉，PWM0 與 PWM3口輸出低電平使FET3管和FET1管導(dǎo)通，由 PWM1口輸出電機(jī)的脈寬調(diào)制電流。

控制程序如下：

PWME_PWME7=1；

PWME_PWME3=0；

DDPR_DDPR3=1；

PTP_PTP3=0；

PWMDTY67=X；

PWME_PWME3=1；

PWME_PWME7=0；

DDPR_DDPR7=1；

PTP_PTP7=0；

PWMDTY23=X；

PWME_PWME7，PWME_PWME3 賦值進(jìn)行初始化，DDPR_DDPR3=1，PTP_PTP3=0使得輸出脈沖波的寬度最大，由PWMDTY67和PWMDTY23分別調(diào)節(jié)正反向輸出脈沖波的占空比，從而控制有效電平的寬度，達(dá)到控制輸出電流大小的目的[6-7]。

3 EPS系統(tǒng)回正控制策略分析

常規(guī)PID控制的表達(dá)式如公式(2)。

(2)

式中：kp為比例系數(shù)；TI為微分時(shí)間常數(shù)；TD為積分時(shí)間常數(shù)；u0為控制量；

單片機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量不能對(duì)連續(xù)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，所以必須對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行離散化。以T為采樣周期，K為采樣時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，KT表示不同時(shí)刻的采樣點(diǎn)。綜上，得到PID控制算式的增量公式(3)～(6)。

Δuk=Aek+Bek-1+Cek-2。

(3)

(4)

(5)

(6)

在PID(比例積分微分控制算法)控制中，積分環(huán)節(jié)的作用是消除轉(zhuǎn)向盤存在的角位移靜態(tài)偏差，從而提高轉(zhuǎn)向盤的回正控制精度。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角偏差量的增大。由于PID控制環(huán)節(jié)中的積分環(huán)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)誤差產(chǎn)生累積效應(yīng)，使系統(tǒng)的控制輸出量過大，從而使PWM信號(hào)的占空比的值出現(xiàn)溢出情況，使輸出的PWM波產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象，影響回正效果。為了消除積分對(duì)系統(tǒng)控制輸出量產(chǎn)生的累積效應(yīng)，保證系統(tǒng)回正性能的準(zhǔn)確性，對(duì)傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了改進(jìn)，采用積分分離調(diào)節(jié)方法[8-11]。

首先設(shè)定一個(gè)參考值N，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向盤零位置間的偏差大于設(shè)定值N時(shí)，停止積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用；當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向盤零位置間的偏差小于設(shè)定值N時(shí)，積分環(huán)節(jié)開始起到調(diào)節(jié)作用，減小系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。PID控制參數(shù)見表1。

(1)若ek>N，采用基于方向盤轉(zhuǎn)角偏差量的 PD 控制策略。

(2)若ek

表1 PID控制參數(shù)表

注：P是比例數(shù)；I是積分系數(shù)；D是微分系數(shù)。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真原理圖設(shè)計(jì)

結(jié)合Simulink軟件設(shè)計(jì)出機(jī)械系統(tǒng)模型、扭矩模型、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型。根據(jù)扭矩的大小來判斷是否提供回正助力；控制系統(tǒng)通過判斷轉(zhuǎn)矩的大小和助力曲線的關(guān)系，結(jié)合PID控制算法計(jì)算出電機(jī)的助力電流大小，助力電機(jī)執(zhí)行電流的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)回正控制。為回正系統(tǒng)SIMULINK模型圖如圖4所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

驗(yàn)證系統(tǒng)輕便性所得到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩關(guān)系的曲線如圖5所示。通過曲線可以看出增加了回正控制的EPS系統(tǒng)的助力特性與沒有回正助力的系統(tǒng)的控制性能基本相同，結(jié)果表明引入回正控制不會(huì)影響車輛的基本助力特性。

車輛低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向盤回正轉(zhuǎn)角殘余量對(duì)比曲線圖如圖6所示。從圖6中可以看出引入回正控制后的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤回正殘余量為5°，而沒有引入回正控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤回正殘余量為20°。結(jié)果表明，車輛低速行駛時(shí)引入回正控制后車輛的轉(zhuǎn)向盤回正余差量明顯降低。

圖4 回正系統(tǒng)SIMULINK模型圖

圖5 低速時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

圖6 低速回正時(shí)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角對(duì)比

5 結(jié)束語

通過實(shí)際的MCU(微控制器)控制器將積分分離PID算法應(yīng)用到汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正控制中，并通過仿真軟件驗(yàn)證，結(jié)果顯示通過積分分離PID算法可以有效的改善車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的回正性能，降低車輛回正時(shí)的超調(diào)量并提高了穩(wěn)定性。具有回正助力的EPS系統(tǒng)在回正時(shí)能夠獲得更快的響應(yīng)時(shí)間。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]徐 濤，過學(xué)迅，楊 波.石廣林.基于轉(zhuǎn)角的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性能控制[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23(1)：4-8.

[2]張春虎.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)[D].西安：長安大學(xué)，2011.

[3]張英福.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)中傳感器的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[4]劉 俊，陳無畏，王啟瑞，等.單片機(jī)控制的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2004(10)，7-11.

[5]劉春恰，劉志偉.基于ATMEGA16的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車使用技術(shù)，2012，12：14-18.

[6]宋曉華.基于MSC1210的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2011.

[7]梁秀霞，劉志偉，謝濤娟，等.基于MC68HC908AB32的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù)，2006，40(6)：74-76.

[8]李紹松，宗長富，吳振昕，等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向主動(dòng)回正控制方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2012，42(6)，1355-1359.

[9]趙志勇.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制研究[D].秦皇島.燕山大學(xué)，2012.

[10]向 丹，李武波，楊勇.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制及其仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究制造，2012，8(8)：115-117.

[11]楊 煒.商用車EPS系統(tǒng)模糊控制策略研究[D].西安：長安大學(xué)，2010.