汽車電動助力轉向系統的跑偏補償方法

滕曉濤 谷玉川 王祥 羅文杰

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

電動助力轉向系統（EPS）能實時根據駕駛員的轉向需求及汽車行駛狀態，提供適宜的轉向助力；能夠較好地解決低速轉向輕便要求與高速轉向穩定要求的矛盾。與機械轉向系統和液壓助力轉向系統相比，還具有安全、環保、節能及裝配簡單等優點。隨著控制方法的不斷發展與完善，EPS的功能不再局限于轉向助力，還能實現主動回正、路面干擾抑制、車道保持、車道偏移預警及自動泊車等功能。文章提出一種基于電動助力轉向的汽車跑偏補償方法，旨在解決汽車由懸架定位誤差及胎壓等引起汽車跑偏的問題。由EPS提供補償助力，以防止汽車跑偏，并減少駕駛疲勞。通過CarSim與Simulink聯合仿真驗證了該控制方法可行，對EPS的控制方法設計具有參考意義。

1 汽車跑偏

1.1 跑偏的定義與評價

汽車行駛跑偏表現為直線行駛時，駕駛員將方向盤自由至于中間位置，汽車行駛方向偏離汽車縱軸線，駕駛員需要在方向盤上施加一矯正力，以保持汽車直行。跑偏是汽車使用中的常見故障之一。GB17675《汽車轉向系基本要求》中規定：汽車以80 km/h的速度行駛時，駕駛員必須能在不做異常轉向修正的條件下，保持汽車直線行駛。通常要求駕駛員的修正力小于0.5 N·m。各主機廠對汽車跑偏的定義不一致，主要有2種：

1）以約80 km/h的速度行駛，100 m內左右偏≤1 m即為合格；

2）以約100 km/h的速度行駛，汽車基準輪胎從車道（國內高速公路車道寬約3.7 m）一側到達另一側所需時間≥9 s即為合格。

1.2 汽車跑偏的原因及危害

已有較多文獻對汽車跑偏原因進行分析，主要分為汽車本身問題和環境因素2類?？偨Y目前常見的汽車跑偏原因，得到汽車跑偏魚骨分析圖，如圖1所示。其中汽車四輪定位參數和輪胎定位是引起汽車跑偏的重要原因[1-2]。

駕駛跑偏的汽車，駕駛員需要時刻在方向盤上施加矯正力，單側轉向力增加，容易造成駕駛疲勞。輕則影響駕駛舒適感，造成輪胎磨損異常等，重則可能導致整車跑偏，汽車失控，如果行駛在高速路上，則可能造成嚴重的交通事故。

2 電動助力轉向的跑偏補償原理

電動助力轉向由于其控制方法靈活，可根據整車的狀態及駕駛員的意圖提供轉向助力。在汽車出現跑偏情況下，如果EPS能夠提供一個額外的轉向助力補償，則可防止汽車跑偏，并減少駕駛員因長期手扶方向盤造成的駕駛疲勞。

2.1 汽車跑偏的識別

電動助力轉向對跑偏的補償前提是EPS能夠通過轉向系統輸入，正確判定整車是否發生了跑偏。文章設定的EPS識別汽車是否處于跑偏，需要同時滿足以下條件：1）車速大于設定值，如50 km/h；2）方向盤轉角小于設定值；3）EPS助力與轉向手力之和滿足設定范圍，如 0.5～2 N·m；4）EPS無故障；5）滿足以上條件，并持續一定時間。

由于汽車長時間運行在較高車速，轉向系統輸出助力和轉向角度均較小，EPS由此可認為汽車已發生跑偏，或者汽車長時間運行在受單側風影響的長直路面。通常，該情況下駕駛員需要長時間手扶方向盤。如果能夠通過EPS提供助力補償，則可以較好解決上述問題。

2.2 跑偏補償學習算法

在EPS識別汽車跑偏之后，利用電動助力轉向，根據跑偏程度提供與之適應的跑偏補償量[3]。文章提出了一種基于轉向手力和跑偏程度大小的跑偏補償量自學習方法。EPS的跑偏補償量隨跑偏程度（駕駛員手扶方向盤的力）增加，補償值逐漸迭代增加，進而實現跑偏補償量的“自適應”。其計算公式如下：

式中：Tcompensation——EPS防跑偏補償力矩，N·m；

THand_Torq——方向盤上力矩（轉向手力），N·m；

TMotor_Torq——EPS根據當前車速及方向盤上手力計算得到的轉向助力，N·m；

C——迭代常量。

從跑偏補償的方法可知，補償量的大小由跑偏程度（駕駛員手扶方向盤的力）和迭代次數決定。跑偏補償的自學習速度與迭代常量和迭代頻率相關。補償量大小隨時間增加趨于穩定，直到駕駛員手扶方向盤的力為0。

3 CarSim與Simulink聯合仿真驗證

3.1 仿真建模

為驗證設計的電動助力轉向跑偏補償方法，在Simulink中建立了補償算法的模型，在CarSim中建立整車模型和轉向系統模型，進行聯合仿真，如圖2所示。

在CarSim中建立整車模型和轉向系統的機械模型，主要參數，如表1和表2所示。在Matlab/Simulink中建立EPS的助力控制算法模型。CarSim可與Simulink相互調用，可以將Simulink中定義的變量，如轉向助力及方向盤轉角等導入CarSim中[4]。同時，將CarSim中變量，如車速及方向盤扭矩等信號導出到Simulink中。建立如圖2所示聯合仿真模型，設定仿真步長為0.001 s。

表1 CarSim整車模型主要參數

表2 CarSim轉向系統機械結構模型主要參數

3.2 仿真結果

仿真開始時，在轉向器齒條上施加150 N齒條力，模擬懸架誤差造成的轉向跑偏。EPS模型根據車速、方向盤力矩及方向盤角度計算轉向助力矩。防跑偏補償模型根據汽車狀態進行補償學習。在確認整車處于跑偏狀態，并持續15 s以后防跑偏模塊開始計算。經仿真得到方向盤上力矩（手力）與EPS的防跑偏補償情況，如圖3和圖4所示。

如圖3所示，仿真開始時，駕駛員為保持汽車直行，需要在方向盤上施加1.3 N·m的轉向力矩。同時，EPS通過判定邏輯，識別當前汽車狀態滿足跑偏判定條件，15 s后開始計算防跑偏補償量。在這個過程中，駕駛員的手力逐漸減小，EPS補償量逐步增加，最后趨于穩定值，如圖4所示。經過5～6 min的自學習，EPS提供的補償扭矩可使汽車保持直線行駛，駕駛員不需要再在方向盤上施加手力。

另外，通過電動助力轉向補償防止汽車跑偏，并沒有從本質上解決跑偏問題。汽車長期在此工況使用，容易造成零部件損壞。文章設定了EPS跑偏補償的最大限制量，當跑偏程度達到一定量時，EPS提供跑偏補償的同時存儲故障碼，并通過儀表板提示駕駛人員進行汽車檢修。

4 結論

當汽車由于種種原因出現跑偏時，通過EPS施加額外電動助力扭矩，可以減小駕駛員的轉向手力，防止汽車跑偏，保證駕駛安全?；贓PS的汽車跑偏補償，可以保證輕微跑偏時不需要對汽車進行維修；當整車嚴重跑偏時，EPS報警提示用戶對汽車底盤進行檢查。文章提出的EPS對汽車跑偏狀態的識別方法及EPS的跑偏補償助力算法對電動助力轉向控制方法的開發具有參考意義。