基于模糊控制原理的EPS助力電機電流的研究

韓 蕾，李騰飛

（四川交通職業技術學院，四川 成都 611130）

基于模糊控制原理的EPS助力電機電流的研究

韓 蕾，李騰飛

Han Lei，Li Tengfei

（四川交通職業技術學院，四川 成都 611130）

利用模糊控制原理，建立了EPS助力電機目標電流的模糊控制器，確定在不同車速和不同轉向盤轉矩下的目標電流，并畫出了目標電流三維圖，最后經分析可知利用模糊控制器確定的目標電流基本符合助力特性。

模糊控制；EPS；目標電流

0 引 言

決定EPS系統助力電機目標電流大小的主要因素是車速大小和轉向盤轉矩大小。然而，EPS系統很復雜，不是一個簡單的線性系統，助力電流的大小也不能簡單地用一個比較精確的數學模型來表示。其他的一些因素，例如各類傳感器的靈敏度與精度、路面不平度的干擾，這些因素都會對系統產生很大的影響[1]。基于以上考慮，文中采用模糊控制策略對目標電流進行確定。

1 目標電流模糊控制器的設計

一般來說，模糊控制算法的實現主要有以下幾個步驟[2]：

1）定義模糊控制器的輸入、輸出變量，并給出模糊論域；

2）選擇合適的隸屬度函數將精確的輸入變量模糊化；

3）設計一套合理的模糊規則；

4）按照模糊規則運行控制器，計算輸出參數的模糊值；

5）將輸出變量的模糊值反模糊化得到精確值。

由以上 5個步驟可以總結出模糊控制器設計流程：1）確定模糊控制器的輸入、輸出，并定義模糊論域；2）確定各個參數的隸屬度函數；3）制定模糊規則；4）模糊化地輸出變量；

5）反模糊化，得到最終精確值。

根據上面敘述的設計步驟，選擇車速信號和轉向盤轉矩信號來作為模糊控制器的 2個輸入量，通過控制器來輸出助力電機的目標電流的大小[3]。

2 模糊邏輯工具箱介紹

模糊邏輯工具箱是 Matlab工具箱中的一個，它可以實現相關模糊控制推理的仿真和分析。模糊邏輯工具箱有 5個主要的圖形用戶界面工具來建立、編輯、觀察模糊推理系統。在任何給定的一個系統中，可以根據實際情況來定義一個或幾個輸入、輸出量，利用這 5個圖形用戶界面工具可以得到輸入與輸出的變化關系三維圖，通過改變其中的任意參數可以使輸出量得到改變[4]。

文中設有2個輸入量：轉向盤輸入轉矩和車速；1個輸出量：助力電機提供的助力電流。其中Ts為轉向盤輸入轉矩，V為車速、Icmd為助力電流。

模糊推理編輯器如圖1所示。

3 輸入、輸出量的定義及模糊化

3.1 輸入量的模糊化

1）轉矩Td。設定轉向系統開始助力時的轉向盤輸入力矩為1 N·m，提供最大助力時轉向盤輸入力矩Td為7.5N·m，且電動機在全速范圍內提供助力。故Td的模糊論域為[1，7.5] N·m。語言值為：{zero（零），vslow（很小），slow（小），medium（中等），large（大），qlarge（相當大），vlarge（很大）}。

2）車速V。模糊論域為[0，120] km/h。語言值為：{zero（零），vslow（很小），slow（小），medium（中等），fast（大），qfast（相當大），vfast（很大）}。

3）目標電流I。模糊論域為[0，58] A。語言值為：{zero（零），vsmall（很小），small（小），medium（中等），big（大），qbig（相當大），vbig（很大）}。

3.2 隸屬函數的確定

模糊邏輯工具箱中包含了多個內置的隸屬函數類型，在實際應用中較常見的是三角隸屬函數、梯形隸屬函數和高斯隸屬函數。文中選取三角隸屬函數對輸入、輸出變量進行定義。打開Matlab的隸屬函數編輯器，在編輯器中選擇三角隸屬函數對轉向盤輸入轉矩、車速、助力電機的助力電流進行定義。如圖 2～圖 4所示。

3.3 模糊規則的建立

模糊規則采用“if…then…”語句表示，正確地建立模糊規則是保證控制器性能良好的關鍵。通常模糊規則是由該領域的有關專家給出，或通過大量試驗獲得的試驗數據總結得出，無論哪種方法，所得到的模糊規則都是近似的。對于任何一個模糊狀態的輸入，相應的控制規則產生一個輸出，同時需要保證模糊規則的相容性，為了解決這些問題，往往需要大量試驗數據和經驗。因此參考相關文獻，在臺架試驗所得的數據基礎之上，確定出模糊規則。如表1所示。

表1 助力電流的模糊控制規則

模糊控制規則是“if…then…”條件語句，模糊 if-then規則又稱為模糊條件語句。模糊控制系統的核心是根據建立的模糊規則進行推理運算。

文中，根據參考文獻中的試驗數據以及駕駛員經驗，得出如圖5所示的49條控制規則。

4 EPS助力電機目標電流仿真結果分析

在Matlab/Simulink中建立助力電流的模糊控制仿真系統，如圖6所示。

其中，轉向盤轉矩選取斜坡信號作為輸入，車速設定為某一固定值時的車速，輸出助力電流。

將所設計的助力電流模糊控制器通過 Fuzzy Logic模塊仿真得到 EPS系統助力特性曲線三維圖，如圖7所示。

從圖7中可以很清楚地看到任意轉向盤轉矩、不同車速時對應的助力電流值，也就是得到了在全車速范圍內，助力電機提供的電流值。

至此，可以通過助力電流模糊控制器來分析固定車速不變時，轉向盤輸入力矩與目標電流的關系。圖8～圖14是不同車速下，目標電流隨轉向盤轉矩的仿真曲線。

通過對圖8～圖14的分析比較，文中采用的模糊控制器確定的目標電流有以下幾個特點。

1）固定車速不變，隨著轉向盤的作用力矩的逐漸增大，助力電機提供的助力電流隨之增大，轉向系統提供的助力矩相應增大。

2）在某一固定車速下，且車速較低時，相比于其他車速，助力電機提供的助力電流較大。這樣能滿足駕駛員在低速行駛時轉向輕便。

3）在某一固定車速下，且車速較高，相比于其他車速，助力電機提供的助力電流較小。這樣能保證駕駛員在高速行駛時具有較好的路感。

4）當轉向盤輸入力矩較小時，車速較高時，助力電機提供的助力電流較小，電動機提供較小的助力，使駕駛員在高速時獲得良好的路感。

5）當轉向盤輸入力矩較大時，車速較低時，助力電機提供的助力電流較大，電動機提供較大的助力，使駕駛員在低速行駛時的轉向具有輕便性。

5 結束語

利用模糊控制器在Matlab中得到了全車速范圍內的助力特性曲線三維圖。還得到了固定車速時，其他兩個變量的關系曲線，這些曲線說明這款模糊控制器輸出的助力電流與EPS系統在轉向過程中對助力的要求相吻合。

[1]黃森仁. 汽車電動助力轉向系統（EPS）研究[D]. 合肥：合肥工業大學，2003.

[2]蔣芬，鐘紹華. 汽車電動助力轉向系統的仿真分析[J]. 北京汽車. 2008(3)：22-24.

[3]張春花. 汽車電動助力轉向系統動態特性及控制研究[D]. 長沙：中南林業科技大學，2006.

[4]韓俊峰. 模糊控制技術[M]. 重慶：重慶大學出版社，2003.

U463.4：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.01.013

1002-4581（2015）01-0042-05

2014?08?28