電動助力轉向電機補償控制方法

The motor compensation control for electric power steering system

李紹松1,2，牛加飛1，盛　任1，于志新1，涂永發(fā)1

（1. 長春工業(yè)大學 機電工程學院，長春 130012；2.長春工業(yè)大學 汽車工程研究院，長春 130012）

LI Shao-song1,2,　NIU Jia-fei1,　SHENG Ren1,　YU Zhi-xin1,　TU Yong-fa1

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電動助力轉向電機補償控制方法

The motor compensation control for electric power steering system

李紹松1,2，牛加飛1，盛任1，于志新1，涂永發(fā)1

（1. 長春工業(yè)大學 機電工程學院，長春 130012；2.長春工業(yè)大學 汽車工程研究院，長春 130012）

LI Shao-song1,2,NIU Jia-fei1,SHENG Ren1,YU Zhi-xin1,TU Yong-fa1

摘要：搭建電動助力轉向（Electric Power Steering，EPS）硬件在環(huán)試驗平臺，基于最小二乘法辨識電機電參數(shù)。傳統(tǒng)基于轉速符號函數(shù)或飽和函數(shù)的摩擦補償控制方法，只有在相對轉動時補償系統(tǒng)的動摩擦轉矩，為此提出一種動靜摩擦共同補償控制方法。此外，基于電機角加速度進行慣量補償控制，改善EPS系統(tǒng)慣量對手力的影響；基于電機角速度進行阻尼補償控制，改善汽車回正性能。

關鍵詞：電動助力轉向；硬件在環(huán)試驗平臺；電機參數(shù)辨識；電機補償控制

0　引言

作為電子技術與轉向系統(tǒng)相結合的產物，EPS系統(tǒng)緊扣汽車工業(yè)發(fā)展大主題[1]，在提供助力、減輕駕駛員操縱負擔的同時，也能夠提高汽車轉向性能，以其優(yōu)越的性能和特點有逐步替代液壓助力轉向趨勢，具有廣闊的應用前景[2]。

EPS根據車速信號和轉向盤轉矩信號確定電機目標控制電流，通過PID控制方法消除電機實際電流與目標電流的偏差，控制電機產生助力[3]。EPS電機慣量、阻尼補償控制分別基于電機角加速度、角速度信號確定補償控制電流，對EPS基本助力控制電流進行修正，降低EPS電機及減速機構的慣量、阻尼對轉向性能的影響[4,5]。EPS電機摩擦補償控制主要基于轉速的符號函數(shù)或飽和函數(shù)來實現(xiàn)[6]，施加的摩擦補償轉矩只有在電機轉動時才能融入系統(tǒng)控制中，補償系統(tǒng)的動摩擦轉矩，不能補償系統(tǒng)的靜摩擦力矩。

本文搭建EPS硬件在環(huán)試驗平臺，基于最小二乘法辨識電機電參數(shù)，基于電機角加速度、角速度信號施加慣量、阻尼補償控制。提出種動靜摩擦轉矩共同補償控制方法，使摩擦補償轉矩在轉向盤轉動與停止之間實現(xiàn)平滑過渡。

1　電動助力轉向硬件在環(huán)試驗平臺

基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)搭建EPS硬件在環(huán)試驗平臺，如圖1所示。試驗平臺硬件系統(tǒng)包括：轉向系統(tǒng)操縱機構、電動伺服缸、各種傳感器等。軟件系統(tǒng)包括：dSPACE實時仿真系統(tǒng)接口軟件、整車動力學模型、EPS控制系統(tǒng)模型等。

轉向操作時，裝有整車模型的DS1103系統(tǒng)采集轉向盤轉矩、轉角等傳感器信號，控制電動伺服缸驅動器，模擬轉向阻力。裝有EPS控制系統(tǒng)模型的MicroAutoBoxII采集轉向盤轉角、轉矩、電機電流等信號，控制助力電機驅動器，實現(xiàn)轉向助力功能。

圖1　電動助力轉向硬件在環(huán)試驗平臺

2　電機電參數(shù)辨識

EPS增加了電機及減速機構，增加了系統(tǒng)慣量、阻尼和摩擦，可通過電機慣量、阻尼及摩擦補償控制降低其對EPS汽車轉向性能的影響。準確獲取電機電參數(shù)，利于仿真平臺中設計的控制器在實車上的應用，縮短EPS開發(fā)周期。

結合最小二乘法和直流電機模型，理論上可以對電機的所有電參數(shù)進行辨識[7]。考慮到電機的電樞電壓、電流由傳感器測得，轉速可以由轉向柱轉角換算得到。因此，采用電機電壓平衡方程作為電機參數(shù)辨識的模型基礎，寫成如下形式：

式中：gc為蝸輪蝸桿減速器速比；為助力電機角速度；u為電機的電樞電壓；k為電機反電動勢系數(shù)；L為電機電樞電感；R電機電樞等效電阻；i為電機電樞電流。

那么：

1）EPS硬件在環(huán)試驗平臺上，助力電機驅動器以80%占空比驅動轉向盤右轉5s，同時逐漸增加轉向阻力；

2）以同樣的占空比反向驅動轉向盤左轉，其余條件與步驟1）致；重復步驟1）和2），各實驗3次。電機電參數(shù)辨識結果如表1所示。

表1　EPS電機參數(shù)辨識結果

3　EPS電機補償控制

3.1EPS電機摩擦補償控制

多數(shù)研究中，對于模型或實際系統(tǒng)控制的摩擦通過轉速的符號函數(shù)或飽和函數(shù)表示，如圖2所示。

圖2　基于符號函數(shù)與飽和函數(shù)的摩擦補償控制

施加的補償轉矩只有在相對轉動時才能融入系統(tǒng)控制中，補償系統(tǒng)的動摩擦轉矩，而對于僅有相對轉動趨勢時的靜摩擦力矩則沒有作用。因此，本文采用種能夠實現(xiàn)動靜摩擦轉矩共同補償?shù)哪Σ量刂品椒ǎ?/p>

為了考察轉向過程中動靜摩擦的過渡過程，在沒有摩擦補償情況下，通過助力電機的電流開環(huán)控制，獲得轉向盤的運動過程。轉向盤換向過程中，動靜摩擦補償?shù)倪^渡過程如圖4所示，補償轉矩Tfc如圖中實線所示，通過調整系數(shù)，可以使摩擦補償轉矩在轉向盤模塊轉動與停止之間通過靜摩擦轉矩的補償實現(xiàn)平滑的過渡。

圖3　動靜摩擦補償變化曲線

3.2EPS電機慣量補償控制

EPS電機本身的轉動慣量并不大，但是等效到小齒輪軸上后，其數(shù)值被放大了倍，過大的轉動慣量會影響瞬態(tài)轉向時駕駛員的手力和高速時車輛的回正穩(wěn)定性[8]?？梢詫χ﹄姍C施加慣量補償控制轉矩：

其中，KJP為慣量補償控制系數(shù)。基于EPS硬件在環(huán)試驗臺，進行轉向盤90deg的角階躍試驗，有無慣量補償控制的轉向盤轉矩對比曲線如圖4所示?？梢钥闯觯┘討T量補償控制后，轉向盤力矩峰值降低了38%，善了EPS系統(tǒng)慣量對手力的影響。

圖4　轉向盤轉矩對比曲線

3.3EPS電機阻尼補償控制

EPS增加電機及減速機構，增加了EPS系統(tǒng)的等效阻尼，降低了汽車的回正性能。可以對助力電機施加阻尼補償控制：

其中，KCp為阻尼補償控制系數(shù)?；贓PS硬件在環(huán)試驗臺，進行汽車回正試驗，轉向盤轉角對比曲線如圖5所示?？匆钥闯鍪┘幼枘嵫a償控制后，撒手回正時方向盤殘留角度降低了20deg左右，有效善EPS汽車的回正性能。

圖5　轉向盤轉角對比曲線

4　結束語

1）搭建EPS硬件在環(huán)試驗平臺，基于最小二乘法辨識電機反電動勢系數(shù)、電樞電感和電樞電阻個電參數(shù)。

3）基于電機角加速度、角速度進行EPS電機慣量、阻尼補償控制，善系統(tǒng)慣量、阻尼對轉向性能的影響。

參考文獻：

[1] Aijun Hu. Development of the Automobile Steering System[J]. Applied Mechanics and Materials,2011,42:272-275.

[2] Baharom, Masri B.; Hussain, Khalid, et al. Design of full electric power steering with enhanced performance over that of hydraulic power-assisted steering[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2013,227(3):390-399.

[3] Xiang Chen, Tiebao Yang, Xiaoqun Chen, et al. A Generic Model-Based Advanced Control of Electric Power-Assisted Steering Systems[J].IEEE TRANSA- CTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY,2008,16(6):1289-1300.

[4] 孟濤,余卓平,陳慧,等.電動助力轉向控制策略研究及實驗驗證[J].汽車技術,2005(5):26-30.

[5] Yangling Cao,Shusong Yang. Study on Assistance Torque Control Strategyof Electric Power Steering System[C].Electric Information and Control Engineering (ICEICE),2011:5372-5374.

[6] 周金柱,段寶巖,黃進.LuGre摩擦模型對伺服系統(tǒng)的影響與補償[J].控制理論與應用,2008,25(6):990-994.

[7] Samer S. Saab and Raed Abi Kaed-Bey. Parameter Identification of a DC Motor: An Experimental Approach[C].The 8th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, 2001,2:981-984.

[8] 貝爾恩德.海森英,漢斯于爾根布蘭德爾(編),石曉明,陳禎福(譯).汽車行駛動力學性能的主觀評價[M].北京:人民交通出版社,2010.

作者簡介：李紹松（1986 -），男，山東菏澤人，講師，博士，研究方向為汽車動力學仿真與控制。

基金項目：省級項目：吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（吉教科合字[2015]第116號）

收稿日期：2015-11-06

中圖分類號：U467.3

文獻標識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)03-0082-03