基于模糊控制算法的電動助力轉向控制器的設計

于鋒 陳帥

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714167

摘要：針對當前汽車電動助力轉向系統(tǒng)存在的響應慢，魯棒性差等問題，設計了一電動助力轉向系統(tǒng)的硬件結構，提出了一種模糊控制算法，利用圖標的方法表示了模糊控制算中的隸屬函數(shù)，并對模糊論集進行了規(guī)劃，最后用matlap對控制算法進行了仿真和驗證，試驗表明電動助力轉向系統(tǒng)運行良好，達到了預期目標，說明該控制器的設計比較成功。

關鍵詞：模糊控制；電動助力；轉向；汽車

汽車電動助力轉向系統(tǒng)能夠減輕駕駛員駕駛疲勞強度，提高汽車行駛的安全性與平順性，與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比存在以下優(yōu)點：減少了液壓系統(tǒng)繁雜的油路布置，不存在液壓油的泄露問題，能夠有效提高轉向系統(tǒng)的響應精確性，故障相對較少，因此逐漸得到了廣泛應用。國內對汽車電動助力轉向系統(tǒng)的研究也取得了大量的研究成果。文獻[12]從的硬件結構上對電動助力系統(tǒng)進行了研究，取得了良好的效果。文獻[35]利用軟件模擬的方法對電動助力轉向系統(tǒng)進行了分析和論證。文獻[68]從軟件控制的方法上對電動助力轉向系統(tǒng)進行了優(yōu)化和設計，但上述控制方法魯棒性較差，實現(xiàn)起來較為困難，設計費用較高，經(jīng)濟性差。針對上述問題，本文利用模糊控制方法對汽車電動助力轉向系統(tǒng)控制方法進行了優(yōu)化和控制，并設計了系統(tǒng)的電子硬件結構。

1 電動助力轉向的結構

由圖1可知，汽車電動助力轉向裝置的構成主要有如下結構：齒輪齒條式轉向器，轉向軸和轉向柱，轉矩傳感器，電機和電機控制器，以及控制電腦ECU。工作原理如下：駕駛員在轉向過程中，由轉矩傳感器感知駕駛員轉向角度和轉向力矩，并把這個信號通過LIN總線傳送給ECU，ECU通過CAN總線獲取汽車行駛速度，電腦根據(jù)汽車的行駛速度和轉矩信號判斷此時轉向系統(tǒng)的狀況，并輸出一個控制信號給驅動電機放大器，電器放大器放大驅動信號驅動電機轉動相應的角度，電機轉動通過減速機構驅動轉向軸旋轉，實現(xiàn)了轉向助力。系統(tǒng)還實現(xiàn)了閉環(huán)控制，通過一個轉角傳感器實時監(jiān)測電機轉角，并把電機轉角反饋給控制電腦，電腦根據(jù)此信號判斷電機轉動情況，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2 模糊控制系統(tǒng)

模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它是智能控制的一個重要分支。由于電動助力轉向系統(tǒng)駕駛員轉向動態(tài)不易掌握，難以用定性的數(shù)學模型來表達，但，可以由汽車電動助力轉向系統(tǒng)轉向過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則， 且，由于電動助力轉向模型的控制算法和系統(tǒng)設計方法的始發(fā)點和控制目標不同，比較容易造成較大差異。但，模糊控制算法卻可以利用電動助力轉向的控制規(guī)律間的模糊連接，輕松找到折中的方法，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器，另外由于模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設計的，在電動助力轉向過程中可以模擬駕駛員轉向的過程和方法，提高電動助力轉向控制系統(tǒng)的適應能力，使系統(tǒng)具有一定的預判性和智能學習的能力，其次模糊控制系統(tǒng)的魯棒性比較強，抗干擾能力和外部參數(shù)變化對控制效果的影響被極大的減弱，非常適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制[9]，因此本文使用模糊控制策略。

當駕駛員轉向時，電動助力轉向系統(tǒng)控制器的輸入量為轉矩傳感器傳來的轉矩信號和從CAN總線傳來的車速信號，控制對象為電動助力轉向系統(tǒng)的驅動電機。在控制器設計中，取轉矩信號誤差范圍值為[4，4]，相應的模糊論域取值為[4，4]，量化，7個等級，其余為邊界值，如記轉矩信號為E，即得出：[4，3，2，0，2，3，4]，模糊子集為{PB（正大），PS（正小），Z（零），NS（負小），NB（負大）}，輸入量的隸屬函數(shù)可以用圖片表達。如圖2所示：

車速模糊論域取值為[20，180]，180表示最高車速，20表示最低車速，用V表示，即：V=[20，60，100，140，180]，模糊子集為{ZE（零）， PZ（正零）， PS（正小）， PM（正中）， PB（正大]}，隸屬函數(shù)則用圖3函數(shù)圖表示：

電動助力轉向電機隸屬函數(shù)可以參考文獻[10]內容所載。然后利用matlap軟件對上述隸屬函數(shù)圖形進行仿真，得出圖4.

圖4中X坐標為車速信號，Y坐標為轉矩信號，Z坐標為電動助力轉向系統(tǒng)的控制信號，從圖4可以看出控制曲面和線條平滑，并且按照預先設定的規(guī)律走向，說明控制系統(tǒng)良好。

接下來對進行實車試驗，首先將設計好的控制器裝入國產(chǎn)夏利A+的改裝車上，通過CAN總線將儀表盤車速信號引接至電動助力轉向系統(tǒng)的輸入接口，通過常火線對系統(tǒng)供電，并將負極搭鐵，啟動汽車。開始時以30Km/h速度前進，駕駛員操縱轉向盤轉向，記錄測試駕駛員感覺狀況，緊接著以5km/h速度前進，轉動轉向盤記錄駕駛員感覺情況，最后以100km/h速度行駛，轉動方向盤記錄駕駛員感覺，三次試驗表明電動助力轉向系統(tǒng)能夠明顯減輕駕駛者的操縱力度，長時間駕駛能夠減少駕駛員勞動強度，減少了方向盤的轉數(shù)，特別是減少了停車轉向時的操縱力，回正力矩較大，驗證了電動助力轉向系統(tǒng)的成功。

3 結論

在設計了汽車電動助力轉向系統(tǒng)的硬件架構的基礎上，使用模糊控制策略的方法對硬件結構進行了優(yōu)化和仿真，結果表明該系統(tǒng)運轉良好，系統(tǒng)響應性高，回正力矩較大，異響較小，助力作用明顯，起到了良好的設計效果。

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