基于模型設計的電動助力轉向系統策略研究

劉世杰　嚴天一　賈兆功　陸金更　林軍

摘要：為兼顧車輛轉向輕便性和操縱穩定性，并提高車輛的燃油經濟性，本文采用恩智浦32位MPC5634主控芯片，對基于模型設計的電動助力轉向系統策略進行研究。通過Simulink/Stateflow搭建助力控制策略、回正控制策略及阻尼控制策略的仿真模型，通過功能性和結構性測試之后，自動生成嵌入式C代碼，通過軟件在環（software in-the-loop，SIL）進行仿真測試，并通過實車標定試驗和轉向試驗，驗證電動助力轉向系統控制策略的有效性。試驗結果表明，在車輛怠速工況下，開啟電動助力轉向系統時，轉矩傳感器的轉矩信號與關閉電動助力轉向系統時轉矩傳感器的轉矩信號相比，轉矩傳感器輸出的最大轉矩信號AD值由210降至174，轉矩差值由助力電機提供的轉矩彌補，說明所開發的電動助力轉向系統具有較明顯的助力效果，能夠滿足設計需求。該研究具有較好的應用前景。

關鍵詞：電動助力轉向系統; 電子控制單元; 控制策略; 性能試驗

中圖分類號： U463.4; U461.6文獻標識碼： A

文章編號： 1006-9798（2020）02-0097-07; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.015

車輛轉向系統作為改變或恢復行駛方向的專設機構，保證車輛可以按照駕駛員意圖進行轉向行駛，其性能直接影響操縱穩定性[1]、乘坐舒適性[2]和安全性。隨著汽車電子控制技術的發展，傳統的機械轉向系統已發展到更加智能化的電動助力轉向系統[3]。電動助力轉向系統作為一種新型助力轉向系統，能夠根據駕駛員意圖和行駛工況提供實時轉向助力，可以確保低速行駛時輕便靈活，而高速行駛時穩定可靠[4]。近年來，相關研究機構對電動助力轉向系統及其控制技術展開研究。李紹松等人[5]通過無轉角傳感器的主動回正控制方法，改善了車輛回正性能;施國標等人[6]介紹了電動助力轉向系統的匹配設計過程，提出助力特性與車型的匹配原則;吳鋒等人[7]分析了電流閉環PI控制器的參數設計和電流給定算法設計與系統性能的關系。目前，通過模型設計方法進行電動助力轉向系統策略開發的研究較少。因此，本文基于模型設計方法，搭建電動助力轉向系統Simulink/Stateflow控制策略模型，自動生成嵌入式C代碼，為了驗證所提出的電動助力轉向系統控制策略的有效性和可靠性，進行實車電動助力轉向試驗。通過實車試驗，證明所開發的電動助力轉向系統具有較明顯的助力效果。該研究具有一定的實際應用價值。

1工作原理

電動助力轉向系統主要由信號采集系統、電子控制單元、助力電機、減速機構和電磁離合器等組成[9]，電動助力轉向系統示意圖如圖1所示。信號采集系統采集轉向盤轉矩信號、轉向盤轉角信號、車速信號、助力電機電流信號[10]并傳輸到電子控制單元;電子控制單元通過信號采集系統獲得的轉矩信號、車速信號等判斷助力電機的理想工作狀態，計算得到目標控制電流大小，并控制助力電機輸出合適的電磁轉矩[11];助力電機是電動助力轉向系統的動力源，在電子控制單元控制下輸出相應的助力轉矩[12]，本文選用三相無刷電機作為電動助力轉向系統的助力電機;減速機構與助力電機相連，起到降速增扭的作用[13];電磁離合器將輔助轉向力矩施加到轉向系統，實現實時控制的助力轉向，同時避免電機轉動慣性引起的不利影響。

2助力特性曲線與控制策略模型

2.1助力特性曲線

電動助力轉向系統的功能需求主要包括分析助力控制模式、回正控制模式和阻尼控制模式的功能及可靠性的具體要求，確定各模式之間的切換條件和切換過程。

助力控制模式的核心是確定助力特性曲線及確定控制單元控制助力電流大小的方式，以滿足不同工況下對助力扭矩的要求[14]。助力特性曲線通常通過實車道路試驗對基本特性曲線進行調整獲得[15-17]，較為典型的有直線型、折線型和曲線型[18]。典型助力特性曲線如圖2所示。

直線型助力特性曲線可表示為

式中，I為助力電機目標電流;f（v）為助力特性曲線梯度;Imax為助力電機最大工作電流;Td為轉向盤輸入力矩;Td0為電動助力轉向系統開始工作時轉向盤輸入力矩;Tdmax為電機輸出轉矩最大時轉向盤輸入力矩。

折線型助力特性曲線可表示為

式中，f1（v）、f2（v）為助力特性曲線梯度;Td1為轉向盤輸入力矩。

曲線型助力特性曲線可表示為

式中，f（Td）為轉向盤輸入力矩非線性函數[19]。

若轉向盤轉角與角速度方向相反，需通過回正控制模式來改善轉向回正特性，提高車輛的操縱穩定性;若轉向盤轉角與角速度方向相同，且車輛行駛速度達到或超過設定的速度閥值，則需通過阻尼控制模式來減輕轉向盤抖動現象，同時防止出現轉向盤回正超調狀況[20]。

2.2控制策略模型

利用Simulink/Stateflow搭建電動助力轉向系統控制策略模型，電動助力轉向系統控制策略模型如圖3所示。圖3中，主要包括檢查模塊、助力控制模塊、回正控制模塊和阻尼控制模塊等部分。

檢測模塊負責檢測轉矩傳感器和速度傳感器是否正常工作，然后根據傳感器的輸出信號判斷應執行的控制模式。若轉向盤轉角與角速度的方向相同，且車速低于設定的閥值，進入助力控制模塊，助力控制模塊如圖4所示。

轉矩傳感器的輸出信號值決定助力電機的工作狀態，若轉向盤轉矩的絕對值小于1 N·m，進入無助力子模塊，該模式下助力電機不工作;若轉向盤轉矩的絕對值大于1 N·m且小于10 N·m，則進入助力變化子模塊，該模式下，需根據車輛實際行駛速度，計算并輸出變占空比的脈寬調制信號，控制助力電機輸出所需的助力轉矩;若轉向盤轉矩的絕對值大于10 N·m，進入助力不變子模塊，該模式下，需根據車輛行駛速度，計算并輸出固定占空比的脈寬調制信號，控制助力電機輸出所需的助力轉矩。

當轉向盤轉角和其角速度的方向相反時，進入回正控制模塊，回正控制模塊如圖5所示。該模式下，需根據車輛的行駛工況，輸出適當占空比的脈寬調制信號，控制助力電機輸出回轉助力或回正阻力，幫助駕駛員完成回正動作;若轉向盤轉角與角速度方向相同，且車輛實際行駛速度達到或超過設定的速度閥值，進入阻尼控制模塊，阻尼控制模塊如圖6所示，該模式下，需根據方向盤輸入的轉矩方向和大小，控制助力電機輸出合適的阻力以減輕振動。

2.3模型檢查與驗證

利用Simulink Design Verifier模塊生成測試用例的仿真模型，需求文檔與模型關聯如圖7所示。其中，Inputs模塊包含轉向盤轉矩、轉角及角速度信號、車速信號等系統控制策略模型測試用例;Test Case Explanation模塊是對自動生成的測試用例的說明。共有25種測試用例仿真模型，測試用例如圖8所示;Test Unit模塊為前文所搭建的電動助力轉向系統控制策略模型。運行測試仿真模型后，得到模型的覆蓋度分析結果，模型覆蓋度如圖9所示，模型覆蓋度報告顯示，自動生成的測試用例具有較高的覆蓋度，能夠滿足模型的測試需求。

2.4代碼生成及驗證

采用Matlab中的Embedded Coder模塊，將搭建的電動助力轉向控制策略模型轉換為嵌入式C代碼，并驗證其有效性和可靠性，然后通過Configuration Parameters模塊生成SIL仿真模型，并在控制策略模型中進行仿真，原控制策略仿真模型與SIL仿真模型對比如圖10所示。由圖10可以看出，圖10b與圖10a的輸出結果相同，證明所生成的C代碼能夠有效運行，且功能與原控制模型保持一致。

3電子控制單元開發

電動助力轉向系統的電子控制單元主要由電源模塊、單片機最小系統模塊、轉向助力電機驅動模塊、信息采集模塊、信號調理模塊、CAN通訊模塊、電流檢測模塊等部分組成。

電動助力轉向系統電子控制單元以恩智浦公司32位MPC5634單片機為主控芯片，該芯片集成了96 kB的RAM，1.5 M的Flash存儲器，32個eTPU2通道，32個12 bit增強型模數轉換通道，2個eSCI模塊，2個DSPI模塊，2個FlexCAN模塊，邏輯運算和數值運算能力較強，具有浮點運算能力，最小系統的晶振頻率為8 MHz。

4實車性能試驗

4.1轉矩信號標定

通過轉矩標定試驗，將轉矩傳感器輸出的轉矩模擬量轉換為主控制器能夠識別的轉矩信號值，轉矩信號值與轉矩傳感器輸出模擬量的標定數據如表1所示。

對試驗數據進行曲線擬合，得到轉矩信號值標定曲線和車速標定曲線，轉矩信號標定曲線如圖11所示，轉矩信號值與傳感器輸出模擬量的關系為

y=0.025 4x-0.768 8? （ 4）

式中，y為轉矩模擬量;x為轉矩傳感器輸出值。

4.2速度信號標定

通過車速標定試驗將車速傳感器輸出的數字頻率信號轉換為實際車速值，實際車速與車速傳感器單位時間輸出脈沖數的標定數據如表2所示。

對試驗數據曲線擬合，得到車速信號標定曲線，車速信號標定曲線如圖12所示。車速與脈沖數的關系為

ν=0.202n+0.732 8? （5）

式中，v為車速;n為脈沖數。

4.3實車性能試驗

為了驗證所提出的電動助力轉向系統控制策略的有效性，進行實車電動助力轉向試驗，試驗車樣車如圖13所示。通過采集轉矩傳感器的轉矩信號，得到轉向盤轉矩的變化曲線，原地轉向時，有助力與無助力轉矩值比較如圖14所示。

由圖14可以看出，在車輛怠速工況下，開啟電動助力轉向系統時，轉矩傳感器的轉矩信號與關閉電動助力轉向系統時轉矩傳感器的轉矩信號相比，轉矩傳感器輸出的最大轉矩信號AD值從210降低到174，轉矩差值由助力電機提供的轉矩彌補，證明所開發的電動助力轉向系統具有較明顯的助力效果。

5結束語

本文基于模型設計方法對電動助力轉向系統功能進行層次化劃分，搭建Simulink/Stateflow控制策略模型，可以在測試過程中快速檢查錯誤，直接生成穩定的嵌入式代碼，縮短產品開發周期，提高效率;實車試驗數據顯示，開啟電動助力轉向系統后，試驗車轉向所需駕駛員提供的力矩明顯降低，證明該電動助力轉向系統可以有效為駕駛員提供實時轉向助力，驗證了所開發電動助力轉向系統控制策略的有效性。但在試驗過程中，發現電動助力系統長時間滿負荷工作會導致電機驅動模塊發熱嚴重，有待電子控制單元及其控制策略的進一步研究完善。

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Study on the Strategy of EPS System Based on Model Design

LIU Shijie1， YAN Tianyi1， JIA Zhaogong1， LU Jingeng2， LIN Jun3

（1. School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China; 2. Huahai Technologies Co.， Ltd.， Beijing 100000， China; 3. Qingdao Three-Star Precision Forging Gear Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract：In order to take into account the vehicle steering lightness and control stability， reduce fuel consumption， this paper used NXP 32-bit MPC5634 microcontroller to study the Strategy of EPS System Based on Model Design. We build the Simulink/Stateflow control strategy model， carry out structural and functional tests， generate embedded code and verify through the SIL（software in-the-loop） test. Then， we verify the effectiveness of the electric power steering system control strategy through real vehicle calibration test and steering test. The test results show that when the electric power steering system is turned on， the torque signal of the torque sensor is compared with that of the torque sensor when the electric power steering system is turned off， the maximum torque signal AD value of the torque sensor is reduced from 210 to 174， and the torque difference is compensated by the torque provided by the booster motor. It shows that the developed electric power steering system has obvious power assist effect and can meet the design requirements. This research has a good application prospect.

Key words：electric power steering; electronic control unit; control strategy; performance test

收稿日期： 2019-12-24; 修回日期： 2020-02-28

基金項目： 山東省自然科學基金面上項目（ZR2016EEM49）;國家自然科學基金資助項目（51475248）

作者簡介： 劉世杰（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向為汽車動態仿真與控制技術。

通信作者： 嚴天一（1970-），男，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為車輛系統動力學及其控制技術。 Email： yan_7012@126.com