電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略及其仿真研究

胡遠(yuǎn)想

摘 要：我國在研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的起步時間較晚，但是隨著我國這幾年綜合國力的不斷提升，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能也有了大幅度的改善，但是目前我國制造的汽車在路試以及客戶體驗(yàn)的過程中，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍存在許多不足之處，這些問題的存在對汽車乘坐人的生命財產(chǎn)安全都產(chǎn)生了一定的威脅。基于此，制定出針對性的優(yōu)化改善措施，對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)建結(jié)構(gòu)以及工作原理進(jìn)行了深入研究分析后，將復(fù)合控制策略的優(yōu)點(diǎn)充分結(jié)合在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用過程中，有效保障了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠帶給客戶更佳的使用體驗(yàn)，保障復(fù)合控制策略準(zhǔn)確性的同時，滿足電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱性能要求，有效解決低速時輕便性不夠和高速時轉(zhuǎn)向路感不強(qiáng)的問題，滿足了人們對于生活質(zhì)量和生活品質(zhì)的追求。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);控制策略;仿真研究

我國科技水平在高速發(fā)展的同時也帶動了現(xiàn)代電子控制技術(shù)和汽車工業(yè)的發(fā)展，但是環(huán)境污染、能源損耗等問題也逐漸加劇，隨著人們對于生活品質(zhì)和生活質(zhì)量的追求，傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供能方式已經(jīng)被電能所替代，與時代發(fā)展中的環(huán)保、節(jié)能、安全三大主題所符合，更符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提出的要求。目前，我國研發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)成為了高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的一部分，這在一定程度上為我國電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)以及物質(zhì)條件，為了實(shí)現(xiàn)汽行駛轉(zhuǎn)向的便捷性以及保障汽車乘坐人的生命安全和財產(chǎn)安全，需要對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制研究，通過設(shè)定的控制策略和控制算法控制電機(jī)提供合適的助力矩[1]。

1 EPS研究現(xiàn)狀分析

雖然我國在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的起步較晚，但是幾年我國科技水平的不斷提升，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步飛快，較多企業(yè)和高校實(shí)施強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究上也獲取了較好地效果。EPS系統(tǒng)對于我國汽車企業(yè)的發(fā)展具有重要意義，因此為了增強(qiáng)我國汽車行業(yè)的競爭力，需要加大對EPS系統(tǒng)的研發(fā)程度。雖然我國之前對于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略有一定的研究，但是以往的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究的主要內(nèi)容是電機(jī)的力矩控制。這些電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略不能全面考慮系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此，可使用性并不強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱性能要求，本文主要是針對EPS電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低速時轉(zhuǎn)向輕便性不夠和高速時轉(zhuǎn)向路感不強(qiáng)的特點(diǎn)，提出一種復(fù)合控制策略[2]。

2 EPS系統(tǒng)復(fù)合控制器設(shè)計

2.1 電流環(huán)控制

運(yùn)用電流環(huán)控制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較為嚴(yán)格的要求，其中首要要求就是電機(jī)產(chǎn)生助力作用，而且電機(jī)產(chǎn)生的助力作用不僅要迅速、靈敏，還要與駕駛員的輸入相匹配。因此這就對電流控制器提出了較為嚴(yán)格的要求，助力作用的靈敏、迅速主要與電流控制器有關(guān)，助力電機(jī)控制方式的好壞是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的決定因素。電流控制器的主要作用是用來控制助力電機(jī)的工作電流以及響應(yīng)目標(biāo)電流的信號的作用，電流控制器也能對電動機(jī)的工作電流的速度以及準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用，確定完目標(biāo)電流以后，能夠使電動機(jī)的工作電流更加準(zhǔn)確的追蹤以及響應(yīng)目標(biāo)電流。因此，在設(shè)計過程中選擇一個合格的電流控制器能夠起到有效控制工作電流的作用，對助力電機(jī)持續(xù)輸出相對應(yīng)的助力扭矩起到基礎(chǔ)的保障作用。

PID電流控制器具有簡單操作、可靠等特性，為編程提供了基礎(chǔ)，目前，在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中都是采用PID進(jìn)行電流環(huán)節(jié)的控制，因此，在開展設(shè)計電流控制器的過程中也是采用PID控制方法。為了實(shí)現(xiàn)被控對象的有效控制，PID控制器通過對控制誤差的比例、積分、微分這幾個控制量進(jìn)行控制。

2.2 助力控制

汽車助力控制電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目標(biāo)電流主要組成部分是由基礎(chǔ)目標(biāo)電流、慣性補(bǔ)償電流以及阻尼補(bǔ)償電流有效結(jié)合相構(gòu)成的，基礎(chǔ)目標(biāo)在控制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時不考慮方向盤的轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)矩的動態(tài)特性。目標(biāo)電流值主要是通過助力特性而得出的電流值數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩傳感器信號以及車速信號提供相應(yīng)輔助作用。設(shè)計過程中為了有效改善EPS系統(tǒng)對動態(tài)特性進(jìn)行控制時，在設(shè)計制造過程中加入了慣性補(bǔ)償電流以及阻尼補(bǔ)償電流，對助力控制提供了一定的幫助作用。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

隨著我國制造行業(yè)發(fā)展迅速的過程中，我國汽車制造業(yè)為了能夠更好的滿足人們對汽車發(fā)展的要求，車企在設(shè)計過程中將汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的合理空間分布以及汽車前軸負(fù)荷量為主要考慮因素。現(xiàn)階段的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大部分采用的都是軸助力設(shè)計模式，設(shè)計過程中將直流永磁電機(jī)來做為助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的助力電機(jī)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的減速機(jī)構(gòu)采用的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)組合的方式進(jìn)行設(shè)計，使直流永磁電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)兩者進(jìn)行有效結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計制造過程。如圖1：

有效結(jié)合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在仿真環(huán)節(jié)研究主要是分為傳感器模型、轉(zhuǎn)向輸入軸模型、電機(jī)和轉(zhuǎn)向輸出軸模型、阻力矩模型、電機(jī)模型和電流控制器模型，助力控制系統(tǒng)Simulink模型圖，模型中轉(zhuǎn)矩信號Td采用階躍輸入，其值為3.6N·m，整定后的PID參數(shù)分別為KP=1.69，KI=30，KD=0.0035，系統(tǒng)增益為0.0175，此時系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)σP=1.94%。

4 結(jié)束語

目前我國人們的主要交通方式還是以汽車為主，汽車的穩(wěn)定運(yùn)行對乘坐人的生命安全和財產(chǎn)安全具有重要的意義，因此，應(yīng)該全面減少影響汽車穩(wěn)定運(yùn)營的因素，有效提升電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操作性能要求，針對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，合理調(diào)節(jié)和控制運(yùn)動狀態(tài)，提升電機(jī)助力的準(zhǔn)確度，有效保持汽車在行駛過程中的操縱穩(wěn)定性。本次研究的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略充分結(jié)合了實(shí)際情況，為提升乘坐人的生命安全打下強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]方暉.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障原因分析與優(yōu)化設(shè)計[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（09）：123.

[2]夏金軍.基于直流電機(jī)的乘用車電動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].江蘇大學(xué)，2019.