汽車電動助力轉向系統助力特性分析及仿真研究

于發加

（青島港灣職業技術學院，山東 青島 266404）

前言

汽車在低速時駕駛汽車進行轉向時，對外輸出功率較大，這樣一來駕駛者就不能長時間駕駛。而汽車作為一個代步工具，自然是越省力越好，為了解決此類問題，助力轉向系統應運而生。傳統的轉向系統無法使轉向輕便性和路感都處在一個足夠好的狀態，而EPS 可以做到這一點。EPS 由電動機為其提供助力，比之前的轉向系統的操作更為簡單，對電動機的電流進行一定控制，就能傳遞助力通過改變助力電流來滿足不同車型的需要。

1 模糊控制概述

模糊控制是基于專家知識或操作經驗，采用語言規則表示的一種人工智能控制策略。模糊控制可以按照經驗或者試驗數據制定控制規則來控制受控對象[1]。

模糊邏輯的基礎是“經驗值”，相對于其他控制方法，模糊控制方法比較成熟可以充分利用專家知識，且此技術與汽車電子控制技術融合度較高，不需要改變汽車電子控制技術的程序代碼，而只需要在此基礎上進行程序的設計和匹配即可。

2 模糊控制器的設計

設計的模糊控制器分別有兩個輸入端以及一個輸出端。輸入為轉向盤轉矩Ts以及車速V，輸出則是目標電流Icmd。

圖1 為模糊控制器原理圖，在模糊控制器中輸入兩個參數分別是車速和轉矩，通過運算最終得到目標電流。

圖1 模糊控制器原理圖

通常的模糊控制由模糊化接口、知識庫、推理機制和模糊判決（即反模糊化）等部分組成。

在進行模糊控制過程中，首先建立推理規則庫，主要有推理管理體系和推理經驗值兩部分組成即經驗集合加規則集合，這兩部分并不是直接輸入到相應的單片機中，而是需要進行一定的處理和運算形成模糊控制的數據庫與規則庫，并以數列的形式供ECU 查詢和使用。其次是輸入參數即方向盤的轉矩Ts和車速V。然后根據輸入的參數值與ECU 中的數據庫進行對比分析，將精確的輸入值轉化成模糊的控制策略[2]。最后輸出控制電動助力電機精確的目標電流。

2.1 MATALB-FuzzyLogic 模塊介紹

FuzzyLogic 是MATALB 仿真軟件在中的一個模塊，它主要的功能是進行控制策略的仿真模擬，主要是模糊控制這一部分。首先在FuzzyLogic 中定義仿真需要的輸入/輸出量，然后輸入需要的輸入量值，調取或者建立相關的控制規則，然后進行仿真分析得到精確的輸出量和相關曲線[3]。仿真過程中通過改變輸入量的值進行曲線和輸出量值得變化分析，已得到需要的結果。電動助力轉向系統控制策略的研究主要涉及到兩個變量，分別是轉向盤力矩輸入和車速輸入，對以上兩個變量分析仿真可以得到助力電機的助力電流。

2.2 各參量的定義及模糊化

模糊控制器的參量主要包括轉向盤輸入轉矩Ts與車速V，以及目標電流Icmd。其中轉矩Ts與車速V是輸入量，目標電流Icmd是輸出量。

（1）轉矩Ts：設定轉向盤輸入力矩，對于微型汽車，參照對應資料，取Td0=1 Nm。為了降低駕駛者的疲勞程度，參照對應資料，初步取Tdmax=10 Nm。在此條件下，助力電機在汽車整個行駛狀態下為其提供助力轉矩。根據上述對轉矩的取值，轉矩Ts的模糊論域為[1，10]，單位為N·m。

（2）車速V：按照我國正常車速0～120 km/h 的要求，設置其模糊論域為[0，120]，單位是km/h，設計其語言值為{ZERO（零），VSLOW（很慢），SLOW（慢），MEDIUM（中等），FAST（快），QFAST（相當快），VFAST（很快）。

（3）目標電流Icmd：汽車轉向電動助力系統所使用的助力電機一般的額定電流是小于等30 A，所以設置其模糊論域為[0，28]，單位是A，設計其語言值為{ZERO（零），VSMALL（很?。琒MALL（?。琈EDIUM（中等），BIG（大），QBIG（相當大），VBIG（很大）。

模糊化控制其輸入是一系列的精確值，而經過計算后輸出的是模糊值，模糊化的作用是確定隸屬度函數，即輸入變量和輸出變量的隸屬度關系，通過輸入變量的語言輸入后，經過函數運算得到模糊的輸出變量[4]。具體來說就是在隸屬度函數圖中已知輸入變量X 值，求出輸出變量Y 值。

2.3 建立模糊推理規則

模糊控制規則是模糊推理的依據。因為EPS 對助力特性曲線有很多要求加上駕駛者在行駛過程中的一些操作經驗，得到7*7=49 條控制規則。這些規則對于雙輸入（轉向盤輸入轉矩Ts與車速V）單輸出（助力電流Icmd）的模糊控制器[5]，主要用到如下形式：

對以上程序語言進行分析，如果方向盤的力矩輸入很大，車速輸入值也很快，則對助力電機輸出的目標電流就很小。根據以上程序片段的編寫邏輯對其他情況依次進行程序的編寫，最終形成一個完整的程序輸入到控制器，當輸入力矩與車速發生變化時，輸出的目標電流也會根據確定的規則進行變化，從而確定精確的目標電流值[6]。

3 助力特性圖及仿真分析

將編寫完成的仿真程序及不同的力矩Ts、車速V輸入到MATALB-FuzzyLogic 模塊中進行仿真分析，如圖2 所示。

圖2 EPS 系統助力特性圖

經過仿真分析得到電動助力轉向系統的助力曲線，下面來分析轉矩Ts、車速V對助力電流的Icmd影響。分兩種情況，其一是輸入的車速V不變的情況下，力矩Ts對電機目標電流Icmd的影響變化；一種是力矩Ts不變的情況下，車速V電機目標電流Icmd的影響變化。

首先分析輸入的力矩Ts不變的情況下，車速V對電機目標電流Icmd的影響變化，如圖3 所示。

圖3 不同V 下的Ts與Icmd的關系曲線圖

然后分析輸入的車速V不變的情況下，力矩Ts對電機目標電流Icmd的影響變化，如圖4 所示。

圖4 固定Ts下的Icmd與V 對應關系曲線圖

由圖3 和圖4 得知，目標電流Icmd與轉矩Ts和車速V的對應關系曲線有以下特點：

（1）當車速V固定不變時，目標電流Icmd變大時輸入轉矩Ts也同時變大。

（2）進行低速運行時，為了保證低速行駛時的轉向輕便，所以要給其一個很大的助力電流Icmd。當車速不斷地增加，助力電流Icmd就會慢慢減小，助力也會慢慢減小。

（3）當方向盤輸入力矩較小時如圖4（a）、4（b）所示，車速越低輸出的助力電流越大，方向盤操縱輕便，車速越高輸出的助力電流越小，使車輛保持較好的路感。

（4）當方向盤輸入力矩較大時如圖4（c）、4（d）所示，車速越低輸出的助力電流越大，方向盤操縱輕便，車速越高輸出的助力電流越小，使車輛保持較好的路感；總的來說轉向盤輸入力矩較大而車速較低，助力電流大，轉向盤輸入力矩較小而車速較高，助力電流小。

（5）當輸入轉矩Ts不斷增加時，提供助力電流Icmd也會不斷增加，使助力轉向效果達到最好。

通過對以上參數進行仿真和分析得出，通過模糊控制器進行助力轉向控制得到的助力轉向特性曲線與汽車助力轉向本身的特性曲線基本一致，所以模糊控制方法對于助力控制是合理的。而且模糊控制策略下的助力控制策略可以得到助力電機的目標電流值，在此基礎上，隨著汽車行駛，車速和轉向盤輸入力矩的大小輸入到ECU 中進行助力模糊控制，控制過程中只需要改變轉向盤輸入力矩、車速和助力電流的數值，既可以得到每時每刻與EPS 相匹配的助力特性。

4 結論

電動助力轉向系統可以有效改善車輛轉向操縱穩定性，越來越多的車輛開始使用電動助力轉向系統EPS。本文對EPS 助力特性進行分析，并采用模糊控制對分析的結果利用模糊控制器，在Fuzzy Logic 軟件上仿真，得到了車速V、方向盤輸入轉矩Ts與目標電流Icmd三者的關系曲線，通過曲線可以得出模糊控制的控制策略可以滿足EPS在實際應用中在轉向方面中對轉向助力的需求。