魏萬迎，殷國富，田大慶

WEI Wan-ying1,2, YIN Guo-fu1, TIAN Da-qing1

（1. 四川大學(xué) 制造學(xué)院，成都 610065；2. 成都大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610106）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙閉環(huán)模糊PID控制系統(tǒng)分析

Analysis on eps machitrical fuzzy dual closed-loop control system

魏萬迎1,2，殷國富1，田大慶1

WEI Wan-ying1,2, YIN Guo-fu1, TIAN Da-qing1

（1. 四川大學(xué) 制造學(xué)院，成都 610065；2. 成都大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610106）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是機(jī)電結(jié)合的控制系統(tǒng)，電流PID控制是以目標(biāo)電流和反饋電流為差值的閉環(huán)控制系統(tǒng)，模糊控制是以機(jī)械轉(zhuǎn)向軸取差值的機(jī)電閉環(huán)控制系統(tǒng)，本文以力矩反饋環(huán)為外環(huán)，電流反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。將模糊PD控制的輸出作為助力目標(biāo)值，然后進(jìn)行電流PID控制，快速跟蹤目標(biāo)力矩。 經(jīng)仿真模擬, 雙閉環(huán)模糊PID控制使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更好的跟蹤性和穩(wěn)定性。

助力轉(zhuǎn)向；電流PID控制；模糊控制；模糊PID控制；機(jī)電雙閉環(huán)

0 引言

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是目前車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用是可靠、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)車輪方向，但從實(shí)質(zhì)上講，這是由駕駛員來完成的，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要功能是使駕駛員操作更方便舒適、使轉(zhuǎn)向更加穩(wěn)定可靠。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）在助力時(shí)是一個(gè)力跟隨隨動(dòng)系統(tǒng)，由扭矩傳感器測(cè)得轉(zhuǎn)向柱扭矩，經(jīng)控制器以一定算法處理后產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)H橋驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓U到電機(jī)電樞上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩。目前控制器實(shí)際使用的控制算法以電流PID(PD) 控制和模糊控制較為普遍，前一種是電機(jī)電樞電流反饋形成電流差值PID控制，后一種是通過轉(zhuǎn)向柱角度的機(jī)械反饋形成角度差值（反映為扭矩）控制，后者通常采用模糊控制，或模糊自適應(yīng)PID控制。為提高控制性能，本文在不增加硬件的條件下，將兩者結(jié)合，形成模糊PID機(jī)電雙閉環(huán)控制策略來提升控制效果。經(jīng)仿真，模糊PID雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的跟隨能力得到增強(qiáng)。

1 EPS建模系統(tǒng)

把汽車前輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)向轉(zhuǎn)向軸簡(jiǎn)化,得到簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型如圖1 所示。汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件包括:扭矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電子控制單元(Elec- tric Control Unit ,簡(jiǎn)稱ECU) 、直流電動(dòng)機(jī)和帶離合器的減速機(jī)構(gòu)。扭矩傳感器檢測(cè)到的扭矩信號(hào)、車速傳感器檢測(cè)到的車速信號(hào)和電流傳感器檢測(cè)的電機(jī)電樞電流信號(hào)送入ECU，根據(jù)車速信號(hào)和扭矩信號(hào)決定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流的大??；反饋的電機(jī)電樞電流經(jīng)PID電流控制跟蹤目標(biāo)電流，決定電機(jī)助力矩, 以保證汽車在低速行駛時(shí)輕便靈活, 高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型示意圖

2 轉(zhuǎn)向柱受力形成扭矩Ts

研究的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 駕駛員手力Tsw通過轉(zhuǎn)向盤施加到轉(zhuǎn)向柱的上部；電機(jī)助力Tm經(jīng)減速裝置

加到轉(zhuǎn)向柱的下部，旋轉(zhuǎn)方向與Tsw

相同；路面阻力TR 由傳動(dòng)結(jié)構(gòu)作用于轉(zhuǎn)向

柱的下部，旋轉(zhuǎn)方向與Tsw相反；轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器反映了轉(zhuǎn)向柱的形變，轉(zhuǎn)向柱上、下部的作用力矩差值決定轉(zhuǎn)向柱的形變角Δ，扭矩Ts由角度Δ決定。

當(dāng)Tsw增大，Δ增大，Ts增大；

當(dāng)Tm增大，Δ減小，Ts減??；

當(dāng)TR增大，Δ增大，Ts增大；

即：在轉(zhuǎn)向柱上，

Ts = Tsw + TR－Tm = Tsw－(Tm－TR)

或：Tsw = Ts + (Tm－TR)

3 控制策略分析

通常采用的控制策略有兩種方法，一種是機(jī)電閉環(huán)反饋模糊控制，由機(jī)械部件轉(zhuǎn)向軸反映出上下部力矩差值，由Ts表示，在ECU中，作PD運(yùn)算后，輸出電機(jī)控制電壓：

Ud = KpTs + Kd dTs/dt

圖2 模糊控制示意圖

模糊控制器我們采用常見的二維結(jié)構(gòu)，以誤差和誤差的變化率為輸入，以控制量的目標(biāo)值為輸出。模糊控制器為Mamdani型，去模糊化采用重心法。定義E、Ec、U模糊量的模糊子集均為{NB,NM, NS,ZO, PS, PM, PB }，分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大，E和Ec的論域均為[- 6, 6], U的論域?yàn)閇0, 12]。

另一種是電流閉環(huán)PID反饋控制，根據(jù)車速信號(hào)和扭矩信號(hào)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到助力特性曲線，由此決定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流I的大小，再從電流傳感器檢測(cè)出電機(jī)電樞電流Im，在ECU中，算出電流差值，經(jīng)PID運(yùn)算，輸出電機(jī)電壓控制信號(hào):

Ud = Kp（Ia－Im） + Kd d（Ia－Im）/dt

電流閉環(huán)PID反饋控制能夠加快對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的跟隨能力。

圖3 電流PID控制示意圖

將機(jī)電反饋模糊閉環(huán)控制作為外環(huán)，電流PID反饋控制作為內(nèi)環(huán)，可以組成雙閉環(huán)PID反饋控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)將轉(zhuǎn)向軸扭矩信號(hào)經(jīng)模糊算法處理確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流I（決定電機(jī)助力力矩），可以解決EPS系統(tǒng)的非線性時(shí)變不確定性問題；后者時(shí)間常數(shù)小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能快速縮小電機(jī)電樞反饋電流和目標(biāo)電流的差值，故能提高系統(tǒng)的力跟隨性能。

I = KP1Ts + Kd1 dTs/dt

Ud = Kp（I－Im）+ Kd d（I－Im）/dt

圖4 雙閉環(huán)PID控制示意圖

與一般電機(jī)的位移、電流雙閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)不同，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角位移反饋是由機(jī)械部件傳遞，由轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器將其角位移差值反映為扭矩電信號(hào)，送到控制器進(jìn)行處理。

4 仿真結(jié)果與分析

采用上述的電流PID控制、模糊PD控制和模糊PID閉環(huán)控制三種控制策略，對(duì)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在Matlab軟件下進(jìn)行仿真計(jì)算分析。仿真計(jì)算時(shí), 其相關(guān)的參數(shù)如下：Ra=0.167Ω，La=0.00015H，Kv=0.057V /rad·s-1，Kt=0.04N·m /A， Jp=0.00018 kg·m，Bp=0.003 399N·m·s/ rad ；

圖5 三種控制策略階躍響應(yīng)比較

從圖5可見，電流PID控制的調(diào)整時(shí)間約為0.3s，超調(diào)量為20%；模糊控制的調(diào)整時(shí)間約為0.12s，超調(diào)量為7%。機(jī)電雙閉環(huán)PID控制的調(diào)整時(shí)間約為0.06s，超調(diào)量為接近于0。模糊PD控制優(yōu)于電流PID控制，模糊PID雙閉環(huán)控制又優(yōu)于模糊控制，反映系統(tǒng)有良好的跟隨性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文提出了將力矩反饋和電機(jī)電樞電流反饋兩者結(jié)合的機(jī)電雙閉環(huán)PID控制策略。仿真計(jì)算的結(jié)果表明，所提出的機(jī)電雙閉環(huán)PID控制策略優(yōu)于常用的兩種控制策略，具有更好控制效果和較好的魯棒性，抗干擾能力也有明顯的提高。

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TP273

A

1009-0134(2010)12(上)-0041-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).14

2010-07-20

四川省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目基金資助（03GG0082001）

魏萬迎（1955 -），男，教授，博士，主要從事工業(yè)自動(dòng)化及機(jī)電控制的研究工作。