摘 要：分析了采用模糊控制方法獲得EPS系統(tǒng)目標助力電流的可行性，設計了以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的信號和車速傳感器的信號為輸入，以目標助力電流為輸出的模糊控制器，通過仿真及結(jié)果分析驗證了這種方法的可行性。

關鍵詞：模糊控制 電流決策

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（c）-0003-02

在EPS系統(tǒng)中助力電動機輸出的助力電流值是根據(jù)助力的特性曲線來確定的，因此助力特性曲線決定了EPS系統(tǒng)的性能。常用的助力特性曲線有直線型，折線型和曲線型，在設計是根據(jù)不同的設計要求選用不同的助力特性曲線類型[1]。本文介紹采用模糊控制方法獲得目標助力電流。

1 采用模糊控制的可行性

車輛的速度直接影響了操縱轉(zhuǎn)向盤上力的大小。根據(jù)經(jīng)驗顯示，車速越快，操縱轉(zhuǎn)向盤所需的轉(zhuǎn)向力就越小。因此設計的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就需要依照車速的變化而不斷地調(diào)整助力系統(tǒng)的模式。但是想要為車速提供一個精確的助力模式卻又是不現(xiàn)實的，因為通常的電動助力控制系統(tǒng)是采用單片機的控制系統(tǒng)，大量的數(shù)據(jù)處理顯然是不合情理的[1]。此外，車速高低是由駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗和習慣來進行判斷的，而駕駛?cè)藛T也只是大概對車速的敏感度存在一個區(qū)間和范圍。因此，對車輛速度精確的劃分也是不必要的。

再者，因為EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是隨動系統(tǒng)[2]，而其提供輔助力的大小是依據(jù)駕駛員對轉(zhuǎn)向盤上操縱力矩的大小來確定的，但施加在轉(zhuǎn)向盤上的操縱力矩也和駕駛員自身的經(jīng)驗是密不可分的，并且考慮到轉(zhuǎn)向軸扭桿自身物理特性的影響，所以對轉(zhuǎn)矩進行的精確定量處理就不必要了。

同時，應用模糊控制實現(xiàn)也比較容易，實時性也很好[4]。這樣不僅能夠使所設計的系統(tǒng)更能夠清晰地體現(xiàn)出系統(tǒng)在實際應用中的具體情形，還能夠在很大程度上減輕處理器的負荷。

2 助力電流模糊控制器的建立

我們確定模糊控制器的輸入量分別為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的信號Td和車速傳感器的信號V，輸出量是電動機的助力電流I。形成一個雙輸入—單輸出的模糊控制器。

EPS系統(tǒng)助力電流模糊控制器的建立過程如以下幾點。

2.1 輸入、輸出變量的模糊化

根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，本論文中的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設定開始助力的方向盤輸入力矩為1 Nm，即當方向盤的輸入扭矩小于這個值時，EPS是不進行助力的。設定10 Nm作為助力電流上升的閥值，即方向盤輸入力矩大于此閥值后電機電流保持最大值，且電動機在整個車速范圍內(nèi)提供助力。在助力電流決策的模糊控制系統(tǒng)中，輸出變量為電動機的助力電流I?？稍OTd的論域為[1，10]，單位Nm，V的論域為[0，120]，單位km/h。設I的論域為[0，28]，單位A。對各個輸入變量和輸出變量用自然語言進行模糊化，設定變量模糊語言值。

轉(zhuǎn)矩Td的模糊語言論域為：{PB（很大），PM（大），PS（較大），ZE（適中），NS（較?。琋M（?。?，NB（很小）}；車速V的模糊語言論域為：{PB（很快），PM（快），PS（較快），ZE（適中），NS（較慢），NM（慢），NB（很慢）}；電流I的模糊語言論域為：{PB（很大），PM（大），PS（較大），ZE（適中），NS（較?。琋M（?。琋B（很?。﹠。

2.2 輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)的確定

隸屬度函數(shù)應該是連續(xù)的對稱的，常用的基本隸屬度函數(shù)有：三角形、梯形、鐘形、高斯型和Sigmoid型。隸屬度函數(shù)的形狀對整個控制系統(tǒng)控制效果的影響較小，為了達到設計簡便及實時計算的要求，轉(zhuǎn)矩Td和車速V各語言值的隸屬度函數(shù)均采用梯形隸屬函數(shù)。如圖1～3所示。

2.3 模糊規(guī)則及模糊推理的制定

模糊規(guī)則的制定是模糊控制器的核心，是模糊推理的依據(jù)。本系統(tǒng)中，根據(jù)EPS系統(tǒng)對助力特性曲線的要求以及駕駛員的經(jīng)驗，得出49條控制規(guī)則，采用以下表述形式：

If Td =PB and V =ZE then I =PB

上述規(guī)則的意義是：如果轉(zhuǎn)向盤輸入力矩Td很大但此時車速V很小，則此時電動機的輸出助力電流I應取一個很大的值。將得到的類似形式全部49條控制規(guī)則制成一個表，反映轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩Td、車速V及助力電流I三者關系的模糊規(guī)則表，如表1所示。本研究中采用Mandani直接推理法。

2.4 反模糊化

反模糊化有多種方法，常用的有最大隸屬度函數(shù)法、取中位數(shù)法及加權平均法（或重心法）。本系統(tǒng)反模糊化采用加權平均法（重心法）。這樣，整個模糊控制器的設計就完成了。如圖4所示。

3 仿真結(jié)果分析

通過對助力電流的模糊控制器參數(shù)的調(diào)整，如調(diào)整隸屬度函數(shù)或改變模糊規(guī)則等，可以得到EPS系統(tǒng)助力特性曲線，如圖4所示。三維助力特性曲線能夠直觀地反映任意車速與任意轉(zhuǎn)向盤力矩輸入下的助力目標電流的值。

通過分析EPS助力特性曲線三維圖，可得根據(jù)不同的車速以及不同的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩獲得相對應的EPS系統(tǒng)助力電流關系，如圖5、6所示。

綜合分析圖5和圖6，研究不同轉(zhuǎn)向盤輸入力矩和不同車速與助力目標電流的對應關系。

（1）從圖5我們可以看出：任意車速下，目標助力電流會隨著轉(zhuǎn)向盤輸入扭矩的提高而增大，直到達到目標電流的閥值，使駕駛員獲得良好的轉(zhuǎn)向助力，提高了轉(zhuǎn)向輕便性和駕駛舒適性；車速越高，電機開始提高助力所需要的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩就越大，即使車速為零，同樣需要轉(zhuǎn)向盤輸入力矩達到一定值，才產(chǎn)生助力電流，開始提供助力，這是為了防止助力過于靈敏，使駕駛員通過方向盤獲得一定的路感，提高駕駛的安全性。

（2）從圖6我們可以看出：在扭矩一定的情況下，目標助力電流會隨著車速的提高而減小，既助力值隨車速提高而減小，這是為了使駕駛員在車輛高速行駛時保持良好路感，防止誤操作引發(fā)車輛側(cè)傾的危險；車速越低，需要的目標助力電流值越大，使低速轉(zhuǎn)向更加輕便。

4 結(jié)論

通過上述分析表明，研究設計的助力電流模糊決策控制基本達到了EPS系統(tǒng)對助力特性曲線的要求，具有一定的可行性。同時文章設計的助力電流模糊決策控制具有一定靈活性，通過對各個輸入量、輸出量相應論域、模糊推理規(guī)則及隸屬度函數(shù)的修改，可以使控制器匹配不同的EPS系統(tǒng)。

參考文獻

[1]王雄波.基于模糊控制的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].湖南大學碩士學位論文，2008.

[2]盧娟.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真研究[D].重慶大學碩士論文，2006.

[3]Ji Hoon Kim，Jae Bok Song.Control logic for electric Power steering system using assistmotor[J].Mechatronies，2002，12（3）：447-459.

[4]石新民，郝正清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2008，2：7-9，93-95.