何殿福，高偉

（萬向錢潮傳動軸有限公司EPS工廠，浙江 杭州 311215）

基于方向盤角度的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動回正控制設(shè)計

何殿福，高偉

（萬向錢潮傳動軸有限公司EPS工廠，浙江 杭州 311215）

電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，使得轉(zhuǎn)向輕便。由于電機轉(zhuǎn)子、減速機構(gòu)的摩擦阻尼，致使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能變差。針對系統(tǒng)回正不足，設(shè)計了基于方向盤角度信息查表的主動回正控制算法,進行了電控單元（ECU）軟、硬件設(shè)計。結(jié)果表明，該控制策略可使方向盤順利回到接近中點位置，不過度。

電動助力轉(zhuǎn)向；角度；主動回正

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-24-03

1、系統(tǒng)簡介及原因分析

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)未來的發(fā)展方向，是一種電動機驅(qū)動的機電一體化汽車轉(zhuǎn)向部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、節(jié)能環(huán)保以及控制精確等優(yōu)點。本系統(tǒng)為管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS），電機選用直流永磁式有刷電機?？刂粕喜捎肏橋式脈寬調(diào)制（PWM）全控橋模式，助力控制策略為扭矩-電流雙閉環(huán)PI控制。渦輪-蝸桿減速機構(gòu)減速比為16.5。

電機轉(zhuǎn)子、減速機構(gòu)的摩擦阻尼，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性能變差的主要因素。實際應(yīng)用中，管柱摩擦阻尼力矩通常為0.6～0.8N·m，由減速比可得，回正控制所需電機輸出力矩應(yīng)小于0.048N·m。由圖1左下角坐標(biāo)0點附近可見，電機工作電流小于1.5A。電機工作在小電流、低扭矩的啟動階段，電機的電流-力矩線性度極差，難于控制。

有文獻采用回正補償、回正力矩估計、試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等方法進行回正控制，對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性有一定的作用。但由于缺少角度的絕對位置信息，給回正控制帶來很大的不確定性，且算法復(fù)雜、差異大，會出現(xiàn)回正不足或過頭打手等異常，難于推廣。

本系統(tǒng)采用基于方向盤角度-角速度查表的控制策略。通過傳感器實測方向盤角度位置，計算瞬時角速度，設(shè)計不同的回正情形。通過模型計算，施加適當(dāng)?shù)幕卣刂屏?，獲得很好的回正性能。

2、方案設(shè)計

2.1 回正-阻尼控制邏輯

在轉(zhuǎn)向回正過程中，通過實時測量方向盤角度值，計算其角速度，確定回正方向。依據(jù)表一，執(zhí)行相應(yīng)控制邏輯。通過電機施加適當(dāng)控制力矩，改善系統(tǒng)回正性能。原地（車速=0）、方向盤轉(zhuǎn)動停止及助力區(qū)域（輸入扭矩＞1.2 N·m）不回正，高速行駛實施阻尼控制。

表1 回正-阻尼控制邏輯

2.2 回正算法

期望回正控制輸出PWM為弧形曲線族，如圖2所示，回正控制分為三個階段，t0段為漸入階段，t1段為調(diào)節(jié)保持階段，t2段為漸出階段?；⌒吻€為理想輸出目標(biāo)曲線，直線為實際執(zhí)行曲線。實現(xiàn)轉(zhuǎn)向力矩均勻、平順。

回正輸出采用開環(huán)脈寬調(diào)制（PWM）控制，實測最大回正輸出力矩（最大靜摩擦）時的PWM值Pmax，設(shè)定為輸出上限值。實測最小回正輸出力矩等于0.2N·m(通常人手可感知0.3N·m)時的PWM值Pmin，設(shè)定為輸出下限值。脈寬步調(diào)△Pwm=Pmax×5% 。Pmax 、Pmin 、及△Pwm需實車路試匹配。

構(gòu)建模型算法如下：

其中：

PmaxR 回正輸出PWM

V 車速信號

θ 方向盤角度

ω 方向盤角速度

T 方向盤輸入扭矩

在回正控制過程中，橫坐標(biāo)參量時間t與方向盤角度成正比，與角速度ω成反比。對t 、ω不進行控制。

2.3 阻尼控制

閉合H橋低端的2個MOS FET開關(guān)，使電機繞組短路，電機工作在發(fā)電制動狀態(tài)。方向盤在阻尼力矩作用下回到中間位置，從而避免回正過度及擺振。高速行駛增強操作穩(wěn)定性。

2.4 零點配置

首次安裝，或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)維修，方向盤角度零點變化時，需進行零點配置。將車身擺正， 用電控單元（ECU）參數(shù)配置軟件，發(fā)送零點配置指令，觸發(fā)ECU進行角度零點信息采集、校準(zhǔn)，并將零點值存儲在微控制器（MCU）的Date Flash中。存儲完成后，還需對零點值進行讀取、校驗，校驗正確后，進行零點配置成功確認(rèn)指示。

系統(tǒng)上電工作初始化時，需進行角度零點數(shù)據(jù)讀取、校驗。校驗錯誤，回正功能失效。存儲區(qū)規(guī)劃見表二。

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器工作參數(shù)見表三。

表2 方向盤角度零點存儲區(qū)規(guī)劃（第一扇區(qū)0x1000-0x10FF）

表3 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器工作參數(shù)

2.5 主動回正控制子程序流程圖，見圖3

3、試驗測試

3.1 臺架試驗

安裝在汽車轉(zhuǎn)向模擬臺上，進行低車速轉(zhuǎn)向模擬試驗，手感平順，助力控制、回正-阻尼控制邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換連續(xù)、穩(wěn)定。

在綜合性能測試臺上進行測試，曲線如圖4所示。左側(cè)為助力控制功能曲線（輸入力矩-輸出力矩[上]，輸入力矩-電機電流[下]），右側(cè)為助力控制增加主動回正控制功能曲線。曲線表明，主動回正控制工作在不助力區(qū)（輸入扭矩≤1.2 N·m），與助力曲線過度平滑、連續(xù)。

3.2 試驗車路試

該系統(tǒng)安裝在四川汽車工業(yè)股份公司的野馬YM F12試驗車上，多人次進行了綜合路況路試，主觀評價較為滿意。該車還完成了3000Km（城市路況和高速路）綜合路試。低速掉頭、轉(zhuǎn)彎，高速變道、直線行駛等，方向盤均能較好地回到近于中點（殘留角小于5°），不過度，操作穩(wěn)定。

4、結(jié)論

通過對C-EPS系統(tǒng)回正不足原因分析,采用了基于角度-角速度查表控制邏輯，平順的開環(huán) PWM 控制算法，將助力控制和回正-阻尼控制相結(jié)合, 轉(zhuǎn)向行程判斷準(zhǔn)確, 編程實現(xiàn)簡單。在不同工況下達到較好的回正效果,操作穩(wěn)定、路感清晰。

設(shè)計了電控單元（ECU）硬件和軟件， 進行了臺架試驗、試驗車路試。結(jié)果表明，此方法的回正力矩改善了車輛的回正性能，阻尼力矩阻止回正過度，高速阻尼增強操作穩(wěn)定性。

不足之處，回正左右對稱性略有差異。初步分析可能為電機啟動階段對稱性、減速機構(gòu)及方向機等部件正-反向的差異。還需進一步測試、優(yōu)化，以及左右回正控制參數(shù)獨立匹配等。

[1]徐濤等?；谵D(zhuǎn)角的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性能控制。湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009，23（1）.

[2]徐建平等。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制算法研究.汽車工程，2004，26（5）.

[3]劉晶郁等。基于轉(zhuǎn)角的商用車電動助力轉(zhuǎn)向回正控制研究。電子設(shè)計工程，2011,19 (19) .

[4]馬葳等?；谵D(zhuǎn)向盤角速度的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制。湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2010，24 (1) .

[5]王元聰 李偉光。汽車電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EPS) 控制策略研究。交通與計算機，2005，23（6）.

Design on Return to center Control of Electric Power Steering System Based on Angle of Steering wheel

He Dianfu, Gao Wei
(Wanxiang Qianchao Transmission Shaft Co., Ltd. EPS factory, Zhejiang Hangzhou 311215)

Electric Power Steering System is development from the simple Mechanical Steering System，uses electric motor to assist power for reduction in steering torque. Friction of Motor rotor and worm gear destroys the performance of returnto-center. In order to improve the performance of return-to-center，the control strategy by searching table for steering wheel aligning based on angle of steering wheel is proposed and the system’s hardware and software are designed. The experiment results show that the control strategy can make the steering wheel return to the center smoothly and mitigate the aligning overshoot.

Electric power steering；Angle；Return-to-center

U463.4

A

1671-7988(2014)10-24-03

何殿福，就職于萬向錢潮傳動軸有限公司 EPS工廠。