袁 森，柳 飛，張 宏

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025; 2.中石油西南管道公司蘭州輸測氣分公司，甘肅 蘭州 730000)

汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模糊控制研究*

袁 森1，柳 飛1，張 宏2

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025; 2.中石油西南管道公司蘭州輸測氣分公司，甘肅 蘭州 730000)

汽車電動助力轉(zhuǎn)向是當(dāng)前汽車安全性和舒適性等方面研究的重點(diǎn)。通過對汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的分析和改造，設(shè)計(jì)了基于小型貨車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出了模糊PID控制算法，有效地滿足了模糊判斷和反饋控制的需求。采用MATLAB進(jìn)行模型仿真，得到了較好結(jié)果，證明算法有效地改善了轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩輸出曲線，為轉(zhuǎn)向過程的靈活性和實(shí)時(shí)性提供了保障。

電動助力轉(zhuǎn)向; MC9SXS128; 模糊控制; PID控制

Abstract: Electric power steering (EPS) is the key topic of safety and comfort in automobile industry. Based on analysis of steering mechanism and structure of car, one solution of electric power steering system is designed. One algorithm of fuzzy- PID is given in this paper, which can fit the command of fuzzy control and feedback, the good result is got by MATLAB. it is proved that the algorithm can improve the torque output curve of steering wheel，which provides protection for flexibility and real time in steering.

Key words: EPS; MC9SXS128; fuzzy control; PID control

0 引 言

電動助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering，簡稱EPS)是現(xiàn)代汽車助力轉(zhuǎn)向的主要研究方向。EPS通過對助力電機(jī)的驅(qū)動控制，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向助力大小的調(diào)節(jié)，滿足策略化控制的要求，能夠有效地滿足現(xiàn)代汽車對綠色，安全和可控性等多方面的要求，是助力轉(zhuǎn)向的未來發(fā)展方向[1]。

EPS系統(tǒng)對電動機(jī)的控制主要是依靠電機(jī)控制單元實(shí)現(xiàn)，其核心是具有強(qiáng)大計(jì)算和控制功能的MC9SXS128微控制芯片。MC9SXS128芯片具有體積小巧，體系架構(gòu)緊湊，在低功耗、低成本、易用性、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到保證，且具有功能強(qiáng)大的功能指令，有效地滿足EPS控制的多重需要。

筆者以Freescale 16位單片機(jī)MC9SXS128為核心構(gòu)建EPS控制單元，通過數(shù)據(jù)接口卡傳遞控制命令，并將輸出結(jié)果實(shí)時(shí)采集后發(fā)送到后臺展示，和生成統(tǒng)計(jì)報(bào)文。

1 EPS的組成及其工作原理

EPS根據(jù)控制需要，主要包括四部分：傳感器組件，電機(jī)控制單元ECU，電動機(jī)，和傳動控制組件。其中，傳感器組件對汽車轉(zhuǎn)角，車速，和電機(jī)功率等多樣信息進(jìn)行感知，主要包括扭矩傳感器，車速傳感器，和電機(jī)電流傳感器等；傳動控制組件實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向動力的傳遞和隔斷，包括減速裝置，傳動裝置和離合裝置等[2-3]。EPS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPS系統(tǒng)原理圖

EPS系統(tǒng)啟動后，傳感器組件感知當(dāng)前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作狀態(tài)。車速傳感器感知當(dāng)前汽車行駛速度，轉(zhuǎn)矩傳感器感知到駕駛員施加在方向盤上的轉(zhuǎn)動力矩，電流傳感器感知當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行功率。通過接口卡單元，各個(gè)傳感器的感知信息反饋給電機(jī)控制單元ECU。ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略，給出電機(jī)運(yùn)行的參考電流，經(jīng)過ECU上的電機(jī)控制芯片，給予電機(jī)相應(yīng)大小的電流，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)功率的控制。電機(jī)根據(jù)運(yùn)行電流的大小發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動扭矩，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)的放大效應(yīng)，和傳動裝置的動力傳遞，將助力轉(zhuǎn)向的力矩加載到轉(zhuǎn)向輪上，最終與駕駛員的轉(zhuǎn)向力形成合力，驅(qū)動汽車轉(zhuǎn)向[4]。

2 ECU的單片機(jī)選型

MC9SXS128MA是飛思卡爾推出的16位芯片，屬于S12X家族。芯片包括大量的片上存儲器和外部IO。其中，片內(nèi)存儲器包括128KB程序FLASH，8 KB內(nèi)存RAM，和8 KB數(shù)據(jù)FLASH。同時(shí)，該芯片還包括2個(gè)異步通信接口SCI，一個(gè)串行外設(shè)接口SPI，一個(gè)8通道定時(shí)模塊TIM，16通道12位數(shù)模轉(zhuǎn)換單元ADC，以及1個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊PWM。此外，MC9SXS128MA具有91個(gè)IO端口，其中部分具備終端和喚醒功能，且擁有1個(gè)CAN 2.0 A/B標(biāo)準(zhǔn)兼容模塊[5]。

與高性能的XE系列的芯片相比，包括MC9SXS128MA在內(nèi)的XS系列芯片具備更好的性價(jià)比，也同樣具備一系列與汽車控制相關(guān)的片上外圍設(shè)備、存儲模塊，可以快速地用于各種汽車控制系統(tǒng)。

3 ECU模塊設(shè)計(jì)

3.1 控制模型

ECU的控制原理如圖2所示。ECU控制模塊主要包括六個(gè)部分：主控單片機(jī)MC9SXS128MA；傳感器；電機(jī)驅(qū)動；轉(zhuǎn)向動力傳動；上位機(jī)通信；電源供給。

圖2 EPS控制原理圖

工作流程如下：單片機(jī)MC9SXS128MA得到+5 V的電平進(jìn)入工作狀態(tài)，通過扭矩傳感器、車速傳感器和電機(jī)電流傳感器獲得所需參考信息，包括方向盤轉(zhuǎn)矩，實(shí)時(shí)車速，和電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩等。根據(jù)傳感器感知的數(shù)據(jù)，MC9SXS128MA查詢內(nèi)嵌的轉(zhuǎn)向控制邏輯，給出參考電機(jī)電流大小，驅(qū)動電機(jī)給出需要的轉(zhuǎn)向助力，并通過傳動組件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動力的傳輸。其中，驅(qū)動組件中的驅(qū)動電路和H橋電機(jī)控制電路的運(yùn)行電壓是12 V，電機(jī)運(yùn)行所需的電流通過驅(qū)動電路產(chǎn)生的PWM波控制繼電器提供。所有電源供給都來自24 V的汽車電瓶。ECU控制模塊的信號輸出包括兩個(gè)部分，其一是將當(dāng)前的組件狀態(tài)信號發(fā)送給位于駕駛室的顯示裝置，供駕駛員參考；其二是通過串口線路，將信息傳遞給車輛的主控單片機(jī)，由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，智能控制，以及車聯(lián)網(wǎng)的管理等[6]。

考慮到安全原因，助力控制組件提供了手動控制接口。當(dāng)助力過程出現(xiàn)異常，如單片機(jī)異常工作，電機(jī)燒毀或工作不穩(wěn)定，系統(tǒng)掉電，傳感器失效等，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)問題的性質(zhì)，將錯(cuò)誤代碼發(fā)送給駕駛室的顯示單元，由駕駛員選擇操作模式。駕駛員可以根據(jù)需要啟用助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的離合器，切斷助力電機(jī)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的連接，進(jìn)入手動轉(zhuǎn)向駕駛模式[7]。

3.2 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

EPS系統(tǒng)的動力來源來自直流電機(jī)。由于電機(jī)的輸出功率、精度和實(shí)時(shí)性直接對于著車輛的安全性，所以電機(jī)驅(qū)動電路需要具有較高的可調(diào)性和穩(wěn)定性[8]。

這里采用常見的H橋電機(jī)驅(qū)動電路，驅(qū)動脈沖來自于單片機(jī)的脈寬調(diào)制信號(PWM)，如圖3所示。

圖3 H橋電機(jī)驅(qū)動電路

設(shè)計(jì)電路簡單，簡化了外部電路及分離元件的數(shù)量，同時(shí)，可以將定時(shí)功能、轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向力等要求直接由單片機(jī)通過對PWM設(shè)置的改變實(shí)現(xiàn)，可靠性高，能夠避免開關(guān)管的誤動作，特別適合EPS等需要較大功率和轉(zhuǎn)動慣量的場合。

3.2.1 H橋式電路設(shè)計(jì)

功率管選型。EPS中的H橋式電路經(jīng)常工作在高開關(guān)頻率、高驅(qū)動電流和長使用壽命的工作環(huán)境，需要用大功率MOSFET管構(gòu)成。系統(tǒng)采用4個(gè)IRF3205功率管，構(gòu)成H橋的4個(gè)驅(qū)動電路，每個(gè)IRF3205具備額定電流110 A，反向耐壓55 V，導(dǎo)通電阻為8 mΩ，功率最大可至220 W，滿足EPS系統(tǒng)需要。

驅(qū)動芯片選型。系統(tǒng)采用ST公司提供的TD340ID大功率驅(qū)動芯片，它可以有效地減少外部電路數(shù)量，提高集成度，減少外部干擾和提高控制穩(wěn)定性。TD340ID用于驅(qū)動4個(gè)N通道的MOSFET功率管，TD340ID的具備常規(guī)的欠壓和過壓保護(hù)，峰值輸出電壓可達(dá)30A，工作電壓可達(dá)60V。

冗余控制。為了提高系統(tǒng)的可控制水平，H橋驅(qū)動電路中，在電機(jī)旁串聯(lián)了一個(gè)繼電器，其控制端由MC9SXS128MA控制，并經(jīng)過光耦6N137實(shí)現(xiàn)雜波隔離。

電流采樣。為了滿足后續(xù)電機(jī)反饋控制要求，系統(tǒng)對電機(jī)工作電流進(jìn)行監(jiān)控。采用常見的AD8210芯片，它被廣泛應(yīng)用在電流檢測、電機(jī)控制、車輛動態(tài)控制等方面。系統(tǒng)中，AD8210采用5 V供電，利用VREF1和VREF2的設(shè)置確定檢測量程，并用電流電壓轉(zhuǎn)換的方法，在電機(jī)驅(qū)動電路中串聯(lián)一個(gè)0.01 Ω電阻，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的測量。

3.2.2 信號采集和處理

系統(tǒng)中涉及的信號源主要包括三個(gè)部分，分別是轉(zhuǎn)向桿的扭矩信號，車速信號，和方向盤轉(zhuǎn)角信號。

利用轉(zhuǎn)矩傳感器獲取轉(zhuǎn)向桿的轉(zhuǎn)矩大??；利用旋轉(zhuǎn)編碼器獲得方向盤的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度；利用汽車內(nèi)部的車速信號源，獲取瞬時(shí)車速。

上述信號都存在雜波、干擾和非TTL電平等情況，需要進(jìn)行相應(yīng)的濾波、去噪、分壓、A/D和TTL轉(zhuǎn)換等操作，將輸出結(jié)果加載到主控ECU端，進(jìn)行后續(xù)的模糊判斷和PID控制。

4 EPS控制算法設(shè)計(jì)

4.1 控制算法選擇

在EPS中，軟件平臺需要進(jìn)行相關(guān)信息處理，并給出兩個(gè)方面的結(jié)果，一個(gè)是目標(biāo)電流，一個(gè)反饋控制信號的調(diào)整數(shù)據(jù)。

輸入端。在實(shí)際駕駛中，EPS助力電機(jī)的目標(biāo)電流與汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩信號和車速信號等，都是非線性關(guān)系，線性化難度大，采用模糊控制可以將定量轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄐ?，從而大大降低目?biāo)電流的計(jì)算量，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和魯棒性。

輸出端。汽車傳動的多部件造成實(shí)際輸出與理想輸出常存在差異，需要進(jìn)行反饋控制。為了保證實(shí)時(shí)性和簡化計(jì)算復(fù)雜性，系統(tǒng)采取常規(guī)PID控制，將目標(biāo)電流與輸出電流之間的誤差作為控制算法的輸入?？傮w的控制系統(tǒng)原理，如圖4所示。

圖4 EPS控制系統(tǒng)原型

EPS系統(tǒng)軟件模塊的工作流程簡要如下，首先，車輛啟動后，經(jīng)過設(shè)備初始化操作和自檢操作后，若系統(tǒng)正常，則快速進(jìn)入往復(fù)檢測循環(huán)，直到車輛停止工作。其次，在循環(huán)過程中，ECU根據(jù)來自方向盤的扭矩傳感器信號和車速傳感器信號，根據(jù)模糊邏輯處理給出目標(biāo)電流。最后，ECU根據(jù)反饋回來的助力電機(jī)反饋電流，計(jì)算目標(biāo)電流與反饋電流之間的差值E，經(jīng)過PID控制，給出修正后的電流信息，并通過PWM脈寬調(diào)制器和電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動直流助力電機(jī)運(yùn)行。

系統(tǒng)的模糊控制算法和PID控制算法都是通過BDM調(diào)試器和CodeWarrior軟件平臺刷寫到MC9SXS128MA芯片。程序模塊包括：控制主程序，轉(zhuǎn)矩信號獲取程序，車速信號獲取程序，助力電機(jī)開合狀態(tài)控制，錯(cuò)誤處理程序，及故障報(bào)警程序，等。

4.2 目標(biāo)電流設(shè)計(jì)

目標(biāo)電流設(shè)計(jì)需要經(jīng)過模糊化，模糊判斷，和解模糊三個(gè)階段。

首先，以車速傳感器和方向盤扭矩傳感器傳回的速度V和轉(zhuǎn)矩T，作為模糊化處理的輸入變量，以助力電機(jī)的目標(biāo)電流I作為輸出變量[9]。

車速的論域V=[0,80] (Kilos/Hour)，T=[-10,+10] (N·m)，電流I=[0，20] (A)，都采用7個(gè)等分的三角形劃分，包括：NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。

其次，建立模糊判斷策略。系統(tǒng)采用三角形隸屬度函數(shù)，表達(dá)式如式(1)：

(1)

式中：a，b，c分別是三角隸屬函數(shù)的起點(diǎn)，最大隸屬度點(diǎn)，終點(diǎn)。

根據(jù)車速和轉(zhuǎn)矩，建立模糊規(guī)則表，如表1所列。

表1 模糊規(guī)則表

最后，通過查表獲取目標(biāo)電流I的模糊值，并進(jìn)行解模糊處理，具體算法采用重心法，從而得到具體的助力電機(jī)目標(biāo)電流。

根據(jù)EPS系統(tǒng)中可能存在的性能損失，包括摩擦力損耗、阻尼損耗和回正損耗等，系統(tǒng)需要在在輸入端加上相應(yīng)的補(bǔ)償輸入總和，具體數(shù)值由公式(2)計(jì)算可知：

Iobj=m+If+Id+Ir

(2)

式中：Iobj是目標(biāo)電流，m是助力電流，If是摩擦力補(bǔ)償電流，Id是阻尼補(bǔ)償電流，Ir是回正補(bǔ)償電流。其中，If，Id，Ir的計(jì)算公式如下：

If=Kf×sgn (ωM)

(3)

Id=-Kd×ωM

(4)

Ir=Kr×dωM/dt

(5)

式中：Kf，Kd，Kr，分別是摩擦力，阻尼，和回正的補(bǔ)償參數(shù)，ωM是電機(jī)角速度。

4.3 系統(tǒng)誤差校正

助力電機(jī)的輸出值通常與實(shí)際輸出值存在誤差，需要進(jìn)行反饋控制，系統(tǒng)采用的PID算法進(jìn)行調(diào)整[10]。

電流誤差I(lǐng)e是目標(biāo)電流Iobj與反饋電流Ifb之差，如公式(6)所示。

Ie=Iobj-Ifb

(6)

則，PID處理后電流如式(7)：

I(t)=Kp(Ie+Ki∫Iedt+KddIe/dt)

(7)

式中：Kp是比例系數(shù)，Ki是積分系數(shù)，Kd是微分系數(shù)。

在第n次采樣中，電流I(n)的值如式(8)：

[Ie(n)-Ie(n-1)])

(8)

其中：T是采樣周期，n是序號，Ie(n)是第n次采樣時(shí)得到的電流偏差。

由式(8)可得電流PWM控制增量，如公式(9)所示：

(9)

5 仿真結(jié)果分析

算法以某小型貨車參數(shù)為依據(jù)，在MATLAB7.01下建立EPS系統(tǒng)模型，包括EPS模型，汽車二自由度轉(zhuǎn)向模型，模糊判斷模型和PID控制模型。路面輸入模型采用白噪聲，對模型采用模糊PID控制系統(tǒng)仿真，測試科目包括伯努利雙紐線測試和階躍輸入。軟件仿真的結(jié)果，在后續(xù)實(shí)車測試中得到了驗(yàn)證。

雙紐線測試結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖可見，方向盤轉(zhuǎn)動過程中，帶EPS的曲線毛刺明顯減少，扭矩抖動得到較好控制，對應(yīng)著轉(zhuǎn)彎時(shí)的駕駛穩(wěn)定性得到改善。

階躍輸入測試結(jié)果如圖7所示。由圖中可知，帶EPS控制的貨車能夠在階躍轉(zhuǎn)向輸入時(shí)，更加快速地到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，且抖動性小于無EPS的系統(tǒng)，說明車輛的轉(zhuǎn)向相應(yīng)速度和穩(wěn)定性得到較好地改善。

圖5 無EPS雙紐線測試圖

圖6 帶EPS雙紐系測試圖

圖7 階躍輸入測試圖

6 結(jié) 語

本文對傳統(tǒng)的EPS進(jìn)行了控制系統(tǒng)優(yōu)化，以模糊判斷給出電機(jī)助力電流，用PID對電機(jī)電流輸出誤差進(jìn)行修正，很好地滿足了EPS系統(tǒng)智能控制的要求，同時(shí)，系統(tǒng)建立了硬件測試平臺，對軟件仿真結(jié)果進(jìn)行了有效地驗(yàn)證，明確了控制算法的正確性和可靠性。

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Research on Fuzzy Control of Electric Power Steering System of Car

YUAN Sen1, LIU Fei1, ZHANG Hong2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,GuizhouUniversity,GuiyangGuizhou550025,China； 2.LanzhouOilandGasBranchCompany,PetroChinaSouthwestpipelineCompany,LanzhouGansu730000，China)

2014-06-16

貴州省重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(黔科合重大專項(xiàng)字(2011)6018)；貴州大學(xué)青年基金項(xiàng)目：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略研究(貴大自青基合字(2009)033)

袁 森 (1975-)，男，貴州遵義人，副教授，研究方向：汽車智能控制，車聯(lián)網(wǎng)。

V463

A

1007-4414(2014)04-0199-04