韓振

摘 要：汽車電動助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，EPS）系統(tǒng)作為一種新型的動力轉(zhuǎn)向方式，與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向方式相比，在行車安全、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單等方面有著獨特的優(yōu)越性，因此大力推廣汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)勢在必行。文章主要就EPS 的工作原理及分類進行介紹，并對其控制技術(shù)做了簡要分析。

關(guān)鍵詞：汽車；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；EPS控制技術(shù)

中圖分類號：TP271 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0014-02

1 引 言

隨著汽車性能的提升制造工藝以及汽車控制的要求也越來越高，不僅希望低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便，而且高速時必須有良好的操縱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能同時達到上述兩個要求，通過采用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子技術(shù)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很好的解決了這一矛盾。同時EPS系統(tǒng)是汽車的安全性能得到提升，耗能少、有利于環(huán)保。電動助力轉(zhuǎn)向代表著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，有著良好的應(yīng)用前景。

2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概述

2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)由機械轉(zhuǎn)向器與電動助力部分相結(jié)合構(gòu)成。電動助力部分包括電動機、電池、傳感器和控制器（ECU）及線束，有的還有減速機構(gòu)和電磁離合器等。電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的工作原理如下：

當(dāng)駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施力并轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，位于轉(zhuǎn)向盤下方與轉(zhuǎn)向軸連接的轉(zhuǎn)矩傳感器將經(jīng)扭桿彈簧連接在一起的上、下轉(zhuǎn)向軸的相對轉(zhuǎn)動角位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺髦量刂破?，在同一時刻車速信號也傳至控制器。通過對上述兩種信號的分析，控制器對電動機的轉(zhuǎn)向和助力轉(zhuǎn)矩的大小進行調(diào)整。并且通過D/A轉(zhuǎn)換器將控制器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信息，之后通過電流控制電路對信號進行處理。來自微機的電流命令值同與電動機電流的實際值之間存在的一個差值，電流控制電路能夠檢測到這個差值信號，同時將此信號送往電動機驅(qū)動電路，該電路驅(qū)動電動機，并向電動機提供控制電流，完成助力轉(zhuǎn)向作用[1]。

2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類

EPS系統(tǒng)依據(jù)電動機布置位置的不同可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、小齒輪助力式、齒條助力式三個基本類型。分別如圖1、圖2和圖3所示。

3 EPS的控制技術(shù)

3.1 EPS常見的幾種控制策略

EPS控制系統(tǒng)主要是對助力電機的控制，同時對系統(tǒng)輸入與輸出的參量也需要進行考慮，常用的系統(tǒng)輸入：路面干擾、側(cè)向力、方向盤傳感器噪聲、方向盤力矩大小、回正力矩及機械部件的非線性摩擦等。系統(tǒng)輸出：電機轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向器位移、方向盤轉(zhuǎn)角、電機助力力矩等參量。此外，汽車在轉(zhuǎn)向的過程中，車身的橫擺角速度與側(cè)傾角等參數(shù)會因為車身方向的改變而改變，因此還需綜合考慮EPS與懸架的集成化控制策略[4]。

EPS系統(tǒng)的控制要求最重要的就是在原地或低速時轉(zhuǎn)向輕便，高速時穩(wěn)定性好，且靈敏度高，反應(yīng)時間短等特點，盡可能的實現(xiàn)實時控制。根據(jù)控制內(nèi)容的不同，控制算法可分為：

①助力控制、回正控制、阻尼控制。除此之外，由于實際系統(tǒng)中存在摩擦和慣性作用，因此還需要進行補償控制。

助力控制的特點是根據(jù)車速和方向盤力矩大小確定助力矩，使轉(zhuǎn)向輕便，利用電機轉(zhuǎn)矩和電機電流成比例的特性，通過對反饋電流與電機目標(biāo)電流的閉環(huán)控制輸出信號給動力回路，電動機受到反饋信號后產(chǎn)生合適的助力。助力控制主要是協(xié)助駕駛員進行轉(zhuǎn)向，汽車在高速行駛時，可通過阻尼控制適當(dāng)增加轉(zhuǎn)向阻力，避免汽車在高速行駛途中發(fā)生“飄移”，在低速行駛時增加汽車轉(zhuǎn)向的靈活性，避免出現(xiàn)“打死”情況。

②回正控制是改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向后的回正性能，尤其是原地及低速時轉(zhuǎn)向。根據(jù)汽車不同的行駛工況，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行同正控制，當(dāng)汽車需要進行同正控制時，EPS根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角信號和車速信號，計算出車輛的側(cè)向加速度，再產(chǎn)生與側(cè)向加速度相對應(yīng)的同正力矩?？刂谱饔靡话闶沁@樣的：當(dāng)汽車行駛速度較低時，同正過程中使電動機電流迅速減少，電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩也減小，轉(zhuǎn)向輪迅速同正；當(dāng)汽車高速行駛時，轉(zhuǎn)向輪稍稍改變方向就會使汽車改變較大的方向，為了使轉(zhuǎn)向幅度減小，電機電流逐漸減少，車輪在轉(zhuǎn)向過程中顯得更為平穩(wěn)。

③阻尼控制的特點是可抑制電機的超調(diào)，使高速行駛穩(wěn)定性得以改善，防止汽車“發(fā)飄”，利用電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢形成阻礙電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的阻尼轉(zhuǎn)矩。在低速行駛時，控制內(nèi)容以助力控制和回正控制為主，在高速行駛時，以阻尼控制為主。

④補償控制。實際應(yīng)用中由于摩擦和慣性的存在，若對數(shù)學(xué)模型的控制進行理想化處理，不能得到良好的模擬效果。EPS中應(yīng)用的電動機，對于大功率的電動機，汽車在行駛途中所產(chǎn)生的摩擦力矩和轉(zhuǎn)動慣量會隨著功率的增加而增加。會對車輪的回正造成一定的影響，轉(zhuǎn)向相對較為困難。這時，若在系統(tǒng)控制中加入摩擦補償與慣量補償，可較好地解決此問題[5]。

3.2 EPS的控制方式

要實現(xiàn)上述EPS控制策略必須應(yīng)用相關(guān)的控制方式常見的控制方式有以下5種：PID控制、最優(yōu)二次型控制、魯棒性控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。

3.2.1 PID控制

PID控制又稱偏差控制，是根據(jù)系統(tǒng)的誤差（偏差），利用數(shù)學(xué)方法和公式來計算出控制偏差量。PID控制器有很多優(yōu)勢比如結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便。PID控制器現(xiàn)已成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。

3.2.2 最優(yōu)二次型控制

最優(yōu)二次型控制采用線性系統(tǒng)二次性能指標(biāo)高斯分布法（LQG法）來實現(xiàn)線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制。最優(yōu)二次型控制法使用最小的控制能量使得系統(tǒng)誤差最小化，通過數(shù)學(xué)建模可得出狀態(tài)現(xiàn)行反饋的最優(yōu)控制規(guī)律，不僅容易構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)系統(tǒng)，而且能夠達到工程實際問題中對線性系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。

3.2.3 魯棒性控制

魯棒性控制不像其他控制理論，在設(shè)計EPS控制策略時設(shè)計指標(biāo)的可行性太依賴所建立的EPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和精確程度。在實際中采用魯棒控制技術(shù)可使設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)，且可充分利用最優(yōu)控制理論的成果，不需在線辨識，是一種新的控制理論，目前已成為現(xiàn)代控制理論中最重要的分支和前沿技術(shù)。

3.2.4 模糊控制

模糊控制也稱為Fuzzy控制。模糊控制器是一種語言控制器，能更近似地反映人的控制行為，它不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，并不需要對系統(tǒng)參數(shù)變化有很明顯的反應(yīng)效果，具有很強的魯棒性和控制穩(wěn)定性。模糊控制的控制算法可直接通過語音進行控制，非常簡捷，很適合汽車這一類快速動態(tài)系統(tǒng)。對于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，由于地面附著系數(shù)、車速、輪胎狀況、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦和間隙等因素的影響，要提出一個在各種運行工況下都能滿意工作的電動機助力控制策略是非常困難的。

3.2.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于人腦和自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本特性，將這種特性抽象化和模擬化。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)主要還是依賴于對大腦的生理研究成果，模擬大腦的某些相應(yīng)的機理和機制來實現(xiàn)一些特定的功能。

4 結(jié) 語

本文從EPS的基本原理、控制策略以及控制方式三個方面對EPS的控制技術(shù)作了簡要分析。EPS的關(guān)鍵問題助力控制，同時回正控制和阻尼控制是EPS系統(tǒng)性能優(yōu)越性的體現(xiàn)，補償控制是主要體現(xiàn)在提升EPS控制精度方面。

對于EPS的控制方式，通過比較分析比例控制、比例加微分控制、最優(yōu)二次型控制、魯棒性控制、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)缺點，每種方法優(yōu)劣，其中PID控制方式使用性更強。要想更好的應(yīng)用EPS控制技術(shù)，必須對上述控制方式和控制策略進行合理應(yīng)用。

參考文獻：

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[3] 任夏楠，鄧兆祥.汽車FPS助力特性設(shè)計方法研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)， 2011，33（8）：1225-1232.

[4] 邵麗青.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS） 的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車與 配件，2011（36）：19-21.

[5] 施國標(biāo).電動助力轉(zhuǎn)向的控制技術(shù)[D].北京：北京理工大學(xué)電動車輛國 家工程實驗室，2008.