張騫　郭昊　鄒昌宏

摘 要：首先對(duì)EPS系統(tǒng)助力控制過程進(jìn)行了介紹；然后根據(jù)助力曲線特性設(shè)計(jì)了模糊控制器；研究了電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流模糊自適應(yīng)PID控制算法；最后在MATLAB/SIMULINK中建立EPS的仿真模型，并進(jìn)行了結(jié)果驗(yàn)證和分析。

關(guān)鍵詞：助力曲線；模糊控制器；仿真模型

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.090

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的飛速發(fā)展及人們生活水平的提高，人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向的操縱性能提出了更高的要求。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為重要的組成部分，其性能的好壞直接關(guān)系駕駛員駕駛過程中的舒適性、安全性及操縱穩(wěn)定性。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS），就是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以車載蓄電池作為能源，以助力電機(jī)為動(dòng)力，以方向盤轉(zhuǎn)矩和車速為輸入信號(hào)，通過電子控制單元（ECU）控制，協(xié)助人力轉(zhuǎn)向獲得最佳轉(zhuǎn)向力的伺服系統(tǒng)。助力控制是在轉(zhuǎn)向過程中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速結(jié)構(gòu)把電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系上的一種控制模式。助力控制主要作用是為減輕駕駛員的操縱力，助力的大小主要取決于所采取的助力特性曲線及助力控制算法。

1 EPS系統(tǒng)助力控制

按照汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況，EPS系統(tǒng)主要有助力控制、回正控制和阻尼模式三種控制模式。本文主要針對(duì)助力控制這種控制模式進(jìn)行研究。圖1為EPS系統(tǒng)的助力控制過程，EPS控制單元實(shí)時(shí)采集方向盤扭矩信號(hào)和車速信號(hào)，通過內(nèi)置的助力特性曲線確定電機(jī)目標(biāo)電流，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)ECU采集電機(jī)反饋電流，經(jīng)控制算法對(duì)PWM波占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)后實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

通過比較助力曲線的優(yōu)缺點(diǎn)，采用模糊控制的方法確定助力特性曲線，即建立一個(gè)以轉(zhuǎn)向盤力矩Td和車速V為輸入，以助力電流Im為輸出的模糊控制器來表征助力特性曲線。該方法易調(diào)整、實(shí)時(shí)性好，下面對(duì)助力特性的模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

模糊控制器的建立是為了表述助力特性，所以模糊控制器的輸入為轉(zhuǎn)向盤力矩Td和車速V，輸出為助力電流Im，模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊規(guī)則推理及輸出量反模糊化三步。圖2為助力特性的模糊控制器原理圖。

3 電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流模糊自適應(yīng)PID控制算法

模糊控制是建立在操作人員實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)和近似推理基礎(chǔ)上的一種語(yǔ)言邏輯控制模式，與常規(guī)PID相比，它不需要建立被控對(duì)象的精確模型，對(duì)非線性、滯后性系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。但由于其沒有積分環(huán)節(jié)，無法消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，所以一般將其與PID控制相結(jié)合，構(gòu)成模糊自適應(yīng)PID控制。

模糊自適應(yīng)PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，根據(jù)模糊控制原理通過一定的推理規(guī)則獲得模糊輸出量△Kp、△Ki、△Kd，推理規(guī)則是根據(jù)不同情況下e和ec和控制量Kp、Ki、Kd的模糊關(guān)系而確定的，使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

4 EPS系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真模型的建立

EPS系統(tǒng)可以采用機(jī)械轉(zhuǎn)向系模型、直流電機(jī)模型、電流控制器模型來進(jìn)行描述，根據(jù)EPS系統(tǒng)各部件的受力分析，可在Matlab/Simulink環(huán)境中建立起各個(gè)模塊的仿真模型，各模塊關(guān)系如圖4所示。

圖4中，“Steering Model”為機(jī)械轉(zhuǎn)向系模型，“Motor Motor”為直流電動(dòng)機(jī)模型，“I Control Model”為目標(biāo)電流決策和電流控制器模型。該模型以轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩Td和汽車行駛速度V為輸入，以電動(dòng)機(jī)電流為輸出，同時(shí)還可觀測(cè)柱下端齒輪轉(zhuǎn)角、系統(tǒng)助力力矩、系統(tǒng)阻力力矩等。下面著重介紹控制器模型。

建立的模糊自適應(yīng)PID控制器模型如圖5所示。

5 EPS系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真結(jié)果及分析

根據(jù)建立的EPS系統(tǒng)Simulink模型，為了驗(yàn)證電流控制器對(duì)目標(biāo)電流的響應(yīng)速度和跟隨效果，即EPS系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性，對(duì)正弦輸入響應(yīng)工況進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。

從不同車速正弦輸入響應(yīng)下的電流曲線可以看出，三種算法控制下電機(jī)電流對(duì)目標(biāo)電流均具有較快的響應(yīng)速度，表明EPS系統(tǒng)能較好的跟隨方向盤輸入力矩的動(dòng)作，且在目標(biāo)電流變化和輸入力矩?fù)Q向瞬間，加入了修正因子的模糊自適應(yīng)PID控制較其他兩種控制器具有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)量。圖6表明，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤輸入力矩大于1N·m（設(shè)定的起始助力閥值）時(shí)，電機(jī)開始提供助力，且隨著輸入力矩的增大，助力電流也增大；同時(shí)，隨著車速的增大，助力電流逐漸減小，符合助力特性曲線的要求。

6 總結(jié)

本文對(duì)助力特性進(jìn)行了理論分析，設(shè)計(jì)了模糊控制器，進(jìn)而開發(fā)了模糊自適應(yīng)PID控制算法，建立了Matlab/Simulink下的控制模型，并與其他兩種控制算法進(jìn)行了仿真對(duì)比。仿真結(jié)果表明，所建立的電流控制器對(duì)目標(biāo)電流具有很好的響應(yīng)速度和跟蹤效果，電動(dòng)機(jī)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。

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