栗明，鄧召文

（1. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261001；2.汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖北汽車工業(yè)學(xué)院），湖北 十堰 442002）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真與控制策略研究

栗明1，鄧召文2

（1. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261001；2.汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖北汽車工業(yè)學(xué)院），湖北 十堰 442002）

通過對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，分別建立了折線型助力特性曲線、動(dòng)力學(xué)仿真模型、包含基本助力、PID、PWM組成的EPS控制器模型，仿真分析了目標(biāo)電流的跟蹤特性、驗(yàn)證分析了助力特性，分析了EPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輕便性和路感特性。仿真表明，實(shí)際電流對(duì)目標(biāo)電流跟蹤效果較好，轉(zhuǎn)向輕便性得到改善，車速提高后，駕駛員獲得了較強(qiáng)的路感，車速越高助力電動(dòng)機(jī)提供的助力轉(zhuǎn)矩越小，控制策略合理有效。

EPS；折線型；助力特性；PID；PWM

CLC NO.: U463.44+4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-167-04

引論

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，縮寫EPS）是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1～3]。文獻(xiàn)[4]分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比例控制電動(dòng)機(jī)電流的方法，設(shè)計(jì)了比例加微分控制電動(dòng)機(jī)電流的方法；文獻(xiàn)[5]對(duì)電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向路感進(jìn)行了量化分析，分析了影響路感的主要因素；文獻(xiàn)[6]建立了EPS系統(tǒng)仿真模型，構(gòu)建了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的兩層控制策略。本文建立了折線性助力特性曲線，建立了駕駛員、機(jī)械轉(zhuǎn)向系、電動(dòng)機(jī)、EPS控制器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和Simulink仿真模型，仿真分析了目標(biāo)電流的跟蹤特性、驗(yàn)證分析了助力特性，并對(duì)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輕便性和路感特性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了控制策略有效性。

1、EPS助力特性研究

1.1 助力特性研究

EPS系統(tǒng)的助力隨汽車運(yùn)動(dòng)狀況和受力狀況（車速和方向盤力矩）變化而變化的規(guī)律稱為助力特性。由于EPS助力大小與直流電機(jī)電流成比例，因此助力特性可以用電機(jī)電流與方向盤力矩、車速的變化關(guān)系曲線來表示。助力特性可以協(xié)調(diào)路感和轉(zhuǎn)向輕便性之間的關(guān)系，低速時(shí)輕便舒適，高速時(shí)助力減少。

1.2 折線型助力特性

直線型、曲線型和折線型助力特性是EPS系統(tǒng)常用的典型曲線。直線型助力特性具有最為簡單的特點(diǎn)，在實(shí)際中容易調(diào)整；曲線型助力特性復(fù)雜，不易調(diào)整；折線型助力特性較為折中，其助力與轉(zhuǎn)向盤力矩之間具有分段線性關(guān)系。通過研究分析，本文仿真采用的折線型助力特性如圖1所示。

圖1 助力特性圖Fig1 Assist characteristic curve

1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略

EPS控制策略主要由助力控制、回正控制和主動(dòng)阻尼控制組成。由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與電動(dòng)機(jī)電流成正比關(guān)系，助力控制是根據(jù)傳感器測得的車速信號(hào)和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)，查找相應(yīng)的助力曲線圖，確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)助力電流，通過控制器控制電動(dòng)機(jī)的電樞電流實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)矩的控制。

1.3.1 PID控制理論

本文選用PID控制方法，用試湊法來確定PID的參數(shù)。由于PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，滿足EPS的控制要求。電流環(huán)PID控制的系統(tǒng)原理，通過將目標(biāo)電流值與測量的實(shí)際電流值取偏差，然后按比例、積分、微分的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，通過直流脈寬（PWM）調(diào)節(jié)得到電動(dòng)機(jī)的控制電壓，將結(jié)果作為控制輸出給直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。

1.3.2 助力控制方式

助力控制是EPS系統(tǒng)的基本控制策略，汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)（不包括汽車回正），為了使駕駛員的操縱力減小，通過減速機(jī)構(gòu)輸出助力轉(zhuǎn)矩的一種控制模式。

2、EPS建模

2.2 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2 EPS結(jié)構(gòu)簡圖Fig2 Schematic diagram of EPS

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩大小和方向的檢測是通過轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)現(xiàn)的。控制器的助力控制是根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)進(jìn)行的，再根據(jù)車速信號(hào)大小進(jìn)行助力修正，并根據(jù)助力電流完成電流的閉環(huán)控制。

2.3 EPS模型建立

2.3.1 駕駛員建模

將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩輸入變成轉(zhuǎn)角輸入是通過駕駛員模型實(shí)現(xiàn)的[7]：

式中：Kp 為比例系數(shù)，d 為微分系數(shù)，Ki 為積分系數(shù)，tL 為延遲時(shí)間，仿真參數(shù)分別調(diào)整為：Kp=0.5，Kd=0.052，Ki=0.52。

2.3.3 控制器建模

采用上下兩層控制策略，上層控制策略是基本助力控制，下層控制策略采用PID和PWM控制方式對(duì)目標(biāo)電流進(jìn)行精確跟蹤控制。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器信號(hào)決定基本助力電流I（或助力轉(zhuǎn)矩）大小和方向。PWM模塊相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)中T為PWM開關(guān)周期，一般取1/20000s[8]。由此得到控制策略框圖如圖3。

圖3 控制策略框圖Fig3 The control strategy block diagram

綜上分析，結(jié)合設(shè)計(jì)的控制策略，得到控制器模型如圖4。

圖4 控制器模型Fig4 The controller model

2.4 EPS仿真模型的建立

根據(jù)建好的轉(zhuǎn)向盤模型、電動(dòng)機(jī)模型、轉(zhuǎn)向拉桿模型、控制器模型和駕駛員模型等，以正弦波與方波模擬駕駛員輸入，得到的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)simulink仿真模型如圖5。

圖5 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)simulink仿真模型Fig5 EPS system Simulink model

3、EPS的仿真分析

3.1 PID 控制器對(duì)助力電流的跟蹤控制

調(diào)節(jié)PID控制器，當(dāng)3個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)到Kmp = 18，Kmi = 0. 8，Kmd= 0時(shí)，在車速30km/ h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤輸入為正弦信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)實(shí)際電流和目標(biāo)電流的跟蹤控制效果如圖6所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際電流與目標(biāo)電流具有相同的變化趨勢及相同的最大及最小值，實(shí)際電流對(duì)目標(biāo)電流的跟蹤效果較好。

圖 6 PID 控制器的控制效果Fig6 Control effect of PID controller

3.2 EPS助力特性驗(yàn)證分析

圖7 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入Fig7 Steering wheel angle input

為了對(duì)EPS系統(tǒng)的助力特性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行了如圖7所示的轉(zhuǎn)角輸入，仿真分析在車速為20km/h和60kxn/h時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)特性，仿真結(jié)果如圖8所示，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤把持力相等時(shí)，助力電動(dòng)機(jī)提供的助力轉(zhuǎn)矩隨車速變大而變小，仿真結(jié)果證明了折線性助力特性曲線對(duì)EPS控制系統(tǒng)的有效性。

圖8 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)對(duì)比圖Fig8 Motor torque response characteristic

3.3 EPS轉(zhuǎn)向輕便性及路感分析

進(jìn)行原地不加助力、加電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向仿真研究的目的是為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)EPS的轉(zhuǎn)向輕便性和路感特性。不加助力和加助力轉(zhuǎn)向?qū)Ρ确抡娼Y(jié)果如圖9所示，不加助力和加助力轉(zhuǎn)向?qū)Ρ确抡娼Y(jié)果表明，無EPS助力時(shí)的原地轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向盤力矩一轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角特性曲線，此時(shí)完全依靠轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩克服轉(zhuǎn)向阻力進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向盤最大力矩為3.9 N.m，而有EPS助力時(shí)的轉(zhuǎn)向工況，此時(shí)電動(dòng)機(jī)幫助駕駛員克服了部分轉(zhuǎn)向阻力，其轉(zhuǎn)向盤最大力矩為3 N.m。證明所設(shè)計(jì)的EPS有較好的輕便性。仿真表明：（不加助力）原地轉(zhuǎn)向沉重;（加助力）轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩減少，轉(zhuǎn)向輕便性改善。

圖9 不加助力和加助力轉(zhuǎn)向?qū)Ρ确抡娼Y(jié)果Fig9 characteristic curve of steering wheel angletorque without EPS and with EPS

圖10 轉(zhuǎn)向輕便性和路感仿真結(jié)果Fig10 steering portability and road feeling

同時(shí)又分別進(jìn)行了原地0 km/h(加助力)、車速30 km/h(加助力)、車速60 km/h(加助力)、車速70 km/(加助力)h時(shí)助力轉(zhuǎn)向仿真，各種速度下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向盤扭矩對(duì)比仿真曲線圖10所示。裝有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)向，在一定范圍里助力轉(zhuǎn)矩與車速成反比例關(guān)系，隨著車速的升高，助力轉(zhuǎn)矩要相應(yīng)減小，確保操縱穩(wěn)定性。當(dāng)駕駛員停車或者低速需要轉(zhuǎn)向時(shí)，助力電機(jī)克服大的阻力矩，使轉(zhuǎn)向輕便性。從原地轉(zhuǎn)向到低速轉(zhuǎn)向、再從低速轉(zhuǎn)向到高速轉(zhuǎn)向時(shí)，最后要平穩(wěn)過渡，避免助力轉(zhuǎn)矩有跳躍感。隨車速提高，轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩逐漸平穩(wěn)增加，說明車速提高后，駕駛員獲得了較強(qiáng)的路感，提高了汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性。

4、結(jié)論

根據(jù)所建模型，仿真分析了目標(biāo)電流的跟蹤特性、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輕便性和路感特性，驗(yàn)證分析了助力特性，實(shí)際電流對(duì)目標(biāo)電流跟蹤效果較好，加助力時(shí)，轉(zhuǎn)向輕便性提高，車速提高后，駕駛員獲得了較強(qiáng)的路感，車速越高助力電動(dòng)機(jī)提供的助力轉(zhuǎn)矩越小，證明了折線性助力特性曲線對(duì)EPS控制系統(tǒng)的有效性。

[1] Masahiko Kurishige, Kouji Fukusumi, Noriyuki Inoue, et al. A new electric current control strategy for EPS motors[C]. SAE Paper 2001-01-0484,2001.

[2] Roy MccCann. Variable effort steering for vehicle stability enhancement using an electric power steering system[C].SAE Paper 2000-01-0817, 2000.

[3] Toshio Kohno, Shinji Takeuchi, Minekazu Momiyama, et al. Development of electric power steering(EPS) system with H∞control[C]. SAE Paper 2000-01-0813, 2000.

[4] 牟春燕,王昕彥,周華維.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）電動(dòng)機(jī)電流控制的研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2009（12）.

[5] 葉耿,楊家軍,劉照,等.汽車電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向路感研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2002（2）.

[6] 申榮衛(wèi),林逸,臺(tái)曉虹,等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與補(bǔ)償控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007（7）.

[7] Masato Abe. The movement and manipulation of the automobile [M].Chen Xinbo. Beijing: Mechanical Industry Press, 1998

[8] 何字滿. 基于MATLAB/Simulink的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制算法仿真研究[J].傳動(dòng)技術(shù),2011,4.

Research on Control Strategy and Simulation of Electric Power Steering System

Li Ming1, Deng Zhaowen2
（1. Weichai Power Co., Ltd., Shandong Weifang 261001; 2.Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronics (Hubei University of Automotive Technology), Hubei Shiyan 442002）

In this paper,the assist characteristic curve with fold linear control for EPS were built,the EPS dynamic mathematical models were established. On the basis of the analysis of the mathematical model for each departments,the whole simulation model were constructed, The EPS control model including the assist characteristic curve、PID and PWM control method.The tracking performance characteristics of the actual current to the target current, verifying and analyzing the assist characteristic and the steering portability and road feeling characteristics for EPS were accomplished and analyzed by simulation. The results show that the tracking performance is effective.The steering portability was enhanced correspondingly with EPS,the driver has a stronger road feeling with the speed increasing. Under the same steering wheel power，the higher the vehicle speed, the lower torque of the power assisted motor was. In short, it was proved that the control strategies is effective.

EPS; assist control characteristic; PID; PWM; simulation

U463.44+4

A

1671-7988 (2017)10-167-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.058

栗明（1978-），男，工程師，就職于濰柴動(dòng)力股份有限公司。研究方向：汽車電子控制。

項(xiàng)目編號(hào)：國家自然基金項(xiàng)目（51375151）；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2013CFA134）；汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2015XTZX0423）。