歐劉勇

（南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226399）

基于汽車EPS系統(tǒng)的控制策略研究

歐劉勇

（南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226399）

當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，給企業(yè)行業(yè)帶來(lái)了很大的創(chuàng)新。在汽車設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非常重要，直接影響汽車行駛的安全性和可靠性。很多企業(yè)比較重視汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，下面就分析EPS系統(tǒng)的控制策略，包括H∞控制策略、PID為基礎(chǔ)的回正控制策略、以PID為基礎(chǔ)的智能控制等，希望給有關(guān)人士一些借鑒。

汽車；EPS系統(tǒng)；控制策略

前言

對(duì)于汽車EPS系統(tǒng)而言，其構(gòu)成并不復(fù)雜，主要包括控制器、電機(jī)減速操作機(jī)構(gòu)、助力電機(jī)、傳感器等構(gòu)成，除此之外，為了確保其工作效果，提高汽車行駛安全性，必須調(diào)整好其控制方法。實(shí)際操作過(guò)程中，電機(jī)可以提供輔助的轉(zhuǎn)矩，有效做好相關(guān)的協(xié)助操作。

1 分析汽車EPS系統(tǒng)工作原理

為了方便分析，繪制電動(dòng)機(jī)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成圖，相關(guān)人員可以結(jié)合圖例進(jìn)行相關(guān)細(xì)節(jié)的討論，提高這方面的知識(shí)。正常駕駛車輛過(guò)程中，駕駛員可以通過(guò)調(diào)整方向盤進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)彎，在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員在轉(zhuǎn)向軸上設(shè)置了轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器，可以及時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)向軸上的信號(hào)，檢測(cè)得到的信號(hào)和檢測(cè)得到的車輛行駛速度信號(hào)將會(huì)同時(shí)輸入到控制器中，也就是EPS系統(tǒng)中。ECU會(huì)結(jié)合相關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，最終根據(jù)運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)判斷電機(jī)產(chǎn)生目標(biāo)助力轉(zhuǎn)矩的方向和大小。電機(jī)控制其對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、助力等情況進(jìn)行控制，確保符合實(shí)際情況，保證車輛行駛的安全性。電流會(huì)產(chǎn)生一定的力， 電磁離合器在其中發(fā)揮作用，利用減速機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行減速增矩，將其施加到汽車的轉(zhuǎn)向軸上，這樣汽車在行駛過(guò)程中就可以得到一個(gè)與之相互適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)得知EPS系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)較多，但是其所能夠提供的功率達(dá)不到理想要求，因此這一系統(tǒng)大都安置在小型車輛上[1]。

2 分析EPS的控制算法

2.1 常見(jiàn)的五種控制策略

對(duì)于EPS的控制算法而言，主要是結(jié)合設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)原理，分析系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向管柱、助力電機(jī)、齒條的具體受力情況，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建各個(gè)部分的數(shù)學(xué)模型，然后使用仿真軟件構(gòu)建EPS仿真模型，針對(duì)分析的結(jié)果建立有關(guān)系統(tǒng)的控制方法。從當(dāng)前的研究成果分析，經(jīng)常使用的控制算法主要分為五種，分別是Hx控制，以PID為基礎(chǔ)的回正控制，以PID為基礎(chǔ)的補(bǔ)償控制，以PID為基礎(chǔ)的智能控制，單一性的智能控制，常規(guī)的PID控制。下面就分析對(duì)這些控制算法和策略進(jìn)行分析。

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)

2.2 分析H∞控制策略

這種控制方法以魯棒理論為基礎(chǔ)，控制過(guò)程中主要的參考量是轉(zhuǎn)矩測(cè)量噪聲，同時(shí)要對(duì)方向盤的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證助力性能。使用這一方法進(jìn)行控制過(guò)程匯總，主要表現(xiàn)出了以下幾個(gè)特點(diǎn)，第一點(diǎn)，可以將EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變?yōu)镠∞的控制問(wèn)題，這一優(yōu)勢(shì)可以有效避免傳統(tǒng)補(bǔ)償方式礦工致的弊端，符合實(shí)際工作要求。第二點(diǎn)，使用系統(tǒng)頻域特點(diǎn)、系統(tǒng)狀態(tài)空間對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析時(shí)，有效解決了當(dāng)前理論方面存在的問(wèn)題，這一點(diǎn)也是這一控制策略的優(yōu)勢(shì)。第三點(diǎn)，和最優(yōu)調(diào)節(jié)器相比，這一控制方式更加直接，可以利用頻域方式進(jìn)行控制器的控制理論設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)踐得知H∞控制策略魯棒性能非常好，和其他控制系統(tǒng)相比，可以提高駕駛員的路感，這一控制系統(tǒng)比較完美，但是對(duì)于其優(yōu)化問(wèn)題，其算法比較麻煩，實(shí)際應(yīng)用存在障礙，但是當(dāng)前狀態(tài)空間里了發(fā)展迅速，人們開(kāi)始使用狀態(tài)空間里了為工具的方法，對(duì)H∞控制器進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，有效降低了控制器的難度，該策略實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加明顯[2]。

2.3 分析以PID為基礎(chǔ)的回正控制策略

回正控制屬于一種控制模式，其可以有效改善汽車轉(zhuǎn)向的回正特點(diǎn)，提高駕駛操作的穩(wěn)定性。當(dāng)駕駛汽車需要原地轉(zhuǎn)向，或者在低速運(yùn)行中進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)向齒輪阻力矩，這樣輪胎不容易自動(dòng)回正。實(shí)際駕駛過(guò)程中，如果車速不斷增加，達(dá)到一個(gè)數(shù)值之后，和之前相比當(dāng)下地面和輪胎的摩擦力矩將會(huì)減小，直接導(dǎo)致回正的力矩較大，此時(shí)輪胎可以直接回到中間位置，但是由于路況千差萬(wàn)別，方向盤不一定能夠準(zhǔn)確停留在中點(diǎn)，在這一情況下這一系統(tǒng)可以輸出一定的補(bǔ)償力矩，有效輔助方向盤進(jìn)行回正。具體的回正策略流程可以參考下圖。

圖2 回正控制策略流程圖

2.4 分析以PID為基礎(chǔ)的補(bǔ)償控制策略

對(duì)于這種補(bǔ)償控制而言，主要包括摩擦補(bǔ)償控制、慣性補(bǔ)償控制、阻尼補(bǔ)償控制。對(duì)于阻尼控制而言，其根本作用就是降低系統(tǒng)的振蕩，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。對(duì)于慣性補(bǔ)償而言，系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)受到自身慣性的影響，或者在轉(zhuǎn)動(dòng)中由于慣量的作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向力矩出現(xiàn)一定的損失，因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于摩擦補(bǔ)償而言，其主要作用是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦造成的轉(zhuǎn)矩?fù)p失進(jìn)行補(bǔ)償，由此可見(jiàn)，上述各種補(bǔ)償可以有效彌補(bǔ)系統(tǒng)自身在不同操作環(huán)節(jié)下出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)而確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行操作的穩(wěn)定性。

2.5 分析以PID為基礎(chǔ)的智能控制

智能控制發(fā)展時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但是其控制效果很好。其也是以傳統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，和傳統(tǒng)控制方法相比，其可以解決傳統(tǒng)控制中解決不了的許多問(wèn)題。具體而言，其可以對(duì)控制對(duì)象參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整范圍比較大。對(duì)于智能PID控制而言，主要是將常規(guī)PID控制和智能控制理論相結(jié)合，根據(jù)這一基礎(chǔ)，這一控制方法也具有常規(guī)控制的特點(diǎn)。下面以自適應(yīng)模糊 PID控制為例進(jìn)行分析。將偏差 e和偏差變化率 ec作為系統(tǒng)輸入，當(dāng)在不同的時(shí)間內(nèi)，可以有效滿足e和ec對(duì)PID輸入?yún)?shù)自己整定的要求，還可以使用模糊控制規(guī)則對(duì)在線比例、積分等進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終建立自適應(yīng)模糊PID控制器。

2.6 分析常規(guī)PID控制

對(duì)于常規(guī)PID控制而言，還可以稱之為比例積分微分控制，其屬于線性控制的一種，以系統(tǒng)輸入的偏差值為基礎(chǔ)，然后根據(jù)積分、微分、比例函數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，這樣就可以作為系統(tǒng)的控制量，有效對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制。其具體的控制原理圖可以參考下圖。在微分環(huán)節(jié)能夠有效反映偏差信號(hào)的變化速率，確保這一數(shù)值在變得過(guò)大之前，在系統(tǒng)中加入一個(gè)修正值，確保系統(tǒng)的反應(yīng)速度，同時(shí)還可以避免出現(xiàn)振蕩，減少實(shí)際的調(diào)整時(shí)間。對(duì)于積分環(huán)節(jié)而言，可以有效降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。對(duì)于比例環(huán)節(jié)而言，可以將受控制的對(duì)象的偏差通過(guò)線性進(jìn)行反映，確保系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度[3]。

圖3 PID控制系統(tǒng)的基本原理

2.7 分析單一的智能控制

和其他方法相比，其主要使用了 LQG控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊控制等智能控制策略。在EPS中存在庫(kù)倫摩擦非線性問(wèn)題，并且存在元件磨損問(wèn)題，這些因素將會(huì)引起系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，但是 LQG可以以一種二次型性能指標(biāo)為依據(jù)，進(jìn)行線性系統(tǒng)控制，將能耗作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)有效控制，滿足實(shí)際工作要求。

3 總結(jié)

通過(guò)以上對(duì)汽車EPS系統(tǒng)的控制策略分析，發(fā)現(xiàn)這物種控制策略各有特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)用中優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)也不同，通過(guò)全面的分析希望給相關(guān)人員的選用提供依據(jù)和借鑒。當(dāng)前全世界很多專家將控制理論使用到EPS系統(tǒng)中，包括魯棒控制理論、模糊控制理論等，由此可見(jiàn)，在以后發(fā)展中汽車轉(zhuǎn)向控制將會(huì)發(fā)展到一個(gè)新高度。

[1] 王元聰,李偉光.汽車電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)控制策略研究[J].交通信息與安全,2015,23(6):75-78.

[2] 王良模,張偉,馬星辰.基于聯(lián)合仿真分析的微型轎車 EPS控制策略研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,35(1):91-96.

[3] 趙樹(shù)恩,劉文文.基于NCD/自適應(yīng)模糊PID的汽車EPS系統(tǒng)控制特性研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(11).12-13.

Research on control strategy based on automobile EPS system

Ou Liuyong
( Nantong industrial and trade technician college, Jiangsu Nantong 226399 )

With the rapid development of science and technology, great innovation has been brought to the enterprise industry.In automobile design, steering system is very important, which directly affects the safety and reliability of automobile driving.Many enterprises pay more attention to the research of vehicle steering system, the control strategy of EPS system, including H control strategy, PID based return control strategy, which is based on PID and intelligent control, hope to give some reference sources.

automobile; EPS system; control strategy

U463.4

A

1671-7988 (2017)21-41-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.015

CLC NO.: U463.4

A

1671-7988 (2017)21-41-03

歐劉勇（1981-），男，就職于南通工貿(mào)技師學(xué)院，主要從事汽車維修實(shí)踐與教學(xué)方面的工作。