管東方，曲寶軍，張 璐，李洪強，劉 聰

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

EPS系統(tǒng)是電動汽車設計裝配過程中的關鍵部件之一，直接通過電動機對駕駛員提供不同工況下的助力，而且噪聲、廢棄物污染小,目前國內(nèi)外很多車型已經(jīng)配備EPS系統(tǒng)[1]。電動助力轉向的性能主要由兩方面決定：一方面是助力特性曲線[2],良好的助力特性曲線可以給駕駛員帶來較好的路感，另一方面是系統(tǒng)的整體控制策略，魯棒性較好的控制策略可以提高助力電機電流的跟隨性，改善轉向系統(tǒng)的動態(tài)性能[3]。

EPS系統(tǒng)在運行過程中的工況復雜多變，傳統(tǒng)的控制策略難以協(xié)調(diào)不同工況下的運行需求[4]。在汽車行駛過程中駕駛員的轉向操控對助力的控制要求相對較高[5]，EPS系統(tǒng)根據(jù)行駛狀況提供不同的助力會獲得較好的控制效果[6]。本文針對 EPS 系統(tǒng)的助力特性，設計了基于無刷電機的控制策略[7]。

1 EPS系統(tǒng)工作原理概述

EPS系統(tǒng)的結構如圖1所示，其在原有的機械轉向系統(tǒng)上加裝了轉角、轉矩傳感器等眾多的信號采集裝置。駕駛員在對汽車進行操控的同時，EPS系統(tǒng)實時分析計算傳感器回傳的車速、轉矩和轉角，控制器根據(jù)傳感器信號決定助力的方向與大小，用以改善駕駛員在駕駛過程中的路感。電流傳感器串聯(lián)在直流無刷電機的電樞回路中，通過電流傳感器回傳的電流值，控制芯片完成電流的閉環(huán)控制。

圖1 EPS系統(tǒng)結構簡圖Fig.1 EPS system structure diagram

2 EPS系統(tǒng)控制策略及助力特性設計

2.1 EPS系統(tǒng)整體控制策略

EPS系統(tǒng)是根據(jù)原有的機械轉向系統(tǒng)增加了電子控制單元，依靠車速、方向盤轉矩及轉角等各個傳感器信號來判斷當前汽車所處的工況，通過執(zhí)行機構來幫助駕駛員較為輕便地實現(xiàn)汽車轉向。為實現(xiàn)EPS系統(tǒng)對轉矩的控制，必須控制直流無刷電機的母線電流，而對直流無刷電機的控制是根據(jù)3個霍爾式傳感器返回的位置信號來實現(xiàn)的。調(diào)整三相橋式逆變電路PWM的占空比，控制無刷電機電流的大小。

EPS系統(tǒng)的3種基本工況為助力控制模式、阻尼控制模式和回正控制模式，其中阻尼控制模式與回正控制模式都是基于傳統(tǒng)助力控制模式進行開發(fā)研究的，本文主要研究助力控制模式。

2.2 助力控制策略

在不同車速下助力電機提供不同的轉向助力，一般車速越快，助力電機提供的轉向助力越小。由于傳統(tǒng)的PID控制在時變、非線性等方面存在很多不足，本文通過對無刷電機的電流進行閉環(huán)控制，間接實現(xiàn)對助力轉矩的控制。微處理器根據(jù)目標電流與實際電流的差值進行調(diào)節(jié)，將結果以PWM占空比的形式經(jīng)過預驅動電路送至三相橋式逆變電路，三相橋式逆變電路對無刷電機的轉矩進行控制，實現(xiàn)本文EPS系統(tǒng)對助力工況的控制要求。EPS系統(tǒng)控制策略如圖2所示。

圖2 EPS助力控制策略Fig.2 EPS power control strategy

2.3 助力特性曲線的選取

助力特性曲線是指轉向盤轉矩與助力轉矩的關系。一般來講，電動助力轉向的助力特性曲線一般可以概括為3種：直線型、折線型和曲線型，如圖3所示。

(a)直線型 (b)折線型 (c)曲線型圖3 3種助力特性曲線Fig.3 Three kinds of boost characteristics

雖然直線型助力曲線形式比較簡單，容易調(diào)節(jié)，但不容易滿足路況比較苛刻的路感要求，而曲線型助力需求的運算量相當大，對單片機造成很大的運算負擔，目前曲線助力只停留在仿真階段。為了便于單片機計算且保持控制策略的靈活性，采用折線型助力曲線。折線型助力特性曲線如圖4所示。

圖4 折線型助力特性曲線Fig.4 Polyline characteristic chart

2.4 助力特性參數(shù)匹配

以折線型助力曲線為例，整定各個助力特性參數(shù)，助力特性需要確定以下4個參數(shù)：

1)起始助力轉向盤輸入轉矩Td0

為了便于駕駛員控制，當方向盤上的轉矩小于某一定值時，助力電機不提供助力轉矩，否則會造成轉向過于靈敏，一般取Td0=1 N·m。

2)轉向盤的最大輸入轉矩Tdmax

對于轉向盤的最大輸入轉矩，由于駕駛員對轉向盤的最大力矩有不同的要求，而國家標準規(guī)定轉向盤的最大切向力不能大于50 N，為便于駕駛員輕松駕駛，轉向盤的最大輸入力矩一般需遠小于50 N，結合實際經(jīng)驗，最大輸入力矩取Tdmax=7 N·m。

3)最大助力電流Imax

由于汽車助力不能無限制大，故存在助力電機所能提供的最大助力電流。當汽車在原地進行轉向時所需要的助力力矩最大。其中汽車原地轉向的最大阻力矩Trmax的經(jīng)驗公式為

(1)

式中：f為輪胎與路面的滑動摩擦系數(shù)，一般取0.7，接近實際生活中的路面摩擦系數(shù)；G為前軸負荷；P為輪胎氣壓，由于本文設計的管柱式電動助力轉向系統(tǒng)適用于中小型汽車，一般轎車重量在1 000～1500 kg之間，并且前輪負荷一般在車重的55%以上，取前軸負荷為G= 800 kg，輪胎的氣壓隨路況的不同會有浮動，一般在220～250 kPa左右浮動，計算時取230 kPa，由式(1)可得Trmax= 348.3 N·m。

無刷電機的最大輸出轉矩為

(2)

式中：im為電機減速機構傳動比；ηm為減速機構傳動效率；ηr為齒輪齒條轉向器正向傳動效率；gt為轉向橫拉桿到轉向輪主銷之間的傳動比；gr為齒輪齒條轉向器傳動比。本文電機im=16，gr=20，取ηm、ηr、gt為1，則計算可得Tmmax= 0.65 N·m。

助力電機的最大助力電流為

Imax=Tmmax/Ki

(3)

式中:Ki代表電機的轉矩系數(shù)，本文根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗取值。

由式(3)計算得Imax=9.5 A,留有一定的余量，本文選取的控制電機Imax=20 A。

4)車速系數(shù)

由上述確定的3個參數(shù)可以制定出汽車的最大助力曲線，當汽車在原地轉向時阻力較大，需要助力電機提供的助力較大， 當車速增大時，若還繼續(xù)保持原有的助力關系，會出現(xiàn)方向盤“發(fā)飄”的情況，故需要適當減小助力。目前仍然沒有確定車速系數(shù)的具體方法，且對于已經(jīng)調(diào)試好的車速系數(shù)來說，不同的車型和對于不同路感要求的車來說并不一定適用。本文試驗從0 km/h開始，以20 km/h為間隔選取5個特性車速進行實驗，其他車速下的車速系數(shù)根據(jù)相鄰特征車速進行線性插補或擬合獲得。

3 控制器的設計

本文選取微處理器TMS320F2811開發(fā)直流無刷電機EPS系統(tǒng)。以TMS320F2811為最小系統(tǒng)，設計了電源電路、三相橋式逆變無刷電機驅動電路、信號調(diào)理電路、點火開關和霍爾信號采集電路等，同時在電路安全設計方面加入電機過流、過壓保護以及報警功能。

3.1 逆變橋電路設計

無刷電機采用電子換向，具有與直流有刷電機一樣優(yōu)良的調(diào)速性能，本文采用了比較容易實現(xiàn)且具有較高控制精度的轉矩直接控制，采用PWM脈寬調(diào)制技術，通過對EPS系統(tǒng)的控制策略確定占空比來控制無刷電機輸出的轉矩，本文從無刷電機的三相橋式逆變電路和控制策略方面進行優(yōu)化。

一般采用霍爾傳感器實時檢測無刷電機的位置，其優(yōu)勢在于減小轉矩波動，改善助力特性?？紤]到無刷電機的控制器一般采用三相逆變橋驅動，本文設計的帶母線電流傳感器的全橋逆變電路如圖5所示。

圖5 帶母線電流傳感器的全橋逆變電路Fig.5 Full bridge inverter circuit with bus current sensor

圖5中，Q1—Q6為功率MOS管IRF80N04,R1—R6為柵極驅動電阻，R7—R10為柵極下拉電阻，R13為精密采樣電阻，s1—s6為經(jīng)過功率放大后的PWM信號，U1為母線電流信號放大元件，控制器根據(jù)母線電流信號進行轉矩的閉環(huán)控制。

其中驅動控制芯片A3935具有優(yōu)良的故障自診斷功能：當出現(xiàn)電源短路、三相橋式逆變開路、電源過壓或欠壓等狀況及時反饋給控制系統(tǒng)，處理器根據(jù)驅動芯片回傳的故障代碼及時判定故障類型，發(fā)出相應的報警，并及時切斷PWM模塊信號，阻止問題的進一步發(fā)生。

3.2 控制器控制流程設計

控制系統(tǒng)的軟件由中斷服務函數(shù)與主程序構成。主程序完成的工作有各個I/O寄存器的配置、相關寄存器的初始化、脈沖驅動信號的計算與輸出、各個I/O狀態(tài)監(jiān)控和信號高速采集等功能；其中中斷服務子函數(shù)包括ADC采集、主副轉矩占空比采集、hall信號輸入捕獲與脈沖信號的采集。

結合上述分析，針對EPS系統(tǒng)的特點，結合數(shù)字式PID控制器，對EPS整體的控制流程分析如圖6所示。

圖6 主程序控制流程Fig.6 Main program control flow

4 實驗

本文設計的控制器在車輛EPS系統(tǒng)試驗臺架上進行。EPS實驗臺架主要包括臺架、助力電機控制系統(tǒng)、磁粉制動器以及信號采樣分析系統(tǒng)4個部分。磁粉制動器方便模擬不同路況下的路面狀況，如圖7所示。

圖7 電動助力轉向系統(tǒng)試驗臺架Fig.7 Test bench of electric power assisted steering system

本文控制器以TMS320F2811最小系統(tǒng)為核心，設計了信號的采樣調(diào)理電路，主要采集的信號有轉矩、車速、電機母線電流、霍爾傳感器的位置信號以及其他的開關信號；選用的汽車級芯片A3935具有過壓、過流保護功能，以及故障自診斷功能。

為驗證控制策略的有效性，將控制器在電動助力轉向的試驗臺上進行了輸入/輸出轉矩試驗和輸入轉角/輸入轉矩試驗，輸入/輸出特性曲線如圖8所示，記錄了在試驗臺架上0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h和80 km/h 5個車速下輸入轉矩與輸出轉矩的關系。由圖8可知，各個速度下的輸入、輸出特性曲線對稱性良好，且車速信號越大，助力電機輸出的助力轉矩降低，滿足實驗要求。

圖8 輸入/輸出特性曲線Fig.8 Input/output characteristic curves

圖9為 60 km/h車速下轉向盤轉矩曲線圖。由圖9可知，有電機助力的汽車轉向輕便性相比較于無助力的有較大提高；當轉向盤轉矩的絕對值小于一定值時電機不提供助力，隨著轉向盤轉矩超過臨界值，電機的助力轉矩也隨之增加；且助力電機助力轉矩對稱性在90%以上，符合電動助力轉向系統(tǒng)控制要求。

圖9 60 km/h車速下轉向盤轉矩圖Fig.9 Steering wheel torque diagram at 60 km/h speed

在車速等于60 km/h時向方向盤施加轉向力矩，從而分析助力電機電流的動態(tài)特性如圖10所示。

圖10 60 km/h車速下電機母線電流變化Fig.10 Steering wheel torque diagram at 60 km/h speed

由圖10可知，有電機助力與無電機助力情況下的母線電流變化，電機助力能夠明顯降低穩(wěn)態(tài)誤差，相應提高響應時間，動態(tài)特性較好。

5 結束語

本文研究了電動助力轉向系統(tǒng)的助力特性，設計了系統(tǒng)整體控制策略，并基于汽車級芯片A3935設計了直流無刷電機的三相全橋驅動電路，開發(fā)了基于DSP數(shù)字信號微處理器TMS320F2811的電動助力微控制器。在EPS 系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設計、開發(fā)實驗的過程中，出現(xiàn)了控制單元過熱等現(xiàn)象。可以采用改變軟件算法來控制響應精度、控制單元與最小系統(tǒng)分離等方法進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對未來的EPS系統(tǒng)開發(fā)有指導意義。