張文杰

摘要：蓄電池為新能源汽車的主要動力來源，其無法通過發(fā)動機(jī)帶動液壓助力轉(zhuǎn)向泵，這使得電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為適合新能源車輛。基于此，本文將圍繞新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)、快速原型系統(tǒng)開發(fā)、模型的建立及驗證、控制策略、試驗臺的開發(fā)與應(yīng)用開展深入研究，希望研究內(nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：新能源車輛;電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);控制策略

中圖分類號：U469.7;U463.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0203-03

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)與社會的快速發(fā)展，我國汽車保有量不斷提升，汽車帶來的能源消耗和環(huán)境污染問題也開始引起各界重視。為更好服務(wù)于社會發(fā)展并突破發(fā)達(dá)國家的汽車專利封鎖，近年來我國在新能源車輛研發(fā)領(lǐng)域投入了大量資源，本文研究的新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)便屬于研發(fā)成果典型。

1? 新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)

1.1 助力電動機(jī)

助力電動機(jī)屬于EPS系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成（助力單元），負(fù)責(zé)提供全部的助力矩，其需要滿足各種情況下的轉(zhuǎn)矩要求，且需要擁有高速轉(zhuǎn)向時的路感和低速時輕便轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)，為保證擁有較快的起停響應(yīng)，需采用轉(zhuǎn)動慣量小的助力電動機(jī)，同時需要具備一定抗干擾能力并滿足輸出力矩大要求。新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)可選用有刷電機(jī)或無刷電機(jī)，前者的可靠性較差但控制算法簡單，后者的控制較為困難但可靠性較好，一般來說永磁有刷直流電動機(jī)適用于小型車，永磁無刷直流電機(jī)適用于助力要求較大車輛。助力電動機(jī)在新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)中的應(yīng)用需關(guān)注助力特性曲線、最大阻力矩、電機(jī)最大助力矩、功率的設(shè)計[1]。

1.2 轉(zhuǎn)矩傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器主要負(fù)責(zé)測得駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤的方向和對方向盤輸入的轉(zhuǎn)矩數(shù)值，需基于扭桿檢測輸入輸出軸的角位移，以此轉(zhuǎn)換扭矩信號為電信號并向電子控制單元傳送，助力電機(jī)助力電流大小即可基于電子控制單元產(chǎn)生的控制信號改變。轉(zhuǎn)矩傳感器一般設(shè)置于轉(zhuǎn)向柱和助力電機(jī)之間，且制作工藝較高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制作成本較低、可靠性較高，主要存在電位計式轉(zhuǎn)矩傳感器、電磁感應(yīng)式傳感器、光電式轉(zhuǎn)矩傳感器三類，三者的抗干擾能力、成本、測量精度均存在顯著差異，需綜合考慮多方面因素影響。

1.3 電子控制單元

電子控制單元在完成車速信號及方向盤轉(zhuǎn)矩信號收集后，可基于控制算法發(fā)出指令對電磁離合器的運(yùn)行狀態(tài)和助力電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行控制，同時擁有自我保護(hù)和自我診斷功能，助力作用在系統(tǒng)發(fā)生故障時可由電子控制單元自動關(guān)閉，故障指示燈會同時發(fā)光。

1.4 離合器

電磁離合器用于切斷助力電機(jī)動力傳輸，高速時EPS系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向功能造成影響情況可由此規(guī)避，有效發(fā)揮保護(hù)作用。收到電信號后，電磁離合器的電流進(jìn)入滑環(huán)，壓板會在電磁力的作用下將花鍵緊緊壓住，電動機(jī)的輸出力矩會由此伴隨主動輪轉(zhuǎn)動傳遞給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，力矩傳輸?shù)娜蝿?wù)可由此完成[2]。

1.5 車速傳感器

安裝在車輛變速器上的車速傳感器可負(fù)責(zé)采集車速，并向電子控制單元傳送轉(zhuǎn)換為脈沖信號的車速數(shù)據(jù)，一般采用電磁感應(yīng)式的車速傳感器，在車輛變速箱的殼體安裝車速傳感器，磁通量會隨輸出軸轉(zhuǎn)動發(fā)生改變，感應(yīng)電動勢也會隨之產(chǎn)生。在接收車速傳感器發(fā)送的電信號后，電子控制單元可基于電動勢的脈沖頻率完成車速計算。

1.6 減速機(jī)構(gòu)

通過輸出轉(zhuǎn)矩，助力電機(jī)輸出軸可直接連接減速機(jī)構(gòu)，減速增扭（增加輸出助力矩）可由此直接實現(xiàn)，同時可向轉(zhuǎn)向齒輪箱傳送增大的扭矩，傳送出的助力扭矩會隨減速比增大而增大。行星齒輪減速器多用于轉(zhuǎn)向軸助力式EPS系統(tǒng)，蝸輪蝸桿減速器多用于齒條助力式EPS系統(tǒng)和齒輪助力式EPC系統(tǒng)，考慮到蝸輪蝸桿減速器在較大的傳動比獲得和結(jié)構(gòu)簡單性方面優(yōu)勢明顯，本文選擇采用樹脂等非金屬材料作為齒輪的蝸輪蝸桿減速器，而在減速器的減速比選擇時，選擇G為17，新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的耐久度提升和噪聲降低均可由此實現(xiàn)[3]。

2? 新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)快速原型系統(tǒng)的開發(fā)

圖1為本文開發(fā)的新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)快速原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、二自由度整車模型、助力電機(jī)模型、控制器模型共同組成。同時需建立采用模糊自適應(yīng)PID控制策略的新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型，具體如圖2所示。

3? 新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型的建立及驗證

新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型的建立需分析系統(tǒng)受力，包括助力電機(jī)提供的助力矩、方向盤的輸入力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力矩。同時還需要考慮動力學(xué)模型的不確定，包括周圍環(huán)境因素的變化、系統(tǒng)模型的仿真參數(shù)不確定、非線性的不確定因素。為順利建立新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型，研究做出了以下假設(shè)，包括忽視扭桿的轉(zhuǎn)動慣量、存在100%的機(jī)械結(jié)構(gòu)力矩傳送效率、存在無窮大的機(jī)械單元剛度系數(shù)。圖3為簡化后的新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)模型[5]。

4? 新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)控制策略的深入研究

對于新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)常用的控制算法來說，這類算法可細(xì)分為五類，包括PID控制、基于PID的補(bǔ)償控制、智能PID控制、智能控制、H∞魯棒控制。助力控制模式屬于EPS系統(tǒng)最為常用的控制模式，控制中最重要的點(diǎn)為追蹤目標(biāo)電流。對于PID控制模式來說，其具備結(jié)構(gòu)簡單特點(diǎn)，但對于不能確定被控對象結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況，該模式的調(diào)節(jié)作用無法充分發(fā)揮，需輔以其他算法;對于模糊自適應(yīng)PID控制策略，該策略能夠解決PID調(diào)節(jié)控制器出現(xiàn)的無法得到優(yōu)化性最好參數(shù)、導(dǎo)致系統(tǒng)抗干擾能力下降等問題，而通過將模糊控制理論（智能控制）與PID調(diào)節(jié)相融合，基于不同的運(yùn)行情況，車輛即可實現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，超調(diào)量控制、系統(tǒng)穩(wěn)定性提升均可順利實現(xiàn)。模糊控制器屬于模糊自適應(yīng)PID控制核心，反模糊化的方法、模糊控制規(guī)則等因素直接影響模糊控制器性能，而由于其亂魯棒性較強(qiáng)，因此其能夠更好服務(wù)于新能源車輛這類時變非線性系統(tǒng)。模糊自適應(yīng)PID控制框架由五部分組成，包括定義變量、知識庫、推理機(jī)、模糊化、反模糊化。

在回正控制策略的選擇中，考慮到新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)控制需要采集方向盤角速度及方向盤的角度，回正控制所需要的電流需基于PID控制調(diào)整，快速穩(wěn)定回正到中間位置的方向盤必須規(guī)避回正不足或回正過量問題;阻尼控制策略的選擇需關(guān)注路況不好時快速行駛新能源車輛出現(xiàn)的方向盤抖動、方向盤偏轉(zhuǎn)等問題，轉(zhuǎn)動慣量下助力電機(jī)的輸出軸無法快速停止很容易引發(fā)安全事故，因此需做好對助力電機(jī)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向反方向的力矩控制，保證其能夠?qū)崿F(xiàn)快速停下。

開展仿真可以確定，基于助力控制仿真實驗、EPS系統(tǒng)助力電流仿真、阻尼控制仿真實驗、回正控制仿真實驗，可確定安裝電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的新能源車輛的轉(zhuǎn)向輕便性大幅提升，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能在PID控制加入后提升明顯，PID控制可在模糊自適應(yīng)PID控制加入后實現(xiàn)顯著優(yōu)化。在模糊自適應(yīng)PID控制加入后，實際工作中助力電機(jī)的效果提升明顯，穩(wěn)定速度和超調(diào)量均有所降低?；卣刂萍尤牒?，可得到較小的回正后余角和更快的方向盤回正速度，回正效率提升明顯。阻尼控制應(yīng)用后，高速運(yùn)行時的安全性大幅提升，駕駛員可獲得較好路感，高速行駛不存在方向盤擺動問題，整體仿真表明新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)控制策略是有效的[6]。

5? 新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)試驗臺的開發(fā)與應(yīng)用

本文研究開發(fā)了由電子控制單元、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器、方向盤、助力電機(jī)、輪胎輪轂等器件組成的實驗臺，12V蓄電池為臺架助力電機(jī)動力來源，實驗臺架參數(shù)化基于研究所選器件實現(xiàn)，臺架控制臺上包括保險絲座、診斷座、點(diǎn)火開關(guān)。整個實驗臺助力模式的關(guān)閉和開啟可基于點(diǎn)火開關(guān)實現(xiàn)，該實驗臺還可以用于理論驗收，新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的工作流程及工作特點(diǎn)可由此簡潔明了表示，臺架出現(xiàn)問題時診斷座可自動完成問題所在點(diǎn)檢測，實驗臺架故障點(diǎn)可基于保險絲座設(shè)置。對于設(shè)有很多監(jiān)測點(diǎn)的操作面板來說，傳感器信號可在運(yùn)行時檢測，實驗臺架出現(xiàn)的問題也可基于檢測點(diǎn)來測量判斷。設(shè)置顯示電流的顯示屏于臺架面板右下角，助力電機(jī)的電流可基于該顯示屏觀察。在臺架安裝過程中，涉及的內(nèi)容包括安裝整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)計操作面板電路、修改電子控制單元、線束整理、安裝各零部件、測試臺架性能等。

新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)試驗臺可用于實驗驗證，以一部分轉(zhuǎn)向?qū)嶒灋槔?，可開展5次實驗并取數(shù)據(jù)平均值，實驗圖像可通過擬合獲得的實驗數(shù)據(jù)獲取，由此即可得到助力電流實驗圖，仿真中的電機(jī)電流與圖中的電流曲線相匹配，這說明仿真情況基本合理，所需要的助力特性基本滿足。進(jìn)一步獲取助力矩與力矩輸出、總體輸出力矩曲線圖，可證明仿真實驗基本滿足，所需要的力矩大小基本符合。

6? 本文總結(jié)和今后成果的深入研究

結(jié)合仿真可以確定，PID控制在新能源車輛橫擺角速度響應(yīng)超調(diào)量減少、穩(wěn)定時間縮短方面的表現(xiàn)較為優(yōu)秀，且能夠改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輕便型。在加入模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)后，可得到進(jìn)一步優(yōu)化的控制效果，進(jìn)一步實現(xiàn)超調(diào)量降低、穩(wěn)定時間縮短?；卣刂啤⒆枘峥刂频男Ч不诜抡娴玫津炞C，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時不加入阻尼控制存在的較大方向盤轉(zhuǎn)向角問題、方向盤低速時無法回正到正中間位置且回正速度較慢問題均得到了較好解決，行使的安全性大幅提升。此外，基于新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)的仿真實驗，研究還針對性建立了實驗臺架，基于實驗臺架開展的實驗驗證可以確定，雖然實驗臺架得到了存在一定波動的實驗數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)基本平滑，和仿真實驗得到的結(jié)果基本符合，新能源車輛電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)控制策略的實用性得到了更好證明。

但值得注意的是，本文研究也存在一定不足，應(yīng)基于實驗驗證分析對已設(shè)定的控制規(guī)則、隸屬度函數(shù)形狀、單元素隸屬度函數(shù)值、模糊控制論域進(jìn)行優(yōu)化修改，以此進(jìn)一步實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的助力轉(zhuǎn)向效果獲取，今后研究還應(yīng)考慮引入基于變論域的模糊控制理論。對于研究中整車模型的建設(shè)，模型以二自由度為依據(jù)，但由于較多參數(shù)在建模過程中被忽略，為提高仿真分析的精度，后續(xù)研究需要設(shè)法提升建模自由度。為保證新能源車輛能夠?qū)崿F(xiàn)不同工況下良好的助力轉(zhuǎn)向，還應(yīng)針對性開展助力特性曲線設(shè)計，以此結(jié)合多種助力特性曲線，進(jìn)一步提升助力特性曲線的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉俊榮，牛營凱，尹華清，李紅艷.新能源輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展淺析[J].汽車實用技術(shù)，2019（19）：18-19.

[2]桂軍.基于Workbench的某新能源汽車轉(zhuǎn)向拉桿連接強(qiáng)度分析[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，32（02）：7-11.

[3]牛營凱，李紅艷，尹華清，劉俊榮.新能源輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件輕量化淺析[J].汽車實用技術(shù)，2019（07）：11-13.