于發(fā)加

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404）

前言

汽車在低速時(shí)駕駛汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，對(duì)外輸出功率較大，這樣一來駕駛者就不能長時(shí)間駕駛。而汽車作為一個(gè)代步工具，自然是越省力越好，為了解決此類問題，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法使轉(zhuǎn)向輕便性和路感都處在一個(gè)足夠好的狀態(tài)，而EPS 可以做到這一點(diǎn)。EPS 由電動(dòng)機(jī)為其提供助力，比之前的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操作更為簡單，對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流進(jìn)行一定控制，就能傳遞助力通過改變助力電流來滿足不同車型的需要。

1 模糊控制概述

模糊控制是基于專家知識(shí)或操作經(jīng)驗(yàn)，采用語言規(guī)則表示的一種人工智能控制策略。模糊控制可以按照經(jīng)驗(yàn)或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定控制規(guī)則來控制受控對(duì)象[1]。

模糊邏輯的基礎(chǔ)是“經(jīng)驗(yàn)值”，相對(duì)于其他控制方法，模糊控制方法比較成熟可以充分利用專家知識(shí)，且此技術(shù)與汽車電子控制技術(shù)融合度較高，不需要改變汽車電子控制技術(shù)的程序代碼，而只需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)和匹配即可。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的模糊控制器分別有兩個(gè)輸入端以及一個(gè)輸出端。輸入為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩Ts以及車速V，輸出則是目標(biāo)電流Icmd。

圖1 為模糊控制器原理圖，在模糊控制器中輸入兩個(gè)參數(shù)分別是車速和轉(zhuǎn)矩，通過運(yùn)算最終得到目標(biāo)電流。

圖1 模糊控制器原理圖

通常的模糊控制由模糊化接口、知識(shí)庫、推理機(jī)制和模糊判決（即反模糊化）等部分組成。

在進(jìn)行模糊控制過程中，首先建立推理規(guī)則庫，主要有推理管理體系和推理經(jīng)驗(yàn)值兩部分組成即經(jīng)驗(yàn)集合加規(guī)則集合，這兩部分并不是直接輸入到相應(yīng)的單片機(jī)中，而是需要進(jìn)行一定的處理和運(yùn)算形成模糊控制的數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫，并以數(shù)列的形式供ECU 查詢和使用。其次是輸入?yún)?shù)即方向盤的轉(zhuǎn)矩Ts和車速V。然后根據(jù)輸入的參數(shù)值與ECU 中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比分析，將精確的輸入值轉(zhuǎn)化成模糊的控制策略[2]。最后輸出控制電動(dòng)助力電機(jī)精確的目標(biāo)電流。

2.1 MATALB-FuzzyLogic 模塊介紹

FuzzyLogic 是MATALB 仿真軟件在中的一個(gè)模塊，它主要的功能是進(jìn)行控制策略的仿真模擬，主要是模糊控制這一部分。首先在FuzzyLogic 中定義仿真需要的輸入/輸出量，然后輸入需要的輸入量值，調(diào)取或者建立相關(guān)的控制規(guī)則，然后進(jìn)行仿真分析得到精確的輸出量和相關(guān)曲線[3]。仿真過程中通過改變輸入量的值進(jìn)行曲線和輸出量值得變化分析，已得到需要的結(jié)果。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的研究主要涉及到兩個(gè)變量，分別是轉(zhuǎn)向盤力矩輸入和車速輸入，對(duì)以上兩個(gè)變量分析仿真可以得到助力電機(jī)的助力電流。

2.2 各參量的定義及模糊化

模糊控制器的參量主要包括轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩Ts與車速V，以及目標(biāo)電流Icmd。其中轉(zhuǎn)矩Ts與車速V是輸入量，目標(biāo)電流Icmd是輸出量。

（1）轉(zhuǎn)矩Ts：設(shè)定轉(zhuǎn)向盤輸入力矩，對(duì)于微型汽車，參照對(duì)應(yīng)資料，取Td0=1 Nm。為了降低駕駛者的疲勞程度，參照對(duì)應(yīng)資料，初步取Tdmax=10 Nm。在此條件下，助力電機(jī)在汽車整個(gè)行駛狀態(tài)下為其提供助力轉(zhuǎn)矩。根據(jù)上述對(duì)轉(zhuǎn)矩的取值，轉(zhuǎn)矩Ts的模糊論域?yàn)閇1，10]，單位為N·m。

（2）車速V：按照我國正常車速0～120 km/h 的要求，設(shè)置其模糊論域?yàn)閇0，120]，單位是km/h，設(shè)計(jì)其語言值為{ZERO（零），VSLOW（很慢），SLOW（慢），MEDIUM（中等），F(xiàn)AST（快），QFAST（相當(dāng)快），VFAST（很快）。

（3）目標(biāo)電流Icmd：汽車轉(zhuǎn)向電動(dòng)助力系統(tǒng)所使用的助力電機(jī)一般的額定電流是小于等30 A，所以設(shè)置其模糊論域?yàn)閇0，28]，單位是A，設(shè)計(jì)其語言值為{ZERO（零），VSMALL（很小），SMALL（?。?，MEDIUM（中等），BIG（大），QBIG（相當(dāng)大），VBIG（很大）。

模糊化控制其輸入是一系列的精確值，而經(jīng)過計(jì)算后輸出的是模糊值，模糊化的作用是確定隸屬度函數(shù)，即輸入變量和輸出變量的隸屬度關(guān)系，通過輸入變量的語言輸入后，經(jīng)過函數(shù)運(yùn)算得到模糊的輸出變量[4]。具體來說就是在隸屬度函數(shù)圖中已知輸入變量X 值，求出輸出變量Y 值。

2.3 建立模糊推理規(guī)則

模糊控制規(guī)則是模糊推理的依據(jù)。因?yàn)镋PS 對(duì)助力特性曲線有很多要求加上駕駛者在行駛過程中的一些操作經(jīng)驗(yàn)，得到7*7=49 條控制規(guī)則。這些規(guī)則對(duì)于雙輸入（轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩Ts與車速V）單輸出（助力電流Icmd）的模糊控制器[5]，主要用到如下形式：

對(duì)以上程序語言進(jìn)行分析，如果方向盤的力矩輸入很大，車速輸入值也很快，則對(duì)助力電機(jī)輸出的目標(biāo)電流就很小。根據(jù)以上程序片段的編寫邏輯對(duì)其他情況依次進(jìn)行程序的編寫，最終形成一個(gè)完整的程序輸入到控制器，當(dāng)輸入力矩與車速發(fā)生變化時(shí)，輸出的目標(biāo)電流也會(huì)根據(jù)確定的規(guī)則進(jìn)行變化，從而確定精確的目標(biāo)電流值[6]。

3 助力特性圖及仿真分析

將編寫完成的仿真程序及不同的力矩Ts、車速V輸入到MATALB-FuzzyLogic 模塊中進(jìn)行仿真分析，如圖2 所示。

圖2 EPS 系統(tǒng)助力特性圖

經(jīng)過仿真分析得到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力曲線，下面來分析轉(zhuǎn)矩Ts、車速V對(duì)助力電流的Icmd影響。分兩種情況，其一是輸入的車速V不變的情況下，力矩Ts對(duì)電機(jī)目標(biāo)電流Icmd的影響變化；一種是力矩Ts不變的情況下，車速V電機(jī)目標(biāo)電流Icmd的影響變化。

首先分析輸入的力矩Ts不變的情況下，車速V對(duì)電機(jī)目標(biāo)電流Icmd的影響變化，如圖3 所示。

圖3 不同V 下的Ts與Icmd的關(guān)系曲線圖

然后分析輸入的車速V不變的情況下，力矩Ts對(duì)電機(jī)目標(biāo)電流Icmd的影響變化，如圖4 所示。

圖4 固定Ts下的Icmd與V 對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖

由圖3 和圖4 得知，目標(biāo)電流Icmd與轉(zhuǎn)矩Ts和車速V的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線有以下特點(diǎn)：

（1）當(dāng)車速V固定不變時(shí)，目標(biāo)電流Icmd變大時(shí)輸入轉(zhuǎn)矩Ts也同時(shí)變大。

（2）進(jìn)行低速運(yùn)行時(shí)，為了保證低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便，所以要給其一個(gè)很大的助力電流Icmd。當(dāng)車速不斷地增加，助力電流Icmd就會(huì)慢慢減小，助力也會(huì)慢慢減小。

（3）當(dāng)方向盤輸入力矩較小時(shí)如圖4（a）、4（b）所示，車速越低輸出的助力電流越大，方向盤操縱輕便，車速越高輸出的助力電流越小，使車輛保持較好的路感。

（4）當(dāng)方向盤輸入力矩較大時(shí)如圖4（c）、4（d）所示，車速越低輸出的助力電流越大，方向盤操縱輕便，車速越高輸出的助力電流越小，使車輛保持較好的路感；總的來說轉(zhuǎn)向盤輸入力矩較大而車速較低，助力電流大，轉(zhuǎn)向盤輸入力矩較小而車速較高，助力電流小。

（5）當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩Ts不斷增加時(shí)，提供助力電流Icmd也會(huì)不斷增加，使助力轉(zhuǎn)向效果達(dá)到最好。

通過對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行仿真和分析得出，通過模糊控制器進(jìn)行助力轉(zhuǎn)向控制得到的助力轉(zhuǎn)向特性曲線與汽車助力轉(zhuǎn)向本身的特性曲線基本一致，所以模糊控制方法對(duì)于助力控制是合理的。而且模糊控制策略下的助力控制策略可以得到助力電機(jī)的目標(biāo)電流值，在此基礎(chǔ)上，隨著汽車行駛，車速和轉(zhuǎn)向盤輸入力矩的大小輸入到ECU 中進(jìn)行助力模糊控制，控制過程中只需要改變轉(zhuǎn)向盤輸入力矩、車速和助力電流的數(shù)值，既可以得到每時(shí)每刻與EPS 相匹配的助力特性。

4 結(jié)論

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以有效改善車輛轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性，越來越多的車輛開始使用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS。本文對(duì)EPS 助力特性進(jìn)行分析，并采用模糊控制對(duì)分析的結(jié)果利用模糊控制器，在Fuzzy Logic 軟件上仿真，得到了車速V、方向盤輸入轉(zhuǎn)矩Ts與目標(biāo)電流Icmd三者的關(guān)系曲線，通過曲線可以得出模糊控制的控制策略可以滿足EPS在實(shí)際應(yīng)用中在轉(zhuǎn)向方面中對(duì)轉(zhuǎn)向助力的需求。