微型車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略的研究與設(shè)計(jì)＊

池保忠

(江蘇廣播電視大學(xué)常熟學(xué)院，江蘇常熟215500)

微型車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略的研究與設(shè)計(jì)＊

池保忠

(江蘇廣播電視大學(xué)常熟學(xué)院，江蘇常熟215500)

微型車在實(shí)際駕駛的過(guò)程中隨車速的變化，駕駛員所需轉(zhuǎn)向力矩也在變化。EPS核心技術(shù)是EPS的控制策略，這種策略依然處于不斷的發(fā)展之中。本文在對(duì)EPS基本控制原理進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，對(duì)EPS具體控制模式進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并設(shè)計(jì)了微型車EPS的具體控制策略。

微型車;電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向;控制策略

微型車在實(shí)際環(huán)境下的駕駛過(guò)程中，隨著其車速的快慢，車輛駕駛員所需要的相關(guān)轉(zhuǎn)向力矩也是不一樣的，具體表現(xiàn)如下:在進(jìn)行高速轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員所需的力矩較小，而與之相對(duì)應(yīng)的是:低速轉(zhuǎn)向所需的力矩大。所以，應(yīng)該隨著車輛行駛和轉(zhuǎn)向狀態(tài)而改變EPS助力大小。電機(jī)助力特性指的是隨車輛受力狀況(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩)和運(yùn)動(dòng)狀況(車速)的變化而變化的一般規(guī)律。對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，直流電機(jī)電流與助力的關(guān)系是成比例的，所以，微型車的助力特性能夠引入變化關(guān)系曲線來(lái)進(jìn)行表示，此曲線是以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、車速與電機(jī)電流的關(guān)系而得出的。理想的助力特性能夠?qū)D(zhuǎn)向輕便性與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系充分協(xié)調(diào)，并提供給手動(dòng)轉(zhuǎn)向與駕駛員一致的路感。

一、微型車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

EPS主要通過(guò)助力特性實(shí)現(xiàn)助力控制策略，EPS具有多種形式的助力特性，存在三種典型EPS助力特性，分別為:直線型助力特性、折線型助力特性與曲線型助力特性。直線型助力特性的特點(diǎn)是參數(shù)調(diào)整方便，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)容易，故廣泛應(yīng)用;曲線型助力實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也相對(duì)偏難，故在實(shí)際中應(yīng)用比較少見(jiàn);折線型助力特性的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)介于上述兩者之間。

(一)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)EPS系統(tǒng)助力特性時(shí)，應(yīng)該符合以下原則:

①在微型車的助力曲線中，由于難以避免轉(zhuǎn)向助力的死區(qū)。系統(tǒng)若處于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩較小的區(qū)域內(nèi)，是不會(huì)存在轉(zhuǎn)向助力的;此外，在汽車處于不同車速時(shí)，為保證足夠的路感，開(kāi)始助力的時(shí)機(jī)也是不同的。

②為保證足夠的路感，應(yīng)隨著車速的不同而提供不同助力比的轉(zhuǎn)向助力區(qū)。

③為保持轉(zhuǎn)向過(guò)程的平穩(wěn)性，轉(zhuǎn)向助力隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的減小而減小，同理，隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的增大而增大。

④轉(zhuǎn)向助力在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩已經(jīng)抵達(dá)事先設(shè)定好的限值之前，其值是一直保持不變的，這樣就形成了一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向飽和區(qū)，這個(gè)飽和區(qū)可以使由于電機(jī)的電流過(guò)大而導(dǎo)致控制器中的功率器件燒毀等事件的幾率大幅度降低。

⑤為了保證方向盤操作力不會(huì)出現(xiàn)跳躍感，助力特性曲線各區(qū)段過(guò)渡要平滑。

(二)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的具體設(shè)計(jì)

對(duì)于微型車EPS助力控制策略的設(shè)計(jì)，核心內(nèi)容是設(shè)計(jì)其助力特性，典型EPS助力特性有三種，分別是直線型助力特性、折線型助力特性和曲線型助力特性。結(jié)合課題實(shí)際開(kāi)發(fā)的要求，通過(guò)對(duì)比研究上述三種典型助力特性，本文所設(shè)計(jì)的EPS助力控制采用直線型助力特性。在對(duì)EPS助力特性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要對(duì)以下兩個(gè)層面進(jìn)行闡述:

①電機(jī)助力電流和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩在某一特定車速下的關(guān)系;

②電機(jī)助力電流和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩在不同車速下的變化關(guān)系。

圖1所示為典型的直線型助力特性曲線。

圖1 典型的直線型助力特性曲線

由圖可知，在微型車處于數(shù)據(jù)行使的某一車速下，且微型車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩比門限值Td0的值要小時(shí)，系統(tǒng)所提供助力的值為0，也就是說(shuō)不提供任何助力;而當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩超越了Tdmax門限值的時(shí)候，處于保護(hù)電機(jī)的目的，設(shè)置系統(tǒng)助力的值為該車速下所能達(dá)到的最大值;當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩處于圖中門限值Td0與Td max的數(shù)值之間時(shí)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)助力之間的變化關(guān)系是線性的。對(duì)于直線型助力特性，當(dāng)確定了參數(shù)助力增益K(V)以及Td0和Tdmax之后，就可以確定整個(gè)助力特性曲線。

結(jié)合參考文獻(xiàn)［3］中的理論分析結(jié)果，并考慮到本文所研究的微型車的實(shí)際需要，本文確定以下的參數(shù):Td max=8Nm，Td0=2Nm，則可知助力恒定區(qū)的范圍在［8，15］Nm，轉(zhuǎn)向助力區(qū)的范圍在為［2，8］Nm，助力死區(qū)的范圍在［0，2］Nm，而高于15Nm的時(shí)候，系統(tǒng)助力會(huì)停止。EPS系統(tǒng)的靜態(tài)特性與K(V)關(guān)系密切，考慮到影響轉(zhuǎn)向阻力的因素很多，難以進(jìn)行精確確定，所以需要試驗(yàn)調(diào)試結(jié)合理論分析來(lái)確定。

具體到本文所設(shè)計(jì)的EPS控制器，由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是針對(duì)小排量微型車的，為了使EPS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，將車輛速度區(qū)分為無(wú)助力車速區(qū)和助力車速區(qū)的界限為車速80公里/小時(shí)。當(dāng)微型車處在無(wú)助力車速區(qū)時(shí)，系統(tǒng)助力將取消;而當(dāng)微型車的行駛處于助力車速區(qū)的時(shí)候，結(jié)合具體的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩及車速信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)為車輛確定相應(yīng)的助力值。

考慮到在實(shí)際情況中，高速轉(zhuǎn)向時(shí)阻力的變化較小，助力的變化比較緩慢，二低速轉(zhuǎn)向的時(shí)候想通阻力變化比較大，助力的變化也較快;本文在具體的設(shè)計(jì)中，對(duì)助力車速區(qū)進(jìn)行區(qū)分，共劃分為十七個(gè)速度區(qū)，高速段速度區(qū)間取值大而低速段速度區(qū)間取值小，在設(shè)計(jì)中，劃分情況的實(shí)際值為:當(dāng)微型車的車速小于20公里每小時(shí)的時(shí)候，速度區(qū)間長(zhǎng)度為2.5公里每小時(shí);當(dāng)微型車的車速高于20公里每小時(shí)同時(shí)低于50公里每小時(shí)的時(shí)候，速度區(qū)間長(zhǎng)度為5公里每小時(shí);當(dāng)微型車的車速高于50公里每小時(shí)同時(shí)低于80公里每小時(shí)的時(shí)候，速度區(qū)間長(zhǎng)度為10公里每小時(shí)，表1所示為詳細(xì)速度分區(qū)情況。

由表可知，這是考慮到微型車在實(shí)際行駛中，其行駛速度一般來(lái)講不會(huì)總是連續(xù)發(fā)生變化，最常見(jiàn)的情況是在車輛從一個(gè)速度變化到另一速度后，就會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)維持這個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的速度。

各速度區(qū)間端點(diǎn)處的助力增益系數(shù)通過(guò)理論分析進(jìn)行初步的確定，可通過(guò)插值的方法獲得速度區(qū)間內(nèi)助力增益系數(shù)，考慮到插值算法的復(fù)雜程度及系統(tǒng)的要求，在本文的設(shè)計(jì)中，選用二次插值方法(即拋物線插值)，插值公式如下:

式中，V表示任意車速，i(i=0，1，2…17)表示速度參考點(diǎn)上的相關(guān)增益系數(shù);VR代表車速參考點(diǎn)，K(V)的代表處于任意速度之下的助力增益系數(shù)，VR=［V0，V1，V2…V17］，KR代表車速參考點(diǎn)處助力增益系數(shù)，KR=［K(0)，K(1)，K(2)…K(17)］。

確定微型車助力特性后，結(jié)合助力特性曲線函數(shù)，即可對(duì)系統(tǒng)在任意轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩、任意車速下的電機(jī)助力目標(biāo)電流進(jìn)行計(jì)算。

助力特性曲線函數(shù)表達(dá)式為:

其中，電機(jī)助力電流由Ia表示，電機(jī)的最大助力電流由參數(shù)Iamax表示，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩由參數(shù)Td表示，助力增益系數(shù)由參數(shù)K(V)表示，可知隨車速增加，K(V)會(huì)呈現(xiàn)逐步減小的變化趨勢(shì);系統(tǒng)在開(kāi)始助力時(shí)，由Td0表示其轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，由Tdmax表示最大助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩。

二、微型車EPS回正控制策略的具體設(shè)計(jì)

在微型車操縱穩(wěn)定性中，轉(zhuǎn)向回正性能是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。在微型車進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向盤在主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的作用下具有自動(dòng)回正功能，而在微型車的駕駛員將轉(zhuǎn)向盤松開(kāi)時(shí)，作用在轉(zhuǎn)向盤上力矩呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢(shì)，隨著此趨勢(shì)，在自動(dòng)回正力矩的作用下，轉(zhuǎn)向盤將回正。轉(zhuǎn)向盤在理想情況下，由于自動(dòng)回正力矩的作用，會(huì)自行回到中間位置。但由于EPS系統(tǒng)中所增加減速機(jī)構(gòu)和電機(jī)等部件，不僅存在著彈性或間隙，還有摩擦和慣性等，有時(shí)候會(huì)致使轉(zhuǎn)向盤難以做到迅速準(zhǔn)確回到中間位置。

為使裝備EPS系統(tǒng)微型車回正性能提高，必須控制其回正過(guò)程。主要由兩部分組成轉(zhuǎn)向盤回正到中間位置的控制策略:一個(gè)策略是是低速回正控制，這種控制方式結(jié)合具體的低速轉(zhuǎn)向回正過(guò)程，在電機(jī)上施加一定的外轉(zhuǎn)矩，從而促使轉(zhuǎn)向盤準(zhǔn)確迅速的回到中間位置，又稱作回正助力控制;另一個(gè)策略是高速回正控制，這種控制方式結(jié)合高速轉(zhuǎn)向回正過(guò)程，以電機(jī)對(duì)系統(tǒng)所施加的的阻尼作用，在有阻尼的情況下使微型車回到中間位置，從而避免了擺振的發(fā)生，又稱作回正阻尼控制。

鑒于在微型車EPS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求較高，本文所涉及的回正控制策略引入的是動(dòng)力回正控制方案，圖2所示為其具體控制模式。

圖2 動(dòng)力回正控制示意圖

動(dòng)力回正控制方案與助力控制策略類似，結(jié)合微型車轉(zhuǎn)向回正時(shí)的轉(zhuǎn)向力矩，在整個(gè)回正過(guò)程為其提供成一定比例的回正控制力矩，這種模式可以不計(jì)車輛速度的變化，容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單。

轉(zhuǎn)向盤作用轉(zhuǎn)矩在車輛回正過(guò)程中逐漸減小，若仍然按圖中曲線AO和BO為助力特性曲線進(jìn)行控制，可能會(huì)導(dǎo)致高速時(shí)出現(xiàn)超調(diào)，而低速時(shí)不能回到中間位置的情況發(fā)生。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，要根據(jù)回正特性來(lái)進(jìn)行回正控制電機(jī)，高速時(shí)逐漸衰減助力電流，低速時(shí)迅速衰減助力電流，具體闡述如下:

(1)在微型車低速行駛時(shí)，為減輕回正操縱力及保證其回正的快速響應(yīng)，以圖中回正曲線Al為模式，采用快速大電流回正;

(2)在微型車高速行駛時(shí)，為防止回正超調(diào)及提高其回正過(guò)程的操縱穩(wěn)定性，以圖中回正曲線Bl為模式，采用慢速小電流回正控制。

三、微型車EPS阻尼控制策略的具體設(shè)計(jì)

微型車EPS系統(tǒng)中，由于一些慣性如電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等的存在，使其慣性大于傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向盤的瞬時(shí)角速度當(dāng)快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)會(huì)變得很大，電機(jī)在慣性的作用下，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不再轉(zhuǎn)動(dòng)后也并未立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這種情況易造成車輛的轉(zhuǎn)向過(guò)多，會(huì)在車速較高時(shí)造成非常危險(xiǎn)的狀況。故當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)停止的時(shí)候，電機(jī)也應(yīng)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，需要通過(guò)EPS阻尼控制才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)這種快速跟隨轉(zhuǎn)向盤停轉(zhuǎn)的性能。EPS系統(tǒng)以阻尼控制的方式，使車輛高速直線行駛穩(wěn)定性得到提高，使車輛高速行駛時(shí)出現(xiàn)橫擺振動(dòng)得到抑制，防止回正超調(diào)或轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏，并使微型車高速直線行駛時(shí)快速轉(zhuǎn)向收斂性有所提高。

在阻尼控制實(shí)現(xiàn)方案中，圖3所示為其助力電機(jī)等效電路圖。

圖中，電機(jī)的端電壓表示為:Um=LdI/dt+RIm+E

電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)可以表示為:E=Kbωm=Kbθm

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可忽略不計(jì)，上式可簡(jiǎn)化為:Um=RIm+Kbωm

短路電機(jī)兩端，Um=0，此時(shí)得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩:Tm=KaIm=－KaKbωm/R

其中，Um:電機(jī)端電壓;Im:電機(jī)電樞電流;Tm:電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;L:電機(jī)電感;R:電機(jī)電樞電阻;Kb:反電動(dòng)勢(shì)常數(shù);E:反電動(dòng)勢(shì);Ka:電機(jī)特性系數(shù);ωm:電機(jī)角速度;t:時(shí)間。

由以上分析可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩當(dāng)電機(jī)短路時(shí)表現(xiàn)為制動(dòng)力矩，其大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例，方向與電機(jī)轉(zhuǎn)向相反。當(dāng)引入電機(jī)短路的模式實(shí)現(xiàn)阻尼控制時(shí)，阻礙電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的阻尼轉(zhuǎn)矩由電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)形成。通過(guò)分析EPS阻尼控制實(shí)現(xiàn)方案，當(dāng)EPS控制器輸出PWM信號(hào)使電機(jī)短路時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的作用即為制動(dòng)力矩。本文的設(shè)計(jì)中，使功率管FET1和FET2在控制器輸出PWM信號(hào)作用下同時(shí)導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)短路電機(jī)，控制電機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩。

四、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角估算算法的具體設(shè)計(jì)

上述EPS阻尼控制及回正控制實(shí)現(xiàn)方案中，均涉及到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的計(jì)算，若裝備有轉(zhuǎn)角傳感器在EPS系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速可通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)進(jìn)行微分來(lái)獲取;若沒(méi)有裝備轉(zhuǎn)角傳感器在EPS系統(tǒng)中，則需要進(jìn)行預(yù)估，下面說(shuō)明根據(jù)利用現(xiàn)有的傳感器信號(hào)，以電機(jī)的電壓和電流參數(shù)對(duì)電機(jī)角速度進(jìn)行估計(jì)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角可以通過(guò)積分環(huán)節(jié)估計(jì)得到:

由式Um=RIm+Kbωm可得:

轉(zhuǎn)向盤角速度:ωsw=ωm/Gr

則θs=ωSW=ωm/Gr

對(duì)上市兩段進(jìn)行積分，即可得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的值，并用于確定阻尼控制及回正控制相關(guān)控制量。

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［3］肖生發(fā)，瑪櫻，劉洋.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的研究［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，1S(3):34－37.

2011－02－22

池保忠(1978－)，男，江蘇常熟人，講師，工程師，碩士。