電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動回正控制方法的研究

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院　朱恒偉

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動回正控制方法的研究

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院朱恒偉

本文對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略進行研究，針對主動回正控制提出了一種基于方向盤轉(zhuǎn)角的閉環(huán)PID控制策略。并利用MATLAB/Simulink軟件建立了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型和整車模型，著重對系統(tǒng)回正控制模型進行搭建，通過對不同輸入力矩運行EPS系統(tǒng)的回正控制仿真，驗證加入回正控制后的汽車回正控制效果。

主動回正；PID；MATLAB/Simulink；仿真分析

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是近些年在國內(nèi)迅速發(fā)展并大量應(yīng)用的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，國內(nèi)很多企業(yè)和高校都對EPS系統(tǒng)的控制策略進行了相關(guān)的論證和研究。但是國內(nèi)的EPS廠家對擁有主動回正控制功能的汽車投入還不多。當(dāng)今社會汽車電子控制技術(shù)在汽車轉(zhuǎn)向控制方面的應(yīng)用越來越多，主動回正控制這一對汽車操縱穩(wěn)定性和安全性帶來極大優(yōu)勢的技術(shù)也成了我們需要關(guān)注的重點。

1　EPS系統(tǒng)動力學(xué)模型

EPS系統(tǒng)的輪胎回正力矩需要轉(zhuǎn)向器齒輪的動力傳遞，要對整個EPS系統(tǒng)建立基于整車三自由度的系統(tǒng)動力學(xué)模型，分別對轉(zhuǎn)向軸、齒輪齒條、助力電機和輪胎模型進行分析，現(xiàn)建立系統(tǒng)模型如下：

式中，Js為方向盤轉(zhuǎn)動慣量；Bs為轉(zhuǎn)向上軸阻尼；θs為方向盤轉(zhuǎn)角；θe為轉(zhuǎn)向下軸轉(zhuǎn)角；Th為方向盤轉(zhuǎn)矩；Ks為扭桿剛度；θm為電動機轉(zhuǎn)角；Jm為電機轉(zhuǎn)動慣量；Km為電動機剛度；G為減速器傳動比；Xr為齒條位移；MR為轉(zhuǎn)向器質(zhì)量；BR為齒條阻尼；Xr為齒條位移；TR為齒條克服輪胎轉(zhuǎn)動的阻力；rp為齒輪基圓半徑。

2　回正控制

2.1基于轉(zhuǎn)角閉環(huán)的回正控制

通過對EPS系統(tǒng)控制策略進行研究，助力控制始終貫穿于汽車轉(zhuǎn)向的整個過程，只有當(dāng)汽車方向盤轉(zhuǎn)角絕對值呈遞減狀態(tài)時，系統(tǒng)才處于主動回正控制狀態(tài)，否則，主動回正將不起作用[1]。

綜上所述，現(xiàn)提出一種基于方向盤轉(zhuǎn)角傳感器測得的方向盤轉(zhuǎn)角的PID閉環(huán)控制，如圖1所示。

反饋到電動機提供的回正力矩為：

式中，TRD為電機主動回正力矩；為方向盤轉(zhuǎn)角；KP、KI、KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)[2]。

圖1基于方向盤轉(zhuǎn)角閉環(huán)PID控制的主動回正控制框圖

汽車在運行過程中可以根據(jù)車速的不同選取不同的系數(shù)，從而達到不同的控制效果。例如，可令KD為0，這樣可以得到大的電動機回正力矩，適合于汽車在中低速時的轉(zhuǎn)向回正。如果令KI為0，這樣可以得到大的電動機阻尼力矩，適合于汽車在高速行駛時的轉(zhuǎn)向回正。其公式如下：

3　EPS系統(tǒng)回正控制模型的建立

3.1主動回正控制模型

圖2　主動回正控制模型

由圖2所示，輸入信號為方向盤轉(zhuǎn)角，輸出信號為電動機的電壓信號。

3.2EPS系統(tǒng)回正控制模型

圖3　EPS系統(tǒng)回正控制模型

如圖3所示，整車三自由度模型簡化為狀態(tài)方程的形式，結(jié)合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型和回正控制模型，可得出不同車速、不同轉(zhuǎn)矩情況下的方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、齒條位移等參數(shù)的回正控制效果。

4　EPS系統(tǒng)回正控制仿真分析

為驗證回正控制效果，現(xiàn)通過回正控制模型對其進行仿真實驗，根據(jù)GB/T6223.2-1994的回正實驗，取一階階躍力矩作為方向盤轉(zhuǎn)矩，首先保持70km/h的汽車行駛速度，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤直到汽車的側(cè)向加速度達到2m/s2，保持4s后迅速撒手，觀察記錄橫擺角速度和齒條位移的響應(yīng)情況。

圖4　Th=5N·m時的齒條位移Xr響應(yīng)

圖5　Th=10N·m時的齒條位移Xr響應(yīng)

圖4和圖5分別為輸入轉(zhuǎn)矩Th為5N·m和10N·m時齒條位移Xr的響應(yīng)效果。從圖中可以看出，沒有加入回正控制的齒條位移需很長時間才達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間接近1s，且出現(xiàn)過多回正現(xiàn)象，齒條位移出現(xiàn)負向偏移引起方向盤發(fā)抖，且隨著輸入轉(zhuǎn)矩的增加，偏離和方向盤抖動現(xiàn)象愈加明顯。虛線部分表示在加入主動回正控制以后，齒條位移能夠很快回到中間位置，且穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間可縮短到0.4s，回正效果良好。

圖6和圖7表示的是分別為輸入轉(zhuǎn)矩Th為5N·m和10N·m時橫擺角速度ω的響應(yīng)情況。從圖中可以看出，沒有加入回正控制的橫擺角速度需很長時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間接近1s，且出現(xiàn)過多回正現(xiàn)象，齒條位移出現(xiàn)負向偏移引起方向盤發(fā)抖。

圖6　Th=5N·m時的橫擺角速度響應(yīng)

圖7　Th=10N·m時的橫擺角速度響應(yīng)

虛線部分表示在加入主動回正控制以后，橫擺角速度能夠很快回到0位，且穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間可縮短到0.4s，回正效果良好，很好地解決了負向偏移和方向盤抖動現(xiàn)象。

5　結(jié)論

本文通過對EPS的主動回正控制方法進行了探討，提出了一種適合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動回正控制方法。通過建立電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型和回正控制模型，得出了汽車在不同輸入力矩下回正控制效果。通過仿真實驗可以看到采用主動回正控制后，方向盤和車輪響應(yīng)較為迅速且精準(zhǔn)，進一步優(yōu)化了汽車的回正特性和操縱穩(wěn)定性。

[1]謝剛,孟廣耀.基于狀態(tài)反饋的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動回正控制研究[J].機械,2010,37(4):16-20

[2]申永,趙國勇,安紅靜.數(shù)控機床位置控制中非線性PID控制器的設(shè)計[J].機械工程與自動化,2012.8.

[3]黃正丹.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正及阻尼控制策略研究與實現(xiàn)[D].重慶：重慶大學(xué),2011.

[4]畢大寧.汽車電動轉(zhuǎn)向的基本概念[J].汽車零部件,2012.