第３５卷 第３期 ２０１４年６月 大 连 交 通 大 学 学 报 Ｊ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬＩＡＮ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１４ 文章编号：１６７３—９５９０（２０１４）０３—０１０１—０５ 电动助力转向系统控制 策略研究与试验验证 范长胜，郭艳玲 （东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）米 摘要：在基于ＰＩＤ控制理论的基础上通过对电动助力转向系统结构及工作原理的分析，设计了ＥＰＳ电子 控制系统，使系统在控制过程中依据转矩信息结合ＰＩＤ控制策略的信息融合方法，将内部信息的融合与优 化问题得到了解决，并将所设计的ＥＰＳ装置在试验台上进行各项性能测试．试验结果表明所设计的ＥＰＳ 系统性能稳定，且在不同的车速状况下可有效的改善方向盘转矩输出，增加转向时的实时性与灵巧性． 关键词：电动助力转向；助力特性；实车测试 文献标识码：Ａ Ｕ ５ｌ舌 随着汽车技术的发展，人们对驾驶环境的要 求也越来越高，汽车动力转向系统中的ＥＰＳ系统 行控制，直接的控制对象是助力电机，通过改变助 力电机工作电流大小的方式改变助力电机输出的 转向扭矩，再通过减速机构、输出轴、齿轮齿条等 机构把扭力矩传递给转向车轮实现转向助力．图 １所示为电动助力转向系统结构图． 以它的节能、轻便、清洁等优点，其需求速度迅速 增长¨ｊ．２００８年ＥＰＳ的装车量为６８万辆，２００９ 年为９５万量，２０１０年为１３０万量，并且还会持续 增长 ．ＥＰＳ由电机与蜗杆齿轮机构组成，电机产 生辅助转矩使其具有高能源效率和方便性、维护 等优点．电动助力转向系统它消耗的能量大约是 传统液压动力转向系统的１／２０，由于它不包含任 何耗油物质，所以在生产和使用时都不会污染环 输入轴 转矩传感器 扭杆一 速度信号 转向ＥＣＵ 境 Ｊ．ＥＰＳ系统的特点决定它特别适用于电动汽 车和新能源汽车．因此，ＥＰＳ系统具有非常广阔的 应用前景 ． 陈 输出轴— ｌ 一 图１ 电动助力转向系统结构图 １ ＥＰＳ系统结构及其动态模型 １．１ ＥＰＳ系统结构 １．２ ＥＰＳ系统的控制策略 ＥＰＳ系统运行的特点是依据转向盘转动的角 电动助力转向系统（ＥＰＳ）以车辆蓄电池为能 量源，控制单元是以微处理器为核心的控制电路， 度信号和车辆行驶时的速度信号，二者共同确定 转向盘的转矩大小，并将实际转向盘的转矩与 ＥＰＳ系统计算的转向盘转矩进行比较．将这两个 部分应用ＰＩＤ和ＰＷＭ进行闭环控制＿５ Ｊ，以此来 实现对转向盘的直接控制．图２所示为本次设计 微处理器可以根据设计需要确定为８位机或１６ 位机，微处理器通过采集到的车速信号、发动机转 速信号、点火信号等输入信号状态对转向系统进 所采用的控制策略． 泰收稿日期：２０１３．０８—１４ 作者简介：范长胜（１９７４一），男，讲师，硕士，主要从事机电一体化技术、智能控制的研究 Ｅ－ｍａｌｌ：２４８６６５８０＠ｑｑ．ｃｏｍ． 大 连 交 通 大 学 学 报 第３５卷 图２ ＥＰＳ系统控制策略 ２ ＥＰＳ助力特性曲线 电动助 转向系统（ＥＰＳ）是以直流电机为动 力驱动部件，直流电机驱动力由电流大小来决定， 电流越大，电机的驱动力就越大．ＥＰＳ将根据方向 盘扭矩大小控制输出相应大小的控制电流来驱动 电机动作，输出电流越大，电机驱动力越大，方向 盘转动越轻，驾驶员手感越轻．在ＥＰＳ助力的过 程中还将考虑到车速对转向助力的影响，因为车 辆原地转向时地面摩擦阻力大，车辆行驶时地面 蹿擦阻力变小，车速越高地面摩擦阻力越小，因此 要求电动助力转向系统将根据不同车速，确定不 问的电动助力电流上限，使得车辆在原地时助力 于感轻盈，而车辆在高速助时手感沉稳．在ＥＰＳ 系统转向助力的过程中将要综合的考虑到方向盘 转ｌ矩、 辆行驶速度、直流电机驱动电流等因素， 将它们用曲线表示出来就是电动助力转向系统的 助力曲线．Ｅｌ Ｓ的助力特性曲线主要有直线型、折 线犁及曲线型 种 ． 术项目在对三种电动助力曲线都作了大量研 究及实验测试１二作，通过研究分析发现，无论是直 线型、折线型还是曲线型助力曲线，都应设有无助 问，即死Ｉ又，任这段区间内ＥＰＳ不提供助力， 其目的是为了减少助力电机频繁反复运动．如果 没有没定死区，扭矩传感器检测电压始终会在零 点左右反复变化，助力电机则会相应的在零点左 右反复运动，结果会使方向盘左向或右向反复转 动，使得驾驶员很难维持方向盘不动．由于电机的 反复运动，容易造成抖动，出现爬行现象，而爬行 现象住电动助力转向系统中必须解决的问题．在 研究分析电动助力转向曲线时，电机助力电流的 上设制也要全 考虑，一方面电机助力电流上限 的大小随车速人小而改变，另一方面，在确定电机 助力 限电流时还要考虑到所用电机驱动芯片本 身的过流限制，如果忽略了这个问题，当电机助力 电流随着扭矩的增大而逐渐增大时，电机驱动芯 片过流保护会在电流大到一定值时停止芯片正常 １ 作，使得电动转向助力突然停止，这在实际行车 中是很危险的，也是在电动助力转向设计中不允 许的．在本项目中设计中主要采用直线型，随速助 力曲线如图３所示．为了提高助力曲线精度，减少 车速变化时的助力波动，本设计采用了高密度曲 线面簇设计法．助力曲线以每０．２ ｋｍ／ｈ为一个间 隔，在车速范围内共设计了１ ０００条助力曲线，曲 线采用５次样条设计，保证了曲线的连续性和平 滑性．随速助力曲面，水平轴为力矩，范围为０～ ９ Ｎ・ｉｎ；竖轴为电流，最大电流为３Ｏ Ａ；斜轴为车 速，范围为０～９０ ｋｍ／ｈ（９０ ｋｍ／ｈ以后曲线变化极 小，因此在图３中并未显示）． ≤ 加 盘 Ｏ ０ 输入扭矩 ．ｉｎ 图３速助力三维ｉｔｔｌ面 ３ 电动助力转向系统模型 ３．１转向系统和电机模型 电动助力转向系统由很多具有弹性和阻尼特 性的质量元件和惯量元件所构成．在系统建模时 主要针对图１所示结构进行模拟计算．系统的各 组成部分的刚度、转动惯量、阻尼性等都考虑时会 使系统模型变得非常复杂，因此建模时将齿条两 端的部件简化成为一线性刚性弹簧，两侧的车轮 与齿条等效为一当量质量． 转矩传感器检测值为： ：Ｋ 《０ 一卫１ （１） 电动机的动力学方程： ｌ， ｍ十Ｂｍ ｓｇｎ０ｍ＋ （０ ￣－ｒｉ ）＝ （２）齿条动力学方程： Ｍ Ｐ＋Ｂｒｐ＋Ｆｆｓｇｎｐ＋Ｋｒｐ ＝ 一 ）＋等（ 第３期 范长胜，等：电动助力转向系统控制策略研究与试验验证 １Ｏ３ 助力电机动力学方程： ＋Ｒ ＋ ＝Ｍ （４） Ｔｍ＝Ｋ ｉ （５） 在式（１）～（５）中， 为转矩传感器检测转 矩；Ｋｃ为转矩传感器扭杆刚度；０ 为转向盘转角；ｐ 为齿条位移； 为小齿轮半径；‘， 为电机轴转动惯 量；０ 为电机转角；Ｂ 为电机轴阻尼系数； 为 电机轴库仑摩擦转矩；Ｔｍ为电机电磁转矩；Ｂ 为 齿条阻尼系数；Ｍ，为齿条和车轮等效质量；Ｆｒ为 齿条库仑摩擦力； 为电机反电势系数；尺为电 机电枢电阻；￡为电机电感；ｕ为电机控制电压． ３．２控制系统模型 ＥＰＳ系统中采用ＰＩＤ控制算法进行数据采集 计算，并对相应控制环节进行控制，为了验证ＰＩＤ 控制算法的可行性以及初步确定ＰＩＤ控制参数， 建立了电动助力转向系统ＰＩＤ控制模型，如图４ 所示．数据采集通过ＰＣＩ１７１０数据采集卡的模拟 信号输入端口Ａ１０、ＡＩ１进行采集，通过模拟输出 端口ＡＯ１进行数据输出，并通过模拟输入端口 ＡＩ２进行数据反馈，构成闭合控制．为了在实际控 制器中控制过程能够实现运行平稳、信号跟随 性好． ．Ｉ口Ｉ Ｉ 卜＿Ｊ ｕｌｍ－ａｚｔ 她 一 Ｔ 怒 Ｉｏｕ Ｉ 匿］－＿——— ｌ 图４ ＥＰＳ系统控制模型 ４ 电动助力转向系统的试验测试 为了检测所设计的ＥＰＳ系统的正确性和有 效性，进行了ＥＰＳ系统的试验台架设计，其试验 台架的组成主要由机械和电控两部分构成．机械 部分由方向盘，管柱式转向系统、车轮、压液加载 系统、台架支撑部分、悬架系统等组成；电控制部 分由计算机系统、１２ Ｖ电源、函数信号发生器、示 波器、直流钳式电表、万用表、直流电机、扭矩传感 器、扭矩测量仪、ＥＣＵ控制器等组成．图５为电动 助力转向压液加载实验台架实物主视图．对ＥＰＳ系 统的助力特ｆ生数据的测试都是由德州市中泰华研电 子科技有限公司生产的专用仪器设备上进行的． 图５ 电动助力转向压液加载实验台架 ４．１ ＥＰＳ系统空载试验测试 空载试验是测试在空载的状态下方向盘转向 时手力扭矩输入的扭矩值范围．把电动助力转向 控制系统安装在试验台上，转向系统输出轴无载 荷作用，点火开关未开启状态下，输入轴从原点位 置开始旋转，转速为（６±１）ｒ／ｒａｉｎ，先顺时针转动 到最大转角的９０％，再逆时针转动到最大转角的 ９０％，然后再顺时针转回到原点位置．图６为空载 实验的实测曲线，曲线测试包括无助力状态下测 试及有助力状态下测试，表１所示为空载试验测 试数据，空载试验要求空载无助力力矩波动范围 为一２＜ｌ ｌ＜１，空载试验要求空载有助力力矩 波动范围为一２＜ｌ Ｉ＜１．４；空载无助力平均力 矩要求范围为０＜Ｉ Ｉ＜０．５，空载有助力平均力 矩要求范围为０＜Ｉ ｌ＜１，从表１中可以看到，测 试结果数据结果在检测要求范围之内，因此本设计 的电动助力转向控制系统空载实验附合设计要求． ！ｌｊ Ｉ～ ～』～ｉ ｌ 一瞬 黝 辅＾转奄 Ｄ ＾ ‘ 、＾ ＾＾Ｊ ＾， ＾＾ ｎ ’－－Ｊ 、ｆＩｆｎ小 ｆ ｌ ‘】ｊ ｌ ｛ ．ｌ ｌ～；～ｊ ０ ．．Ｌ ｌｌ ； ｉｌ｛ｌ ｌｌ 图６空载试验曲线 表１空载试验测试数据 Ｎ・ｍ 第３期 范长胜，等：电动助力转向系统控制策略研究与试验验证 １０５ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ［ｃ］．Ｂｏｓｔｏｎ： ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００８，２５８：７２９—７３６． 动助力转向控制系统设计［Ｊ］．微特电机，２０１２，４０ （７）：５７．６１． ［４］ＺＨＡＯ Ｗａｎｚｈｏｎｇ，ＺＨＡＯ Ｔｉｎｇ，ＬＩ Ｙｉｊｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｅｌｅｃｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ［７］申荣卫，林逸，台晓虹，等．汽车电动助力转向系统转 向盘转矩直接控制策略［Ｊ］．吉林大学学报，２００７，３７ （３）：５０４—５０８． ｏｎ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．Ｊ．Ｃｅｎｔ．Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｔ， ２０１３，２０：１５１９—２６． ［８］孟涛，余卓平，陈慧．电动助力转向控制策略研究及试 验验证［Ｊ］．汽车技术，２００５（５）：２６．３Ｏ． ［９］詹长书，马振江，徐宁．电动助力转向系统仿真及控制 策略研究［Ｊ］．北京理工大学学报，２０１２，３２（７）：６８１— ６８４． ［５］程安宇，金辉，苗艳强，等．基于ＰＩＤ控制优化电动助 力转向系统研究及仿真［Ｊ］．机械设计与制造，２０１２ （７）：１５６・１５８． ［６］祝勇俊，朱学莉，刘文波，等．基于ＭＣ９ＳＯ８ＪＭ６０的电 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＦＡＮ Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＧＵＯ Ｙａｈ—ｌｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ，ａｎ ＥＰＳ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅ— ｌｅｅｔｒｌｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｕｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ＰＩＤ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚ ａｃｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ＥＰＳ ｓｈｏｗｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｘｔｅｒｉｔｙ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｒｉｎｇ；ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ａｎａｌｙｓｉｓ