汽车EPS控制策略和控制方式*

郝亮 孙剑 郭涛 于继开 王群 刘素伟 郑利民

（1.辽宁工业大学；2.锦州明日世纪科技有限公司）

汽车性能评价的一个重要评价指标是汽车转向系统的性能。电动助力转向系统（EPS）能够保证汽车的安全性和稳定性，受到越来越多汽车厂商的青睐。因此，目前针对EPS 的控制策略和控制方式进行研究，以便对EPS 进行进一步设计与优化，对于提高国产轿车的自主开发与科技创新能力，具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 汽车EPS及原理

EPS 是由传感器、助力电机、电机减速机构、控制器及控制策略等要素组成，由电机提供辅助转矩的动力协助系统。具体结构，如图1 所示。

当驾驶员操纵方向盘时，转向轴上的扭矩和转角传感器不断检测转向轴上的信号，该检测信号与检测到的车速信号一起输入控制器（ECU）。ECU 根据这些信号，并结合所检测到的助力电机的电流反馈信号，按照设定的助力控制策略进行运算处理，从而确定电机应该产生的目标助力转矩的大小和方向，电机控制器控制电机产生助力转矩。该电流即为所需的助力扭矩，由电磁离合器通过减速机构减速增矩后加在汽车的转向轴上，使之得到一个与汽车行驶工况相适应的转向作用力。EPS 虽然有很多优点，但是EPS 存在提供的功率不足的问题，因此EPS 在小型车辆上应用居多[1-2]。近年来，随着车用电源电压不断提升（提升至24 V，甚至42 V），EPS 在车上的应用越来越广泛[3]。

2 EPS控制策略和控制方式的研究现状

EPS 控制系统要求响应速度快。在不同的车速下拥有不同的转向力矩，EPS 需保证低速操纵时的轻便性和高速操纵时的稳定性，进而有效缓解驾驶员的操纵负担。此外，由于EPS 各个机构之间有不同程度的摩擦和惯性，EPS 能提供合理摩擦和惯性补偿控制，进而提高转向控制精度；EPS系统要有故障处理程序对不正常运转系统进行故障处理。针对上述控制目标，要制定出相应的控制策略和控制方式。

2.1 国内EPS系统控制策略和控制方式的研究现状

国内EPS 的研究起步较晚。一些高等院校和汽研机构正投入很大精力对EPS系统控制策略和控制方式进行跟踪研究，并取得了阶段性的成果。

文献[4]提出了基于混合灵敏度方法的电动助力转向系统控制，并通过仿真验证了用此方法设计的控制器符合系统性能要求，与经典控制理论设计的超前-滞后控制器相比较，证明用此控制器具有更好的鲁棒性能。

文献[5]对EPS助力特性补偿策略的耦合进行仿真分析。利用MATLAB 与ADAMS 耦合仿真的方法，将转向控制算法与整车模型有效结合，进行助力特性补偿策略的仿真研究。通过试验验证了用耦合方法研究助力特性补偿策略是有效的。此外，横摆角速度补偿和阻尼补偿仿真分析分别表明：当汽车处于横摆角速度过大的不稳工况时，对其路感反馈的补偿，可提高行驶稳定性；在不平路面汽车高速行驶时，通过阻尼补偿，有效降低了路面对方向盘的冲击，改善了驾驶员的操作舒适性。

文献[6]提出了应用PID 控制算法对方向盘转角进行估计，该控制算法并不需要方向盘转角或者电动机转速传感器。因此，有效降低了EPS系统的成本。另外，对提出的控制算法进行仿真和与其他回正控制算法的试验对比分析，证实此算法可有效提高方向盘的回正性和稳定性。

文献[7]针对汽车EPS系统低高速特性的缺陷，提出了新型的回正与主动阻尼控制策略，回正力矩或阻尼力矩的大小可以随车速和方向盘转角的不同而自动调整。实车试验进一步验证了该控制策略改善了汽车低速和中高速时的回正性能和回正超调现象，且在施加了主动阻尼与回正控制后，驾驶员的操纵手感并没有受到不良影响。

文献[8]通过进一步分析EPS 各组成部分的数学模型，通过Matlab/Simulink 软件建立了EPS 仿真模型，并构建了EPS系统的两层控制策略，上层策略采用基本补偿控制和助力控制的方法确定目标电流，下层策略通过PID 调节器精确跟踪控制目标电流。仿真结果表明：设计的这一控制策略能够有效解决转向轻便性和路感的问题，而且可改善转向的回正能力和动态效果。

文献[9]提出了相位补偿的EPS 控制方法。试验研究发现，控制系统可表示为内外两环，内环包含了反电动势的反馈通道，采用快速比例积分（PI）控制的内环，可以忽略反电动势，进行相位补偿后系统的稳定性较好，反之稳定性较差。结果表明：在低频共振频率范围内，EPS 采用超前校正及提供相位补偿是解决系统振动和稳定性的有效方法。同时，文献[9]建立了客车用循环球式电动助力转向系统主要模块的数学模型和应用Matlab/Simulink 建立的仿真模型，提出了助力特性控制策略（“转矩传感器输出信号的比例-微分”+“助力电动机角速度反馈策略”），可以按需改变EPS 的阻尼。仿真结果表明：此算法能显著提高汽车EPS 的动态性能。

文献[10]建立了针对助力电机目标电流输出控制特点的EPS 动态数学模型，建立Sugeno 型模糊控制器，同时电机实际电流采用PID 闭环反馈控制，并对控制信号进行幅频复合滤波处理，从而进一步提高了控制效果。通过硬件在环和模拟仿真试验结果，验证了此方法明显改善了EPS 的控制性能。

文献[11]分析了EPS 存在的不确定性因素和系统动态特性的要求，提出EPS 混合H_2/H_∞控制器，运用H_∞方法研究在极小化系统中各种干扰对被控输出的影响，以此为基础，运用H_2 方法对系统进行优化。EPS 路感仿真结果表明：此系统综合了H_2 控制和H_∞控制的优点，具有较好的鲁棒性能和鲁棒稳定性，可有效抑制路面随机激励和模型参数等不确定因素所引起的各种干扰和噪声，使驾驶员获得满意的路感。

文献[12]利用虚拟样机软件建立EPS 的整车动力学模型，分别对3 种不同助力特性曲线进行转向轻便性、转向回正性能和蛇行试验仿真分析，研究助力特性对汽车转向轻便性、操纵稳定性和路感的影响。此方法可为台架试验和实车道路试验提供指导，缩短产品开发周期，节约成本。文献[13]提出了一种适用于全车速范围的基于主动转向干预的EPS 方向盘力矩突变助力电机前馈修正策略。仿真结果表明：该策略使得伴随主动转向干预同时出现的方向盘力矩突变得到了有效削弱，且在高速时该修正策略仍然有效，改善了主动转向干预时转向系统的转向路感。文献[14]提出了实时跟踪的EPS 的模糊自适应PID 控制。仿真结果表明，模糊自适应PID 比常规的PID 控制具有更好的稳定性和可靠性，完全满足EPS 快速特性的要求。

文献[15]提出了EPS 多领域最优平方积分误差鲁棒控制（ISE）模型降阶方法。该方法对EPS 鲁棒控制器进行降阶，并与最优Hankel 范数降阶法进行比较。仿真结果表明：此方法具有更好的降阶效果，且降阶系统具有很好的鲁棒性。文献[16]提出基于粒子群优化算法的汽车EPS 参数优化设计。仿真分析和实车试验表明，EPS 参数全局优化后，方向盘操纵力矩峰值、侧向加速度峰值及最大超调量数值均有显著降低，汽车转向轻便性和侧向行驶稳定性均得到明显改善。文献[17]提出了汽车EPS 反向助力控制策略，主要是为提高EPS 的抗侧向干扰性能。通过60 km/h 侧向风作用下的3 种车速工况下的整车动力学模型与在Simulink 中建立的EPS 反向助力控制模型联立，仿真试验验证了此策略改善了EPS 抗侧向干扰性能和增强了整车横向稳定性，为进一步完善EPS 控制策略提供了技术支持。

文献[18]针对汽车爆胎时产生的方向盘冲击力矩，在EPS 加入补偿电流（补偿力矩算法），从而衰减冲击力矩。通过仿真试验对此算法进行分析和验证，结果表明控制算法有效，进而减少了驾驶员由于爆胎产生的不适感。文献[19]提出了无转角传感器的主动回正控制方法，并以软件形式附加在EPS 控制程序中，以改善汽车的回正性能。试验结果表明：此控制方法不影响EPS基本助力特性，降低了汽车低速和高速回正时的方向盘残留角度和横摆角速度超调量。因此，无转角传感器的主动回正控制方法在减少系统元件的基础上有效改善了汽车的回正性能。文献[20]针对EPS 中存在模型不确定性和路面干扰问题，提出了遗传算法的EPS系统鲁棒H_∞控制方法。仿真结果表明，遗传优化后的EPS 鲁棒控制器有效地增强了系统的鲁棒稳定性和系统的抗干扰能力，使驾驶员获得满意的路感，提高了行驶安全性。文献[21]进行了基于状态观测器的EPS 的研究，通过状态观测器对侧偏角进行估计和对横摆角速度与质心侧偏角进行反馈控制，并运用最优控制理论设计了EPS 控制器，通过与常规控制对比，体现了自身的优越性。文献[22]提出了采用NLPQL 算法对电动轮汽车差速助力转向参数进行优化设计，此算法在保证EPS 具有较好转向稳定性和较高转向灵敏度的基础上，有效提高系统的转向路感和降低系统的转向能耗，为电动轮汽车EPS 的设计和优化提供理论基础。

2.2 国外EPS系统控制策略和控制方式的研究现状

国外对EPS 技术研究已经有30 多年的历史，技术日趋成熟，美国、德国及韩国等国家，都属于研制EPS比较早的国家。国外的EPS 制造企业迅速占据了我国EPS 市场份额的90%以上，国内EPS 企业仅占市场份额的不到10%，从而阻碍了我国EPS 技术的发展。此外，德国、美国及日本等国家开发了许多基于不同控制策略和控制方式的控制器，并引领着整个汽车工业EPS系统的发展。

文献[23]采用解耦控制来设计可变齿轮传动的EPS控制器的方法，该控制器利用解耦控制（采用角度控制和转矩控制）设计2 个分离的系统控制器，然后应用于整个控制器中，并通过测试平台验证了该控制器的有效性。文献[24]对主动转向干预时方向盘力矩的突变进行了研究，该方法可以对主动转向干预时方向盘力矩的突变进行有效修正控制。由于现代EPS 的助力电机所采用的助力增益具有一定车速上的局限性，当行驶速度超过此限值时，助力电机的常规助力增益为0，此方法不能对主动转向干预时方向盘力矩所发生的突变进行有效修正。

文献[25]提出了采用六相感应电机位置的模糊控制应用到EPS 中，实现了有效的位置控制。即使处于故障（1，2，3 相位丢失）工作模式下，它也可以进行有效工作。试验表明该研究对EPS 控制器开发具有很大的促进作用。

文献[26-27]提出了一种新的EPS 控制策略，其控制目标是能够产生快速响应驾驶者转矩的辅助转矩，同时建立起必须适应建模误差和参数的不确定性控制策略。此控制策略无需对不同的算法进行切换和参数变化调整，进而简化了控制系统的复杂性，并且该策略提高了系统的性能和鲁棒性，降低了成本。仿真结果表明：所提出的控制策略能满足EPS 所需的性能要求。

3 结论

EPS 是动力转向技术发展的一个代表。伴随着转向技术的迅猛发展和日益更新、控制技术的不断进步以及电子技术的高集成化，智能化和线控化成为助力转向技术发展的必然趋势。对于EPS 的研究与开发，控制器是一项关键技术，而控制算法又是控制器的核心，开发更加优良的控制算法，对于提高EPS 性能和节约成本等方面具有更加重要的现实意义。因此，文章就EPS系统控制策略和控制方式国内外近期的研究做了总结，为以后的研究工作奠定了基础。