基于转向盘转角的电动助力转向系统主动回正控制研究

史松卓，郭艳玲，赵 辉

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

为了探究电动助力转向系统(Electric power steering，EPS)回正控制对车辆行驶时的转向轻便性、安全性和转向时的操纵稳定性的影响，提高驾驶员转向时的转向轻便性，同时增加转向时的方向感，本文对文献[1]中提出的算法加以改进提出了一种基于转向盘转角的积分分离PID控制策略[1]。通过硬件电路和Simulink软件建立的模型对控制策略进行了仿真分析。结果表明该控制策略可降低转向盘的回正余差量，提高车辆转向时的稳定性和安全性。

1 EPS系统组成及工作原理

EPS电动助力系统与机械助力系统相比增加了电动控制单元(MCU)、车速传感器、扭矩传感器、电流传感器、电动机、减速机构和离合器等助力部分，EPS系统的组成及原理，如图1所示。

车速传感器通常采用电磁式的霍尔传感器[2]，用来实时监测车辆的行驶速度；扭矩传感器主要是用来测量转向盘力矩的大小和方向。由于方向盘的力矩信号很容易受到外界因素的干扰，这就要求扭矩传感器具有良好的精确性和抗干扰能力。目前主要使用的是电位器式扭矩传感器[3]。电流传感器实时监测流经电机的电流。电子控制单元综合处理传感器传送来的信号，根据设定好的控制策略输出控制信号，通过减速机构和离合器由电动机提供转向助力。电磁离合器的作用是将电动机产生的助力转矩传递给减速机构来产生相对平缓的助力。电动机输出轴的转速非常快如果直接作用在转向杆会产生不良效果，人们普遍在电动机和转向轴之间加上减速机构来降低电动机输出轴的转速。

图1 EPS系统的组成及原理

2 EPS系统硬件电路设计

2.1 单片机及PWM功能寄存器

采用飞思卡尔单片机mc9s12xs128作为微控制器的芯片[4-5]。与传统的MCS51系列单片机相比mc9s12xs128集成了脉冲宽度调制器(PWM)功能无需外接扩展电路。

mc9s12xs128内含6个PWM 通道，可由编程决定宽度和间隔的脉冲。PWM0 的输出是第74引脚，PWM1 的输出是第73引脚，PWM2 的输出是第72引脚，PWM3的输出是第71引脚，PWM4是第70引脚，PWM5是第69引脚。PWM 调制的电压频率由公式(1)确定。

f=F/(PWMCNTX+1)。

(1)

式中：f为调制电压频率；F为单片机晶振频率；PWMCNTX为PWM 计数寄存器；mc9s12xs128单片机共有8个这样的寄存器。PWM波的占空比由两个比较寄存器周期寄存器PWMPER和占空比寄存器PWMDTY决定。

2.2 电路结构

EPS 控制系统硬件组成及电路结构如图2所示，该电路主要由电动机驱动电路，电动机驱动信号控制电路，电流测量电路等组成。

电动机驱动电路：电动机的驱动电路是由 FET 桥式电路、FET 驱动电路和电动机驱动线路上的电流传感器及继电器构成的，如图3所示。FET驱动电路将单片机输出的控制信号进行放大，分别通过两组FET管，即FET4管和FET2管，FET3管和FET1管的通断实现电机的正转与反转。电流传感器实时监测电机电流，实现闭环反馈控制，减小目标电流与控制电流之间的误差。

图2 EPS硬件电路图

图3 电动机驱动电路

电动机驱动信号控制电路：由于单片机能够接受的最大电压为5 V，而FET电路的驱动电压为12 V，所以在电动机与单片机之间要加一个直流变电器来进行电压匹配。为了避免控制信号与FET驱动信号之间互相产生干扰，使用光电隔离器对两路信号进行隔离。

2.3 电机助力实时大小控制

通过软件对控制系统中的车速传感器、扭矩传感器和电流传感器的输出值进行实时监测，并使用中断模块结合积分分离PID控制算法对传感器输出的电流值施加实时反馈控制，减小实际电流与目标电流之间的偏差。当方向盘顺时针转动时，PWM0 与 PWM3 口输出高电平使FET4管和FET2管导通，PWM1 与 PWM2 口输出低电平使FET3管和FET1管关闭，并由PWM0口输出电机的脉宽调制电流。当方向盘逆时针转动时，PWM1 与 PWM2 输出高电平使FET4管和FET2管关闭，PWM0 与 PWM3口输出低电平使FET3管和FET1管导通，由 PWM1口输出电机的脉宽调制电流。

控制程序如下：

PWME_PWME7=1；

PWME_PWME3=0；

DDPR_DDPR3=1；

PTP_PTP3=0；

PWMDTY67=X；

PWME_PWME3=1；

PWME_PWME7=0；

DDPR_DDPR7=1；

PTP_PTP7=0；

PWMDTY23=X；

PWME_PWME7，PWME_PWME3 赋值进行初始化，DDPR_DDPR3=1，PTP_PTP3=0使得输出脉冲波的宽度最大，由PWMDTY67和PWMDTY23分别调节正反向输出脉冲波的占空比，从而控制有效电平的宽度，达到控制输出电流大小的目的[6-7]。

3 EPS系统回正控制策略分析

常规PID控制的表达式如公式(2)。

(2)

式中：kp为比例系数；TI为微分时间常数；TD为积分时间常数；u0为控制量；

单片机只能识别数字量不能对连续的信号进行运算，所以必须对连续信号进行离散化。以T为采样周期，K为采样时的数据点标号，KT表示不同时刻的采样点。综上，得到PID控制算式的增量公式(3)～(6)。

Δuk=Aek+Bek-1+Cek-2。

(3)

(4)

(5)

(6)

在PID(比例积分微分控制算法)控制中，积分环节的作用是消除转向盘存在的角位移静态偏差，从而提高转向盘的回正控制精度。当转向盘的转角较大时，会导致转向盘转角偏差量的增大。由于PID控制环节中的积分环节会使系统误差产生累积效应，使系统的控制输出量过大，从而使PWM信号的占空比的值出现溢出情况，使输出的PWM波产生震荡现象，影响回正效果。为了消除积分对系统控制输出量产生的累积效应，保证系统回正性能的准确性，对传统PID控制进行了改进，采用积分分离调节方法[8-11]。

首先设定一个参考值N，当转向盘的转角与转向盘零位置间的偏差大于设定值N时，停止积分环节的调节作用；当转向盘的转角与转向盘零位置间的偏差小于设定值N时，积分环节开始起到调节作用，减小系统的静态误差。PID控制参数见表1。

(1)若ek>N，采用基于方向盘转角偏差量的 PD 控制策略。

(2)若ek

表1 PID控制参数表

注：P是比例数；I是积分系数；D是微分系数。

4 仿真结果分析

4.1 仿真原理图设计

结合Simulink软件设计出机械系统模型、扭矩模型、电机模型和控制系统模型。根据扭矩的大小来判断是否提供回正助力；控制系统通过判断转矩的大小和助力曲线的关系，结合PID控制算法计算出电机的助力电流大小，助力电机执行电流的闭环控制，实现回正控制。为回正系统SIMULINK模型图如图4所示。

4.2 仿真结果分析

验证系统轻便性所得到的转向盘转角与转矩关系的曲线如图5所示。通过曲线可以看出增加了回正控制的EPS系统的助力特性与没有回正助力的系统的控制性能基本相同，结果表明引入回正控制不会影响车辆的基本助力特性。

车辆低速行驶时的转向盘回正转角残余量对比曲线图如图6所示。从图6中可以看出引入回正控制后的系统转向盘回正残余量为5°，而没有引入回正控制系统的转向盘回正残余量为20°。结果表明，车辆低速行驶时引入回正控制后车辆的转向盘回正余差量明显降低。

图4 回正系统SIMULINK模型图

图5 低速时转向盘转矩与转角关系曲线

图6 低速回正时的转向盘转角对比

5 结束语

通过实际的MCU(微控制器)控制器将积分分离PID算法应用到汽车转向系统的回正控制中，并通过仿真软件验证，结果显示通过积分分离PID算法可以有效的改善车辆转向时的回正性能，降低车辆回正时的超调量并提高了稳定性。具有回正助力的EPS系统在回正时能够获得更快的响应时间。

【参 考 文 献】

[1]徐 涛，过学迅，杨 波.石广林.基于转角的电动助力转向系统回正性能控制[J].湖北汽车工业学院学报，2009，23(1)：4-8.

[2]张春虎.汽车电动助力转向系统研究及设计[D].西安：长安大学，2011.

[3]张英福.汽车电动助力转向(EPS)中传感器的研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[4]刘 俊，陈无畏，王启瑞，等.单片机控制的汽车电动助力转向系统[J].电子技术，2004(10)，7-11.

[5]刘春恰，刘志伟.基于ATMEGA16的电动助力转向系统设计[J].汽车使用技术，2012，12：14-18.

[6]宋晓华.基于MSC1210的汽车电动助力转向控制系统研究与开发[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[7]梁秀霞，刘志伟，谢涛娟，等.基于MC68HC908AB32的电动助力转向系统[J].电力电子技术，2006，40(6)：74-76.

[8]李绍松，宗长富，吴振昕，等.电动助力转向主动回正控制方法[J].吉林大学学报(工学版)，2012，42(6)，1355-1359.

[9]赵志勇.电动助力转向系统回正控制研究[D].秦皇岛.燕山大学，2012.

[10]向 丹，李武波，杨勇.电动助力转向系统回正控制及其仿真研究[J].机械设计与研究制造，2012，8(8)：115-117.

[11]杨 炜.商用车EPS系统模糊控制策略研究[D].西安：长安大学，2010.