电动助力转向系统控制策略快速测试平台研究

杜常清,李 晃,颜伏伍

(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)



电动助力转向系统控制策略快速测试平台研究

杜常清1,2,李 晃1,2,颜伏伍1,2

(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)

为了实时测试验证在各种服役条件下电动助力转向系统(EPS)控制策略的可行性与可靠性，基于灵活、快速和实时的模拟EPS系统阻力矩和方向盘输入力矩，运用Matlab/Simulink图形化编程的便利性和dSPACE系统的实时性建立EPS快速控制原型，产生控制EPS系统服役力矩模拟电机的控制信号，模拟车载环境下的发动机信号、车速信号等EPS输入信号，采集EPS工作过程中的各种信息，并将测试结果在ControlDesk环境的人机交互界面进行显示和分析，最终搭建了EPS控制策略快速测试平台。测试与运用结果表明，试验台使用方便稳定，测试精度满足设计要求。

电动助力转向；控制策略；测试平台；性能试验

转向性能是决定汽车操纵稳定性和安全性最重要的因素之一。汽车电动助力转向系统(EPS)因为具有传统液压助力转向系统所不具有的环保、低功耗、高主动安全性等优点正成为各转向系统的主流技术。无论是从安全性还是从操纵性，对EPS的控制策略所产生的效果进行研究都是十分必要的，考虑到转向工况下汽车动力学的复杂性及道路实验的危险性，采用实车试验研究车辆转向稳定性不但成本高且存在安全风险，如何在实验室完成对EPS控制策略的性能测试成为重要的研究课题。目前国内外关于EPS转向器性能试验的标准与系统尚未形成，国内部分学者和科研机构对EPS试验台进行了研究，如刘俊等对助力电机输出电流使用模糊PID闭环反馈控制研究[1]；伍颖等利用交流伺服技术设计出了EPS 性能测试系统[2]；翟绍春等根据EPS试验检测要求，采用伺服电机和DMA数据采集方法设计出EPS试验台[3]；向丹等针对电动助力转向系统提出一种结合惯性补偿电流和阻尼补偿电流的复合控制策略开发EPS试验系统[4]。EPS控制策略测试系统的关键技术是快速建立控制策略模型，以及如何进行EPS系统服役条件的实时准确模拟。以上研究均采用单片机等控制系统结合手工编程来实现，模拟系统的灵活性和适应性受到一定的限制。笔者采用具有自动化实时模拟与测试功能的dSPACE仿真系统，结合Matlab图形化编程软件对EPS系统控制策略及其服役条件进行模拟，通过灵活丰富的通信及I/O接口配置，加上Simulink图形化编程的强大算法功能和良好的可读性等优点，建立EPS系统控制策略快速测试平台，能提高EPS系统的开发速度并降低开发成本。

1 EPS系统组成及基本原理

图1 EPS系统结构原理图

汽车转向系统的发展经历了机械转向系统、液压助力转向系统和电动助力转向系统。EPS系统在传统机械转向系统中增加了助力电机、减速机构、转矩传感器、车速传感器和ECU电控单元(如图1所示)。相比液压助力系统，EPS系统有许多优势，例如取消了液压装置，直接采用电机助力，不仅降低了能量消耗，而且由于架构简化，布置更加方便。EPS系统的助力特性对汽车的操纵性和稳定性有很大影响。在转向过程中，汽车电控单元通过接收车速信号和转向盘转矩信号，助力电机通过预先设定的控制策略对转向柱施加一个辅助力矩[5]。EPS系统的助力特性应满足：在汽车低速行驶的环境下，随着转向盘转矩增加，助力增加，减轻驾驶员转向负担；当汽车高速行驶时，助力适当减小，保持高速转向时的稳定性。另外，EPS系统还应能抑制来自路面的高频干扰。

2 EPS试验台系统设计

2.1 EPS试验台系统架构设计

图2为EPS试验台结构图，它主要由机械试验台架和dSPACE实时仿真平台两大部分组成。机械试验台由机械转向系统、EPS方向盘转矩输入模拟电机、EPS总成连接轴及其固定装置、各类传感器和数据采集部分组成[6]。转向系统由实际硬件系统组成，输入转矩和输出负载都选用伺服电机模拟。试验台软件部分由dSPACE实时仿真系统及其配套接口软件、试验实时监控软件、整车动力学模型、EPS系统控制器模型等组成。

图2 EPS试验台结构图

2.2 系统测试原理

笔者设计的EPS系统控制策略的快速测试系统主要包括硬件实物、软件模型、实时仿真平台及信号处理系统3个部分。在主控计算机中使用Matlab/Simulink搭建出EPS服役条件下的控制器模型。EPS控制器的输出是两个伺服电机的电流大小，输入信号有发动机点火信号和车速信号，需要采集的数据信号有EPS总成上的转矩传感器信号、电机的吸收电流和助力电流，其中转矩信号及电机电流的相关参数由传感器分别传送至各自控制器，然后再通过A/D接口及CAN总线将数据传送给dSPACE系统。在整个试验台测试过程中，dSPACE实时仿真系统利用A/D转换接口及CAN总线采集各传感器信号，通过D/A、PWM输出接口向相应的电机驱动器发送控制信号。DS1103单板系统能通过TCP/IP协议与主控计算机完成数据交换功能。

车辆模型和EPS控制器模型在Matlab/Simulink中调试好后，编译下载至dSPACE的DS1103单板系统上。由于在dSPACE仿真环境中用实物代替了目标系统模型，因此需要通过MicroAutoBox的I/O接口实现目标系统与EPS硬件实物之间的连接。整车模拟器(DS1103)通过接收模拟的转角传感器信号、发动机点火信号、发动机转速信号、车速信号，输出控制信号给伺服电机驱动器模拟转向阻力。在建立的Simulink仿真模型的基础上保留控制算法模块，用RTI的I/O接口模块替换相应的逻辑运算即可实现电机控制。EPS的控制器模型根据传感器采集到的转矩信息、电机电流信息和转向盘转角大小向电机驱动器发送控制信号进行助力控制。

此外还根据实时仿真模型及试验的需求，使用ControlDesk所提供的虚拟仪表技术完成人机交互界面的开发。ControlDesk是dSPACE实时仿真系统自带的一款实时测试监控软件，它能在线获得 dSPACE仿真板上运行程序中各种参数变量的情况，通过建立和修改模型、配置或扩展接口完成系统的集成和调试工作[7]。

3 EPS控制策略建模

图3 EPS助力控制原理框图

EPS助力电机的基本控制逻辑是ECU接收来自传感器的转角、转矩信号和车速信号，通过控制助力电机调节助力矩的大小和方向[8]。EPS控制系统中的助力电机基本控制原理如图3所示。ECU根据转矩传感器信号Ts和车速传感器信号V调节助力电机的目标电流Icmd，然后根据电流传感器测量的实际电流I的大小进行反馈控制。由于助力电动输入的电流大小与输出转矩的大小正相关，因此助力电机转矩T的大小也就确定了。

由图3可知，EPS控制主要要解决的问题是如何根据助力需求确定助力电机的目标电流，即电机电流的闭环控制问题[9]。上述EPS系统通过助力特性曲线得出目标电流值仅取决于输入系统的转矩信号和车速信号，不考虑转向系统的动态特性。由多个机械元件组成的EPS系统加装助力电机会对汽车的操纵性能产生一定的影响，如造成转向路感减弱、转向灵敏度降低、转向盘抖动等问题，因此在对汽车转向系统进行基本的助力控制时还需要考虑一些补偿控制。目前很多研究显示对电动助力转向系统的基本助力控制增加电机补偿控制、转向盘回正控制能显著改善电动助力的转向特性[10]。优化的电动助力转向系统控制模型不仅考虑了基本的电动助力功能，还增加了力矩微分补偿和电机补偿控制。其中电机补偿控制包括摩擦补偿、阻尼补偿和惯量补偿。此外，为保证转向系统具备良好的转向特性还增加了转角回正控制补偿，如图4所示。

图4 EPS控制策略图

转向盘的回正控制和阻尼控制的主要功能是防止回正过程中出现超调现象[11]。用方向盘中位值作为目标角度，方向盘转角传感器测量值作为实际角度值θh，通过对转向盘实际角度值与目标角度之间的偏差进行闭环控制，使偏差趋于零，公式如下：

其中：Icmd为助力电机目标电流；KP为比例系数；KI为积分系数；KD为微分系数。

在确定控制模式及目标电流Icmd之后，为了使助力电机电流能快速响应目标电流值的变化，需要通过电流传感器和逻辑运算控制实际电流值。PID控制算法简单、鲁棒性好，且易通过编程实现，适合对跟踪电流的确定性控制[12]。PID控制一般由给定值r(t)和实际输出值c(t)之差构成控制偏差e(t)。

e(t)=r(t)-c(t)

在Matlab/Simulink中搭建出EPS实验的仿真控制模型(如图5所示)，并连接平台所需的各个实验系统。dSPACE实时仿真系统能够与Matlab/Simulink无缝连接，因此可以利用RTI实时接口库中的相关模块将所需要的信号直接搭建到EPS控制模型中，再通过Matlab/RTW完成控制模型到控制代码的自动生成与下载，从而实现快速控制原型开发。

图5 EPS转向控制系统模型

4 EPS系统控制策略快速测试验证

在该台架上进行模拟汽车运行工况下的转向实验，验证试验台的功能是否达到设计目标。由于是台架试验，车速信号选用固定50%占空比的PWM脉冲信号来实现。EPS试验台架依据某车参数设定，其车轮外直径为562mm，车速信号计算公式为：

F=V/(0.562×3.14)

式中：F为车速信号频率；V为车速。

试验台主要用来验证被测EPS系统控制策略的功能是否完备，性能是否优良，能否满足设计要求。在实际测试之前先对试验台架进行功能测试，主要是检查EPS系统在行程内能产生的最大助力特性是否平稳连续，是否存在卡顿、惯性延迟等现象。在试验台功能验证符合测试条件后，利用试验台对一电动助力转向装置进行了9个测试项目。测试系统人机交互界面如图6所示。

图6 测试系统人机交互界面

车速信号由信号发生器产生低频脉冲模拟低速(≤30 km/h)、中速(30～80 km/h)、高速(≥80 km/h)这3种车速。测试项目都是在原地转向工况下进行，测试结果及分析如下：

渐进力矩测试是在试验中使输入轴连接而输出轴断开，来检查助力系统的机械摩擦及其他机械阻力。在测试中用零负载代替输出轴断开(负载电机)，造成所测转矩没有完全以0 N·m为轴对称，而是整体向下有一个偏移量，如图7所示。

图7 渐进力矩测试

最大性能测试是检验电动助力转向装置在其行程内对输入轴转速能产生的最大助力特性是否满足设计要求。试验时将输入、输出轴连接好，并在输出轴加上负载。打开汽车点火开关，设定输入轴转速最大值为100 r/min(600°/s)。根据预先设定的输入电机的减速比20得到伺服电机转速最大值为2 000 r/min，故伺服电机转速值由0开始线性增加至2 000 r/min即可。转向盘恢复到初始位置后再以相同的转速向相反的方向转动，并绘制最大性能试验曲线图，如图8所示，0基准线以上为正向，以下代表反向。

图8 最大性能测试

方向盘输入转矩-吸收电流特性试验是检测不同车速下输入转矩与EPS系统吸收电流的关系特性，如图9所示。在某一车速下，当方向盘输入转矩从0增大到2 N·m时，EPS系统的吸收电流很小，电机助力也很小；当输入转矩在2～8 N·m区间时，吸收电流随输入转矩的增大而迅速变大，助力也相应增大；而当输入转矩超过8 N·m后，吸收电流进入恒定区，即助力大小不变，符合设计要求。

图9 输入转矩-吸收电流特性

图10为模拟车速40 km/h时输入转矩-助力电流特性试验曲线。由图10可知，在输入转矩小于3 N·m时，助力电流很小，说明EPS助力也很小；当转矩从3 N·m增加到9 N·m时，助力电流随输入转矩成线性增长；当输入转矩大于9 N·m时，助力电流进入恒定区，确保驾驶员有足够的路感。

图10 输入转矩-助力电流特性

5 结论

在分析汽车EPS基本工作原理的基础上，搭建了由机械助力转向系统、伺服电机和多种传感器组成的EPS控制策略快速测试平台。通过对EPS基本助力控制方法的分析，提出利用方向盘转角回正控制和电机补偿控制来确定助力电机的目标电流，采用PID控制算法跟踪目标电流，搭建了EPS系统控制策略模型；根据车辆动力学和电动助力转向系统控制策略建立EPS服役条件的控制模型，运用Matlab/Simulink建模和dSPACE仿真系统完成EPS控制策略快速测试。测试平台实际运用结果显示，其综合性能与预期相符，说明试验台架具有较完备的测试功能，且与dSPACE系统兼容性较好。试验台可以方便地对电动转向系统控制策略进行测试，并对系统各个参数和控制逻辑进行优化，检验汽车EPS的有效性，可以缩短系统的开发周期，节约开发成本，为实车试验奠定了基础。

[1] 刘俊,陈无畏.基于快速控制原型的电动助力转向系统控制研究[J].汽车工程,2009,31(7):634-639.

[2] 伍颖,马雨嘉,崔贵彪,等.汽车EPS性能试验系统的设计与实现[J].机床与液压,2014,42(14):14-17.

[3] 翟绍春,闵新和,黄志坚,等.汽车电动助力转向装置试验台测控系统的研究与开发[J].机床与液压，2008,36(12):141-143.

[4] 向丹,迟永滨,李武波,等.电动助力转向系统控制策略及其仿真研究[J].控制工程,2013(2):254-258.

[5] YU L J, ZHENG H Y, ZONG C F. The design of electrically controlled steering system hardware-in-the-loop test bench [J]. SAE,2014-01-0243.

[6] 胡坚.基于硬件在环仿真的电动助力转向试验台的研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[7] 谢彬.汽车电动助力转向系统硬件在环仿真[D].武汉:华中科技大学,2008.

[8] FAN C S, GUO Y L. Design of the auto electric power steering system controller [J]. Procedia Engineering, 2012,29(1):3200-3206.

[9] 赵景波,周冰,李秀莲,等.电动汽车EPS曲线型助力特性的设计及试验[J].电机与控制学报,2011,15( 12):96-102.

[10] 申红明,冯军,杨永杰.电动助力转向装置性能试验台设计[J].南通大学学报(自然科学版),2012,11(1):18-22.

[11] 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.

[12] 胡建军,卢娟,秦大同,等.电动助力转向系统的建模和仿真分析[J].重庆大学学报(自然科学版),2007,30(8):10-13.

DU Changqing:Assoc. Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[编辑：王志全]

Rapid Test-bench for Electric Power Steering Control Strategy

DUChangqing,LIHuang,YANFuwu

The feasibility and reliability of control strategy for electric power steering system (EPS) needed to be verified under various working conditions. The test was based on the fast and real-time simulation of resistance torque of EPS system and input torque of steering wheel. According to the convenience of graphical programming of Matlab/Simulink and real-time of dSPACE systems, the EPS rapid control prototype was established. The signal of control EPS system service torque simulating the motor was generated. The EPS input signals including engine signals and vehicle speed signals were simulated in automotive environment. Various kinds of information were collected during the course of EPS work. The obtained test results were displayed and analyzed based on the interface of man-machine in the Control-Desk environment. The test bench of EPS control strategy was eventually built. The debugging and actual application results showed that the test bench was easy and stable to use and the test precision met the design requirements.

EPS; control strategy; test-bench; performance test

2015-03-07.

杜常清(1975-),男，四川南充人,武汉理工大学汽车工程学院副教授；博士.

湖北省重点新产品新工艺研究开发科研基金资助项目(2013BAA083)；国家科技支撑计划基金资助项目(2013BAG09B00)；教育部创新团队发展计划基金资助项目(IRT13087).

2095-3852(2015)05-0557-05

A

U461.6

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.007