基于模糊控制原理的EPS助力电机电流的研究

韩 蕾，李腾飞

（四川交通职业技术学院，四川 成都 611130）

基于模糊控制原理的EPS助力电机电流的研究

韩 蕾，李腾飞

Han Lei，Li Tengfei

（四川交通职业技术学院，四川 成都 611130）

利用模糊控制原理，建立了EPS助力电机目标电流的模糊控制器，确定在不同车速和不同转向盘转矩下的目标电流，并画出了目标电流三维图，最后经分析可知利用模糊控制器确定的目标电流基本符合助力特性。

模糊控制；EPS；目标电流

0 引 言

决定EPS系统助力电机目标电流大小的主要因素是车速大小和转向盘转矩大小。然而，EPS系统很复杂，不是一个简单的线性系统，助力电流的大小也不能简单地用一个比较精确的数学模型来表示。其他的一些因素，例如各类传感器的灵敏度与精度、路面不平度的干扰，这些因素都会对系统产生很大的影响[1]。基于以上考虑，文中采用模糊控制策略对目标电流进行确定。

1 目标电流模糊控制器的设计

一般来说，模糊控制算法的实现主要有以下几个步骤[2]：

1）定义模糊控制器的输入、输出变量，并给出模糊论域；

2）选择合适的隶属度函数将精确的输入变量模糊化；

3）设计一套合理的模糊规则；

4）按照模糊规则运行控制器，计算输出参数的模糊值；

5）将输出变量的模糊值反模糊化得到精确值。

由以上 5个步骤可以总结出模糊控制器设计流程：1）确定模糊控制器的输入、输出，并定义模糊论域；2）确定各个参数的隶属度函数；3）制定模糊规则；4）模糊化地输出变量；

5）反模糊化，得到最终精确值。

根据上面叙述的设计步骤，选择车速信号和转向盘转矩信号来作为模糊控制器的 2个输入量，通过控制器来输出助力电机的目标电流的大小[3]。

2 模糊逻辑工具箱介绍

模糊逻辑工具箱是 Matlab工具箱中的一个，它可以实现相关模糊控制推理的仿真和分析。模糊逻辑工具箱有 5个主要的图形用户界面工具来建立、编辑、观察模糊推理系统。在任何给定的一个系统中，可以根据实际情况来定义一个或几个输入、输出量，利用这 5个图形用户界面工具可以得到输入与输出的变化关系三维图，通过改变其中的任意参数可以使输出量得到改变[4]。

文中设有2个输入量：转向盘输入转矩和车速；1个输出量：助力电机提供的助力电流。其中Ts为转向盘输入转矩，V为车速、Icmd为助力电流。

模糊推理编辑器如图1所示。

3 输入、输出量的定义及模糊化

3.1 输入量的模糊化

1）转矩Td。设定转向系统开始助力时的转向盘输入力矩为1 N·m，提供最大助力时转向盘输入力矩Td为7.5N·m，且电动机在全速范围内提供助力。故Td的模糊论域为[1，7.5] N·m。语言值为：{zero（零），vslow（很小），slow（小），medium（中等），large（大），qlarge（相当大），vlarge（很大）}。

2）车速V。模糊论域为[0，120] km/h。语言值为：{zero（零），vslow（很小），slow（小），medium（中等），fast（大），qfast（相当大），vfast（很大）}。

3）目标电流I。模糊论域为[0，58] A。语言值为：{zero（零），vsmall（很小），small（小），medium（中等），big（大），qbig（相当大），vbig（很大）}。

3.2 隶属函数的确定

模糊逻辑工具箱中包含了多个内置的隶属函数类型，在实际应用中较常见的是三角隶属函数、梯形隶属函数和高斯隶属函数。文中选取三角隶属函数对输入、输出变量进行定义。打开Matlab的隶属函数编辑器，在编辑器中选择三角隶属函数对转向盘输入转矩、车速、助力电机的助力电流进行定义。如图 2～图 4所示。

3.3 模糊规则的建立

模糊规则采用“if…then…”语句表示，正确地建立模糊规则是保证控制器性能良好的关键。通常模糊规则是由该领域的有关专家给出，或通过大量试验获得的试验数据总结得出，无论哪种方法，所得到的模糊规则都是近似的。对于任何一个模糊状态的输入，相应的控制规则产生一个输出，同时需要保证模糊规则的相容性，为了解决这些问题，往往需要大量试验数据和经验。因此参考相关文献，在台架试验所得的数据基础之上，确定出模糊规则。如表1所示。

表1 助力电流的模糊控制规则

模糊控制规则是“if…then…”条件语句，模糊 if-then规则又称为模糊条件语句。模糊控制系统的核心是根据建立的模糊规则进行推理运算。

文中，根据参考文献中的试验数据以及驾驶员经验，得出如图5所示的49条控制规则。

4 EPS助力电机目标电流仿真结果分析

在Matlab/Simulink中建立助力电流的模糊控制仿真系统，如图6所示。

其中，转向盘转矩选取斜坡信号作为输入，车速设定为某一固定值时的车速，输出助力电流。

将所设计的助力电流模糊控制器通过 Fuzzy Logic模块仿真得到 EPS系统助力特性曲线三维图，如图7所示。

从图7中可以很清楚地看到任意转向盘转矩、不同车速时对应的助力电流值，也就是得到了在全车速范围内，助力电机提供的电流值。

至此，可以通过助力电流模糊控制器来分析固定车速不变时，转向盘输入力矩与目标电流的关系。图8～图14是不同车速下，目标电流随转向盘转矩的仿真曲线。

通过对图8～图14的分析比较，文中采用的模糊控制器确定的目标电流有以下几个特点。

1）固定车速不变，随着转向盘的作用力矩的逐渐增大，助力电机提供的助力电流随之增大，转向系统提供的助力矩相应增大。

2）在某一固定车速下，且车速较低时，相比于其他车速，助力电机提供的助力电流较大。这样能满足驾驶员在低速行驶时转向轻便。

3）在某一固定车速下，且车速较高，相比于其他车速，助力电机提供的助力电流较小。这样能保证驾驶员在高速行驶时具有较好的路感。

4）当转向盘输入力矩较小时，车速较高时，助力电机提供的助力电流较小，电动机提供较小的助力，使驾驶员在高速时获得良好的路感。

5）当转向盘输入力矩较大时，车速较低时，助力电机提供的助力电流较大，电动机提供较大的助力，使驾驶员在低速行驶时的转向具有轻便性。

5 结束语

利用模糊控制器在Matlab中得到了全车速范围内的助力特性曲线三维图。还得到了固定车速时，其他两个变量的关系曲线，这些曲线说明这款模糊控制器输出的助力电流与EPS系统在转向过程中对助力的要求相吻合。

[1]黄森仁. 汽车电动助力转向系统（EPS）研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2003.

[2]蒋芬，钟绍华. 汽车电动助力转向系统的仿真分析[J]. 北京汽车. 2008(3)：22-24.

[3]张春花. 汽车电动助力转向系统动态特性及控制研究[D]. 长沙：中南林业科技大学，2006.

[4]韩俊峰. 模糊控制技术[M]. 重庆：重庆大学出版社，2003.

U463.4：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.01.013

1002-4581（2015）01-0042-05

2014−08−28