四轮驱动汽车电动助力转向控制研究

肖京养

（广东技术师范学院天河学院，广州 510540）

电力助力转向系统是四轮驱动汽车采用的控制系统中重要的一个环节。其英文缩写为EPS，是对传统的液压动力转向系统的改进，在能量损耗、密封性安装、系统分布、操作灵敏度等方面都进行了技术的革新，通过控制理论与信息技术的完美结合，实现了价廉物美的电子器件的实用效果，拥有广阔的市场发展空间。

1 电动助力转向系统概述

电动助力转向系统根据车辆的形式状态，能够通过电机作为执行器，实现对方向进行辅助动力驱动，达到电动机的灵敏轻便的运作目的。计算机智能控制在其中发挥了重要的控制作用，运用模糊语言变量、逻辑推理等实现非线性控制，能够通过PD控制和模糊控制的优势，改善系统的回正性能，产生很好的转向系统的运行效果。

2 转向助力控制策略的建立

为了减轻方向盘的操纵力，EPS在转向过程中，通过蜗轮蜗杆减速机构，将电动机的助力转矩作用到转向轴上，使得主力控制获得适合汽车基本控制策略的性能。随着汽车的运动和受力状况的变化，助力特性可以进行具有轻便性的协调，使得汽车和驾驶人员获得路感，常用的曲线形、折线形以及直线形的助力特性，被应用在控制系统的设计中。能够区分出力矩的高低区域，但是三种特性各有优缺点。例如，曲线形需要大量和稠密的转向盘力矩特性信息，直线形无法协调路感和轻便性的关系，折线形介于二者之间等[1]。

因此，对于控制规则以及控制策略，人们应该进行模糊控制的模拟仿真，得到针对不同输入控制的控制规则，得到最为便捷和优越的控制策略。

通过建立输入输出变量的模糊空间，人们可以得到电机产生的助力矩的二维模糊控制器结构，采用Mamdani型推理的方法，设定量化因子、基本论域、模糊集（极慢，很慢，偏慢，偏快，很快，极快），分别使用T1-Tn、V1-Vn进行标注，保证操控性能的灵敏舒适性，将助力矩的模糊集划分为9个。

模糊控制规则代表了输入和输出的量的关系，表达了人们对被控对象的判别过程。当方向盘转矩小于1N·m时，驾驶者的路感最佳，电能节约性能最好。为了保持路感，转向盘输入力矩较大的区域内，助力输出也要大。随着车速的升高，施加的转向助力减小，驾驶原行车安全能够得到保证。通过模糊规则得到的模糊量是助力矩的输出量，采用加权平均法就能得到模糊结果[2]。

3 主动回正控制策略的设计

电动助力转向系统中，阻尼以及电机的惯量都会对系统的回正性能产生很大的影响，以基本的助力控制为基础，人们能够得到更加完善的回正性能。主动回正控制策略包括两个方面的控制。一是回正控制，对于低速运行的车辆，转向盘可以依靠电机施加外力矩，使得转向盘回到中间的位置；二是主动阻尼的控制，利用电机的转矩，防止超调，使得方向盘避免超调，回到中间位置。

对于回正性能进行模糊控制，采用PD控制分段控制的方法，控制整车的回正性能，方向盘转角大于某一个阈值时，模糊控制得到的相应速度最快，转向盘小于某一个阈值时，PD控制的性能最好，精度最高。

进行控制器的设计，应该将方向盘的转角作为关注的对象，采用Mamdani推理的方法，进行模糊控制操作，即将方向盘转角20°，考虑回正的准确性和快速性，得到精确的PD控制分界点。

对于方向盘的转角，假定车辆正常行驶，使用三角形函数行驶，计算输入输出变量的隶属度函数，左右转动1圈后，三角形函数设计的区间狭窄，但是变量反应更加灵敏，此时要考虑方向盘转角的回正速度与车辆回正超调性能之间的关系。在较大的区域内进行隶属度函数的处理，需要计算方向盘转角的变化率。通过等腰三角形函数计算公式，得到输出助力矩的隶属度函数。

根据车型的不同，经过PD控制部分，进行控制系数的调试，得到了车辆回正性能的调试结果。

4 控制策略的仿真结果分析

经过对转向助力的联合仿真模型的分析，整车在车辆变线中的操作，采用正弦波输入的方法进行论证，速度分别为20km/h、40km/h、65km/h、80km/h、90km/h。车辆采用侧向加速的方法，侧向加速度为0.3g，转向助力施加之后，得到了带有助力控制的车辆的转向力矩与目标值的对比结果。

理想力矩与加入助力控制之后的方向盘力矩值的差距不大。例如，在车速为65km/h时，分别采用无助力和有助力的方式对车辆的转向盘输入正弦转向角，驾驶员的路感没有受到影响，转向手力减轻，助力转向系统进行换道或者避障的操作时，性能优越[3]。

对于回正效果加以控制后的评价，分别进行车辆低速和高速的仿真，得到了无回正控制的和有回正控制的车辆状况的分析结果。在低速和高速状态下，汽车同样是沿着圆弧路径行驶，转向盘转角的变化是不同的。例如，在低速转弯时，回正时准确率较高，分段控制的速度较快，对不足的现象予以了纠正；在高速回正时，出现超调的现象，经过控制得到明显的改善。

5 控制系统设计

电动助力转向系统的控制系统的要求是精度高、安全性能强。目前多采用芯片进行控制，对方向盘输入的手力矩和信号进行测量，产生电压信号，通过传感器测出汽车的速度，经过逻辑运算处理之后，发出控制指令给离合器和电动机，输出一定的扭矩，通过小齿轮施加到转向器上，得到转向动力[4]。

5.1 助力控制原理

助力控制原理是传感器发来的车速和扭矩信号后，通过插值计算得到电流值，经过闭环反馈确定目标电流，电动助力转向系统中采用的直流无刷电动机，使用三相桥式电路控制电机运行。

5.2 回正特性控制原理

回正特性控制原理是在转向结束后，自动通过回正作用力，将转向轮返回到中间位置，保持车辆行驶的稳定性。回正的方法包括硬件控制和软件控制两种。后者是对前者的技术改进，具有控制可靠性高、成本低的优势。

5.3 阻尼控制原理

阻尼控制原理是电动助力转向系统通过控制器提供助力的控制。为了使车辆在高速行驶的情况下保持稳定，阻尼控制可以通过电动助力转向系统进行不同方向转向角的控制。阻尼力矩可以随着车速的变化而变化。

6 结语

本文对电动助力转向系统进行了理论和联合仿真结果的分析，认为电动助力转向系统的特性能够在不同工况下保证车辆行驶的稳定性和轻便性。采用转向盘的转角分段控制的方法，进行主动回正控制，皆被证实是可行的。这样能够实现整车的电动助力转向的控制策略优化，缩短开发周期，提高工作效率。

[1]周兵，徐蒙，范璐，等.低附着路面电动助力转向控制策略[J].湖南大学学报（自然科学版），2015，42（2）：29-34.

[2]徐中明，王吉全，余烽，等.基于Simulink的电动助力转向控制策略仿真[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2012，26（3）：1-7.

[3]田正新.汽车电动助力转向控制策略的研究及联合仿真分析[D].长沙：湖南大学，2012：16.

[4]杨杰，冉光伟，马乐，等.四轮驱动汽车电动助力转向控制策略研究[J].汽车实用技术，2017，（14）：61-64.