电动助力转向系统主动回正控制策略和算法研究

侯训波 刘小波 张作功 董春迎 郑勇

摘  要：本文结合汽车自身回正力矩分析，針对电动助力转向系统提出主动回正控制策略和算法。该系统通过回正控制和阻尼控制进行匹配组合，并以理想回正转角速度模型为目标，用PI闭环控制而自动修正实际转角速度，使汽车转向后能获得期望的回正性能。同时，本文所给出的主动回正控制特性的调校/标定参数，可指导工程技术人员，重新匹配相关参数，能够满足不同系列汽车的主动回正功能要求。

关键词：电动助力转向系统;主动回正;控制策略和算法;回正控制;阻尼控制;仿真分析

中图分类号：TP273.2    文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2019）03-0012-09

1    前言

转向回正性能是汽车操纵稳定性的重要指标，不良的回正性能，不但使驾驶员产生操纵疲劳，而且还会影响行车安全。现代汽车配装电动助力转向系统（简称EPS）已非常普及，而EPS系统由于电机和减速机构的存在，增加了转向系统的摩擦力，对汽车回正性能带来了不良影响[1]。但EPS系统可通过回正控制，对回正不足现象进行补偿，并通过阻尼控制对回正超调现象进行抑制。

有些文献采用回正补偿、回正力矩估计、试验数据统计分析等方法进行回正控制，对EPS系统回正性能有一定的改善作用，但由于缺少角度的绝对位置信息，给回正控制带来极大的不确定性，且算法复杂，差异大，会出现回正不足或回正超调等异常[2]。本文通过对方向盘转角位置与回正电流（等效回正力矩）和方向盘转角速度与阻尼电流（等效阻尼力矩）进行设计匹配，并对回正转角速度进行实时跟踪控制，使EPS系统获得较好的回正性能。

3    主动回正控制特性设计

在汽车转向回正行程中，我们期望方向盘的回正转角速度要适中，既不能过快也不能过慢，同时回正结束时的残留角度越小越好，并且不能出现超调现象。因此，EPS系统通过回正控制和阻尼控制进行匹配组合，且基于理想回正转角速度模型为目标，进行自动修正控制，即可实现期望的回正过程，其控制逻辑如表1[2]所示：

3.1   控制策略

如图1所示可以看出，随着车速降低，净回正力矩随之减小，甚至为负值，对回正过程起阻碍作用。在此工况下，EPS系统应提供明显的促进回正作用，同时还要兼顾当方向盘转角接近转向中间位置时，应逐渐减弱回正作用，甚至撤销。

而随着车速提高，净回正力矩也随之增大，对回正过程起促进作用。在此工况下，方向盘的回正转角速度会不断地被加速，对驾驶员还会产生不安全的心理恐慌，特别是，当接近转向中间位置时仍保持较高的回正转角速度，则极易出现超调现象，而使汽车发生摆振。故此时，EPS系统应提供明显的阻碍回正作用，并跟随转角速度而增强或减弱。

经上述分析可知，车速与回正过程具有明显的关联性，再结合表1所给出期望回正过程的控制逻辑，本文提出如表2所示与车速相关的EPS系统回正电流及阻尼电流的基本控制策略。

按上述EPS系统回正及阻尼的基本控制策略，在规定路面所调校完成的汽车回正性能，通常能

够满足类同路面的回正要求，但由于行驶路面及载重具有较大差异性，其回正性能也有较大差异。因此，本文又提出在回正和阻尼基本控制的基础上，增加自动修正功能，来跟踪回正过程中方向盘的转角与转角速度。

自动修正功能是回正和阻尼基本控制的补充，其控制策略是以车速和转角等参数所形成的理想回正转角速度模型为目标，通过PI闭环控制，使回正实际转角速度跟踪其目标，从而使EPS系统具有主动回正的行为能力，并以适宜的转角速度将方向盘带回转向中间位置。带自动修正功能的主动回正控制逻辑关系如图2所示，它同样可满足表1所示的逻辑关系。其中，自动修正功能控制逻辑关系如图3所示：

3.2   控制特性设计方法

回正控制特性是由方向盘转角所形成的，并随车速变化的回正电流曲线族;阻尼控制特性是由方向盘转角速度所形成的，并随车速变化的阻尼电流曲线族;自动修正功能控制特性是由方向盘转角所形成的，并随车速略有变化的理想回正转角速度曲线族。其中，回正和阻尼二种控制特性设计，需根据图1所示汽车净回正力矩规律，并要满足表2所示的基本控制策略要求。

为便于描述，本文对回正、阻尼的电流特性，以及对自动修正功能的理想转角速度特性等设计研究，均以右侧转向区域而回正过程的曲线形式来概括表达，并且所涉及各物理量均以正值标量来表达。而对于左侧区域的曲线，在设计要求上是以原点对称的。

控制特性设计时，首先要在EPS系统未提供主动回正控制时，来分析目标汽车。总存在一个特征车速点（如图1所示θ1=360deg时所对应的车速，称第一特征车速点），使EPS转向系统在360deg转角位置起的回正过程中，汽车自身刚好不能回正（无回正趋势），通常轿车该特征车速为10-20km/h;也总存在一个特征车速点（如图1所示θ2=180deg时所对应的车速，称第二特征车速点），会使EPS转向系统在360deg转角位置起的回正过程中，汽车自身即可按适宜的转角速度（200-300deg/s）回转到方向盘中间位置，通常轿车该特征车速为30-40km/h，并且通常在转角180deg位置时，汽车的净回正力矩由正值变为负值;还存在一个特征车速点（如图1所示θ3=30-90deg时所对应的车速，称第三特征车速点），使EPS转向系统在360deg转角位置起的回正过程中，在汽车的净回正力矩由正值变为负值切换点上，仍保持较高回正转角速度（100-200deg/s），该车速点是考虑回正控制关闭的最高车速点，此车速下阻尼控制较强，且表现出明显增大的趋势，通常设定为50-80km/h。

1）回正控制特性设计方法

首先绘制如图4所示的额定回正电流曲线。该曲线表征了转角大于180deg位置时，在各车速下回正控制应提供的额定回正电流。其中车速Vr1代表了回正控制起作用的最低车速，车速Vr2与第一特征车速点基本等效，车速Vr3与第三特征车速点基本等效。在Vr1-Vr2和Vr2-Vr3二段之中，分别设定随速衰减系数，以调节各车速下的额定回正电流Irv。

2）阻尼控制特性设计方法

如图6所示的额定阻尼电流曲线，表征了转角速度等于300deg/s时，在各车速下阻尼控制应提供的额定阻尼电流。其中车速Vd1代表了阻尼控制起作用的最低车速，与第一特征车速点基本等效，车速Vd2与第二特征车速点基本等效，车速Vd3与第三特征车速点基本等效，车速Vd4代表阻尼控制最强作用时的对应车速，之后则额定阻尼电流保持恒定。在Vd2-Vd3和Vd3-Vd4二段之中，分别设定随速增益系数，以调节各车速下的额定阻尼电流Idv。

4    建模和仿真验证分析

转向回正性能主要评价要求，包括回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角（或称残留角度），以及达到剩余横摆角速度的时间[4]。通常令汽车沿半径为15m的圆周路径行驶，调整车速，使侧向加速度达4±0.2m/s2（与车速28km/h和转角180deg组合条件等效），固定方向盘并稳定车速，待3s后突然松开方向盘[4]。此时，前轮在回正力矩的作用下将力图恢复到直线行驶状态，记录这一过程的时间、车速、转角、转角速度，整理ω-t及θ-t曲线，进行评价。

汽车在高速时的转向回正性能较在低速行驶时更为重要，应更加注重高速行驶的转向回正性能[5]。因此，还需设定车速100kmh和方向盘转角180deg条件（仅为仿真条件）时的回正过程，对ω-t及θ-t曲线进行评价。

4.1   建立EPS转向系统动力学模型

如图12所示的EPS转向系统控制原理简图，已将系统中所有惯量、阻尼、摩擦等，沿转向轴线进行等效转化。其规则为：电机等效值=原始值Χ减速机构传动比，转向前轮、转向主销和转向节的等效值=原始值Χ转向传动比[6];转向器齿条和球头拉杆的等效值=原始值Χ转向器线角传动比。

4.2   仿真验证分析

在有主动回正控制（RTC-***）和无回正控制（NORTC-***）的两种状态下，以时间t（s）为横坐标轴，对ω-t和θ-t进行历程曲线的仿真分析。

1）10 km/h车速时（θ0=300deg）

当低速（10km/h）无主动回正控制时，汽车自身没有回正能力（在原位置不动）;若加主动回正控制功能后，在300deg时松手，大约2s左右可回正到预期的中间位置0～5deg之间。

2）28 km/h车速时（θ0=180deg）

当中低速（28km/h）无主动回正控制时，汽车自身具有一定的回正能力，但残留角度非常大（约120deg），并且在回正区段的转角速度极慢;若加主动回正控制功能后，在180deg时松手，大约1.5s左右可回正到预期的中间位置0～5deg之间。

3）100 km/h车速时（θ0=180deg）

当高速（100km/h）无主动回正控制时，汽车自身具有较强的回正能力，回正过程的转角速度极快，会让驾驶员产生心理恐慌，并出现超调现象（超调量约80deg），且发生转向摆振;若加主动回正控制功能后，在180deg时松手，大约1.2s左右可回正到预期的中间位置0～5deg之间，且回正转角速度适中。

5    結论

针对汽车自身回正的影响因素，通过回正和阻尼的基本控制方法，在低速时提供基本回正控制，补偿汽车自身的回正力矩不足，而在高速时提供基本阻尼控制，补偿汽车自身的阻尼力矩不足。该基本控制方法，通常能够满足常规城市路面的回正要求，但汽车行驶路面及载重具有较大的差异性，其回正性能也会有较大差异。

本文所提出在回正和阻尼基本控制的基础上，增加自动修正功能，来跟踪回正过程中方向盘的转角与转角速度。其主动回正控制策略和算法，通过仿真模拟汽车转向的回正过程，验证了可实现对低速回正不足现象进行补偿，对高速回正超调现象进行抑制，并按适宜的转角速度，使EPS系统在路面及载重等差异较大的工况下，仍能获得较好的回正性能。

当汽车转向负载等参数变化后，该主动回正控制功能，仍可以通过ECU控制参数的调校/标定，对匹配设计参数进行调整（如表3～8），而满足不同系列汽车的主动回正功能要求。

参考文献：

[1]朱明.带主动回正功能的电动助力转向系统研究[硕士学位论文].北京：北京理工大学，2016.

[2]何殿福，高伟.基于方向盘角度的电动助力转向系统主动回正控制设计[J].汽车实用技术，2014年第10期.

[3]景立群，季学武.电动助力转向系统的主动回正控制[J].汽车技术，2008年第9期.

[4]韦竟秋.汽车工程应用力学[M].北京：机械工业出版社，2013.

[5]刘杰，万里翔，王波.乘用车操纵稳定性评价方法的研究[J].汽车科技 2016年第3期.

[6]李俊青，苏铁熊，史小航.电动助力转向系统电机补偿控制研究[J].汽车实用技术，2013年第1期.

[7]汤传军，蒋小健，付尔第.基于MATLAB/SIMULINK的汽车电动助力转向系统特性仿真[J].汽车工程师 2013年第11期.