汽车EPS控制系统研究

郑志谊

摘要：现代汽车的电子化水平不断提高，EPS就是一个结合了电子控制技术的先进的汽车转向助力系统，它使得转向系统变得灵活轻便、节能、环保，大大改善了汽车的操控性，助力特性灵活可变，易实现针对不同车速提供合适的助力。结构简单易维护、紧凑、质量轻，符合现代汽车轻量化理念。易于实现不同的控制策略，通过软件提高转向系统和整车的稳定性。CAN总线的引入使得EPS具备与其他电控单元通信的能力，实现信息共享，协调控制。

Abstract： The electronic level of modern automobiles is constantly improving. EPS is an advanced automobile steering assist system that combines electronic control technology. It makes the steering system flexible， lightweight， energy-saving， and environmentally friendly， greatly improving the controllability of the automobile， and the power-assisting characteristics are flexible and flexible Changing. It is easy to provide suitable assistance for different vehicle speeds. The structure is simple， easy to maintain， compact， and light in weight， in line with the lightweight concept of modern automobiles. It is easy to implement different control strategies and improve the stability of the steering system and the vehicle through software. The introduction of CAN bus makes EPS have the ability to communicate with other electronic control units， realize information sharing， and coordinate control.

关键词：EPS电子控制;控制策略;稳定性

Key words： EPS electronic control;control strategy;stability

1  EPS结构及功能

根据助力电机的位置，EPS系统有以下几种不同类型：①转向柱助力式，助力电机连接在转向柱上。②小齿轮助力式，助力电机安装在转向器小齿轮轴上。③齿条助力式，助力電机安装在转向齿条上。④双小齿轮助力式：助力电机通过单独的小齿轮组件连接到转向齿条。

典型的EPS系统由车速传感器、扭矩传感器、转向角传感器，电子控制单元和一个电机组成。基本助力将力矩分为高频部分和低频部分，助力特性曲线经历从直线、折线、曲线的优化过程，曲线型助力特性能获得较好的转向手感和中间位置感。回正控制在低速情况下起回正作用，提供一个额外的力矩使方向盘回正，在高速情况下，阻尼控制起作用，提供一个反向的力矩，防止方向盘摇头。（图1）

2  EPS控制系统基本架构（图2）

EPS系统从机械和电气角度可分为机械系统和电控系统。电控系统又可分为ECU电子控制单元、电机和传感器三部分。基本的输入包括扭矩传感器信号、方向盘转角以及总线获得的车速信号。控制电路通过外围的扭矩传感器检测到驾驶员手转方向盘的力矩，在得知驾驶员的转向意图后控制电路会在极短的时间内采集到相关信息，包括转角传感器的方向盘转角信号，通过CAN总线传来的车速信息等，然后根据控制电路单片机中预设的转向助力特性曲线通过控制功率电路产生所需的三相电流给三相永磁同步电机PMSM或直流无刷电机BLDC，进而驱动机械系统，输出对应的扭矩。对一些高级功能而言，还需从CAN总线获取车身侧偏角、横摆角速度、左右前后轮速等参数。对于驾驶辅助或自动驾驶，还需要从CAN总线获取目标方向盘转角、目标方向盘转速、叠加的力矩值等信号。EPS的控制策略就是基于各种输入，计算电机输出扭矩的过程。控制电路在整个EPS电控系统中起着中枢核心作用。它既要进行底层电机控制的计算，还要进行应用层助力特性曲线的拟合计算并快速响应，同时还要执行采集各种输入信息监控整个电控系统等任务。因而EPS系统对控制电路的计算精度和速度及可靠性提出了很高的要求。即使控制电路有故障发生的情况下也要检测到并输出关断信号到功率电路的相切断单元，以保证功能安全目标的实现。（图3）

3  EPS控制系统设计开发

电动助力转向系统为系统集成商提供了具有挑战性的控制设计问题。由于系统直接与驾驶员手互动，因此必须减少振动，但是，控制系统的基本机械共振需要环路补偿，例如超前滞后，这会使系统对于更高频率的干扰敏感。这可能包括电机产生的齿槽效应和转动脉动，或者来自驱动电子设备的换向噪声。因此，至关重要的是要有一个工具流程来支持这些技术之间的协调设计工作。Denso的工程师从头设计系统时就考虑了冗余性，每个组件都已经在双系统中复制了，但该单元比传统EPS系统小30%，轻20%，这本身带来了进一步的好处，减少了发动机罩下方的空间并减轻了重量，从而也改善了燃油消耗和排放。该技术的另一个优点是由于将逆变器单元和控制装置加倍而降低了温度，与早期系统相比，工作温度的降低有助于减小EPS的尺寸。全球领先的技术和服务供应商博世专注于未来高度自动化的4级和5级系统，在2017年的北美车展上展示了其具有“故障操作功能”的EPS系统。

3.1 模型开发

EPS控制系统设计的第一步就是要理解其动态特性。一个高保真动力学模型可以深入了解系统行为，还可以作为验证所设计控制器的平台。与简化的降阶系统相比，高保真系统需要大量计算时间。为减少新车EPS设计开发时间，需要转向机构和可靠的驾驶员等模型，来自不同学科的研究人员尝试理解和预估驾驶员的行为。驾驶员模型分为基于汽车和基于人两种，基于车的模型主要考虑车辆部件的设计和调整，而基于人的模型则要开发出路径跟随控制器和驾驶员的神经肌肉骨骼模型。路径跟随控制器分为补偿控制和预览控制。EPS控制器没有明確定义驾驶员的转向感觉和舒适度测量值。一些驾驶员抱怨转向松动或沉重，以及方向盘产生不愉快的振动，研究发现，这只是驾驶员对偏心的中枢转向感的偏爱。设计EPS系统需要在存在干扰和不确定的情况下解决跟踪控制问题。

3.2 EPS控制策略

3.2.1 基于动态模型的EPS  基于仿真软件开发驾驶员和车辆模型，开发基于模型的EPS控制器，为每种预定义的驱动程序提供适当的帮助。使用系统的优化程序对特性曲线进行调整，为机具有不同体力的驾驶员提供适当帮助，以具有相似的道路和转向感觉。然后基于调整后的EPS特性曲线，开发一种基于观测器的最佳干扰抑制控制器，该控制器由线性二次调节器和加有整形滤波器的卡尔曼滤波器观测器组成，可在衰减的同时提供辅助功能。

3.2.2 EPS参数估计，鲁棒控制器设计和性能分析  EPS参数和干扰（包括助力电机参数、传感器信号噪声和随机道路因素）使得系统稳定性得到广泛研究。基于环路整形技术，环路整形过程目的在于尽量消除系统干扰对输出的影响。利用简化的精化工具变量算法，最小二乘状态变量滤波器算法和工具变量状态变量滤波器算法来减少理论EPS模型与实际EPS模型之间的模型不匹配，即EPS可以根据实验EPS数据准确识别参数。将所提出方法性能与EPS系统的比例积分微分测试台结果进行比较，结果表明提出的环路整形控制器在保证EPS系统稳定性的同时提供了良好的跟踪性能。

3.2.3 基于扰动观测器的电动助力转向系统主动返回控制策略  当车辆行驶在崎岖不平的路面时，方向盘处于转向反转状态时，方向盘扭矩可能会波动，为克服随机路面激励对车辆返回的不利影响，提出了一种将扰动观测器与后推滑膜算法相结合的电动助力转向控制算法。首先建立返回扭矩控制策略，将干扰器的观测值作为理论依据。然后补偿EPS助力电机的返回电流，确定返回控制的目标电流值。在ADAMS中建立整车模型，在MATLAB 中建立EPS系统控制器模型。然后在ADAMS整车模型中添加随机路面激励信号，最后在测试台上验证系统稳定性。

参考文献：

[1]基于CAN总线的C-EPS永磁无刷电机控制器设计[D]. 陈啸.浙江工业大学，2015.

[2]Electric power steering systems （EPS） have never been safer.Peter ElsXuewu.Automotive iQ.

[3]Design of control system for Electric Power Steering in vehicle [C]. M. R. Ahadiat. Proceedings - International Conference on Industrial Engineering and Operations Management， Kuala Lumpur， Malaysia， March 8-10， 2016.

[4]Active Return Control Strategy of Electric Power Steering System Based on Disturbance Observer [J].Zhipeng Li. Journal of Engineering Science and Technology Review 11 （3） （2018）： 61-69.