車(chē)載EPS算法、架構以及控制策略

　　駕駛員在操縱方向盤(pán)進(jìn)行轉向時(shí)，轉矩傳感器檢測到轉向盤(pán)的轉向以及轉矩的 大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據轉矩傳感器檢測到的轉距電壓信號、轉動(dòng)方向和車(chē)速信號等，向電動(dòng)機控制器發(fā)出指令，使電動(dòng)機輸出相 應大小和方向的轉向助力轉矩，從而產(chǎn)生輔助動(dòng)力。汽車(chē)不轉向時(shí)，電子控制單元不向電動(dòng)機控制器發(fā)出指令，電動(dòng)機不工作。

　　第一部分 EPS的控制策略

　　控制策略無(wú)非三個(gè)東西：

　　輸入是什么？

　　對EPS控制策略而言，其基本功能的輸入主要是EPS系統內部扭矩轉角傳感器所提供的方向盤(pán)扭矩，方向盤(pán)轉角，從總線(xiàn)獲取的車(chē)速信號。

　　對某些EPS高級功能而言，可能還需要從CAN總線(xiàn)獲取車(chē)身的側偏角、橫擺角速度、左右前后輪速等車(chē)輛動(dòng)態(tài)參數。

　　駕駛輔助或自動(dòng)駕駛，還需要從CAN總線(xiàn)獲取諸如疊加的力矩值、目標方向盤(pán)轉角、目標方向盤(pán)轉速等信號。

　　輸出是什么？

　　基于輸入，通過(guò)一些什么樣的控制邏輯得到輸出？

　　篇幅所限，這里只涉及EPS基本功能的控制策略，請各位牢記下面的簡(jiǎn)化公式：T_手+T_電機=T_阻

　　T_手就是駕駛員操縱方向盤(pán)所使用的力矩，由扭矩轉角傳感器測量得到。

　　T_阻就是由于輪胎與地面摩擦傳給齒條的阻力所產(chǎn)生的力矩，轉向系統工作的過(guò)程就是客服這一阻力矩的過(guò)程。

　　EPS控制策略，其實(shí)就是基于各種系統輸入條件，計算T_電機的這一過(guò)程。至于T_電機是怎樣產(chǎn)生的（電機控制領(lǐng)域范疇）

　　細心的觀(guān)眾可能要問(wèn)，還要用車(chē)速做為輸入嗎？車(chē)速在哪里呀車(chē)速在哪里？

　　技術(shù)所有的框框里都有一些叫做CURVE或MAP的標定參數，那些煩死人的參數基本都是與車(chē)速相關(guān)的。

　　圖1：基本的EPS控制模塊

　　首先是助力特性曲線(xiàn)模塊，從EPS發(fā)明至今，主要的助力特性曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)了從直線(xiàn)、到分段折線(xiàn)、到曲線(xiàn)這么一個(gè)過(guò)程。直線(xiàn)型助力特性曲線(xiàn)和折線(xiàn)型的助力特性曲線(xiàn)比較簡(jiǎn)單，容易調試，但是由于助力曲線(xiàn)不是處處可導，不能獲得較好的轉向手感建立梯度和中間位置感。

　　超前滯后矯正模塊有很多高大上的叫法，比如穩定補償器、自適應補償器等等，其本質(zhì)都是自動(dòng)控制原理里面的一個(gè)超前滯后矯正的環(huán)節。學(xué)過(guò)自控原理反饋系統基本知識的都知道當一個(gè)控制系統前向通道的放大倍數太大時(shí)，必然會(huì )導致系統發(fā)散不穩定（勞斯穩定性判據和奈奎斯特穩定性判據）。

　　助力特性曲線(xiàn)，其本質(zhì)就是前向通道的一個(gè)放大倍數K，不過(guò)這個(gè)K在不同的車(chē)速和不同的手力矩情況下是變化的而已。當這個(gè)K比較大時(shí)，就會(huì )導致EPS系統發(fā)散，很典型的一種情況我們管他叫“自嗨型EPS”，在不引入超前滯后矯正模塊或者超前滯后矯正模塊參數沒(méi)有調節好的情況下，給轉向盤(pán)稍微加一個(gè)激勵，方向盤(pán)在可能某一位置不停震蕩。

　　滯后超前模塊的引入就是為了消除這一現象而設計，有做兩階補償的、有三階補償的、有四階補償的，四階以上的補償算法因為參數調節太過(guò)復雜，目前筆者還沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)哪家采用。

　　其設計思路為：

　　在低頻段盡量不影響原系統的幅頻和相頻特性

　　在中頻段降低系統增益

　　在高頻段提高系統的相頻特性，以獲得更大的相位裕度

　　典型的超前滯后矯正模塊的BODE圖如下：

　　高頻增益模塊是單獨將手力矩做高通濾波，基于扭矩信號的高頻部分經(jīng)過(guò)一個(gè)MAP后計算得到一個(gè)高頻增益力矩。因為做高通濾波必然會(huì )帶來(lái)相位的超前，因此這一部分的力矩對電機慣量及轉向系統的內摩擦都有一定的補償效果。

　　回正控制和阻尼控制是一對互為補充的好基友。沒(méi)有這兩個(gè)控制，輪胎及懸置系統本身也能夠提供一定的回正力。但一般來(lái)說(shuō)：

　　在低車(chē)速情況下，系統阻力太大，撒手時(shí)車(chē)輛本身的回正力不足以克服所有的阻力使方向盤(pán)回到中位；

　　在高車(chē)速情況下，車(chē)輛本身的回正力又太大，撒手時(shí)又容易出現搖頭的現象。

　　于是這一對好基友便各司其責，低車(chē)速情況下回正控制起作用，提供一個(gè)額外的力矩幫助方向盤(pán)回到中位；高車(chē)速的情況下，阻尼控制起作用，提供一個(gè)反向的力矩，防止方向盤(pán)搖頭。最終的目標是一致的，在全車(chē)速范圍下，能讓方向盤(pán)準確、平順的一次性回到中位。

　　第二部分 EPS架構

　　德鵬給我的架構確實(shí)引起了不少的意見(jiàn)，我這里做一下說(shuō)明。底盤(pán)電子的架構，大體以以下為主流架構，單個(gè)雙核配一個(gè)外部MCU。

　　EPS部分，沒(méi)有、亂動(dòng)和鎖住是三大D級問(wèn)題

　　在邁向線(xiàn)控和無(wú)人駕駛的領(lǐng)域，EPS本身一套就是兩個(gè)以上

　　是不是這么夸張，我們還不知道

　　小結：

　　1）在EPS基本功能模塊中，助力曲線(xiàn)是基礎，矯正高頻是關(guān)鍵，回正阻尼錦上添花。

　　2）單個(gè)EPS乃至2～3個(gè)未來(lái)咋折騰，看BOM成本看目的要求，整個(gè)設計可能會(huì )有一些變數，誰(shuí)說(shuō)得明白來(lái)說(shuō)一說(shuō)