詳解如何設計汽車(chē)助力轉向系統電控單元

轉向系統是汽車(chē)的重要組成部分，其性能直接影響著(zhù)汽車(chē)行駛的穩定性和安全性。早期的汽車(chē)轉向系統為純機械轉向系統，沒(méi)有助力，轉向動(dòng)力完全由駕駛員提供，駕駛體驗差。從上世紀30年代以后，逐漸出現了助力轉向系統。目前，汽車(chē)助力轉向主要有3種形式：液壓助力轉向系統(Hydraulic PowerSteering，HPS)，電控式液壓助力轉向系統(Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS)以及電動(dòng)助力轉向系統(Electric Power SteeringSystem，EPS)。相比前兩種，EPS由電機提供輔助力矩，沒(méi)有油系統，很大程度降低了汽車(chē)轉向系統的復雜度，且在燃油效率、模塊化、助力效果和環(huán)境友好性等各方面具有明顯的優(yōu)勢。根據EPS助力電機在齒輪和轉向柱總成上位置的不同，EPS系統分為轉向柱助力式、齒條助力式、小齒輪助力式和雙小齒輪助力式4種類(lèi)型。小齒輪和轉向柱助力式應用于輕型車(chē)輛，雙小齒輪助力式應用于重型車(chē)輛。它們在構成上都具有3個(gè)基本部件：電控單元(Electrie Control Unit，ECU)、助力電機和安裝在轉向柱上的扭矩傳感器。文中針對小型轎車(chē)，以美國Freescale公司的16位單片機MC9S12DP256為核心進(jìn)行了EPS控制器的設計。

1 電動(dòng)助力轉向系統結構和工作原理

電動(dòng)助力轉向系統結構如圖1所示，主要由方向盤(pán)、扭矩傳感器、電子控制單元(ECU)、電機、電磁離合器、減速機構、齒輪齒條轉向器組成。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火后，轉動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，由安裝在轉向軸上的扭矩傳感器測得轉向力矩，并送給ECU，ECU根據轉矩和車(chē)速，通過(guò)預先設置好的助力特性曲線(xiàn)和控制策略計算出一個(gè)電機所需的最佳電流，從而控制電機輸出力矩和轉動(dòng)方向，然后經(jīng)過(guò)減速機構施加到轉向機構，最終得到一個(gè)與行駛工況相適應的轉向作用力，輔助駕駛員轉向。

2 控制策略

2.1 EPS模型建立

根據牛頓定律，可建立轉向系統數學(xué)模型。

其中：Th為方向盤(pán)輸入轉矩，Js為轉向柱、盤(pán)總成轉動(dòng)慣量，Bs為輸入軸阻尼系數，Ks為力矩傳感器剛度系數，Tm電機輸出力矩，Km為助力電機和減速機構的剛度系數，Jm為助力電機轉動(dòng)慣量，Bm為助力電機阻尼系數，M為齒條質(zhì)量，Br為齒條和轉向輪粘性阻尼系數，Kr為齒條當量剛度，G為助力機構傳動(dòng)比，rp為小齒輪半徑，θs為方向盤(pán)轉角，θm為電機轉角，xr為齒條位移，Fr為轉向阻力。

2.2 助力特性曲線(xiàn)設計

EPS助力特性是駕駛員輸入轉矩和電機助力力矩(助力電流)之間的關(guān)系。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，轉向阻力隨著(zhù)車(chē)速的增加而降低。為了獲得汽車(chē)低速行駛時(shí)轉向的輕便性和高速行駛時(shí)的穩定性，在同種行駛狀況下，電機助力力矩隨著(zhù)車(chē)速的升高而減小，并在車(chē)速超出一定范圍時(shí)，電機不進(jìn)行助力。常見(jiàn)的助力特性曲線(xiàn)有3 種：直線(xiàn)型、折線(xiàn)型和曲線(xiàn)型。直線(xiàn)型助力特性曲線(xiàn)形式簡(jiǎn)單，實(shí)際中容易調節和實(shí)現。因此，文中采用直線(xiàn)型助力特性進(jìn)行控制器設計。直線(xiàn)型助力特性可表示為如下函數關(guān)系：

其中：Th為電機目標力矩，f(v)為車(chē)速感應系數，Tmax為電機最大助力力矩，Td0為開(kāi)始助力時(shí)駕駛員輸入最小力矩，Tdmax為電機提供最大助力時(shí)駕駛員輸入力矩。

助力特性參數確定：Td0=1 Nm，Tdmax=7.6Nm，Thmax=21Nm。車(chē)速感應系數按照表1所示規則確定(最終需要實(shí)車(chē)測試后進(jìn)行修正)，車(chē)速超過(guò)80 km/h時(shí)，電機不進(jìn)行助力。

根據上述參數，助力特性曲線(xiàn)設計如圖2所示。

電機目標電流可以由式(8)獲得：

式中，ki為電機轉矩系數，G為電機減速機構傳動(dòng)比。

2.3 控制算法

EPS系統控制是對電機電流大小和方向的控制。其控制算法的好壞直接影響著(zhù)轉向系統的性能。本文采用目前廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的PID控制算法。PID控制穩定性和可靠性高、實(shí)時(shí)性強、且控制與調試方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，適合用于汽車(chē)電動(dòng)助力轉向系統的控制。因此，PID控制是現階段EPS控制系統主要的控制策略。

PID控制的表達式可表示為：

其中：r(t)為助力電機電流目標值，y(t)是控制系統實(shí)際輸出值，u(t)為PID控制器的輸出信號，TI為積分時(shí)間常數，Td為微分時(shí)間常數。EPS控制系統的核心是采用數字信號的單片機。因此，需要對式(10)進(jìn)行如下處理：

為了減小計算量，提高轉向系統的實(shí)時(shí)性，本設計采用增量式PID控制，用控制量的增量△u作為作為控制器的輸出。其實(shí)現方法如下：

設助力電機目標電流為i，實(shí)際當前助力電流為io，則控制偏差為：

ek=i-io (12)

△u=u(k)-u(k-1) (13)

助力電機目標電流可以由單片機根據當前車(chē)速、輸入轉矩、助力特性曲線(xiàn)計算得到。然后由式(11)、(12)、(13)可獲得對應的PWM增量△u。