詳解如何設計汽車助力轉向系統(tǒng)電控單元

轉向系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其性能直接影響著汽車行駛的穩(wěn)定性和安全性。早期的汽車轉向系統(tǒng)為純機械轉向系統(tǒng)，沒有助力，轉向動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(tǒng)。目前，汽車助力轉向主要有3種形式：液壓助力轉向系統(tǒng)(Hydraulic PowerSteering，HPS)，電控式液壓助力轉向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS)以及電動助力轉向系統(tǒng)(Electric Power SteeringSystem，EPS)。相比前兩種，EPS由電機提供輔助力矩，沒有油系統(tǒng)，很大程度降低了汽車轉向系統(tǒng)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(tǒng)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種類型。小齒輪和轉向柱助力式應用于輕型車輛，雙小齒輪助力式應用于重型車輛。它們在構成上都具有3個基本部件：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，以美國Freescale公司的16位單片機MC9S12DP256為核心進行了EPS控制器的設計。

1 電動助力轉向系統(tǒng)結構和工作原理

電動助力轉向系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由方向盤、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。在汽車發(fā)動機點火后，轉動方向盤時，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根據轉矩和車速，通過預先設置好的助力特性曲線和控制策略計算出一個電機所需的最佳電流，從而控制電機輸出力矩和轉動方向，然后經過減速機構施加到轉向機構，最終得到一個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(tǒng)數學模型。

其中：Th為方向盤輸入轉矩，Js為轉向柱、盤總成轉動慣量，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為助力電機轉動慣量，Bm為助力電機阻尼系數，M為齒條質量，Br為齒條和轉向輪粘性阻尼系數，Kr為齒條當量剛度，G為助力機構傳動比，rp為小齒輪半徑，θs為方向盤轉角，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)之間的關系。汽車在行駛過程中，轉向阻力隨著車速的增加而降低。為了獲得汽車低速行駛時轉向的輕便性和高速行駛時的穩(wěn)定性，在同種行駛狀況下，電機助力力矩隨著車速的升高而減小，并在車速超出一定范圍時，電機不進行助力。常見的助力特性曲線有3 種：直線型、折線型和曲線型。直線型助力特性曲線形式簡單，實際中容易調節(jié)和實現。因此，文中采用直線型助力特性進行控制器設計。直線型助力特性可表示為如下函數關系：

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

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

根據上述參數，助力特性曲線設計如圖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比。

2.3 控制算法

EPS系統(tǒng)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轉向系統(tǒng)的性能。本文采用目前廣泛應用于工業(yè)控制領域的PID控制算法。PID控制穩(wěn)定性和可靠性高、實時性強、且控制與調試方法簡單，易于實現，適合用于汽車電動助力轉向系統(tǒng)的控制。因此，PID控制是現階段EPS控制系統(tǒng)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(tǒng)實際輸出值，u(t)為PID控制器的輸出信號，TI為積分時間常數，Td為微分時間常數。EPS控制系統(tǒng)的核心是采用數字信號的單片機。因此，需要對式(10)進行如下處理：

為了減小計算量，提高轉向系統(tǒng)的實時性，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。其實現方法如下：

設助力電機目標電流為i，實際當前助力電流為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速、輸入轉矩、助力特性曲線計算得到。然后由式(11)、(12)、(13)可獲得對應的PWM增量△u。