基于DSPACE的EPS回正控制研究

摘 要：为了增强汽车电动助力转向系统（EPS）的回正性能，改善汽车在低速行驶时回正不足，在高速行驶时回正超调的问题，提出了一种PID回正控制策略。基于硬件在环实验平台在线整定PID控制器的参数，使其在不同的车速及工况下都能达到较为理想的控制效果，进一步使汽车的回正效果得以优化和提高。

关键词：EPS；回正控制；控制算法；仿真

0引言

电动助力转向系统利用电机作为执行机构，对转向系统提供助力。对于电动助力转向系统进行回正控制主要基于以下几点：一、在汽车高速行驶时，会出现方向盘回正超调。二、在汽车低速行驶时，方向盘会出现回正不足。汽车的回正性能在操作稳定性的评价中是一个非常重要的组成部分[1]。本文使用在线PID标定的方法来确定汽车在高速和低速时的模型控制参数，以达到改善汽车转向系统回正性能的目的。

1 EPS系统的工作原理

电动助力转向系统是在传统的机械转向系统的基础上增加了控制单元、电动机及助力机构等。根据EPS系统原理，系统中转向传感器位于转向轴上，对施加在方向盘的力矩的大小和方向起到实时检测的作用，将输入力矩转化成电信号输入到ECU，ECU综合方向盘的转矩、方向及车速传感器输入的信号，根据控制模块的控制算法进行分析和计算当前电动机的目标电流值， 再通过控制器对目标电流的比较、跟踪，输出相应的助力力矩，并通过减速机构传递到转向轴。以达到汽车在不同车速，不同工况下的助力控制的实现[2]。

2 硬件在环实验台工作原理 [3]

驾驶员根据屏幕上动态的路况，根据实时的路况信息进行驾驶操作，在驾驶员操纵方向盘时，方向盘上的力矩传感器会采集方向盘上的转角信号和力矩信号，此信号传给DSPACE来实现车辆的动力学仿真。车辆模型提供的车速信号经转向操作电脑中的模型计算出助力电机的目标控制电流，经大功率电机控制器输出助力力矩，与回正力矩共同作用于转向齿条，后由转向柱将力传给转向盘，驾驶员受到力的作用，感受到“路感”。

3 回正控制特性理论分析与研究

汽车的回正状态是指当驾驶员将方向盘转到一定角度后，松开方向盘，由于前轮定位参数（主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾、前轮前束）的影响，使转向盘自动回到中间位置的过程。回正控制是在原有的机械回正的基础上，利用电动机产生辅助力矩使方向盘快速准确的回到中间位置，使车辆能够维持稳定的直线行驶。

当汽车在转向的时候，可根据所采集的方向盘转矩、方向盘转角和方向盘角速度信号来判断当前的的系统运行状态，来采用相应的控制模式[4]。判断回正过程的方法为：判别方向盘转角和转速度，当测得的方向盘转角和转速度的方向相反时，汽车当前处于回正状态，否则，汽车处于助力状态。

助力电机提供的回正力矩应满足下面的公式：

式中：T-电机提供的回正力矩

θ-方向盘转角

Kp-比例系数 Ki-积分系数 Kd-微分系数

3.1 回正控制模块的设计

EPS系统的回正控制模型如图3所示，由图可以看出，方向盘转角SA和方向盘力Ts作为回正控制模型的输入信号，当Ts与SA的方向相反，且方向盘力矩小于1Nm时系统主动回正开始。在PID的控制过程中，在不同的车速下，可以通过DSPACE选取不同的系数来获得最佳的控制效果。通常汽车在低速行驶时，令微分系数为零，采用PI控制的方法。汽车在告诉行驶时，令积分系数为零，采用PD控制。

4.EPS系统回正控制仿真分析

根据之前建立的EPS原型以及回正控制仿真模进行分析。

（1）车辆低速和高速的回正仿真分析。根据GB/T6223.2-1994汽车操纵稳定性试验中回正转向试验的方法。分别设定车速为30km/h和70km/h，保舵4秒后，松开方向盘，观察方向盘转角的角度变化过程，并记录相关数据。

图5和图6为方向盘手力矩为5N・m时在高速和低速时方向盘转角阶跃响应仿真曲线。曲线的实线部分是未加入回正控制时的方向盘转角响应的仿真曲线，虚线部分是加入回正控制后的方向盘转角响应。由图可以看出，在系统加入回正控制以后，方向盘转角能够较快速的达到稳定，能够较准确的回到中位，回正的稳态响应时间也相应缩短。

5.结论

（1）为了提高EPS系统的回正性能，改变驾驶员的“路感”，对方向盘转角利用PID的控制策略，在DSPACE硬件在环实验平台实时更改比例、积分、微分系数，提高各车速下的回正性能。

（2）仿真结果表明：加入PID回正控制后的电动助力转向系统在低速和高速状态下能够有效避免回正不足或回正超调现象，使汽车回正性能得到大幅度提高。

参考文献

[1] 李欣. 电动助力转向系统操纵性能及控制策略研究. 上海交通大学博士论文， 2009.

[2] 向丹，李武波.电动助力转向系统回正控制及其仿真研究.