【正文】 and control strategy validation of the role of system the realtime signal acquisition the speed and torque sensor signal and through the control algorithm and use which to determine the current output through the H bridge circuit and control the power of the motor speed and torque,control unit achieves power steering function． Key words:Electric Power— assisted Steering,Sensor,Fuzzy control. 1 前言 電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于 20 世紀(jì) 80 年代中期提出來的。一個典型的 EPS系統(tǒng)由四個基本部分組成，即：扭矩傳感器 (角度傳感器 )、助力轉(zhuǎn)向電控單元 (ECU)、帶動方向柱的助力電機 (含電磁離合器 )以及機械轉(zhuǎn)向裝置。在汽車駕駛 3 過程中，操作轉(zhuǎn)向盤給輸入軸輸入一個角位移，相對角位移造成扭桿的形變。若不需要助力，助力系統(tǒng)關(guān)閉，轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向。奔馳公司在進(jìn)行后橋電子轉(zhuǎn)向和多橋汽車的第三橋電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究之后，于 1990 年開始了前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的深入研究，并將其開發(fā)的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝于 F400Carving 的概念車上。 日本光洋精工株式會社是世界上最早對電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)的廠家，目前生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在世界上的市場占有率為世界第一。 美國的德爾福公司繼成功推出了 EPS系統(tǒng)后，又開發(fā)出了自己的前輪和四輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并應(yīng)用于加州的自動高速公路系統(tǒng) AHS(automated highway System)中。它取消了方向盤、加速踏板和制動踏板，完全采用操縱桿控制，實現(xiàn)了 Driye— bywire技術(shù)。整個概念車的開發(fā)計劃始于 1995年，根據(jù)公司的規(guī)劃，計劃在 20xx年時正式付諸批量生產(chǎn)。 綜合起來看，目前電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為四類： （ 1）液壓電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EHPS(Electro— Hydraulic Power Steering) （ 2）電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng) EPS(Electrical Power Steering) （ 3）主動前輪電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) AFS(Active Front steering) （ 4）線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng) SBW(Electric Power Steering by wire EP S— by wire或steering by wire) 這四類系統(tǒng)也反應(yīng)了汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的發(fā)展階段，線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前最為先進(jìn)和前沿的轉(zhuǎn)向技術(shù)。例如，恩智浦在 20xx年就提出了使用其 Flexray收發(fā)器系列產(chǎn)品確保在 EPS和 ABS系統(tǒng)之間建立可靠及時的通信，根據(jù)速度優(yōu)化助力轉(zhuǎn)向的解決方案。 （ 2）分析了電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求和試驗方法。 電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這一課題的研究綜合了控制科學(xué)與理論、汽車電子、機械設(shè)計、傳感檢測和電機學(xué)等多門學(xué)科知識，屬于機電一體化系統(tǒng)。各項新技術(shù)、新理論也在不斷的提出。由于直流電動機有良好的啟動性能和調(diào)速性能，且助力電機的電源來自汽車蓄電池的直流供電，因此電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用的一般是直流電動機。對普通電機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將轉(zhuǎn)子的表面開出斜槽或螺旋槽，定子磁鐵設(shè)計成不等厚，加裝減速機構(gòu)等，使得這類電機噪聲低、扭矩大、波動小、轉(zhuǎn)矩波動小、尺寸小質(zhì)量輕，并且可靠性高，控制簡單。后者多數(shù)已經(jīng)集成在汽車本身零部件上，只需要通過總線技術(shù)讀取數(shù)據(jù)即可。目前，國外的 EPS系統(tǒng)中使用的扭矩傳感器多為電磁感應(yīng)式或光電式的。這類傳感器精度不高，但成本很低。 按照助力車速范圍的不同， EPS系統(tǒng)的助力特性曲線可分為全速范圍助力型和低速范圍助力型。 (b)為折線型助力特性曲線，在助力變化區(qū)內(nèi)，助力的大小與轉(zhuǎn)向盤輸入力矩 7 成分段線性關(guān)系。非線性的特性曲線，在一定車速下，助力隨輸入力矩增大而迅速增加，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但模型較復(fù)雜，不易控制。這其中最重要的就是控制方法的選擇。這些因素在 EPS系統(tǒng)設(shè)計時都要考慮到控制策略上去，通過軟件修正的方法消除干擾。EPS系統(tǒng)可能存在故障的位置及原因主要有七類，分別是扭矩傳感器故障、車速傳感器故障、點火信號故障、助力電機故障、電磁離合器故障、電子控制單元故障、電源故障。 8 表 1 常見的 ESP 故障代碼表 Tab1 The mon fault code 故障碼 故障部位 診斷故障說明 C1511 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器斷路 C1512 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器短路 C1513 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器未標(biāo)定 C1514 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器值不變 C1515 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器自身特性不良 C1521 車速傳感器 車速傳感器 斷路 C1522 車速傳感器 車速傳感器短路 C1523 車速傳感器 車速傳感器未標(biāo)定 C1524 車速傳感器 車速傳感器值不變 C1525 車速傳感器 車速傳感器 自身特性不良 C1531 點火信號 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器斷路 C1532 點火信號 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器短路 C1533 點火信號 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器未標(biāo)定 C1534 點火信號 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器不變 C1535 點火信號 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器特性不良 C154l 助力電機 助力電機短路 C1542 助力電機 助力電機斷路 C1543 助力電機 助力電機溫度異常 C1544 助力電機 助力電機內(nèi)部故障，特 性不良 C1551 電磁離合器 離合器短路 C1552 電磁離合器 離合器斷路 C1553 電磁離合器 離合器自身特性不良 C156X 電子控制單元 控制單元異常 C157l 電源 電壓不穩(wěn)定 C1572 電源 電壓低 整車性能匹 EPS系統(tǒng)作為整車提升性能的一個重要組成部分，其系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性也會影響到其他電子系統(tǒng)以及整車的性能。通過建立各部件的數(shù)學(xué)模型及利用數(shù)學(xué)建模知識的運用來分析 EPS的動力學(xué)特性。 如圖所示為 EPS的簡化模型： 圖 3 EPS 系統(tǒng)的動力學(xué)模型 Dynamical model 根據(jù)該模型，建立如下的各機械部件的動力方程： 轉(zhuǎn)向柱： eSsssSS KTKBJ ??? ???? h (1) 齒輪齒條 ： rpWrrrrr frTxKxbx ????rm (2) 輸出軸： wemmesseeee TGGKKBJ ?????? )()( ?????? (3) 10 電動機： )( emmmmmmm GKTBJ ???? ???? (4) 傳感器輸入轉(zhuǎn)矩： ms fTT ??i (5) 上述公式中各個參數(shù)的物理含義如下： SJ 為轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動慣量； SB 為轉(zhuǎn)向柱的阻尼系數(shù)； SK 為扭桿的剛性系數(shù)； S? 為轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向角； ST 為扭桿彈性轉(zhuǎn)矩測量值； hT 為轉(zhuǎn)向盤上的輸入扭矩； eJ 為減速器的轉(zhuǎn)動慣量； eB 為減速器的阻尼系數(shù)； e? 為輸出軸的旋轉(zhuǎn)角； G為減速器的減速比； Tw為輸出軸上的反作用扭矩； rm 為齒輪齒條的質(zhì)量； rb 為齒條的等效阻尼； rK 為等效彈簧的彈性系數(shù)； rx 為 齒條位移量； rf 為路面干擾； mB 為電動機的粘性摩擦系數(shù)； mT 為電動機的轉(zhuǎn)矩； mK 為電動機和減速器的剛度； mJ 為助力電機的慣性力矩； m? 為助力電機的轉(zhuǎn)角； pr 為齒輪半徑； iT為扭矩傳感器輸入扭矩； mf 為電機摩擦系數(shù)。系統(tǒng)模型的輸出包括轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角 s? 、助力電機助力轉(zhuǎn)矩 aT 、扭矩傳感器檢測的轉(zhuǎn)矩 seT 、電機速度 m.? 以及齒輪齒條的位移 rx [12]。 ) 帶入數(shù)據(jù)得： 2a () 50000( ) 1 .0 4 4 5 2 2 2 0 0 0M Ss s s?? ? ?? (23) 電控部分建模 阻尼控件 EPS系統(tǒng)的理想目標(biāo)是在實現(xiàn)轉(zhuǎn)向清便的同時，能獲得與機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相同的路感。 阻尼控制是 EPS系統(tǒng)在提高汽車高速直線行駛穩(wěn)定性，減小不平路面對轉(zhuǎn)向盤的沖擊方面提出的一種補償控制模式。 阻尼補償電流的表達(dá)式為： mdd KI ??? ， dK 為阻尼補償?shù)脑鲆?[13]。而當(dāng)車輛在高速行駛時，車輪的回正能力較強，為了提高車輛的穩(wěn)定性和方向盤的穩(wěn)定性， EPS提供回正補償來保證回正時不會出現(xiàn)超調(diào)量和擺振。方向盤的扭矩通過扭矩傳感器測量并濾波后，再進(jìn)行相位補償，由控制器計算得到助力電流。在電機啟動和制動時，慣性補償起作用，而在平穩(wěn)運行時，阻尼補償起主要作用。在以上各章分析的基礎(chǔ)上，本章將具體闡述實際項目中的 EPS控制器的開發(fā)流程。扭矩傳感器采集來自方向盤上駕駛員的手力力矩和方向，車速傳感器采集汽車當(dāng)前的車速 ,ECU 在綜合了這兩個傳感器輸入的數(shù)據(jù)后判斷是否提供助力， 并相位補償 助力控制 阻尼控制 回正控制 微分單元 電機電流 計算值 16 通過控制算法確定在提供助力的前提下助力的大小和方向。 硬件電路的設(shè)計 ECU 的硬件電路主要由主控部分、數(shù)據(jù)采集部分和電機驅(qū)動電路三個方面構(gòu)成，其中，數(shù)據(jù)采集和主控部分集成在一塊電路板上，電機驅(qū)動部分單獨布板。 扭矩 傳感器 數(shù)據(jù)采集處理 數(shù)據(jù)采集處理 數(shù)據(jù)采集處理 A/D ECU A/D 17 圖 7 控制系統(tǒng)電源 Control system power supply 電源電路 EPS的電源由汽車蓄電池提供。圖 8所示為系統(tǒng) 的主電源供電電路。 圖 9 控制系統(tǒng)板電源電路 The control system board power circuit 為了節(jié)省汽車蓄電池電力， EPS系統(tǒng)通常設(shè)定在汽車發(fā)動時開啟控制系統(tǒng)電路。當(dāng)系統(tǒng)停止助力或系統(tǒng)故障時，繼電器自動切