【導(dǎo)讀】力轉(zhuǎn)向發(fā)展的必然趨勢。電動助力轉(zhuǎn)向采用電動機直接提供助力，助力大小由電控。它能節(jié)約能量，提高安全性，且有利于環(huán)保，是一項緊扣現(xiàn)代汽車。發(fā)展主題的高新技術(shù)。本文在借鑒國內(nèi)外電動助力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域研究的最新成果的基礎(chǔ)。究，并在其基礎(chǔ)上開發(fā)出系統(tǒng)的電控單元。了初步確定直線型助力特性的特征參數(shù)的過程。本文設(shè)計的EPS控制系統(tǒng)硬件主要由控制器、傳感器及信號處理。電路、助力電機及驅(qū)動電路、通訊電路等組成?？刂齐娐泛诵牟捎?6位單片機。為了實現(xiàn)控制策略，對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了軟件設(shè)計和編制，以實。現(xiàn)在不同工況和不同模式下對直流電機的控制。

　　

【正文】 力的目標電流，通過電動機電流控制器控制電動機輸出力矩。 EPS 系統(tǒng)在進行助力控制時，功率驅(qū)動單元的電路如圖 。當方向盤右轉(zhuǎn)時， V1 導(dǎo)通， V4 進行 PWM 控制。左轉(zhuǎn)時 V3 導(dǎo)通， V2 進行 PWM 控制。 第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 20 圖 助力控制驅(qū)動電路 補償控制 為了降低助力增益的增加對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，需要引入微分控制，使得當助力增益增加時，相對阻尼系數(shù)不降低較多，保證系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性?？筛鶕?jù)轉(zhuǎn)向作用力的變化率，沿力矩變化的方向產(chǎn)生補償。由于 EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較大，當轉(zhuǎn)向盤快速轉(zhuǎn)向時為了增強系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，引入電動機轉(zhuǎn)速對目標電流進行補償。 回正控制 回正控制是改善轉(zhuǎn)向回正特性，更好地符合汽車動態(tài)特性的一種控制模式。汽車在轉(zhuǎn)向回正時，轉(zhuǎn)向輪主銷 后傾角和主銷內(nèi)傾角使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。 汽車在低速行駛時，由于側(cè)向加速度比較小，回正力矩也較小，因此必須在低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中進行控制，使車輪能迅速回到直線行駛或者中間位置，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的回正性。汽車在高速行駛時，側(cè)向加速度比較大，回正力矩也較大，為了提高汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，必須控制回正速度，使汽車轉(zhuǎn)向不出現(xiàn)超調(diào)和左右擺動的現(xiàn)象。 在回正過程中，方向盤上的力是逐漸減小的，若仍然按助力控制時的助力特性可能會導(dǎo)致低速不能回到中間位置，高速時出現(xiàn)超調(diào)。因此電動機目標電流需要根據(jù)回正助力特性來確定。 低速時迅速衰減助力電流，高速時逐漸衰減助力電流。 第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 21 圖 回正助力特性曲線 圖 回正控制驅(qū)動電路 利用方向盤力矩微分值判斷是否處于回正狀態(tài)。 EPS 系統(tǒng)在進行回正控制時，電動機電流由回正助力特性曲線決定。功率驅(qū)動單元的電路與常規(guī)助力控制相同如圖。當方向盤右轉(zhuǎn)回正時， V1 導(dǎo)通， V4 進行 PWM 控制。左轉(zhuǎn)回正時 V3 導(dǎo)通， V2 進行 PWM控制。 電動機中位控制 當方向盤轉(zhuǎn)向回正到中間位置附近時，一方面由于電動機的慣性使得操縱系統(tǒng)的慣性比機械式轉(zhuǎn)間操縱系統(tǒng)的慣性大， 轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂；另一方面，車輛高速行駛時，由于路面的偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須在中位進行控制，以提高汽車運行時的高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性。 直流電動機的等效電路可簡化為 mbNKRIU ?? ，電動機轉(zhuǎn)矩 IKT am? ，所以有 mbam NKKRTU ?? （ 33) 當電源短路時則有： mabm NRKKT ??? (34) 該式表明當電源短路時，電動機的力矩表現(xiàn)為制動力矩，與電動機的方向相反，轉(zhuǎn)速成比例。采用電機中位控制時，只需將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機產(chǎn)生阻第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 22 尼效果。當方向盤轉(zhuǎn)矩較小，進入助力死區(qū) (意味著此時轉(zhuǎn)向盤已經(jīng)回到或接近中間位置 )，電機旋轉(zhuǎn)速度比根據(jù)當前車速得到的某特定值大時，對電機進行中位控制 。 EPS 系統(tǒng)在中位進行控制時，如圖 V2 和 V4 同時導(dǎo)通， Vl 和 V3 關(guān)斷，實現(xiàn)中位控制。當電機停止轉(zhuǎn)動時，制動轉(zhuǎn)矩消失，控制結(jié)束。 在電機中位控制中需要電動機轉(zhuǎn)速 (或方向盤轉(zhuǎn)速 )信號，但一般的 EPS 系統(tǒng)沒有這兩個信號，需要利用現(xiàn)有的傳感器信號對其估算。一般有兩種方法。一種是利用角度傳感器信號的微分運算獲得；另一種是由 mbNKRIU ?? 推出bm KRIUN ?? 。也就是說轉(zhuǎn)速信號可用電動機電壓和電流進行估算，在本系統(tǒng)中沒有角度傳感器信號，只有采用第二 種方法。 圖 中位控制驅(qū)動電路 對于受限單極方式的 PWM 控制，在正轉(zhuǎn)時， V4 導(dǎo)通， V2 和 V3 截止，僅 Vl 受PWM 調(diào)制；在反轉(zhuǎn)時， V2 導(dǎo)通， V1 和 V4 截止，僅 V3 受 PWM 調(diào)制。這種工作方式上下橋臂沒有直通的危險，工作可靠性比較高。本系統(tǒng)采用這種驅(qū)動方式。 電動機電流的閉環(huán)控制算法 在目標電流決定以后，為了使電動機的實際工作電流能迅速跟蹤目標電流，就必須設(shè)計一個目標電流跟蹤器。 PID 控制器是成熟的控制策略之一，算法簡單，且易于通過編程實現(xiàn)，大量的工程實踐證明了其可靠性。 數(shù)字 PID 控制算法 PID(比例、積分、微分 )控制由于其原理簡單、技術(shù)成熟，在工業(yè)控制中得到了廣第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 23 泛的應(yīng)用。它最大的優(yōu)點是不需要了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)解器參數(shù)在線整定，即可取得滿意的結(jié)果。其基本算法是：控制器的輸出是與控制器的輸入(誤差 )成正比，與輸入的積分成正比和與輸入的導(dǎo)數(shù)成正比這三個分量之和。其連續(xù)表達式： 1()pDI deU K e edt TT dt? ? ?? （ 35） 式中 e—測量值于 給定值之間的偏差 。 TI—積分時間常數(shù) TD—微分時間常數(shù) KP—比例系數(shù) 三個環(huán)節(jié)的不同作用簡述如下 : (1)比例環(huán)節(jié) :比例控制能迅速反映誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。若要求系統(tǒng)的控制精度高，響應(yīng)速度快，則選擇比例增益大一些為好，但會導(dǎo)致超調(diào)量增大和過渡過程時間延長，比例增益過大還可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (2)積分環(huán)節(jié) :積分環(huán)節(jié)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。只要系統(tǒng)存在誤差，隨著時間的增加，積分控制作用就不斷累積，所產(chǎn)生的輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制作用就可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差 。但積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)量增大，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。 (3)微分環(huán)節(jié) :微分控制可以減小超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用不足之處是放大了噪聲，而且過大的微分常數(shù)是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。 根據(jù)系統(tǒng)品質(zhì)要求，選擇合適的比例常數(shù) KP、 TI 和 TD，并把他們綜合起來，產(chǎn)生一個綜合的控制作用，就構(gòu)成了 PID 控制算法。 PID 控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬 PID 控制器是通過硬件 (電子元件、氣動和液壓元件 )來實現(xiàn)它的功能。隨著計算 機的出現(xiàn)，把它移植到計算機控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字 PID 控制器，所形成的一整套算法則稱為數(shù)字 PID 算法 [11]。數(shù)字 PID 有位置式和增量式兩種。位置式數(shù)字PID 控制器輸出為全量輸出，若采用位置式數(shù)字 PID 控制器來控制電動機電流易產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤振動。因此采用增量式數(shù)字 PID 控制器來進行電動機電流的控制。 由于單片機控制是一種采樣控制，在實現(xiàn) PID 控制時，將描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程化為離散系統(tǒng)的差分方程。只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。以采樣時刻點 KT第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 24 代替連續(xù)時間 t，以和式代 替積分，以增量代替微分，則可得到數(shù)字 PDI 控制器。電動機電流增量式數(shù)字 PID 控制算法如下 : ( ) ( ) ( 1 ) ( 2)( ) ( 1 ) ( )( ) I ( ) ( )(1 )(1 2 )mbDpIDPDPu k Ae k Be k C e ku k u k u ke k k I kTTAKTTTBKTTCKT? ? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ???? (36) 式中， k 為采樣序號， k=0， 1， 2… ； △ u(k)為第 k 次采樣時刻的電動機電樞電壓增量； e(k)為第 k 次采樣時刻電動機實際電流 I(k)與目標電流 Imb(k)的偏差值。 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定方法 為了使控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能好，過渡過程快， PID 參數(shù)的選擇起著至關(guān)重要的作用。在對電動機的控制中，首先要求系 統(tǒng)是穩(wěn)定的，在給定值變化時，被控量應(yīng)能迅速、平穩(wěn)的跟蹤，超調(diào)量要小。在各種干擾下，被控量應(yīng)能保持在給定值附近。另外控制變量不宜過大，以避免系統(tǒng)過載。但實際上上述要求要都滿足是很困難的，因此必須根據(jù)具體的實際情況，抓主要的方面，兼顧其他方面。 PID 參數(shù)的選擇有兩種可用方法：理論設(shè)計方法和試驗確定方法。理論設(shè)計法確定PID 控制參數(shù)的前提，是要有被控對象準確的數(shù)學(xué)模型，這在電動機控制中往往很難做到。因 PID 參數(shù)用試湊法整定，通過系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，反復(fù)湊試參數(shù) [17]。 本章小結(jié) 本章論述了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 的兩個關(guān)鍵技術(shù)：助力特性和控制策略。助力特性是指轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩與助力電機轉(zhuǎn)矩的映射關(guān)系，是由輸入信號得到輸出信號的依據(jù)與關(guān)鍵，助力特性曲線就是表示這一映射關(guān)系的曲線。它決定了控制器 (ECU)控制程序按照什么樣的力模型來設(shè)計，對 EPS 系統(tǒng)的設(shè)計具有至關(guān)重要的意義。本章對助力特性進行了分析，討論了路感及路感強度、助力特性的基本要求及曲線特征，闡明了確定助力特性曲線的一般方法。 在確定助力特性的基礎(chǔ)上，論述了系統(tǒng)的控制策略，分析了汽車在不同的轉(zhuǎn)向狀態(tài)第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 25 時的控制模式及電流的確定。并著重論述了電動機電流的 PWM 控制策略和閉 環(huán)控制算法。 第四章 EPS 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 26 第四章 EPS 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn) EPS 控 制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 EPS 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 EPS 控制系統(tǒng)硬件主要有 80C196KC 單片機系統(tǒng)、脈沖輸入捕捉電路、模擬量輸入電路、 I/O 量輸入電路、 PWM 電機驅(qū)動電路等電路組成。另外還有電源電路，通訊電路等。對汽車車速的測試，采用霍耳傳感器，傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)處理后，輸入到捕捉定時器，算出車速。對于電流的測量，通過采樣電阻對電動機電流進行采樣，而后進入 A/D 轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成電流閉環(huán)控制。在控制過程中，系統(tǒng)根據(jù)各種輸入?yún)?shù)判定轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后通過預(yù)定的控制策略來計算控制量，發(fā)出控制指令控制電動機的運行，從而實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制目標。 傳感器 EPS 系統(tǒng)需要采集到方向盤轉(zhuǎn)矩、車速、電機電流信號以及如蓄電池電壓、控制器散熱器溫度等在內(nèi)的狀態(tài)信號，因此傳感器的選型和設(shè)計是一個必不可少的環(huán)節(jié)。汽車車速可以利用霍爾式車速傳感器獲得也可以利用 CAN 總線從其它電控單元獲得。 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器是汽車 EPS 系統(tǒng)的重要組成部件，用于測量駕駛員施加在方向盤上的轉(zhuǎn)矩大小和方向。從工作原理來看，測量作用在回轉(zhuǎn)軸上的矩的方法主要有： (1)測量應(yīng)力，如壓電式傳感器； (2)測量應(yīng)變，如電阻應(yīng)變片式傳感器； (3)測量轉(zhuǎn)角差，如電位計式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等。 電機電流的測量是采取其采樣電阻兩端的電壓，由于采樣電阻功率限制，阻值非常小，電阻兩端電壓值也非常小，這樣對應(yīng)采入的電機電流非常小，因而擾動對其造成的影響非常大，必須在進入 A/D 前將其放大，才能取得比較滿意的采樣效果。 蓄電池電壓和散熱器溫度這兩個信號目前本系統(tǒng)臺架上沒有用到，考慮到以后實際的需要，在控制器中預(yù)留硬件資源。 單片機系統(tǒng)介紹 單片機是控 制器的核心，它根據(jù)各種輸入?yún)?shù)判定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過預(yù)定的控制策略來計算控制量，發(fā)出控制指令。它的選型需考慮控制對象、控制精度、片內(nèi)資源、溫度范圍、可靠性和價格等多種因素。研究中所用的單片機系統(tǒng)主要由80C196KC 單片機、鎖相環(huán)濾波電路、復(fù)位電路、晶振電路、串行通訊電路等組成。 圖 為單片機 80C196KC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。本系統(tǒng)由 CPU、鎖存器、譯碼器、第四章 EPS 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 27 EEPROM 組成，采用 8M 晶振，為與外圍的常用接口芯片配合，采用 8 位總線方式，為減小功耗并考慮接線的方便，外圍接口芯片均采用高速 CMOS 芯片。 時 鐘 發(fā) 生 器寄 存器 組R A L U 存 儲 器 控 制 器/ 預(yù) 取 隊 列電 源和 地線可 編 程 中斷 控 制 器H S I OA / D 轉(zhuǎn) 換 器（ 1 0 ） 位T I M E R 1amp。 2I / O 口串 行 I / OU A R T控 制 信 號PORT0PORT1PORT2PORT3PORT41 61 6V c cV s sX T A L 2X T A L 1TXDRXDHSIOV R E FA N G N DC P UT2CLK 圖 單片機 80C196KC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖