摘要：文章以小齒輪電動助力轉(zhuǎn)向(P-EPS)系統(tǒng)為對象，目前電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真研究多是建立在數(shù)學模型上，與實際模型相比，數(shù)學模型往往忽略了實際參數(shù)影響與實際系統(tǒng)有較大偏差。結(jié)合目前電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略已有研究基礎(chǔ)，采用 AMESim 半物理仿真軟件建立了 P-EPS 系統(tǒng)的物理模型，并提出一種適合該系統(tǒng)的三控制兩補償?shù)目刂撇呗裕Y(jié)合所搭建半物理模型進行了仿真研究，驗證了其正確性和可行性。結(jié)果表明，應(yīng)用 AMESim 搭建的 P-EPS 控制性能效果良好且易于實現(xiàn)，為 P-EPS 控制策略的進一步開發(fā)提供了參考依據(jù)。
隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件技術(shù)的成熟，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為現(xiàn)代汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一受到越來越多的關(guān)注。小齒輪電動助力轉(zhuǎn)向(Pinion Electric Power Steering, P-EPS)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速、助力效果好等優(yōu)點，在車輛中得到了廣泛應(yīng)用，然而，P-EPS 的性能受到多種因素的影響，如：車速、方向盤轉(zhuǎn)角、駕駛員力矩等，因此，搭建適合的仿真模型來研究 P-EPS 有效控制策略，對于提高系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。AMESim 作為一款強大的工程系統(tǒng)仿真軟件，建模過程中用戶不需要去推導復雜的數(shù)學模型，通過軟件內(nèi)包含多種基本元素結(jié)合實際物理系統(tǒng)搭建自定義仿真模型即可，為 P-EPS 仿真建模和控制策略研究提供了有力的工具。
陳迎燕等利用 MATLAB/Simulink 構(gòu)造了 EPS 仿真模型，采用了模糊比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative, PID)自整定助力電流控制策略，提高了操控靈活性。劉小云等針對車輛行駛跑偏問題，提出了電動助力轉(zhuǎn)向拉拽補償對跑偏的優(yōu)化方法并行了效果測試。商顯赫等結(jié)合 CarSim 和 MATLAB/Simulink 建立整車聯(lián)合模型進行仿真，通過和傳統(tǒng) PID 控制策略對比，在響應(yīng)速度和超調(diào)量方面實現(xiàn)了更好的控制效果。本文采用 AMESim 搭建了 P-EPS 系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計了一種三控制兩補償?shù)目刂撇呗圆⑦M行了仿真試驗，控制策略效果驗證了其正確性和有效性。
1、P-EPS 系統(tǒng)和仿真模型
P-EPS 系統(tǒng)工作原理
電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)通過電機提供轉(zhuǎn)向輔助動力，電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)根據(jù)車速和駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的力計算出目標輔助力矩，通過電流直流指令給到助力 電機輸出力矩，使得 EPS 系統(tǒng)實現(xiàn)低速轉(zhuǎn)向輕便性，保證高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。P-EPS 系統(tǒng)是一種電機及減速器與轉(zhuǎn)向器上的小齒輪相連接的 EPS 系統(tǒng)，由機械和電子兩部分組成。機械部分包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、扭桿、減速增扭的渦輪蝸桿機構(gòu)、帶動車輪偏轉(zhuǎn)的齒輪齒條機構(gòu)等，電子部分由 ECU、助力電機、車速傳感器、角度傳感器、扭矩傳感器等組成。其簡化結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。
AMESim 仿真模型與調(diào)試
AMESim 是專門為流體(液體及氣體)、機械、控制、電磁等工程系統(tǒng)開發(fā)的一款較完善的綜合仿真環(huán)境，具有完善的機械、電機和控制信號元件庫。針對 P-EPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和 AMESim 軟件中的已有元件搭建了合適的 P-EPS 系統(tǒng)仿真模型，如圖 2 所示。
為驗證所搭建模型的正確性，分別選取模型的機械部分中齒條齒條機構(gòu)和電子部分中助力電機進行測試。當電機堵轉(zhuǎn)時，隨著助力電機輸入電壓變化輸出扭矩也隨之改變，輸入與輸出基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，檢測電機電壓與扭矩關(guān)系如圖 3 所示，測試結(jié)果與實際情況相符。
通過轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向軸模型輸入線性扭矩，在無其他外界輸入情況下檢測齒輪齒條位移與輸入扭矩關(guān)系如圖 4 所示，測試結(jié)果表明齒條輸出位移隨輸入扭矩正比例增大，考慮轉(zhuǎn)動慣量與摩擦因數(shù)影響，輸入扭矩與齒條輸出位移和實際情況基本相當。
2、P-EPS 控制策略的設(shè)計
汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輔助駕駛員在不同車速下控制車輛運動方向，傳遞不同路況和車速條件下的路感信息，設(shè)計良好的控制策略是體現(xiàn) P-EPS 性能的關(guān)鍵因素。P-EPS 系統(tǒng)目標是根據(jù)車輛速度、轉(zhuǎn)向盤力矩大小、轉(zhuǎn)向機角度變化快慢等輸入信號不同，控制助力電機輸出準確的扭矩，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的舒適、穩(wěn)定和安全。P-EPS 的控制對象為助力電機的扭矩輸出，而電機所輸出電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電樞電流成正比，因此，助力電機轉(zhuǎn)向扭矩的控制實際為電機目標電流控制，包括常規(guī)助力控制、主動回正控制和阻尼補償控制。
為減小助力電機目標電流和實際工作電流誤差，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，控制電流采用增量式 PDI 閉環(huán)電流前饋控制，考慮實際轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦因數(shù)，助力電機目標電流前饋補償分別為轉(zhuǎn)動慣量補償電流和摩擦補償電流，通過電流反饋能夠?qū)崿F(xiàn)助力電機依據(jù)助力特性連續(xù)穩(wěn)定出力，改善電機響應(yīng)速度，使得助力電機平穩(wěn)助力，保持穩(wěn)定回正。綜合 P-EPS 工作原理及所設(shè)計的三種控制兩種補償?shù)目刂撇呗裕琍-EPS 控制框圖如圖 5 所示。
3、控制策略仿真及結(jié)果分析
在所搭建的 P-EPS 仿真模型的基礎(chǔ)上，對所提出的控制策略進行仿真研究。車輛轉(zhuǎn)向助力實際控制過程中存在很多非線性因素，例如路況、負載擾動、駕駛習慣差異等因素影響。基于 AMESim 仿真模型研究與測試結(jié)果與實際的真實情況會存在部分誤差，但仿真研究成本低速度快且可實施性強，對于實際試驗提供了借鑒和參考價值。
常規(guī)助力控制
常規(guī)助力控制是車輛轉(zhuǎn)向過程中的基本控制模式，助力電機輸出的助力扭矩是通過助力特性曲線來確定的。助力特性曲線將車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩大小和電機輸出扭矩的關(guān)系表示出來，由于電機輸出扭矩大小與電機輸入電流有一定關(guān)系，且隨著車速變化也隨之發(fā)生變化，因此，采用電機電流與車速、轉(zhuǎn)向盤扭矩的關(guān)系表示助力特性，仿真結(jié)果如圖 6 所示。可以看出助力特性曲線在不同速度下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩與電機電流關(guān)系，在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩在 1 Nm 及以下時助力電機沒有電流，隨著轉(zhuǎn)矩增大電流隨之平滑增大，沒有發(fā)生突變，當轉(zhuǎn)矩大于 8 Nm 時，電機電流飽和不再增大。
主動回正控制
設(shè)定車速為 0 km/h，測試將轉(zhuǎn)向盤先向右轉(zhuǎn)動90°待轉(zhuǎn)向盤回正后再向左轉(zhuǎn)動 90°回正后的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和電機電流關(guān)系，圖 7 描述了助力電機主動回正控制時助力特性曲線。對比圖 7(a)和圖 7(b)在前 10 s 電機處于常規(guī)助力控制，第 10 s 進入主動回正控制電機電流變?yōu)?0，由于轉(zhuǎn)向回正存在反向殘余角度，電機根據(jù)角度傳感器信號帶動轉(zhuǎn)向盤回中，因而存在小數(shù)值的反相電流。
阻尼控制
當快速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向輸入扭矩很大和轉(zhuǎn)向瞬間角速度很大，助力電機輸出轉(zhuǎn)矩也比較大。為了因為慣性作用造成的防止轉(zhuǎn)向盤過渡旋轉(zhuǎn)，需要對電機進行阻尼控制，改善車輛高速轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，助力電機阻尼控制電機電流收斂情況如圖 8 所示。可以看出在 1 s 的時間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤并突然停止，電機電流相應(yīng)立即減小且產(chǎn)生反向電流促使轉(zhuǎn)向盤迅速停止，有效防止了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因慣性造成的超調(diào)，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
摩擦和慣性補償后效果
為了顯示控制策略中添加摩擦和慣性補償后對電機性能的提升效果，設(shè)置方向盤線型轉(zhuǎn)動，在 10 s 時轉(zhuǎn)動 105°然后對比加入兩種補償后回正和未采用主動回正控制的結(jié)果，如圖 9 所示。由圖 9 可以看到加入兩種補償后在第 12 s 時刻方向盤角度為零，而未添加補償時在第 14 s 時刻方向盤角度才為零，說明加入摩擦和慣性補償后電機在回正性能和響應(yīng)速度上均有一定改善，轉(zhuǎn)向時電機響應(yīng)速度更快，在回正時有 2 s 的提升效果且殘留角度更小。
4、結(jié)論
在總結(jié)目前電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)系統(tǒng)仿真及控制策略研究基礎(chǔ)上，對 P-EPS 展開研究工作，通過 AMESim 建立了 P-EPS 的半物理模型并對部分機械電子模型的正確性進行了測試，針對所提出的三控制兩補償控制策略進行仿真分析，測試結(jié)果表明所設(shè)計的控制策略達到了預期目標，表明了該仿真模型和控制策略的正確性和有效性，為臺架或?qū)嵻囋O(shè)計提供了參考依據(jù)。
參考文獻略.