1、EPS无转角传感器主动回正控制方法陈国迎、宗长富、郑宏宇、李绍松(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130025)摘要：电动助力转向系统EPS(Electric Power Steering)直接依靠电机提供辅助转向力矩。EPS系统由于在机械系统上增加了电机及减速机构，导致转向系统摩擦力矩增大，降低了汽车的回正性能。因此在EPS系统控制策略开发中，除基本助力策略外需要加入主动回正控策略。针对目前匹配EPS系统的中低端车型普遍不具备转向盘转角传感器的现状，本文提出一种无转向盘转角传感器下的主动回正控制方法，并以软件形式附加在EPS控制程序中，来改善汽车的回正性能而不需要附加其它传感器。实车
2、试验结果表明，无转角传感器下的主动回正控制方法能够有效改善汽车的回正性能，有较好的实际应用价值。关键词：电动助力转向；无转角传感器；主动回正控制中图分类号：U46161引言作为电子技术与转向系统相结合的产物，电动助力转向EPS(Electric Power Steering)直接依靠电机提供辅助转向力矩错误l未找到引用源。与传统的液压助力转向系统HPS(hydraulic powersteering)相比，EPS系统可以有效降低发动机燃油消耗，改善车辆的转向特性，提高汽车的主动安全性，缩短车型匹配开发周期等优势。EPS系统由于在机械系统上增加了电机及减速机构，导致转向系统摩擦力矩增大，降低了汽
3、车的回正性能，因此在EPS系统控制策略开发中，除基本助力策略外需要加入主动回正控策略。针对目前匹配EPS系统的中低端车型普遍不具备转向盘转角传感器的现状，开发无转角传感器主动回正控制算法具有重要的研究意义。目前，国内外对EPS系统的主动回正控制进行了大量的研究，取得了较多的研究成果。文献12】3】均基于转向盘转角信号进行回正控制研究，达到较好的控制效果，但增加了系统的成本。文献4提出了基于全状态反馈的PD控制算法并进行了仿真，提高转向盘的回正性和稳定性，但实车实现存在一定难度。文献5】对转向系统回正的动力和阻力进行分析，通过回正势能对回正进行补偿控制，但对于如何判断回正状态并没有说明。文献6】
4、提出一种基于轮胎回正力矩估计的回正控制方法，改善了汽车的回正性能，但未涉及回正状态的判定方法。文献【7】提出一种基于转向盘转角估计的PID控制算法以提高车辆回正性能，并在台架上采用改变弹簧刚度和系统摩擦的方式模拟车速，因此忽略了整车的实时性对电动助力转向的影响。文献【8】根据转向盘转矩和估计出状态判定，对汽车轻便性和低速回正均有很好的控制效果，由于转向盘转角是由估计出的电机角速度积分得出，因此会产生估计偏差。本文采用估计折算到转向小齿轮上的轮胎回正力矩的方法进行主动回正控制，并详细阐述了如何判定转向系统当前的运动状态，只在判定出转向系统当前处于回正状态时才施加回正补偿电流，汽车正常转向时回正控
5、制不起作用。因此本文的主动回正控制方法在改善汽车回正性能的同时也不影响EPS基本助力特性。最后通过实车试验验证了主动回正控制方法的控制效果。电动助力转向动力学模型从轮胎折算到转向小齿轮上的回正力矩是在电动助力转向系统动力学模型的基础上估算的，因此需要建立EPS动力学模型。转向柱助力式EPS结构简图如图1所示。 ，Tajgn图l电动助力转向系统结构根据牛顿定律建立该系统的动力学方程。转向盘Nd,齿轮的动力学方程：Ts+G砀一耳=，如+80(1)rs=K。一Op) (2)扭矩传感器输出力矩珏、电机输出力矩可以分别通过扭矩传感器、电机电流传感器信号计算得到。因此可以根据公式(7)估计出折算到转向小齿
6、轮上的轮胎回正力矩黾晒。r-x乞一厶sgfl) (3 22判定转向系统当前的运动状态百棚=G勃 (4)弓=ralfgn+办sgnppJ L5其中：(1)是转矩传感器以下到小齿轮的动力学方程；(3)是电机的动力学方程。式中：乃为扭矩传感器测得的力矩信号；砀为电机输出力矩；乃为作用在转向柱上的转向阻力矩：J为转向系统等效在转向柱上的转动惯量；曰为转向系统等效在转向柱上的阻尼；0D为转向小齿轮转角；如为转向盘转角：以为电机转角；K，为扭矩传感器扭杆的扭转刚度：G为助力电机到转向柱的减速比；q为电机转矩系数；加为电机摩擦力矩；为电机电枢电流：为电机电动势常数；砀“朋为折算到转向小齿轮上的轮胎回正力矩；
7、厅为转向器摩擦力矩。3主动回正控制方法无转角传感器下的主动回正控制方法估计折算到转向小齿轮上的轮胎回正力矩，在此基础上计算施加的回正补偿电流值。在进行主动回正控制前首先需要对转向系统当前状态进行判定，只有判定出转向系统当前处于回正状态时才进行回正控制。因此主动回正控制方法包括两个方面的内容：(1)估计折算到转向小齿轮上的轮胎回正力矩；(2)判定转向系统当前的运动状态。31估计折算到转向小齿轮上的轮胎回正力矩根据转向系统动力学方程(1)、(3)、(4)、(5)可以整理得到：Tatign-GK心+珏。鲁一 (6)B箕一(Gfm+)s印p埘)Cr电机角速度信眈可以直接通过电机转子位置计算获得。对于直
8、流电机，其不具备转子位置传感器条件，可以利用电机电磁方程，通过采集电枢电压和电机电流信号估算得到电机角速度。车辆转向系统的运动是由转向系统动力矩、阻力矩以及转向系统当前的运动状态决定的，即当转向系统合力矩与回正力矩方向相同时为回正状态，反之则为转向状态。通过比较转向盘转矩、电机作用在转向柱上的转矩及估计的折算到转向小齿轮上的轮胎回正力矩之和来判定车辆是否进入回正状态。这需要设置一个和车速相关的判定力矩门限值，如果门限值设置的太小汽车回正状态不容易判定，太大回正和转向发生容易干涉，不同车速下回正控制门限值的设置根据试验车型调试得出。由于本文只研究低速和高速下的回正控制，低速回正控制门限值为15N
9、m，高速回正控制门限值为35Nm。进行回正状态判定时，只有当转向系统合力矩与回正力矩方向相同且大于设定门限值时，才认为车辆处于回正状态，避免出现转向与回正状态的频繁变化，而导致系统的振动。图2主动回正控制逻辑框图主动回正控制的控制逻辑框图如图2所示。图2中的回正力矩观测器模块是根据公式(7)搭建的，回正状态判断模块的输入是转向盘转矩、电机输出力矩及估计出的折算到转向小齿轮上的轮胎回正力矩，最终确定出转向系统当前的运动状态，如果转向系统处于转向状态时置图2中的回正状态标志位rlax为0，如果转向系统处于回正状态时则置rflag为1。回正补偿电流Ireturn按照公式IrPm，2=ratfgnKT
10、flag(K为回正电流补偿系数)计算得出，回正补偿电流施加在基本助力电流上进行回正控制。4主动回正控制方法实车试验根据电动助力转向动力学方程，前文已经建立了无转角传感器条件下轮胎回正力矩估算方法及(2)高速回正实车试验图8为高速回正时的横摆角速度对比曲线。从高速回正时的横摆角速度对比曲线可以看出，加入主动回正控制后汽车高速回正时的横摆角速度超调量为41，而没有加入主动回正控制的汽车高速回正时的横摆角速度超调量为9。实车试验结果表明加入主动回正控制后能够把高速回正时汽车横摆角速度超调量降低5左右。，、o、-丑靛魁删援鞋颦0 1 2 3 4 5时间(s)图8高速回正控制时的横摆角速度对比曲线p一媛
11、摇摆尽时间(s)图9高速回正控制时的转向盘转角对比曲线图9为高速回正时的转向盘转角对比曲线。从高速回正时的转向盘转角对比曲线可以看出，加入主动回正控制后汽车高速回正时的转向盘转角没有超调，约有3 o的残留角。这是因为没有转向盘转角传感器时很难确定出转向盘的精确位置，所以汽车无转角回正控制时很难将转向盘转角精确控制到00，但是可以通过调试主动回正控制参数来减小高速回正时的角度残留。而没有加入主动回正控制的汽车在高速回正时转向盘转角有6 o超调量。高速回正的试验结果表明，本文所采用的主动回正控制方法在汽车高速回正时能够降低横摆角速度的超调量，有效抑制了高速回正时的转向盘回正超调。结语本文在估计折算
12、到转向小齿轮上的轮胎回正力矩基础上进行了无转向盘转角传感器下的主动回正控制，并详细阐述了汽车回正状态的判定方法，只有在确定转向系统处于回正状态时才施加回正补偿电流。为了验证主动回正控制的实际控制效果，按照国家标准分别进行了低速和高速下的主动回正控制实车对比试验。试验结果表明，所采用的主动回正控制方法不影响EPS基本助力特性，不仅降低了汽车低速回正时的转向盘残留角度，同时也降低了汽车高速回正时的横摆角速度超调量。因此所采用的无转角传感器下的主动回正控制方法在不增加系统元件的基础上有效改善了汽车的回正性能。参考文献1赵景波，贝绍轶，陈龙汽车EPS回正工况模糊PID控制及试验J郑州大学学报(工学版)
13、，201l(9)2Ji-Hoon Kim，JaeBok SongControl logic for all electricpower steering system using assist motorMechatronics1 2(2002)447-4593赵万忠，施国标，林逸等电动客车电动助力转向回正控制策略J江苏大学学报，2011(1)4谢刚，孟广耀基于状态反馈的电动助力转向系统主动回正控制研究J机械设计与研究，2010(4)5孟涛，陈慧，余卓平等电动助力转向系统的回正与主动阻尼控制策略研究汽车工程，2006(12)：112511286Masahiko Kurishige，Shunichi Wada,et a1A New EPSControl Strategy to Improve Steering Wheel ReturnabilitySAE Technical Paper No2000-Ol一08157徐建平，何仁，苗立东，徐勇刚电动助力转向系统回正控制算法研究【J】汽车工程，2004(4)EPS无转角传感器主动回正控制方法作者： 陈国迎， 宗长富， 郑宏宇， 李绍松作者单位： 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 长春130025引用本文格式：陈国迎.宗长富.郑宏宇.李绍松 EPS无转角传感器主动回正控制方法会议论文 2013
