汽车电动助力转向系统的研究现状及发展趋势

冯丽娜，申荣卫，何泽刚，谢康（.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300；.天津交通职业学院，天津 3000）

汽车电动助力转向系统的研究现状及发展趋势

冯丽娜1，申荣卫1，何泽刚2，谢康1
（1.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222；2.天津交通职业学院，天津 300110）

摘 要：文章介绍了电动助力转向系统的基本结构和工作原理，对目前的助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略进行了分析，对控制器和电动助力转向系统的稳定性进行了分析，并对电动助力转向系统的发展趋势提出了一些展望。

关键词：电动助力转向；控制策略；控制器；稳定性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.047

Present situation and development trend of the electric power steering system

Feng Lina1, Shen Rongwei1, He Zegang2, Xie Kang1
（1.School of Automotive and Transportation, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222; 2.Tianjin transportation vocational college, Tianjin 300110）

Abstract:Introduces the basic structure and working principle of electric power steering system, the present control strategies,such as power assisted control, return control ，damping control etc, are analyzed, the research of controller and stability are also analyzed. and the development trend of electric power steering system is put forward some expectations. Keywords: electric power steering; control strategy; controller; stability

CLC NO.: U463.4 Doc

ument Code: B Article ID: 1671-7988(2015)10-131-04

引言

随着经济和汽车电子技术的发展，人们对汽车行驶的安全性、操纵稳定性、驾驶的舒适性以及节能环保性提出了更高的要求。同液压助力转向系统相比，电动助力转向系统（electric power steering system，EPS）既节能环保，又能满足人们对汽车操控性日益苛刻的要求。因此对汽车电动助力转向系统的研究具有更加积极的现实意义。

本文对电动助力转向系统的基本结构和工作原理进行了介绍，对目前的助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略进行了分析，对控制器和电动助力转向系统的稳定性进行了分析，并对电动助力转向系统的发展趋势提出了一些展望。

1、汽车EPS系统的基本结构和工作原理

汽车电动助力转向系统（electric power steering system ，EPS）主要的组成包括电子控制单元、转矩传感器、蜗轮蜗杆减速机构、助力电机及离合器和各传动轴，机械转向器为齿轮齿条转向器。汽车EPS系统的基本结构如图1所示。

综 述

当驾驶员操纵转向盘进行转向时，传感器把所检测到的转向盘转矩信号，转角信号，车速信号，点火信号和发动机转速信号等各类信号传给ECU处理，根据传来的各个信号ECU可以确定车所处的工况，通过转矩信号进行助力控制，通过车速信号进行路感控制，助力电机输出这一工况下的助力转矩，通过减速机构进行减速增扭后并在齿轮齿条转向器上再次放大转矩，实现转向助力作用。当转向盘转矩增大时，增加电机助力转矩来保证转向的轻便性；当车速较高时，减小助力转矩以获得较好的路感。

2、汽车EPS系统的研究现状

2.1 控制策略的研究

现代控制理论的研究与应用已涉及各个领域，国内外研究学者已经尝试将各种先进的控制理论应用于EPS系统助力控制、回正控制、阻尼控制的研究。

2.1.1 助力控制的研究

在汽车EPS系统控制策略的研究中对助力特性的研究最早，它影响着系统的转向轻便性和路感。合肥工业大学对转向系统模型的建立采用了多刚体系统动力学的方法，在这基础上对模型进行数值求解，在助力控制时应用模糊神经网络结合PID控制的方法，提高汽车在转向时的灵敏性和轻便性[1]。大连理工大学提出了EPS系统的一种控制方案，并且进行了在不同的车速的状况下汽车转向的台架实验，结果表明采用这一控制器可以完成EPS系统的所要求的助力控制[2]。北京理工大学对EPS系统各个部分的数学模型进行建立，利用Matlab/Simulink进行仿真模型的建立，对EPS系统的两层控制策略进行设计，上层控制策略是利用补偿控制和助力控制来对目标电流进行控制，下层控制策略是利用PID调节器来对目标电流进行控制。分析结果说明构建的控制策略不仅可以提高转向的动态效果还可以使转向更加轻便[3]。

上海交通大学分析了电动助力转向系统的操纵性能及其一些不确定因素，研究出一种双层控制器，并进行一系列的仿真试验，结果表明所提出的内外环双层结构控制器比传统的单层结构的PID控制器更能满足电动助力转向系统对操纵稳定性能要求，具有一定的理论价值和实用价值[4]。重庆大学建立的电动助力转向系统数学模型是包括轮胎模型的，并且在模型的基础上，控制目标分别是电机的助力力矩输出的波动、系统的鲁棒抗干扰性能和方向盘给驾驶员的“路感”。并且对系统的增广被控对象矩阵和状态空间方向盘都进行了建立，最后求解出了鲁棒控制器通过H∞鲁棒控制理论[5]。长安大学经过研究对助力特性曲线的三个特征值进行了确定，通过实验数据对变车速下的车速感应系数完成拟合，设计出的助力特性曲线是直线型的，通过输出的助力电流可以满足系统转向时的助力要求[6]。

2.1.2 回正控制的研究

回正控制不仅可以使转向盘准确迅速地回到中间位置，还能够使转向系统的回正性能得到优化。回正性能的完成是通过回正力矩；轮胎回正力矩，车轮外倾角，主销内倾角等都是回正性能的影响因素。重庆大学根据路感强度的表达式以及运用伯德图进行频域分析，来制定比例微分助力的控制策略，结合车身侧倾的三自由度汽车模型和轮胎模型，建立分析电动助力转向特性的仿真模型，并根据高速回正性，转向轻便性来进行方向盘撒手和方向盘正弦输入的仿真试验，以及在不同的车速和不同的转向盘转矩输入下控制参数的变化规律[7]。

清华大学在科研组已有的电动助力转向控制策略的基础上来进一步的进行完善和改进，解决了电动助力转向系统控制器在匹配和装车实验过程中遇到的问题，进行了对相位补偿方式的分析，采用了基于实际微分的相位补偿策略来提高系统的综合性能，并对回正控制进行了研究以及进行了对撒手回正工况的算法设计[8]。吉林大学提出一种无转向盘转角传感器的主动回正控制方法，以软件的形式施加到EPS系统的控制程序当中，来实现不需要附加的系统元件就可以改善汽车回正性能的目的。最后进行的实车试验结果说明所提出的控制方法能够满足回正性能的要求[9]。重庆理工大学通过simulink建立非线性的动力学模型进行电动助力转向系统特性的研究，转矩和转角制定死区控制是通过转向盘的检测来实现的，然后提出了综合控制策略，进行仿真分析之后结果是提出的控制策略不仅可以使转向轻便，高速行驶时稳定，而且还可以使高速时回正超调以及低速时回正慢这些问题得到处理[10]。沈阳理工大学利用传统的PID控制技术与模糊控制技术相结合，设计出符合电动助力转向系统的模糊PID控制器。经过分析表明所设计的回正控制策略的有效性，而且还表明加入回正控制后可以让转向盘回正更加迅速，使达到稳定状态的时间更短[11]。

2.1.3 阻尼控制的研究

阻尼控制是EPS系统针对汽车高速直线行驶稳定性、减小路面冲击对转向盘的影响而采用的一种控制模式。长安大学建立了电动助力转向系统的Simulink仿真模型其中包括助力控制模型和回正控制模型。结果说明加上电动助力转向模型的汽车能够提高操作稳定性和灵敏性；系统使用模糊控制策略比使用PID控制策略的反应时间更短，灵敏度更高，并且加入回正控制避免了在中间位置附近的摆振，使得方向盘能更快地回到中间位置[12]。重庆交通学院进行了电压控制方式以及电流控制方式的比较，结果表明电流控制方式优于电压控制方式，进行了基于电流控制方式的助力控制，回正控制，阻尼控制[13]。

武汉理工大学设计了转角传感器用于回正控制；设计了电动助力转向系统的控制器；设计了电动助力转向系统的试验台是关于直流电机进行路面阻力的模拟；设计了电机阻力模拟曲线是关于回正控制和阻力控制的，进行了阻力加载；完成labview的实时数据采集系统的开发[14]。武汉理工大学在MATLAB/simulink里建立起EPS各个系统以及整个系统的控制策略的仿真模型分别使用PID控制和模糊控制的方法，经仿真后分析在输入了各个信号后，控制器的不同参数对系统的反应。最后证明所应用的控制策略是有效的[15]。中北大学经过助力控制、阻尼控制和回正控制，来确定目标电流，进行仿真分析后将得到的实验数据和实际情况相比较的误差较小，能够得到良好的转向轻便性并且让驾驶员得到比较好的路感[16]。汽车EPS系统控制过程如图2所示。

2.2 控制器的研究

控制器是EPS系统的核心，是EPS系统能够实现助力控制的关键控制部件，其性能会影响到整个EPS系统的控制性能。吉林大学综合分析了一些控制方法的控制量度以及使用的条件；并对侧向加速度和车速对电动助力转向系统的影响进行了分析，还设计了EPS系统的比例控制系数，并将其拟定成随着侧向加速度和车速的增加而相应递减的函数，以此用来提高转向盘力特性。最后实现硬件电路的设计，程序的编写以及相关的试验，并取得良好的试验结果[17]。重庆大学设计开发电动助力转向系统的软件和硬件，在电动助力转向系统的试验台上进行验证，结果表明所设计的电动助力转向系统的硬件和软件的正确性，并且证明所选择的控制策略的有效性[18]。

天津职业技术师范大学将Freescale微控制器MC56F 8346来作为主控芯片，开发了EPS系统控制器，设计了关于转矩、车速、电流等信号的采集电路及驱动电路，并对控制器进行转向助力试验，试验台上的试验说明开发的控制器具有动态响应快，静态功耗低，助力特性平滑等优点，并且可以满足EPS系统对控制系统的要求[19]。天津职业技术师范大学还设计了关于直流无刷电动机的电动助力转向系统控制策略及助力特性，设计的转矩控制策略是关于助力电机，开发了基于Freescale 微控制器MC56F8346 的汽车电动助力转向系统控制器，并且在试验台上进行了转向助力试验，试验结果表明所设计的控制策略的有效性[20]。

2.3 稳定性的研究

汽车EPS系统稳定性的影响因素包括助力控制、回正控制等控制策略的研究以及控制器等硬件的研究。湖南大学建立整车模型是通过ADAMS/Car来实现，将建立好的模块与MATLAB控制系统进行联合仿真，仿真分析结果说明所建立的模型是正确的，并将设计的控制策略对汽车操作稳定性的影响进行了分析[21]。大连交通大学进行了电动助力转向系统的电子控制系统的设计，在控制的过程当中使系统依据转矩信息和PID控制策略信息的相结合，解决了内部信息的优化和融合这些问题，最后把所建立的电动助力转向装置通过试验台进行不同的性能的测试。结果是建立的电动助力转向系统性能稳定，能够很好地改善方向盘转矩的输出在不同的车速下，而且还增加转向的轻便性和灵活性[22]。

在国外应用一个Takagi Sugeno模糊是用来代表一个EPS系统的非线性行为，为EPS系统在非线性约束和饱和控制输入的情况下，稳定的条件下提出的线性矩阵不等式（LMI）。仿真结果表明，饱和的约束控制可以稳定闭环EPS系统，为非线性摩擦提高了一个稳定的驱动[23]。还提出在EPS中应用六相位感应电机位置模糊控制，实现有效的位置置换。即使处于故障工作模式下，也可以有效地工作。最后试验结果表明该研究对EPS控制器开发具有控制作用[24]。还有对减振控制策略进行探讨，提出了电机驱动电路的设计来检测传感器以及控制信号，基于对常规辅助算法的研究提出了一个新的EPS策略，台架试验的结果表明该控制策略的有效性和灵活性[25]。还提出一种控制策略，可以快速地响应辅助转矩，建立绝对适应建模误差和参数的不确定的控制策略，控制策略的优点是不用对不同的算法进行参数变化的调整以及切换，对控制系统进行了简化，这一控制策略不仅降低了成本，还提高了系统的性能和鲁棒性[26]。

还设计了基于LQG控制的一种新型主动转向系统，该系统的优点是较好的系统鲁棒性能和鲁棒稳定性，这样就能够很好地克服关于转矩传感器的量测和路面的干扰等不同的影响，让驾驶员可以获得良好的路感[27]。还提出了EPS系统的简化的运动方程，一个最佳的离散时间控制器使用LQR 和Kalman滤波技术设计与实现的系统模型曲线提供一种新的驾驶员的转向。此外，消除了驱动扭矩传感器在力学性能方面的影响。MATLAB / Simulink仿真ControlDesk联合结果进行比较和分析，得出一个非常很好的对应关系，车辆实测数据证明了所提出的控制策略是有效的[28]。一种新的基于扭矩控制器（SAT）的设计是为了弥补EPS系统的不足，通过实证验证了轮胎模型（MF），补救的办法是新的控制策略基于SAT的和正弦输入下的仿真评估。为了进一步地验证实车控制器的性能，在一个的EPS系统进行正弦输入，仿真和试验结果表明该控制器可消除转矩增量的突然关闭而引起的EPS的可行性[29]。还提出了以转向盘转矩作为控制目标的控制策略，这种控制策略调节方便，设计灵活能够根据驾驶员的要求进行灵活设计[30]。

3、汽车EPS系统的发展趋势与展望

EPS系统是一种机电一体化的新一代汽车转向系统。本文对汽车EPS系统的发展趋势主要集中在助力电机结构方面和控制策略优化方面。 在助力电机结构方面，助力电机是电动助力转向系统的执行元件，其特性直接影响到控制的难易程度和驾驶员的手感。电动助力转向系统普遍采用成本较低的直流有刷电机，采用机械式换向方式，电机额定功率小，内部电刷易磨损、可靠性低。无刷直流电动机采用电子换向，低转速、大转矩、振动噪声小、重量轻，可靠性和效率高。因此开发适合电动助力转向系统使用的低成本的直流无刷电机是今后助力电机的研究方向。

在控制策略优化方面，现代控制理论的研究与应用已涉及各个领域，国内外研究学者已经尝试将各种先进的控制理论结合传统的PID控制应用于EPS系统的研究，如模糊控制、遗传算法、神经网络控制等，而研究最优的抑制电机转矩波动的控制方法、如何获得良好的路感等方面将是未来控制策略研究的重点，进一步优化和完善EPS系统操纵稳定性、动态性能等。在控制器设计方面，故障检测电路设计的少以及故障检测范围比较窄，因此需要在硬件和程序上加以完善和优化。

4、结论

综上所述，伴随着汽车的不断发展，人们对转向系统的性能要求也越来越深入，EPS系统具有节能、环保、安全等诸多优点。并且随着科技的发展，电动助力转向系统的发展也十分迅速。因此本文介绍电动助力转向系统的基本结构和工作原理，总结了关于电动助力转向系统控制策略的研究现状，为更进一步的研究和发展奠定了基础。

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基金项目：天津市科技支撑计划项目（12ZCZDGX04400）。

作者简介：冯丽娜，硕士研究生，就读于天津职业技术师范大学汽车与交通学院，研究方向为汽车电子控制技术。

中图分类号：U463.4

文献标识码：B

文章编号：1671-7988(2015)10-131-04