汽车电动助力转向系统的跑偏补偿方法

滕晓涛 谷玉川 王祥 罗文杰

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

电动助力转向系统（EPS）能实时根据驾驶员的转向需求及汽车行驶状态，提供适宜的转向助力；能够较好地解决低速转向轻便要求与高速转向稳定要求的矛盾。与机械转向系统和液压助力转向系统相比，还具有安全、环保、节能及装配简单等优点。随着控制方法的不断发展与完善，EPS的功能不再局限于转向助力，还能实现主动回正、路面干扰抑制、车道保持、车道偏移预警及自动泊车等功能。文章提出一种基于电动助力转向的汽车跑偏补偿方法，旨在解决汽车由悬架定位误差及胎压等引起汽车跑偏的问题。由EPS提供补偿助力，以防止汽车跑偏，并减少驾驶疲劳。通过CarSim与Simulink联合仿真验证了该控制方法可行，对EPS的控制方法设计具有参考意义。

1 汽车跑偏

1.1 跑偏的定义与评价

汽车行驶跑偏表现为直线行驶时，驾驶员将方向盘自由至于中间位置，汽车行驶方向偏离汽车纵轴线，驾驶员需要在方向盘上施加一矫正力，以保持汽车直行。跑偏是汽车使用中的常见故障之一。GB17675《汽车转向系基本要求》中规定：汽车以80 km/h的速度行驶时，驾驶员必须能在不做异常转向修正的条件下，保持汽车直线行驶。通常要求驾驶员的修正力小于0.5 N·m。各主机厂对汽车跑偏的定义不一致，主要有2种：

1）以约80 km/h的速度行驶，100 m内左右偏≤1 m即为合格；

2）以约100 km/h的速度行驶，汽车基准轮胎从车道（国内高速公路车道宽约3.7 m）一侧到达另一侧所需时间≥9 s即为合格。

1.2 汽车跑偏的原因及危害

已有较多文献对汽车跑偏原因进行分析，主要分为汽车本身问题和环境因素2类。总结目前常见的汽车跑偏原因，得到汽车跑偏鱼骨分析图，如图1所示。其中汽车四轮定位参数和轮胎定位是引起汽车跑偏的重要原因[1-2]。

驾驶跑偏的汽车，驾驶员需要时刻在方向盘上施加矫正力，单侧转向力增加，容易造成驾驶疲劳。轻则影响驾驶舒适感，造成轮胎磨损异常等，重则可能导致整车跑偏，汽车失控，如果行驶在高速路上，则可能造成严重的交通事故。

2 电动助力转向的跑偏补偿原理

电动助力转向由于其控制方法灵活，可根据整车的状态及驾驶员的意图提供转向助力。在汽车出现跑偏情况下，如果EPS能够提供一个额外的转向助力补偿，则可防止汽车跑偏，并减少驾驶员因长期手扶方向盘造成的驾驶疲劳。

2.1 汽车跑偏的识别

电动助力转向对跑偏的补偿前提是EPS能够通过转向系统输入，正确判定整车是否发生了跑偏。文章设定的EPS识别汽车是否处于跑偏，需要同时满足以下条件：1）车速大于设定值，如50 km/h；2）方向盘转角小于设定值；3）EPS助力与转向手力之和满足设定范围，如 0.5～2 N·m；4）EPS无故障；5）满足以上条件，并持续一定时间。

由于汽车长时间运行在较高车速，转向系统输出助力和转向角度均较小，EPS由此可认为汽车已发生跑偏，或者汽车长时间运行在受单侧风影响的长直路面。通常，该情况下驾驶员需要长时间手扶方向盘。如果能够通过EPS提供助力补偿，则可以较好解决上述问题。

2.2 跑偏补偿学习算法

在EPS识别汽车跑偏之后，利用电动助力转向，根据跑偏程度提供与之适应的跑偏补偿量[3]。文章提出了一种基于转向手力和跑偏程度大小的跑偏补偿量自学习方法。EPS的跑偏补偿量随跑偏程度（驾驶员手扶方向盘的力）增加，补偿值逐渐迭代增加，进而实现跑偏补偿量的“自适应”。其计算公式如下：

式中：Tcompensation——EPS防跑偏补偿力矩，N·m；

THand_Torq——方向盘上力矩（转向手力），N·m；

TMotor_Torq——EPS根据当前车速及方向盘上手力计算得到的转向助力，N·m；

C——迭代常量。

从跑偏补偿的方法可知，补偿量的大小由跑偏程度（驾驶员手扶方向盘的力）和迭代次数决定。跑偏补偿的自学习速度与迭代常量和迭代频率相关。补偿量大小随时间增加趋于稳定，直到驾驶员手扶方向盘的力为0。

3 CarSim与Simulink联合仿真验证

3.1 仿真建模

为验证设计的电动助力转向跑偏补偿方法，在Simulink中建立了补偿算法的模型，在CarSim中建立整车模型和转向系统模型，进行联合仿真，如图2所示。

在CarSim中建立整车模型和转向系统的机械模型，主要参数，如表1和表2所示。在Matlab/Simulink中建立EPS的助力控制算法模型。CarSim可与Simulink相互调用，可以将Simulink中定义的变量，如转向助力及方向盘转角等导入CarSim中[4]。同时，将CarSim中变量，如车速及方向盘扭矩等信号导出到Simulink中。建立如图2所示联合仿真模型，设定仿真步长为0.001 s。

表1 CarSim整车模型主要参数

表2 CarSim转向系统机械结构模型主要参数

3.2 仿真结果

仿真开始时，在转向器齿条上施加150 N齿条力，模拟悬架误差造成的转向跑偏。EPS模型根据车速、方向盘力矩及方向盘角度计算转向助力矩。防跑偏补偿模型根据汽车状态进行补偿学习。在确认整车处于跑偏状态，并持续15 s以后防跑偏模块开始计算。经仿真得到方向盘上力矩（手力）与EPS的防跑偏补偿情况，如图3和图4所示。

如图3所示，仿真开始时，驾驶员为保持汽车直行，需要在方向盘上施加1.3 N·m的转向力矩。同时，EPS通过判定逻辑，识别当前汽车状态满足跑偏判定条件，15 s后开始计算防跑偏补偿量。在这个过程中，驾驶员的手力逐渐减小，EPS补偿量逐步增加，最后趋于稳定值，如图4所示。经过5～6 min的自学习，EPS提供的补偿扭矩可使汽车保持直线行驶，驾驶员不需要再在方向盘上施加手力。

另外，通过电动助力转向补偿防止汽车跑偏，并没有从本质上解决跑偏问题。汽车长期在此工况使用，容易造成零部件损坏。文章设定了EPS跑偏补偿的最大限制量，当跑偏程度达到一定量时，EPS提供跑偏补偿的同时存储故障码，并通过仪表板提示驾驶人员进行汽车检修。

4 结论

当汽车由于种种原因出现跑偏时，通过EPS施加额外电动助力扭矩，可以减小驾驶员的转向手力，防止汽车跑偏，保证驾驶安全。基于EPS的汽车跑偏补偿，可以保证轻微跑偏时不需要对汽车进行维修；当整车严重跑偏时，EPS报警提示用户对汽车底盘进行检查。文章提出的EPS对汽车跑偏状态的识别方法及EPS的跑偏补偿助力算法对电动助力转向控制方法的开发具有参考意义。