基于EPS主动回正的车辆跑偏研究

吴成伟，朱新华，胡思明，周精浩，曹芹来

吉利汽车研究院(宁波)有限公司,浙江宁波 315000

0 引言

据统计，在各类交通事故中，有约30%为车辆偏离车道造成的事故，为提高交通运输的安全性，相关领域的学者对跑偏进行了各项研究。车辆跑偏通常是车辆向控制未按驾驶员意愿沿着交通路线行驶。直线道路上，在驾驶员无转向意图的状态下，车辆保持直线行驶则定义为不跑偏。随着智能辅助功能及其补偿功能逐渐集成到车辆中，有效弥补机械结构特性难以提高的性能，但各系统中的信号采集及其偏差校正也成为重要的技术难题。文中以消除电动助力转向(electric power steering，EPS)系统回正功能采用的信号参数偏差为研究对象，提高车辆直线行驶的能力。

国内外学者对车辆跑偏进行了相关研究。文献[1]对车辆跑偏的检测方法进行了研究，但未对跑偏的原因进行分析；文献[2]基于方向盘转角，结合方向盘扭矩及转速，对主动回正不足和回正超调进行研究，未涉EPS信号与车辆工况偏差的研究；文献[3]对EPS传感器控制策略和方法的计算进行研究，未对功能逻辑导致跑偏分析及研究；文献[4]对麦弗逊式前悬架的转向摩擦对车辆定速跑偏的影响进行研究，未对主动转向回正影响研究；文献[5]从车辆制动系统的集成动态控制系统，采用模糊逻辑控制方法跟踪基准偏航率，降低了机体的滑移角和滚转角，提高了车辆的乘坐舒适性，未对横向控制系统进行研究；文献[6]从主动转向和有效直接偏航力矩分配的集成研究，通过自适应律考虑车辆质量和轮胎路面摩擦因数等参数的不确定性。在较低控制水平上，通过约束优化实现了后轮偏航力矩的有效分配。控制命令由附加的前轮转向角度和施加在一个后轮上的制动扭矩执行，未对横向控制系统偏差进行研究。从目前的文献看，基于EPS的主动回正功能及其车辆跑偏的控制逻辑研究中，多为调校验证研究、控制方法研究及其具体单个关联元件的研究，未从消除信号参数偏差进行研究，分析EPS回正导致车辆跑偏进行研究，因此，对EPS回正导致车辆跑偏的研究有重要的意义。

1 EPS介绍

1.1 EPS结构介绍

电动助力转向系统是按控制逻辑，根据驾驶员的意愿进行转向助力的系统,实现转向轻便性、平顺性。EPS根据助力单元的布置位置及其助力的传动方式，可分为转向轴助力形式(column electric power steering,C-EPS)、单齿轮助力形式(single pinion electric power steering,SP-EPS)、双齿轮助力形式(double pinion electric power steering,DP-EPS)、带传动单齿条助力形式(belt power steering system,BP-EPS)4种，如图1所示。

图1 EPS的4种助力形式

方向盘转角传感器(steering angle sensor，SAS)布置，文中以方向盘传感器布置在方向盘下方为研究对象，安装在管柱输入轴上，其转角与方向盘相对同步。

1.2 EPS主动回正补偿介绍

助力转向系统的补偿功能，通常有跑偏补偿控制、主动回正补偿控制、阻尼补偿控制、惯性补偿控制、软止点保护控制，文中以降低车辆行驶跑偏的程度为目的，研究EPS主动回正补偿对车辆直线行驶的影响。EPS的主动回正辅助功能，是根据工况提供转向回正补偿，控制策略如图2所示。

图2 转向回正控制逻辑示意

图2中，为驾驶员施加的扭矩；为车辆行驶速度；为EPS传感器计算的方向盘转角；为主动回正辅助扭矩请求；为经过幅值和梯度限制后的扭矩；为经过传统转向盘助力后的电动助力转向扭矩；()为回正扭矩幅值和梯度的函数；()为传统的转向盘助力函数。

2 车辆跑偏研究

2.1 EPS主动回正功能影响分析

将车辆运动简化为线性二自由度，以汽车质心的加速度在车辆坐标系上的分量，如图3所示。

图3 车辆坐标系分析汽车的运动

二自由度汽车受到外力沿用轴方向的合力与绕质心的力矩和为：

∑=1cos+2

(1)

∑=1cos-2

(2)

通过式(1)及式(2)推理，在不考虑转向以外的横向力、路面不平整、两边的驱动转速差的工况下，车辆在直线行驶的工况，车辆将保持直线行驶，此工况下，只有转向系统给予横向的加载力工况，才产生横向的加速度。

=+

(3)

=

(4)

=+

(5)

=··

(6)

式中:为转向扭矩增益系数;为转向系统总输出扭矩;为转向回正系数;为车速;为EPS计算主动回正的转角。

车辆直线行驶的工况下，驾驶员不需对方向盘施加扭矩，即驾驶员施加的扭矩为零，根据式(3)—(5)，转向力取决于回正辅助扭矩请求，即主动回正助力是否激活助力。

某车型的主动回正的控制力曲线如图4所示，通过图4得出，车行驶即车道大于0 km/h、小于120 km/h，车速均在主动回正的阈值内，结合式(6)可以推出，车辆在行驶的工况下，EPS传感器计算的转角值起到回正决定性因素。

图4 EPS回正扭矩曲线

2.2 EPS回正导致跑偏因素

方向盘转角、EPS计算的转角、转向器齿条行程的位移如图5所示，当EPS计算的转角零位与车辆直线行驶转向器齿条位置零位不重合时，车辆直线行驶的工况下，EPS计算的转角不为零位，根据式(4)，差值大于阈值时，EPS将提供回正扭矩，此时的扭矩将导致车辆跑偏。

图5 转角差示意

=+

(7)

式中:为EPS启动时的判定当前角度;为方向盘转向传感器启动时状态角度;为方向盘与EPS传动机构的角度差值。

=+

(8)

式中:为车辆直线行驶工况下，转向器齿条的零位，即直线行驶零位;为EPS中位与车辆直行零位的偏离值。

=+

(9)

2.2.1 EPS角度中位标定偏差

车辆在装配完成时，车辆下线后，通过转鼓试验台驱动，促使车辆接近直线工况，方向盘位置对中、车辆前束调至设计范围内，再进行EPS系统角度零位标定，此时车辆悬架系统有存在应力释放不完全的因素。

2.2.2 EPS角度零位偏差

EPS集成的转角传感器，通常是检测转向助力电机的转角，通过下线标定的中位，属于相对转角传感器，零位的读取配对在车辆启动时获取SAS角度，文中以DP-EPS及BP-EPS为研究对象，因SAS与EPS驱动单元的安装位置差异，传动机构设计有两个非等速传动的十字万向节，如图6所示，对于追求驾驶乐趣的运动型车型，双十字万向节特意布置出稍微带不等速的状态，以达到提高车辆方向盘中心感的状态，这导致车辆使用过程中校对位置存在偏差。

图6 中间轴布置简图

十字万向节传动分析如图7所示。

(10)

图7 单十字轴万向节运动分析

假设轴1的初始位置是其节叉平面与重合，其十字轴轴销、在轴线上，十字轴销中心到十字轴中心的距离是。轴1的节叉平面绕转动一个任意角度，十字轴轴销中心转到,其在坐标为式(11)所示。

(11)

按图4c，假设轴2绕转动角度，轴2节叉的十字轴轴销中心转到，其在坐标如式(12)所示。

(12)

利用式(10)把在坐标系中的坐标转换成在坐标系总的坐标，得式(13)。

(13)

式(12)代入式(13)得

(14)

十字轴销中心与之间的距离如式(15)所示

(15)

将传动架构视为刚性连接，设定保持不变，得式(16)

(16)

将式(11)、(14)代入式(16)得

sin·cos=cos·cos·sin

(17)

通过解式(17)得

tan=tan·sin

(18)

通过解式(18)得

(19)

式中：为结构布置角度恒定值;与随角度变化而变化，双十字万向节为两个十字万向节的叠加。由此体现，随着转动方向盘不同的角度位置，方向盘的转角与转向器齿轮轴的转角存在一定的差异。因此车辆使用过程中，零位校对存在一定的偏差。

2.2.3 车辆耐久后应力释放

表1为某车型路试前后前束的测试值。由表可知，车辆使用过程，前束存在一定的波动，转向器与相应的车辆为刚性连接，在前束变化的情况下，车辆直线行驶对应转向器齿条的零位也产生相应的变化。推出式(8)中的EPS中位于车辆直行零位的偏离值有所变化。

表1 某车型路试前后前束的测试值 单位:(′)

2.3 EPS传感器角度学习偏差模拟分析

2.3.1 EPS传感器角度学习偏差模拟分析

以某款车为例，转向传动结构布置见表2。

表2 转向传动结构布置 单位:(°)

根据设计布置数据搭建模型：方向盘转角传感器、转向传动机构，EPS输入轴及助力单元数据仿真模型运动分析如图8所示，方向盘、方向盘转角传感器、上管柱为刚性连接等速传动，上、下十字万向节通过CATIA DMU数据仿真模型运动分析。

图8 数据仿真模型运动分析

通过CATIA DMU数据仿真模型运动分析，得到方向盘转角与EPS传动机构的角度差值变化曲线如图9所示。由图可知，角度差值随方向盘上下调节及其旋转角度而改变，如式(7)所示，故EPS启动时的判定当前角度存在一定的偏差。

图9 方向盘转角与EPS传动机构的角度差值变化曲线

2.3.2 转角跑偏模拟分析

以某车型为例，通过Adams对车辆横向进行分析，方向盘转角与车辆转弯半径的变化曲线如图10所示，从仿真曲线体现，EPS输入轴的转角直接影响车辆的直线行驶。

图10 方向盘转角与车辆转弯半径的变化曲线

2.4 解决策略

文中以DP-EPS及BP-EPS为研究对象，根据式(4)，研究车辆在直线行驶的工况下，确保主动回正扭矩请求值为零，是研究主动回正功能不导致车辆跑偏的策略关键。通过式(8)和式(9)分析，文中推出车辆直线行驶工况下，EPS的零位偏离值作为补偿，修正EPS转向基数，促使满足式(8)条件。

车辆直线行驶工况的判定，文中通过车辆左右车轮轮速差小于调校的阈值、车辆的横摆角度小于调校的阈值、方向盘角度传感器的转角小于设置的阈值，各参数满足车辆调校及设定的阈值侧确认车辆属于直线行驶工况，EPS角度传感零位开始学习，车辆在直线工况长度达标定的阈值时，EPS角度传感器零位学习完成，更新零位偏移值，转向系统传动及EPS转角零位学习信号采集如图11所示。最大限度地满足车辆使用过程中EPS转角传感器零位与车辆直线行驶工况重合。

图11 转向系统传动及EPS转角零位学习信号采集

3 测试分析

3.1 EPS零位的偏离测试及主观评价

在某车型，使用CANoe对车辆信号采集，如图12所示。EPS及方向盘角度视图如图13所示。车辆信号采集数据及跑偏主观评价分值见表3。

图12 车辆信号采集测试

图13 EPS及方向盘角度视图

表3 车辆信号采集数据及主观评价分值

通过测试数据及评价得分体现，未导入零位偏离学习的控制逻辑，在车辆方向盘不同的状态启动，零位偏离存在差异，并影响车辆直线行驶，导致轻微的跑偏现象。

3.2 车辆跑偏试验

以某车型导入零位偏离学习的控制逻辑，并对此车进行跑偏测试试验，车辆测试参数见表4。

表4 车辆测试参数

车辆跑偏测试示意如图14所示。

图14 车辆跑偏测试示意

车辆半载的工况下，跑偏测试结果见表5，其主观评价达到7.5分。由表5车辆跑偏测试试验数据体现，导入零位偏离学习的控制逻辑，车辆直线行驶的状态满足EPS转角零位学习的阈值后，EPS自动更新零位偏离值，能消除主动回正对车辆直线行驶的影响，避免主动回正功能导致车辆跑偏。

表5 跑偏测试结果

4 结束语

通过理论分析，仿真分析及测试验证，增加EPS在车辆直线行驶工况，学习EPS零位与车辆直行角度的偏差，并更新偏差值，能消除车辆生产标定的误差、车辆使用过程中应力释放导致的角度偏差、方向盘转角与EPS转角因传动导致的偏差，能解决因EPS主动回正功能导致的车辆跑偏问题，此控制策略可以为开发设计者提供一套有效的方法。