汽车电动助力转向系统的模糊控制研究*

袁 森，柳 飞，张 宏

(1.贵州大学 机械工程学院, 贵州 贵阳 550025; 2.中石油西南管道公司兰州输测气分公司，甘肃 兰州 730000)

汽车电动助力转向系统的模糊控制研究*

袁 森1，柳 飞1，张 宏2

(1.贵州大学 机械工程学院, 贵州 贵阳 550025; 2.中石油西南管道公司兰州输测气分公司，甘肃 兰州 730000)

汽车电动助力转向是当前汽车安全性和舒适性等方面研究的重点。通过对汽车转向机构的分析和改造，设计了基于小型货车的电动助力转向系统，并在此基础上提出了模糊PID控制算法，有效地满足了模糊判断和反馈控制的需求。采用MATLAB进行模型仿真，得到了较好结果，证明算法有效地改善了转向盘的转矩输出曲线，为转向过程的灵活性和实时性提供了保障。

电动助力转向; MC9SXS128; 模糊控制; PID控制

Abstract: Electric power steering (EPS) is the key topic of safety and comfort in automobile industry. Based on analysis of steering mechanism and structure of car, one solution of electric power steering system is designed. One algorithm of fuzzy- PID is given in this paper, which can fit the command of fuzzy control and feedback, the good result is got by MATLAB. it is proved that the algorithm can improve the torque output curve of steering wheel，which provides protection for flexibility and real time in steering.

Key words: EPS; MC9SXS128; fuzzy control; PID control

0 引 言

电动助力转向(Electric Power Steering，简称EPS)是现代汽车助力转向的主要研究方向。EPS通过对助力电机的驱动控制，实现对转向助力大小的调节，满足策略化控制的要求，能够有效地满足现代汽车对绿色，安全和可控性等多方面的要求，是助力转向的未来发展方向[1]。

EPS系统对电动机的控制主要是依靠电机控制单元实现，其核心是具有强大计算和控制功能的MC9SXS128微控制芯片。MC9SXS128芯片具有体积小巧，体系架构紧凑，在低功耗、低成本、易用性、稳定性和可靠性能够得到保证，且具有功能强大的功能指令，有效地满足EPS控制的多重需要。

笔者以Freescale 16位单片机MC9SXS128为核心构建EPS控制单元，通过数据接口卡传递控制命令，并将输出结果实时采集后发送到后台展示，和生成统计报文。

1 EPS的组成及其工作原理

EPS根据控制需要，主要包括四部分：传感器组件，电机控制单元ECU，电动机，和传动控制组件。其中，传感器组件对汽车转角，车速，和电机功率等多样信息进行感知，主要包括扭矩传感器，车速传感器，和电机电流传感器等；传动控制组件实现助力转向动力的传递和隔断，包括减速装置，传动装置和离合装置等[2-3]。EPS系统架构如图1所示。

图1 EPS系统原理图

EPS系统启动后，传感器组件感知当前汽车转向系统的工作状态。车速传感器感知当前汽车行驶速度，转矩传感器感知到驾驶员施加在方向盘上的转动力矩，电流传感器感知当前电机的运行功率。通过接口卡单元，各个传感器的感知信息反馈给电机控制单元ECU。ECU根据内置的控制策略，给出电机运行的参考电流，经过ECU上的电机控制芯片，给予电机相应大小的电流，实现对电机功率的控制。电机根据运行电流的大小发出相应的转动扭矩，经过减速机构的放大效应，和传动装置的动力传递，将助力转向的力矩加载到转向轮上，最终与驾驶员的转向力形成合力，驱动汽车转向[4]。

2 ECU的单片机选型

MC9SXS128MA是飞思卡尔推出的16位芯片，属于S12X家族。芯片包括大量的片上存储器和外部IO。其中，片内存储器包括128KB程序FLASH，8 KB内存RAM，和8 KB数据FLASH。同时，该芯片还包括2个异步通信接口SCI，一个串行外设接口SPI，一个8通道定时模块TIM，16通道12位数模转换单元ADC，以及1个8通道脉冲宽度调制模块PWM。此外，MC9SXS128MA具有91个IO端口，其中部分具备终端和唤醒功能，且拥有1个CAN 2.0 A/B标准兼容模块[5]。

与高性能的XE系列的芯片相比，包括MC9SXS128MA在内的XS系列芯片具备更好的性价比，也同样具备一系列与汽车控制相关的片上外围设备、存储模块，可以快速地用于各种汽车控制系统。

3 ECU模块设计

3.1 控制模型

ECU的控制原理如图2所示。ECU控制模块主要包括六个部分：主控单片机MC9SXS128MA；传感器；电机驱动；转向动力传动；上位机通信；电源供给。

图2 EPS控制原理图

工作流程如下：单片机MC9SXS128MA得到+5 V的电平进入工作状态，通过扭矩传感器、车速传感器和电机电流传感器获得所需参考信息，包括方向盘转矩，实时车速，和电机助力转矩等。根据传感器感知的数据，MC9SXS128MA查询内嵌的转向控制逻辑，给出参考电机电流大小，驱动电机给出需要的转向助力，并通过传动组件实现转向动力的传输。其中，驱动组件中的驱动电路和H桥电机控制电路的运行电压是12 V，电机运行所需的电流通过驱动电路产生的PWM波控制继电器提供。所有电源供给都来自24 V的汽车电瓶。ECU控制模块的信号输出包括两个部分，其一是将当前的组件状态信号发送给位于驾驶室的显示装置，供驾驶员参考；其二是通过串口线路，将信息传递给车辆的主控单片机，由于数据统计，智能控制，以及车联网的管理等[6]。

考虑到安全原因，助力控制组件提供了手动控制接口。当助力过程出现异常，如单片机异常工作，电机烧毁或工作不稳定，系统掉电，传感器失效等，助力转向系统根据问题的性质，将错误代码发送给驾驶室的显示单元，由驾驶员选择操作模式。驾驶员可以根据需要启用助力转向系统的离合器，切断助力电机与转向机构的连接，进入手动转向驾驶模式[7]。

3.2 直流电机驱动电路设计

EPS系统的动力来源来自直流电机。由于电机的输出功率、精度和实时性直接对于着车辆的安全性，所以电机驱动电路需要具有较高的可调性和稳定性[8]。

这里采用常见的H桥电机驱动电路，驱动脉冲来自于单片机的脉宽调制信号(PWM)，如图3所示。

图3 H桥电机驱动电路

设计电路简单，简化了外部电路及分离元件的数量，同时，可以将定时功能、转向角度和转向力等要求直接由单片机通过对PWM设置的改变实现，可靠性高，能够避免开关管的误动作，特别适合EPS等需要较大功率和转动惯量的场合。

3.2.1 H桥式电路设计

功率管选型。EPS中的H桥式电路经常工作在高开关频率、高驱动电流和长使用寿命的工作环境，需要用大功率MOSFET管构成。系统采用4个IRF3205功率管，构成H桥的4个驱动电路，每个IRF3205具备额定电流110 A，反向耐压55 V，导通电阻为8 mΩ，功率最大可至220 W，满足EPS系统需要。

驱动芯片选型。系统采用ST公司提供的TD340ID大功率驱动芯片，它可以有效地减少外部电路数量，提高集成度，减少外部干扰和提高控制稳定性。TD340ID用于驱动4个N通道的MOSFET功率管，TD340ID的具备常规的欠压和过压保护，峰值输出电压可达30A，工作电压可达60V。

冗余控制。为了提高系统的可控制水平，H桥驱动电路中，在电机旁串联了一个继电器，其控制端由MC9SXS128MA控制，并经过光耦6N137实现杂波隔离。

电流采样。为了满足后续电机反馈控制要求，系统对电机工作电流进行监控。采用常见的AD8210芯片，它被广泛应用在电流检测、电机控制、车辆动态控制等方面。系统中，AD8210采用5 V供电，利用VREF1和VREF2的设置确定检测量程，并用电流电压转换的方法，在电机驱动电路中串联一个0.01 Ω电阻，实现对电机电流的测量。

3.2.2 信号采集和处理

系统中涉及的信号源主要包括三个部分，分别是转向杆的扭矩信号，车速信号，和方向盘转角信号。

利用转矩传感器获取转向杆的转矩大小；利用旋转编码器获得方向盘的转动方向和转动速度；利用汽车内部的车速信号源，获取瞬时车速。

上述信号都存在杂波、干扰和非TTL电平等情况，需要进行相应的滤波、去噪、分压、A/D和TTL转换等操作，将输出结果加载到主控ECU端，进行后续的模糊判断和PID控制。

4 EPS控制算法设计

4.1 控制算法选择

在EPS中，软件平台需要进行相关信息处理，并给出两个方面的结果，一个是目标电流，一个反馈控制信号的调整数据。

输入端。在实际驾驶中，EPS助力电机的目标电流与汽车方向盘的转矩信号和车速信号等，都是非线性关系，线性化难度大，采用模糊控制可以将定量转变为定性，从而大大降低目标电流的计算量，同时也提高了系统的自适应能力和鲁棒性。

输出端。汽车传动的多部件造成实际输出与理想输出常存在差异，需要进行反馈控制。为了保证实时性和简化计算复杂性，系统采取常规PID控制，将目标电流与输出电流之间的误差作为控制算法的输入。总体的控制系统原理，如图4所示。

图4 EPS控制系统原型

EPS系统软件模块的工作流程简要如下，首先，车辆启动后，经过设备初始化操作和自检操作后，若系统正常，则快速进入往复检测循环，直到车辆停止工作。其次，在循环过程中，ECU根据来自方向盘的扭矩传感器信号和车速传感器信号，根据模糊逻辑处理给出目标电流。最后，ECU根据反馈回来的助力电机反馈电流，计算目标电流与反馈电流之间的差值E，经过PID控制，给出修正后的电流信息，并通过PWM脉宽调制器和电机驱动模块，驱动直流助力电机运行。

系统的模糊控制算法和PID控制算法都是通过BDM调试器和CodeWarrior软件平台刷写到MC9SXS128MA芯片。程序模块包括：控制主程序，转矩信号获取程序，车速信号获取程序，助力电机开合状态控制，错误处理程序，及故障报警程序，等。

4.2 目标电流设计

目标电流设计需要经过模糊化，模糊判断，和解模糊三个阶段。

首先，以车速传感器和方向盘扭矩传感器传回的速度V和转矩T，作为模糊化处理的输入变量，以助力电机的目标电流I作为输出变量[9]。

车速的论域V=[0,80] (Kilos/Hour)，T=[-10,+10] (N·m)，电流I=[0，20] (A)，都采用7个等分的三角形划分，包括：NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。

其次，建立模糊判断策略。系统采用三角形隶属度函数，表达式如式(1)：

(1)

式中：a，b，c分别是三角隶属函数的起点，最大隶属度点，终点。

根据车速和转矩，建立模糊规则表，如表1所列。

表1 模糊规则表

最后，通过查表获取目标电流I的模糊值，并进行解模糊处理，具体算法采用重心法，从而得到具体的助力电机目标电流。

根据EPS系统中可能存在的性能损失，包括摩擦力损耗、阻尼损耗和回正损耗等，系统需要在在输入端加上相应的补偿输入总和，具体数值由公式(2)计算可知：

Iobj=m+If+Id+Ir

(2)

式中：Iobj是目标电流，m是助力电流，If是摩擦力补偿电流，Id是阻尼补偿电流，Ir是回正补偿电流。其中，If，Id，Ir的计算公式如下：

If=Kf×sgn (ωM)

(3)

Id=-Kd×ωM

(4)

Ir=Kr×dωM/dt

(5)

式中：Kf，Kd，Kr，分别是摩擦力，阻尼，和回正的补偿参数，ωM是电机角速度。

4.3 系统误差校正

助力电机的输出值通常与实际输出值存在误差，需要进行反馈控制，系统采用的PID算法进行调整[10]。

电流误差Ie是目标电流Iobj与反馈电流Ifb之差，如公式(6)所示。

Ie=Iobj-Ifb

(6)

则，PID处理后电流如式(7)：

I(t)=Kp(Ie+Ki∫Iedt+KddIe/dt)

(7)

式中：Kp是比例系数，Ki是积分系数，Kd是微分系数。

在第n次采样中，电流I(n)的值如式(8)：

[Ie(n)-Ie(n-1)])

(8)

其中：T是采样周期，n是序号，Ie(n)是第n次采样时得到的电流偏差。

由式(8)可得电流PWM控制增量，如公式(9)所示：

(9)

5 仿真结果分析

算法以某小型货车参数为依据，在MATLAB7.01下建立EPS系统模型，包括EPS模型，汽车二自由度转向模型，模糊判断模型和PID控制模型。路面输入模型采用白噪声，对模型采用模糊PID控制系统仿真，测试科目包括伯努利双纽线测试和阶跃输入。软件仿真的结果，在后续实车测试中得到了验证。

双纽线测试结果如图5、图6所示。由图可见，方向盘转动过程中，带EPS的曲线毛刺明显减少，扭矩抖动得到较好控制，对应着转弯时的驾驶稳定性得到改善。

阶跃输入测试结果如图7所示。由图中可知，带EPS控制的货车能够在阶跃转向输入时，更加快速地到达稳定状态，且抖动性小于无EPS的系统，说明车辆的转向相应速度和稳定性得到较好地改善。

图5 无EPS双纽线测试图

图6 带EPS双纽系测试图

图7 阶跃输入测试图

6 结 语

本文对传统的EPS进行了控制系统优化，以模糊判断给出电机助力电流，用PID对电机电流输出误差进行修正，很好地满足了EPS系统智能控制的要求，同时，系统建立了硬件测试平台，对软件仿真结果进行了有效地验证，明确了控制算法的正确性和可靠性。

[1] 晋兵营,宁广庆,施国标.汽车电动助力转向系统发展综述[J].拖拉机与农用运输车,2010,37(1):22-25.

[2] 汪少华. 车辆半主动悬架与助力转向集成控制的仿真研究[J].汽车工程, 2009, 31(11):1066-1069.

[3] 宗长富, 郭孔辉．汽车操纵稳定性的理论预测与综合评价[J].汽车工程,2007,23(1):5-11.

[4] 陈无畏, 初长宝. 基于分层式协调控制的汽车电动助力转向与防抱死制动系统仿真[J]. 机械工程程学报, 2009,45(7):188-193.

[5] 张 阳，吴 烨.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发[M]．北京：电子工业出版社，2012.

[6] 祝勇俊,朱学莉. 基于MC9S08JM60的电动助力转向控制系统设计[J].微特电机, 2012,40(7):57-61.

[7] 林 逸,施国标. 汽车助力转向助力控制策略的研究[J]. 汽车技术, 2003(3):8-12.

[8] 文 科,那文波.EPS电子控制单元的PIC单片机设计[J]. 制造业自动化, 2012,34(2):116-118.

[9] 李智勇. 模糊PID控制策略在汽车助力转向系统中的应用[J]. 制造业自动化, 2012,34(9):117-119.

[10] 程安宇,金 辉. 基于PID控制优化电动助力转向系统研究及仿真[J].机械设计与制造, 2012(7):156-158.

Research on Fuzzy Control of Electric Power Steering System of Car

YUAN Sen1, LIU Fei1, ZHANG Hong2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,GuizhouUniversity,GuiyangGuizhou550025,China； 2.LanzhouOilandGasBranchCompany,PetroChinaSouthwestpipelineCompany,LanzhouGansu730000，China)

2014-06-16

贵州省重大专项资助项目(黔科合重大专项字(2011)6018)；贵州大学青年基金项目：电动助力转向系统的控制策略研究(贵大自青基合字(2009)033)

袁 森 (1975-)，男，贵州遵义人，副教授，研究方向：汽车智能控制，车联网。

V463

A

1007-4414(2014)04-0199-04