商用車EPS助力控制策略的研究

孟彬

摘要：電動助力轉向系統（electric power steering，EPS）已被廣泛應用于乘用車上。與液壓助力轉向系統相比，EPS 具有助力特性可調、轉向跟隨性好、燃油消耗低和無污染等優點，故已逐漸進入商用車領域。但由于商用車具有總質量大、質心高、轉向橋載荷大，轉向系統多采用循環球式轉向器等特點，因而商用車與乘用車的EPS 在結構和性能上有很大區別，應根據商用車的特點設計其EPS 的參數和控制策略。

關鍵詞：商用車；EPS助力；控制策略

電動助力轉向系統（EPS）是在機械式轉向系統的基礎上加裝電機驅動單元構成的，其主要目的是提供助力、改善汽車轉向性能、協助駕駛員完成轉向操作。EPS 系統相對于傳統的液壓助力轉向（HPS）系統有能耗小、污染少、節油、省空間等一系列優點，應用日益廣泛。

一、概述

目前電動助力轉向系統主要應用于齒輪齒條式轉向器，而輕中型商用汽車采用循環球式轉向器，乘用車所用的通用助力方式不適用于輕中型商用汽車，需要針對輕中型商用汽車的循環球式轉向機設計新型的電機助力傳動耦合機構。這種機構在輕量、簡單的基礎上可穩定、可靠、持續的傳遞電機助力到轉向輪；同時要考慮雙前輪轉向時運動及助力的協調配合。根據這種助力方式，可以對傳動耦合機構進行結構設計。設計助力傳動耦合機構的基本原理是減小轉向功，考慮到轉向功是轉向力和轉向角之積，因此，減小轉向功可分兩種途徑：一是減小轉向力；二是減小轉向角。前者的原理是通過提供一個轉向助力來直接減小轉向力，可采用蝸輪蝸桿助力傳動機構方案；后者的原理是通過提供另外一個運動，此運動與轉向運動合成后可減小轉向角度，可采用差動輪系助力機構方案。關于轉向助力特性曲線，可能出于技術保密要求，國內外還沒有文獻專門對此進行研究，只在控制系統設計中附帶提及。對商用汽車電動助力轉向系統中助力特性曲線的研究基本處于空白：（1）商用汽車在不同載荷、不同車速下的轉向特性，特別是雙前橋轉向系統的轉向特性是當前商用汽車性能研究的空白區域；（2）車速對助力增益的影響不清楚；（3）助力特性曲線確定的理論依據不明確，沒有明確指出所采用的助力特性曲線到底對汽車的轉向路感、操縱穩定性有沒有影響；（4）如何根據轉向輕便性、轉向路感綜合確定轉向助力特性曲線還沒有研究過。因此有必要對助力特性曲線的設計原則和設計方法進行深入研究，這不僅可以填補國內電動助力轉向技術研究的空白，而且對電動助力轉向系統的控制策略研究具有指導作用。從而確定各車速下應該助力的大小，并進行轉換得到助力大小與手力之間的關系曲線即助力特性曲線。最后驗證這條曲線是否滿足轉向路感、穩定性和電動機最大許可電流值的要求。若不滿足，則對它進行修改，直到它滿足所有的條件為止。

二、商用車EPS助力控制策略

1. 商用車EPS 的數學模型。轉矩傳感器安裝在轉向軸中間，用于測量轉向盤輸入轉矩，簡化成剛度的扭桿，它的測量值作為ECU 控制電動機輸出轉矩的依據。電動機輸出的轉矩通過蝸輪蝸桿減速機構放大倍后傳遞到轉向軸，作為系統的助力矩的合力矩通過循環球式轉向器、轉向傳動機構傳遞給轉向節，用于克服轉向過程中的轉向阻力矩，使轉向輪轉過一定的角度，實現汽車助力轉向操作。根據EPS 工作原理，將轉向軸分為上轉向軸和下轉向軸，把轉向盤和上轉向軸受到的力矩和運動等效到上轉向軸，把轉向器、轉向傳動機構和前輪以及轉向軸下半部分受到的力矩和運動等效到下轉向軸，從而得到其機械系統的數學模型為對電動機采用跟蹤目標電流的控制方式，根據直流電動機的機械特性建立的電動機數學模型。助力特性是指助力矩隨轉向盤輸入轉矩和車速變化而變化的規律。在汽車行駛過程中，隨著轉向盤輸入轉矩的增大，轉向阻力快速增加，助力矩增加的速度應該相應加快，以保證在行駛過程中車輛具有適當的轉向輕便性；同時，隨著車速的增加轉向阻力減小，助力矩應隨著車速的增加而減小，以保證中高速行駛時轉向盤有合適的路感。因此本文中選用的曲線型助力特性，可以很好地滿足駕駛員對轉向輕便性和路感的要求。

2. 助力模式切換方案。EPS 轉向助力模式切換輸入方式一般有兩種：物理按鍵和虛擬按鍵。物理按鍵通過一個按鍵進行助力模式切換循環控制或多個按鍵分別控制，本文中介紹的助力模式切換通過虛擬按鍵進行控制。EPS 助力模式切換系統原理圖助力模式切換方案為：在EPS 控制器中集成轉向助力模式判別和執行模塊，在中控信息娛樂系統中開發助力模式切換人機交互界面，EPS 系統和中控信息娛樂系統之間采用CAN 網絡進行通訊，駕駛員在中控大屏上按照個人需求進行轉向助力模式切換。中控信息娛樂系統界面中設置助力模式切換控件，當駕駛員選中某一模式，中控娛樂系統發出模式切換指令至CAN 網絡，EPS 接收到模式切換指令，綜合判斷整車狀態后切換ECU內部助力參數，給駕駛員提供對應模式的轉向助力，同時EPS 發出切換成功信息至CAN 網絡，中控信息娛樂系統接收EPS 信息后，在界面中顯示對應EPS 轉向助力模式執行標識和切換成功字樣3 秒鐘。中控信息娛樂系統交互界面示意圖如圖2 所示，界面中設置了三個控件：舒適、經濟、運動。具體助力模式駕駛員選擇任意一個助力模塊（默認為經濟）后信息娛樂系統發出對應的模式切換指令，EPS 發出當前模式狀態信息，娛樂系統根據EPS 發出的信息進行對應模式標示顯示。在整車模型建立完成后，根據試驗要求對車輛的外部試驗仿真環境和運行工況進行設置，其中車輛運行工況主要針對整車的轉向控制進行設置，用以實現整車操縱穩定性試驗。

3.EPS 助力模式切換及安全控制方案。EPS 通過CAN 總線接收中控信息娛樂系統發出的助力模式切換指令，并結合車輛信息進行綜合判斷后，切換或不切換助力模式，同時將信息反饋給中控信息娛樂系統。助力模式選擇模塊：中控信息娛樂系統有三個虛擬按鍵，向CAN 總線上EPS 接收的固定地址發送三種不同的數值，分別代表舒適、經濟和運動模式。中控信息娛樂系統默認為經濟模式，EPS 上電后從固定地址接收助力模式信息。安全控制模塊：EPS 從CAN 總線上接收到助力模式的數值發生變更后，同時判斷目前的車輛行車速度和方向盤力矩，只有車速≤15km/h& 方向盤力矩≤1.5N*m 兩個條件同時滿足下，執行助力模式切換，否則維持原助力模式不變，同時反饋中控信息娛樂系統。模式切換顯示模式：模式切換成功，虛擬開關按鍵高亮，同時顯示“切換成功”字樣3 秒。模式切換不成功，維持原助力模式虛擬開關按鍵高亮，同時顯示“禁止切換”字樣3 秒。

4.EPS 整車調校及測試?；贓PS 轉向系統調教，最終確定舒適、經濟和運動模式三種助力曲線，助力曲線及典型工況助力特性對比。通過模擬客戶駕駛評價，得出以下結論：①舒適、經濟、運動三種助力模式助力大小區別比較明顯，高速行駛轉向回饋力度合適，認可三種助力模式調校結果；②在保證駕駛員在各種工況下的轉向穩定性和安全性的前提下，三種助力模式滿足了不同的客戶群體的駕駛需求，同時滿足了客戶的個性化體驗。

針對商用車的特點，對商用車EPS 進行總體布置。根據在行駛過程中駕駛員對轉向輕便性和路感的要求設計了EPS 助力特性。目前針對商用汽車的EPS 系統國內外均無此類產品和技術信息，具有很大的發展和創新空間。

參考文獻：

[1]郭孔輝. 汽車操縱動力學[M]. 長春：吉林科學技術出版社，2017.

[2]劉照，楊家軍，廖道訓. 電動轉向系統中兩種輔助轉向傳動機構方案的分析與比較[J]. 機械科學與技術，2016，20（6）：954-956.

[3]馮櫻，肖生發，羅永革. 汽車電動助力轉向技術的發展現狀與趨勢[J]. 公路交通科技，2016，18（6）：79-82