基于抗饱和特性的EPS助力控制研究

    李志鹏 左鹏举 李晓英

    

    

    

    摘要：

    电动助力转向系统中大多数采用PID控制，存在积分饱和现象，在方向盘频繁转动等情况会使积分饱和现象更加严重，影响汽车的操纵稳定性和轻便性，因此需要采用抗饱和特性的PID控制器来提升系统的稳定性和轻便性。在MATLAB中建立EPS的系统动力学模型、模糊助力控制曲线和antiwindup变结构自适应PID控制器模型，将建立的模型与carsim进行联合仿真，对比传统PID控制对于汽车操纵稳定性的影响；借助NXP的MBD工具箱进行自动代码生成，生成的基于antiwindup的变结构自适应控制器和传统PID控制器的程序进行实际台架实验。经carsim仿真和台架实验证明：基于antiwindup的变结构自适应的PID控制器有效降低了汽车侧向加速度和方向盘的转矩。系统具有了更小的侧向加速度，提高了系统操作稳定性；方向盘的转矩降低，提高了驾驶员的路感和系统转向轻便性。

    关键词：

    模糊；饱和；电动助力转向系统；助力控制；转向轻便性

    中图分类号：U 463.44文献标识码：A文章编号：1001-005X（2018）01-0085-06

    Abstract：

    Most of the electric power steering systems use PID control and have an integral saturation phenomenon.The frequent rotation of the steering wheel and other conditions will make the phenomenon of saturation more serious，affecting the cars handling stability and portability.Therefore，the PID controller with antisaturation characteristic is needed to improve the stability and portability of the system.The EPS system dynamics model，fuzzy boost control curve and antiwindup variable structure adaptive PID controller model are established in MATLAB.The combined simulation of the model and CarSim is carried out to compare the influence of the traditional PID control on the vehicle handling and stability.Using NXPs S32k144 toolbox to generate embedded C code Simulink model，the actual bench test is carried out by the antiwindup based variable structure adaptive controller and the traditional PID controller.CarSim simulation and bench test show that antiwindup based variable structure adaptive PID controller effectively reduces vehicle lateral acceleration and steering wheel torque.The system has a smaller lateral acceleration，which improves the operating stability of the system.The torque of the steering wheel is reduced，which enhanced the drivers sense of road and the portability of the steering system.

    Keywords：

    Fuzzy；saturation；EPS；power control；steering portability

    0引言

    隨着汽车整体技术水平的提高，液压转向技术已无法满足当今对汽车转向系统的环保、低耗能和减少环境污染的要求，电动助力转向系统应运而生[1]。电动助力转向运用最新电力电子控制技术和电机控制技术，能显著提升系统的动态性能和静态性能，提升驾驶者的安全性和舒适性，减少环境污染等[2]。

    目前的电动助力转向系统大多数应用PID控制器，PID控制器工作原理是当设定目标值和输出反馈值的误差做为输入，输入不为0，PID控制器一直工作[3]。但是，由于运行中某种特殊原因比如突发应急情况、蜿蜒不平路面等使方向盘快速频繁大幅度转动和系统的非线性因素，PID控制器调节就暴露其缺点，调节剧烈变化状态具有迟滞性和较大惯性，输出符合系统性能的参数需要较长时间反应去调节[4]。其主要表现为目标值和输出值两者之间出现较大偏差，系统执行机械达到其上限值，PID控制仍按照自身机理调节，不能迅速恢复到正常设定值，可能还在继续加大误差，造成积分饱和，控制输出信号严重偏移设定值[5]。如果EPS执行机构（助力电机）已经到极限位置，仍然不能消除误差时，由于积分作用，尽管PID控制器的控制电压继续增大（或减小），但EPS执行机构（助力电机）已无相应的动作，这就叫电动助力转向系统积分饱和，使助力电机控制电压大大超调，这将大大影响电动助力转向系统的转向轻便性和路感，需要引进有效的补偿环节，使电动助力转向系统具有抵抗饱和特性的能力，提高车辆电动转向系统的转向轻便性和稳定性，提高驾驶员的路感[6]。antiwindup设计技术已经成为具有饱和特性的控制系统设计基本思路[7]。

    1EPS系统动力学模型

    EPS主要有控制器、传感器、电机和机械结构等构成。对其进行动力学建模后，得到了方向盘、输入转向柱、助力电机、输出转向柱、齿轮齿条和左右轮等六个动力学元件[8]，如图1所示。

    2模糊和antiwindup变结构自适应PID控制器设计

    电动助力转向系统需要稳定性、反应迅速性和准确性，同时对环境的突发状况具有较强的抗饱和性，设计了助力控制过程的模糊策略和antiwindup变结构自适应PID控制[9]，如图2所示。

    2.1EPS助力控制

    EPS助力控制策略的輸入量是转向盘的扭矩T和车速V，输出量则是电动机的目标助力电流I[10]。

    EPS的模糊控制策略原理框图如图3所示，转向盘输入扭矩、车速和目标电流均等分成7段模糊集，按照设计的模糊规则和推理后达到模糊量，经模糊判决后得到目标电流[11]。

    本文设定助力系统开始工作时的转向盘力矩T=2 N/m，助力转向系统最大转向盘转矩T=10 N/m，即输入量T的基本论域为[2，10]N.m，V的论域确定为[0，120]km/h，设定输出量目标电流I的论域为[0，30]A。

    设计和建立了如图4所示模糊助力控制策略。

    基于Simulink的助力控制和回正控制仿真建模，如图5所示。

    2.2基于antiwindup的变结构自适应PID控制器设计

    饱和特性对实际问题的影响十分严重，主要是因为系统中很多信号的工作范围很窄，当遇到突发状况时信号突然增大，对于EPS控制器来说就是目标电流和反馈电流之间的误差突然增大，PID控制器对其调控恢复正常设置值时具有迟滞性[12]，使机械执行机构较长时间在极限位置，造成系统噪声和系统性能下降，必须加入补偿控制策略使其快速恢复系统的正常性能[13]。antiwindup设计技术已经成为进行具有饱和特性的控制系统设计的基本思路。

    AntiWindup 控制策略的主要目的是当出现饱和特性时，具有较快的响应退出和较好的接近无饱和时系统性能[14]。图6为变结构控制器。

    在进行抗饱和特性时控制方法主要有条件积分法和反计算法，但其又有其缺陷，条件积分法鲁棒性差，反计算法不适用与宽调速的状况下[15]。通过研究发现，其各自优点确实是需要的准确性和快速响应的能力，但是其缺点对方又能够弥补。将两种方法相结合，设计了变结构antiWindup 控制器，该控制算法具有二者各自的优势[16]，又能克服其不足之处：

    基于antiwindup的PID控制算法为

    指令阶跃信号5，输入限制[-5，5]范围内，取α=1.0，采用antiwindup和传统PID控制仿真结果如图7和图8所示。

    当车速在40km/h，方向盘转角在施以65正弦转动，得到的理想助力电流和antiwindup变结构自适应PID控制器的追踪曲线，如图9所示。

    Antiwindup的变结构PID控制器可以有效抵抗系统超调，减小系统不稳定性，提升系统的性能。

    3系统仿真

    根据数学公式（1）（2）（3）（4）（5）（6）建立 Simulink 仿真模型，嵌入到 CarSim 软件中代替原有样车的转向系统，输入到CarSim中的是前轮的转角，CarSim输出的为车辆的车速、方向盘转矩、转角、前轮的回正力矩、主销内倾角和后倾角，建立联合仿真模型[17]，对比基于antiwindup的控制与传统PID控制器对于EPS的优劣，图10为整车控制联合图，所用参数见表1。

    分别在40、65、100km/h，对方向盘施以65°、27°、10°正弦输入，频率为1Hz，地面摩擦系数为0.85，得到如图11、图12、图13所示。

    4实验验证

    将MATLAB/Simulink建立的PID控制器策略与MATLAB/Simulink motor based design toolbox for S32 series工具箱底层驱动模块进行软件设计，烧入s32k144开发板中，进行EPS实验台架，将车速为40 km/和60 km/h的情况下，磁粉制动器力矩30 N·m，方向盘转角450°正弦输入，进行antiwindupPID控制与传统PID进行台架实验，实验结果图14、15所示。

    5结论

    由于EPS助力控制系统中存在非线性饱和特性，传统的 PID 控制器用于电动助力转向系统时很容易带来积分 Windup 现象，采用基于变结构 Anti-Windup 控制器对EPS进行了优化以抑制积分 Windup 现象，改进后的控制器采用条件积分法和反计算法相结合的控制策略，保证了系统出现饱和时，尽快地退出饱和区。通过与传统PID表明，该控制器能有效抑制系统的积分Windup 现象，系统超调量小、速度响应快，具有较好的鲁棒性和较高的稳态性能；通过在carsim与传统的PID控制的EPS对比，基于antiwindup变结构自适应PID控制器有效提高了电动助力转向系统的转向轻便性，降低车速侧向加速度，有效提升路感；通过EPS实验台架实验，也证实了基于antiwindup的PID控制器，有效降低方向盘的最大转矩和扰动，有效提高转向轻便性和路感。

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