汽车EPS系统助力控制策略实现研究

汽车EPS系统助力控制策略实现研究 第25卷第12期 Vo1.25No.12 重庆理工大学(自然科学) JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience) 2011年12月 Dee.2011 汽车EPS系统助力控制策略实现研究 李伟,宋晓华 (重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074) 摘要:介绍了汽车EPS系统助力控制策略,根据驾驶员对转向盘施加的转矩和车速 确定 电机目标转矩,与传感器反馈的实际电流值进行比较,将其差值作为被控对象,实 现闭环控制. 提出了一种电动助力转向控制系统利用定时功能实现多任务分时循环调用的控 制方法,该方法 易于实现,并保证了转向控制系统具有很好的实时性和转向跟踪性. 关键词:汽车;EPS系统;控制策略 中图分类号:U463文献标识码:A文章编号:1674—8425(2011)12—0008—04 ResearchonPowerControlStrategyofVehicleEPStoAchieve LIWei,SONGXiao—hua (CollegeofMechanical-ElectronicandAutomobileEnsineering,ChongqingJiaotongUniv ersity,Chongqing400074,China) Abstract:ThispaperintroducesthepowercontrolstrategyofthevehicleEPS,Accordingtoth esteer- ingwheeltorqueandspeedtodeterminethetargettorqueofmotor,whichiscomparedwiththe actual current~edbackofthesensor,thedifferencevalueofthemisthecontrolledobjecttorealizeclo sed loopcontro1.Thisarticlealsopresentsacontrolmethodofmuhitasktime-sharecallinEPS.Th is methodiseasytoachieve,andcanensurethatthesteeringcontrolsystembegoodatthereal—time performanceandthetrackingperformanceinSteering. Keywords:vehicle;EPS;controlstrategy 汽车转向系统经历了从传统的机械式转向系 统(MS)到液压动力转向系统(HPS)的发展阶段. 随着嵌入式系统技术,传感器技术和现代控制技 术的发展,采用新型传感器和电子控制的电控液 压动力转向系统(EHPS),电动助力转向系统 (EPS)已经成为部分车型的装备.随着对汽 车各项性能的不断提高,对汽车转向系统的 性能要求也越来越高,不仅要求低速和驻车时的 收稿日期:2011一l0一O9 基金项目:重庆市南岸区科技攻关项目 作者简介:李伟(1965一),男,博士后,教授,主要从事汽车电子控制技术及汽车系统动力学研究. 李伟,等:汽车EPS系统助力控制策略实现研究9 转向轻便性,同时也要求汽车高速行驶时的操纵 稳定性,然而传统方式的转向系统都不能同时满 足低速行驶转向轻便性和高速行驶操纵稳定性的 要求.目前在汽车电子方面的热门研究课题"电 动助力转向系统"可以解决汽车转向"轻与灵"的 矛盾.此系统是根据转向盘上的传感器输出的转 矩信号和测量的车速信号确定助力电机的目标转 矩值,并通过闭环控制策略使电机施加在转向轴 上的助力转矩大小快速跟随目标转矩值,达到电 机为转向器转向提供助力的目的. 1EPS控制系统组成 EPS控制系统主要由MSC1210控制器,传感 器信号采集电路及信号调理电路,电机双H桥驱 动电路等组成,结构如图1所示. 车载蓄电池电源变换 故障指示电路 输 入 信 号 调 理 电 路 MSC1210 单片机 譬l,( 1 l功率ll 驱动Il 电路J 官积毫 采样电路 图1ECU控制系统总体框图 1.1微控制器 微控制器采用MSC1210芯片,它拥有ADC高 精度微位移传感器电路模块,能完成微弱信号8 通道多路切换,信号缓冲,PGA编程放大,24位 ??A/D转换,数字滤波,数据处理,信号校准以及 UART通信等功能.MSC1210内部集成有最大 32kB的Flash存储器.该Flash可分区使用,分 别划分为程序存储区和数据存储区,支持在系统 编程(ISP),可擦写/编程10万次,数据保存时间 可达100年.MSC1210还提供了双数据指针 (DPTR),可以加速整块数据的移动.每个指令周 期只包含4个时钟周期,在访问外部数据存储器 时,还可以使访问周期延展2,9个指令周期,以 适应不同的外设速度. 1.2扭矩传感器 扭矩传感器是电动助力转向系统中的一个重 要部件,它将测量的驾驶员转向盘转矩和方向盘 转角传给ECU,通过扭杆将转向盘和转向器连接 起来,建模时将它与转向盘合为一体进行力学分 析.在电动助力转向器提供转向助力的状态下, 微型车转向盘转矩应在5N?Ill以下才能够满足 轻便性的要求,因此选定测量范围在1ON?ITI左 右的传感器.传感器和信号调理电路在该范围内 进行了多次重复标定,其输出电压一转矩如图2 所示?. 』J(N.m) 图2传感器主,副转矩输出电压一转矩 用最小二乘法对图2中的主转矩信号数据进 行线性拟合,得到主转矩信号和转矩的 关系 vA=0.09277+2.499(1) 根据式(1)可得 = 10.779一26.938(2) 同时计算得其非线性误差为4-3.64%,主转 矩信号迟滞为?0.48%,主转矩信号重复性为 4-0.52%,以上3项误差求和后作为主转矩信号 的误差,由此可得其精度为4.64%.从这个指标 一 10重庆理工大学 可以得知,所选的传感器基本满足EPS系统的关系为 要求?.=,+R,十K.0(4) 2EPS控制系统的控制策略 EPS控制系统的控制策略算法由电机助力大 小控制策略和电机转矩大小控制策略2部分组 成.电机助力大小控制是根据驾驶员对方向盘施 加的转矩大小和车速测定模块测定的车速大小来 确定电机助力的目标转矩;电机转矩控制是根据 有相应的控制策略计算出的电机目标转矩值与电 机实际输出的转矩值进行比较,将两者之间的差 量作为直接控制对象进行闭环控制. 2.1电机助力大小控制算法 电机助力大小控制算法是控制系统根据驾驶 员施加在方向盘和转向系上的转矩和当时测定出 的车速大小,按照预先设定的助力特性曲线确定 出电机助力的目标转矩值.本系统选用的是折线 型的助力特性曲线,该助力特性曲线可用式(3) 表示. rO'O?? lkl()?(一),?? 7: l()?(一,)+kl()?(一),??,【 , ? (3) 取值大小与驾驶员主观感受有关系,事先 可以根据设计者和驾驶员对转向系统轻便性和路 感的具体要求,通过试验来综合确定.参考有关 资料,初步取=1.0N.当车辆动力转向时,驾 驶员作用在转向系方向盘上的切向力应在20—5O N,设定驾驶员作用在转向盘上的最大切向力为 28N,根据文献[2]确定一为5.0N?m. 2.2助力电机闭环控制算法 本课题采用永磁式直流电动机.如图3所 示,助力电机端电压与电感,电枢电阻R,反电 动势常数,转速0电流大小和时间t之间的 图3电机等效电路 由于电流稳定时,电感作用很小,此方程可改 变为 U=RI+(5) 电动机产生的电磁转矩与电枢电流J和气隙磁通 有如下规律: T.n=,=?,?Ka(6) 式中:为电动机的转矩系数(N?m?A);Vm 为电机输出转矩;为励磁系数;,为励磁电流; 为电枢系数;,为电枢绕组电流.??用 来代替,称为电磁转矩系数,这样直流电机 输出转矩 Tm:,=?,(7) = 小=-kEU一引=',=K..='一(,)] (8) 对电动机机械部分进行受力分析,可以得到 ImO一B0=一To/C(9) 式中:,m为电动机和离合器的转动惯量(kg/m); 为电动机黏性阻尼系数(N?m?rad/s);0为 电动机的转角(rad);为电动机电磁转矩 (N?m);为电动机输出转矩(N?m). 在实际的控制系统中,电动机助力转矩可 以表示为 =G】(10) 李伟,等:汽车EPS系统助力控制策略实现研究 式中为电动机和减速机构的输出轴刚性系数 (N?m/rad). 本课题采用了PD算法的电流控制方法控制 电机转矩大小,将按照电机助力特性曲线确定的 电机目标转矩直接转换成电机目标电流,再与电 流传感器测得的电机实际电流相比较,求其差值 作为控制量,通过PD控制算法对其进行比例和微 分修正,通过反馈环节构成闭环控制,再通过控制 算法获得控制驱动电路的脉宽调制信号.与常规 的PID控制算法相比,积分部分对电机电流控制 影响很小,可忽略. 2.3控制算法流程 电动助力转向控制系统控制算法的主程序主 要具有状态参数初始化,系统外部信号(转向盘转 矩信号,车速信号和电机电流信号)采集,根据程 序预设计算电机目标电流,与反馈电机电流 值比较确定控制量大小,通过PD算法得到控制电 机的PWM斩波信号等功能. 本文电动助力转向系统在软件实现方面的思 想是使用多任务分时调用控制策略,利用计数器 定时,设置单个任务执行时间,定时时间到后,程 序自动进入中断服务子程序,根据PID变量的值, 可进入不同的子程序执行,每中断一次可执行一 次其中一个子程序,这样就实现了多任务的分时 调用,并且可实时地更新全局变量值,不需要子程 序与主程序之间的变量互传.控制系统主程序流 程框图如图4所示. 图4主程序流程框图 (下转第18页) 18重庆理工大学 经过调试,再通过三菱公司提供的硬件测试, 本文所设计的PLC控制程序完全符合气动焊装夹 具的工作要求. 4结束语 焊装夹具在汽车制造业中占有很重要的地 位.本文首先选取了气动夹具所用的气缸,然后 自主开发了一套基于PLC控制系统.该系统可靠 性高,抗干扰能力强,能长期安全可靠运行,从 而提高了生产效率,降低了工人工作强度,提高了 工件的焊接精度,降低了废品率. 参考文献: [1]王旭敏.汽车焊装夹具的设计[J].电子机械工程, 1999(12):58—60. [2]陶明元,曹彪,吴澄.气动技术在汽车车身焊装生产 线上的应用[J].液压与气动,2002(12):21—22. [3]李美伦.气动夹紧装置[J].组合机床与自动化加工 技术,1991(1):31—34. [4]成大先.机械设计[K].5版.北京:化学工业出 版社.2010. [5]王卫兵.可编程控制器原理及应用[M].北京:机械 工业出版社,1997. [6]郭柏林,胡正义.气动取模机械手夹具的PLC控制 [J].湖北工业大学,2006(6):180—182. [7]徐扞辉.四工位气动夹具的PLC控制[J].机床电 机,2009(1):45—50. [8]廖常初.设备改造中的PLC梯形图设计方法[J].电 工技术杂志,2001(9):53—57. [9]陈新岗,彭杰,李树仿.基于PLC的XLPE电缆在线 监测与故障诊断[J].重庆理工大学:自然科学 版,2011,25(5):100—104. [1O]彭浩,王汉生,柳娟.PLC在大功率CO一2激光器控制 系统中的应用[J].激光杂志,2003(6):72—73. [11]盛强.基于PLC的定尺飞锯模糊PID控制系统设计 [J].四川兵工,201l(6):77—79. , (责任编辑陈松) (上接第11页) 3结束语 本文提出了一种电动助力转向控制系统利用 定时器的定时功能实现多任务分时调用的控制方 法,定时器每中断一次就执行一次相应的子程序, 使不同任务循环定时执行.该方案易于实现,并 且保证了转向控制系统具有很好的实时性和转向 跟踪性. 参考文献: [2] 周波.汽车电动助力转向系统霍尔转角传感器[J]. 重庆理工大学:自然科学版,2010(2):21—23. 钱学武,马明星,徐国民,等.电动助力转向系统建模 及仿真[J].重庆理工大学:自然科学版,2010 (2):14—17. 季学武,刘学,孙凌玉.电动助力转向系统电感式转 矩传感器的研究[J].传感器世界,2007(2):11—13. 左波.电动助力转向系统助力特性研究[D].武汉: 武汉理工大学,2009. 黄李琴.汽车电动助力转向控制系统的初步研究 [J].汽车技术,2003(6):3—6. 陶永华.新型PID控制及应用[M].北京:机械工业 出版社,2001. 高明,朱懿韬,许南绍.基于转向盘转动速度变转矩 控制的电动助力转向系统[J].重庆工学院:自 然科学版,2009(2):7—12. 史剑宗,王小青,许南绍.电动助力转向系统控制策 略[J].重庆工学院:自然科学版,2009(1):15 一 l8. (责任编辑陈松) 1J1J1J1J1J1J