摘要：蓄电池为新能源汽车的主要动力来源，其无法通过发动机带动液压助力转向泵，这使得电动助力转向系统更为适合新能源车辆。基于此，本文将围绕新能源车辆电动助力转向EPS系统的组成及结构、快速原型系统开发、模型的建立及验证、控制策略、试验台的开发与应用开展深入研究，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
关键词：新能源车辆；电动助力转向系统；控制策略
0引言
随着经济与社会的快速发展，我国汽车保有量不断提升，汽车带来的能源消耗和环境污染问题也开始引起各界重视。为更好服务于社会发展并突破发达国家的汽车专利封锁，近年来我国在新能源车辆研发领域投入了大量资源，本文研究的新能源车辆电动助力转向系统便属于研发成果典型。
1新能源车辆电动助力转向EPS系统的组成及结构
1.1助力电动机。助力电动机属于EPS系统的关键构成（助力单元），负责提供全部的助力矩，其需要满足各种情况下的转矩要求，且需要拥有高速转向时的路感和低速时轻便转向实现，为保证拥有较快的起停响应，需采用转动惯量小的助力电动机，同时需要具备一定抗干扰能力并满足输出力矩大要求。新能源车辆电动助力转向EPS系统可选用有刷电机或无刷电机，前者的可靠性较差但控制算法简单，后者的控制较为困难但可靠性较好，一般来说永磁有刷直流电动机适用于小型车，永磁无刷直流电机适用于助力要求较大车辆。助力电动机在新能源车辆电动助力转向EPS系统中的应用需关注助力特性曲线、最大阻力矩、电机最大助力矩、功率的设计[1]。
1.2转矩传感器。转矩传感器主要负责测得驾驶员转动方向盘的方向和对方向盘输入的转矩数值，需基于扭杆检测输入输出轴的角位移，以此转换扭矩信号为电信号并向电子控制单元传送，助力电机助力电流大小即可基于电子控制单元产生的控制信号改变。转矩传感器一般设置于转向柱和助力电机之间，且制作工艺较高，结构较为复杂，制作成本较低、可靠性较高，主要存在电位计式转矩传感器、电磁感应式传感器、光电式转矩传感器三类，三者的抗干扰能力、成本、测量精度均存在显著差异，需综合考虑多方面因素影响。
1.3电子控制单元。电子控制单元在完成车速信号及方向盘转矩信号收集后，可基于控制算法发出指令对电磁离合器的运行状态和助力电机工作状态进行控制，同时拥有自我保护和自我诊断功能，助力作用在系统发生故障时可由电子控制单元自动关闭，故障指示灯会同时发光。
1.4离合器。电磁离合器用于切断助力电机动力传输，高速时EPS系统对转向功能造成影响情况可由此规避，有效发挥保护作用。收到电信号后，电磁离合器的电流进入滑环，压板会在电磁力的作用下将花键紧紧压住，电动机的输出力矩会由此伴随主动轮转动传递给转向系统，力矩传输的任务可由此完成[2]。
1.5车速传感器。安装在车辆变速器上的车速传感器可负责采集车速，并向电子控制单元传送转换为脉冲信号的车速数据，一般采用电磁感应式的车速传感器，在车辆变速箱的壳体安装车速传感器，磁通量会随输出轴转动发生改变，感应电动势也会随之产生。在接收车速传感器发送的电信号后，电子控制单元可基于电动势的脉冲频率完成车速计算。
1.6减速机构。通过输出转矩，助力电机输出轴可直接连接减速机构，减速增扭（增加输出助力矩）可由此直接实现，同时可向转向齿轮箱传送增大的扭矩，传送出的助力扭矩会随减速比增大而增大。行星齿轮减速器多用于转向轴助力式EPS系统，蜗轮蜗杆减速器多用于齿条助力式EPS系统和齿轮助力式EPC系统，考虑到蜗轮蜗杆减速器在较大的传动比获得和结构简单性方面优势明显，本文选择采用树脂等非金属材料作为齿轮的蜗轮蜗杆减速器，而在减速器的减速比选择时，选择G为17，新能源车辆电动助力转向EPS系统的耐久度提升和噪声降低均可由此实现[3]。
2新能源车辆电动助力转向EPS系统快速原型系统的开发
图1为本文开发的新能源车辆电动助力转向EPS系统快速原型系统，该系统由转向系统模型、二自由度整车模型、助力电机模型、控制器模型共同组成。同时需建立采用模糊自适应PID控制策略的新能源车辆电动助力转向EPS系统模型，具体如图2所示。
3新能源车辆电动助力转向EPS系统模型的建立及验证
新能源车辆电动助力转向EPS系统模型的建立需分析系统受力，包括助力电机提供的助力矩、方向盘的输入力矩、转向系统的阻力矩。同时还需要考虑动力学模型的不确定，包括周围环境因素的变化、系统模型的仿真参数不确定、非线性的不确定因素。为顺利建立新能源车辆电动助力转向EPS系统模型，研究做出了以下假设，包括忽视扭杆的转动惯量、存在100%的机械结构力矩传送效率、存在无穷大的机械单元刚度系数。图3为简化后的新能源车辆电动助力转向EPS系统模型[5]。图3中的Js、θs、Bs、gm、Ks、Jm、Tm、θm、Bm、Kj、mr、r、δ、xr、Tr、N1、K1、K2、br分别为方向盘转动惯量、方向盘转角、方向盘阻尼系数、加速机构减速器传动比、扭矩传感器刚度系数、助力电机转动惯量、电机助力转矩、助力电机转角、助力电机阻尼系数、助力电机等效刚度系数、车轮及齿轮的等效质量、小齿轮半径大小、前轮转动角度、小齿条位移、前轮与转向机构等效到齿轮齿条上的转向阻力矩、前轮转向器等效传动比、前轮侧倾刚度、等效后轮侧倾刚度、转向轴等效阻尼系。
4新能源车辆电动助力转向EPS系统控制策略的深入研究
对于新能源车辆电动助力转向EPS系统常用的控制算法来说，这类算法可细分为五类，包括PID控制、基于PID的补偿控制、智能PID控制、智能控制、H∞鲁棒控制。助力控制模式属于EPS系统最为常用的控制模式，控制中最重要的点为追踪目标电流。对于PID控制模式来说，其具备结构简单特点，但对于不能确定被控对象结构和参数的情况，该模式的调节作用无法充分发挥，需辅以其他算法；对于模糊自适应PID控制策略，该策略能够解决PID调节控制器出现的无法得到优化性最好参数、导致系统抗干扰能力下降等问题，而通过将模糊控制理论（智能控制）与PID调节相融合，基于不同的运行情况，车辆即可实现PID参数的在线调节，超调量控制、系统稳定性提升均可顺利实现。模糊控制器属于模糊自适应PID控制核心，反模糊化的方法、模糊控制规则等因素直接影响模糊控制器性能，而由于其乱鲁棒性较强，因此其能够更好服务于新能源车辆这类时变非线性系统。模糊自适应PID控制框架由五部分组成，包括定义变量、知识库、推理机、模糊化、反模糊化。在回正控制策略的选择中，考虑到新能源车辆电动助力转向EPS系统控制需要采集方向盘角速度及方向盘的角度，回正控制所需要的电流需基于PID控制调整，快速稳定回正到中间位置的方向盘必须规避回正不足或回正过量问题；阻尼控制策略的选择需关注路况不好时快速行驶新能源车辆出现的方向盘抖动、方向盘偏转等问题，转动惯量下助力电机的输出轴无法快速停止很容易引发安全事故，因此需做好对助力电机产生与转向反方向的力矩控制，保证其能够实现快速停下。开展仿真可以确定，基于助力控制仿真实验、EPS系统助力电流仿真、阻尼控制仿真实验、回正控制仿真实验，可确定安装电动助力转向EPS系统的新能源车辆的转向轻便性大幅提升，系统的稳定性能在PID控制加入后提升明显，PID控制可在模糊自适应PID控制加入后实现显著优化。在模糊自适应PID控制加入后，实际工作中助力电机的效果提升明显，稳定速度和超调量均有所降低。回正控制加入后，可得到较小的回正后余角和更快的方向盘回正速度，回正效率提升明显。阻尼控制应用后，高速运行时的安全性大幅提升，驾驶员可获得较好路感，高速行驶不存在方向盘摆动问题，整体仿真表明新能源车辆电动助力转向EPS系统控制策略是有效的[6]。
5新能源车辆电动助力转向EPS系统试验台的开发与应用
本文研究开发了由电子控制单元、转向柱、转向器、方向盘、助力电机、轮胎轮毂等器件组成的实验台，12V蓄电池为台架助力电机动力来源，实验台架参数化基于研究所选器件实现，台架控制台上包括保险丝座、诊断座、点火开关。整个实验台助力模式的关闭和开启可基于点火开关实现，该实验台还可以用于理论验收，新能源车辆电动助力转向EPS系统的工作流程及工作特点可由此简洁明了表示，台架出现问题时诊断座可自动完成问题所在点检测，实验台架故障点可基于保险丝座设置。对于设有很多监测点的操作面板来说，传感器信号可在运行时检测，实验台架出现的问题也可基于检测点来测量判断。设置显示电流的显示屏于台架面板右下角，助力电机的电流可基于该显示屏观察。在台架安装过程中，涉及的内容包括安装整体机械结构、设计操作面板电路、修改电子控制单元、线束整理、安装各零部件、测试台架性能等。新能源车辆电动助力转向EPS系统试验台可用于实验验证，以一部分转向实验为例，可开展5次实验并取数据平均值，实验图像可通过拟合获得的实验数据获取，由此即可得到助力电流实验图，仿真中的电机电流与图中的电流曲线相匹配，这说明仿真情况基本合理，所需要的助力特性基本满足。进一步获取助力矩与力矩输出、总体输出力矩曲线图，可证明仿真实验基本满足，所需要的力矩大小基本符合。
6本文总结和今后成果的深入研究
结合仿真可以确定，PID控制在新能源车辆横摆角速度响应超调量减少、稳定时间缩短方面的表现较为优秀，且能够改善转向系统的稳定性和轻便型。在加入模糊自适应PID控制系统后，可得到进一步优化的控制效果，进一步实现超调量降低、稳定时间缩短。回正控制、阻尼控制的效果也基于仿真得到验证，高速运转时不加入阻尼控制存在的较大方向盘转向角问题、方向盘低速时无法回正到正中间位置且回正速度较慢问题均得到了较好解决，行使的安全性大幅提升。此外，基于新能源车辆电动助力转向EPS系统的仿真实验，研究还针对性建立了实验台架，基于实验台架开展的实验验证可以确定，虽然实验台架得到了存在一定波动的实验数据，但数据基本平滑，和仿真实验得到的结果基本符合，新能源车辆电动助力转向EPS系统控制策略的实用性得到了更好证明。但值得注意的是，本文研究也存在一定不足，应基于实验验证分析对已设定的控制规则、隶属度函数形状、单元素隶属度函数值、模糊控制论域进行优化修改，以此进一步实现更加精准的助力转向效果获取，今后研究还应考虑引入基于变论域的模糊控制理论。对于研究中整车模型的建设，模型以二自由度为依据，但由于较多参数在建模过程中被忽略，为提高仿真分析的精度，后续研究需要设法提升建模自由度。为保证新能源车辆能够实现不同工况下良好的助力转向，还应针对性开展助力特性曲线设计，以此结合多种助力特性曲线，进一步提升助力特性曲线的性能。
参考文献：
[1]刘俊荣，牛营凯，尹华清，李红艳.新能源轻型商用车转向系统发展浅析[J].汽车实用技术，2019（19）：18-19.
[2]桂军.基于Workbench的某新能源汽车转向拉杆连接强度分析[J].盐城工学院学报（自然科学版），2019，32（02）：7-11.
[3]牛营凯，李红艳，尹华清，刘俊荣.新能源轻卡转向系统零部件轻量化浅析[J].汽车实用技术，2019（07）：11-13.
作者:张文杰 刘言强 单位:昆山登云科技职业学院
