一个基于一般电动助力转向系统模型的先进控制

一个基于一般电动助力转向系统模型的先
进控制
陈翔，IEEE,杨铁宝，IEEE,陈小群，IEEE,周克明，IEEE.
摘要—在汽车电动助力转向系统上已经习惯于代替了传统的液压助力转向系统，
在电动助力转向系统中，助力转向力矩来自电机。原则上，电动助力转向系统控
制包括两方面：
1）控制电机力矩满足转向需要，
2）在受干扰的环境中，转向电机控制向驾驶员的舒适感觉屈服。
在这篇文章中，把转向柱助力式电动助力转向系统作为一般的目标系统来阐明一
个基于模型的先进转向系统控制设计方案。
原则上，我们对一般的EPS系统提出了一个双控制器结构建议 ，运用
2
H

和H设计方法各自来确定电机力矩和运动 。实际上，控制器模型缩小被讨论和
比较表明，一个缩小命令的控制器应当被运用。 这对于工业应用上是非常重要
的，因为缩小命令的控制器理论上会消耗更少的计算资源。
最后，EPS控制系统仿真被讨论和环形软件方案用非搁板软件表现出来。
有趣的是，基于仿真结果，先进的双控制器设计在转向控制上表现优于单控制器。
索引术语—电动助力转向，2H控制，H控制，缩小命令系统，公路汽车
Ⅰ介绍
更高的汽车燃油经济性和更低的废气污染要求已经促使汽车原始设备制造
商（OEM）对汽车元件/部件设计创新。他们之中，电动助力转向系统（EPS）在
汽车上的应用已经证明是一个特别可行的例子。与传统的液压助力转向系统（HPS）
相比，EPS系统在安全、价格、能源效率、环境保护、装配这几个方面上都优于
HPS系统。因此，EPS系统在助力转向技术上代表着未来方向。
转向柱式EPS原理图如图1.1所示，包括转向盘（HW），中间轴（I-shaft）,
电机，转矩传感器，减速机和齿轮齿条式转向器。原则上，转矩传感器通过内部
的扭杆机构来估计驾驶员输入力矩并与电子控制模块交流；电子控制模块应该指
导电机精确地传递所需助力转向力矩。减速机进一步提高来自电机的扭矩并它传
递给转向轴。齿轮齿条转向器是使轮胎转向的机械结构。
在助力转向系统中有一些研究活动，既包括EPS也包括HPS。在[7]和[16]
中，对助力转向系统给出了系统的分析。在[8]中，讨论了液压助力转向系统的
控制。在[3]中，介绍了动态EPS模型来分析各种闭环结果，例如：力矩性能，
抗干扰能力，降噪能力，路感和稳定性。在[13]中，EPS控制被设计成双小齿轮
模型，对双输入单输出系统提出了两种控制策略。使用协同仿真，拥有整车模型
的EPS控制系统的整体仿真在[10]中提出，设计PI控制器对转向和路面输入作
出响应。在[1]、[4]、[15]处理获得优化转向感觉的问题，其中路面信息被视为
一个转向轮传动特性的频带，然而为了提升驾驶者的转向感觉并保证足够的助力

力矩，作者设计了一个强大的

H

控制器。

通常，一个EPS系统要达到两个重要要求：
1）电机必须产生足够助力力矩来转动汽车；
2）转向过程中驾驶员感觉必须柔顺和舒适。

图2 转向柱式EPS方块图
基于模型的优化和控制现在被汽车工业视为一种实现提升燃油经济性和减少
废气污染的有效的创新设计方案，因为这个方案，与基于静态的查询表的控制相
比，是有能力控制汽车操纵的动态过程而不是仅仅控制静态操纵。然而在实际应
用中依然存在挑战。首先，得在动态模型的阶数和保真性之间权衡。虽然高阶模
型通常能够在各种自动控制中获得更好的动态特性，但是基于模型设计更复杂的
算法或许增加实际运用中的开销，这是不被市场所接受的。从节约成本考虑，作
为实际限制，也在选择传感器和致动器方面增加挑战。粗略的说从工业观点考虑，
一个理想的基于模型的设计是能够具有良好的自动控制系统特性，并且消耗少量
的计算资源和需要更少的传感器和致动器。虽然它必须承认这些设计或许实际上
是不灵活的，但是我们应当向这个目标作出努力。
上面的考虑激励着在这篇文章中的研究工作。特别地，在[5]中提出一个典
型的以控制为导向的线性模型是被总结为转向柱式EPS系统。基于这个模型，提

出双控制器结构和提供这个结构的物理含义。两个设计模型，即
2H和
H

，被提

出并相互比较性能。由于路面干扰和系统模型的不确定性的存在，运用于EPS
控制的2H和H方法有明显的波动。为了获取有效率的计算算法，控制器模型缩
减方面也被考虑。
被提及的控制器架构的杰出特点是它将控制分开为两部分：运动控制和电机
控制。电机控制器被用来调节电机动力学特性来产生理想的助力力矩并来提高提
升力矩产生的瞬态特性，当运动控制器被用来满足理想的系统性能和特别地，在
转向过程中提升驾驶者的手感。有人指出在这篇文章中结果被打算来阐明给EPS
控制设计一个基于典型模型的有效的方案，和提供一个学习指导目的的运用先进
控制方法的完整实例。
文章由以下组成。在第二部分，总结以控制为导向的EPS系统模型并提出基
于模型的控制器结构。在第三部分，提出了EPS系统先进控制设计结果；仿真结
果在第四部分，在第五部分，作出文章总结。将定义在文本中首次使用的符号。

Ⅱ面向控制的一个转向柱式EPS系统动力学模型
在[5]中提出了一个典型面向控制的EPS系统的线性动力学模型EPS。在这里，
对首次提出的模型作出总结。对于模型来历的更多细节，请查阅[5]。基于这个
模型，提出了带有物理解释的控制器结构。正如图1所示，一个转向柱式EPS
系统结构上包含中间轴的转向盘，助力电机，扭矩传感器，减速机，齿轮齿条转
向器。当简化模型时，给出了EPS系统的下列假设。
1）所有的机械连接是刚性的。
2）在EPS系统中使用源于[11]的一个电枢式直流控制电机。
EPS系统方块图如图2所示。

)/(1hw2hw1sBsJG
：
转向盘和中间轴；

1
C
电机的扭矩控制器；

tsts2
KsBG
：
扭矩传感器；

]))(/[()(\\3tefaammmmKKRRsLBsJBsJG
：
电机动

力学方程；

fRG4
：电流反馈电阻；
)/(rp6mnG
：减速机；

)]()/[(12rp2rp7mmBnBsJnJG
：等价的齿轮齿条动力学方程；
)/(8mmeBsJKG
：补充部分；

)(9mmBsJnG
：补充部分；

d
T
......驾驶者作用在转向盘上的力矩；

r
T
......作用在齿轮齿条上的路面反作用力；

rp

......齿轮转角（与轮胎转角成比例）；

s

......转向轴转角；

hw
J
，hwB ......
转动惯量和转向盘和中间轴的阻尼系数，忽略弹性变

形；
tsT ...... 扭矩传感器输出量，ts
B
和tsK 分别为扭杆的阻尼系数和
刚度；

ts

......扭矩传感器的扭矩转角；

m

......电机输出轴转角；

m
J
，mB
......电机的转动惯量和阻尼系数，忽略弹性变形；

a
L
，aR
......电机电枢绕组的电感和电阻；

a
i
......电枢电流；

e
K
，tK
......电机的电动势平衡系数和转矩灵敏度；

m
T
......电机输出轴上的电磁驱动力矩；

rp
J
，rpB
......齿轮齿条的转动惯量和阻尼系数，忽略弹性变形；

rrsr,
TT
......分别来自平滑和粗糙路面的作用力矩。