车载EPS算法、架构以及控制策略

2016-06-10 19:17:58来源: 汽车电子设计
    EPS就是英文Electric Power Steering的缩写,即电动助力转向系统。电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向,该系统由电动助力机直接提供转向助力,省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮,既节省能量,又保护了环境。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点,电动助力转向系统作为一种新的转向技术,将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

  驾驶员在操纵方向盘进行转向时,转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的 大小,将电压信号输送到电子控制单元,电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等,向电动机控制器发出指令,使电动机输出相 应大小和方向的转向助力转矩,从而产生辅助动力。汽车不转向时,电子控制单元不向电动机控制器发出指令,电动机不工作。

  

  第一部分 EPS的控制策略

  控制策略无非三个东西:

  输入是什么?

  对EPS控制策略而言,其基本功能的输入主要是EPS系统内部扭矩转角传感器所提供的方向盘扭矩,方向盘转角,从总线获取的车速信号。

  对某些EPS高级功能而言,可能还需要从CAN总线获取车身的侧偏角、横摆角速度、左右前后轮速等车辆动态参数。

  驾驶辅助或自动驾驶,还需要从CAN总线获取诸如叠加的力矩值、目标方向盘转角、目标方向盘转速等信号。

  输出是什么?

  基于输入,通过一些什么样的控制逻辑得到输出?

  篇幅所限,这里只涉及EPS基本功能的控制策略,请各位牢记下面的简化公式:T_手+T_电机=T_阻

  T_手就是驾驶员操纵方向盘所使用的力矩,由扭矩转角传感器测量得到。

  T_阻就是由于轮胎与地面摩擦传给齿条的阻力所产生的力矩,转向系统工作的过程就是客服这一阻力矩的过程。

  EPS控制策略,其实就是基于各种系统输入条件,计算T_电机的这一过程。至于T_电机是怎样产生的(电机控制领域范畴)

  细心的观众可能要问,还要用车速做为输入吗?车速在哪里呀车速在哪里?

  技术所有的框框里都有一些叫做CURVE或MAP的标定参数,那些烦死人的参数基本都是与车速相关的。

  

  图1:基本的EPS控制模块

 

  首先是助力特性曲线模块,从EPS发明至今,主要的助力特性曲线经过了从直线、到分段折线、到曲线这么一个过程。直线型助力特性曲线和折线型的助力特性曲线比较简单,容易调试,但是由于助力曲线不是处处可导,不能获得较好的转向手感建立梯度和中间位置感。

  

  超前滞后矫正模块有很多高大上的叫法,比如稳定补偿器、自适应补偿器等等,其本质都是自动控制原理里面的一个超前滞后矫正的环节。学过自控原理反馈系统基本知识的都知道当一个控制系统前向通道的放大倍数太大时,必然会导致系统发散不稳定(劳斯稳定性判据和奈奎斯特稳定性判据)。

  助力特性曲线,其本质就是前向通道的一个放大倍数K,不过这个K在不同的车速和不同的手力矩情况下是变化的而已。当这个K比较大时,就会导致EPS系统发散,很典型的一种情况我们管他叫“自嗨型EPS”,在不引入超前滞后矫正模块或者超前滞后矫正模块参数没有调节好的情况下,给转向盘稍微加一个激励,方向盘在可能某一位置不停震荡。

  滞后超前模块的引入就是为了消除这一现象而设计,有做两阶补偿的、有三阶补偿的、有四阶补偿的,四阶以上的补偿算法因为参数调节太过复杂,目前笔者还没有见到过哪家采用。

  其设计思路为:

  在低频段尽量不影响原系统的幅频和相频特性

  在中频段降低系统增益

  在高频段提高系统的相频特性,以获得更大的相位裕度

  典型的超前滞后矫正模块的BODE图如下:

  

  高频增益模块是单独将手力矩做高通滤波,基于扭矩信号的高频部分经过一个MAP后计算得到一个高频增益力矩。因为做高通滤波必然会带来相位的超前,因此这一部分的力矩对电机惯量及转向系统的内摩擦都有一定的补偿效果。

  

  回正控制和阻尼控制是一对互为补充的好基友。没有这两个控制,轮胎及悬置系统本身也能够提供一定的回正力。但一般来说:

  在低车速情况下,系统阻力太大,撒手时车辆本身的回正力不足以克服所有的阻力使方向盘回到中位;

  在高车速情况下,车辆本身的回正力又太大,撒手时又容易出现摇头的现象。

  于是这一对好基友便各司其责,低车速情况下回正控制起作用,提供一个额外的力矩帮助方向盘回到中位;高车速的情况下,阻尼控制起作用,提供一个反向的力矩,防止方向盘摇头。最终的目标是一致的,在全车速范围下,能让方向盘准确、平顺的一次性回到中位。

  第二部分 EPS架构

  德鹏给我的架构确实引起了不少的意见,我这里做一下说明。底盘电子的架构,大体以以下为主流架构,单个双核配一个外部MCU。

  

  EPS部分,没有、乱动和锁住是三大D级问题

  在迈向线控和无人驾驶的领域,EPS本身一套就是两个以上

  

  是不是这么夸张,我们还不知道

  

  小结:

  1)在EPS基本功能模块中,助力曲线是基础,矫正高频是关键,回正阻尼锦上添花。

  2)单个EPS乃至2~3个未来咋折腾,看BOM成本看目的要求,整个设计可能会有一些变数,谁说得明白来说一说

关键字:EPS  汽车电子  控制系统

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_2016061015647.html
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