滕曉濤 谷玉川 王祥 羅文杰

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）能實時根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向需求及汽車行駛狀態(tài)，提供適宜的轉(zhuǎn)向助力；能夠較好地解決低速轉(zhuǎn)向輕便要求與高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定要求的矛盾。與機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，還具有安全、環(huán)保、節(jié)能及裝配簡單等優(yōu)點。隨著控制方法的不斷發(fā)展與完善，EPS的功能不再局限于轉(zhuǎn)向助力，還能實現(xiàn)主動回正、路面干擾抑制、車道保持、車道偏移預(yù)警及自動泊車等功能。文章提出一種基于電動助力轉(zhuǎn)向的汽車跑偏補償方法，旨在解決汽車由懸架定位誤差及胎壓等引起汽車跑偏的問題。由EPS提供補償助力，以防止汽車跑偏，并減少駕駛疲勞。通過CarSim與Simulink聯(lián)合仿真驗證了該控制方法可行，對EPS的控制方法設(shè)計具有參考意義。

1 汽車跑偏

1.1 跑偏的定義與評價

汽車行駛跑偏表現(xiàn)為直線行駛時，駕駛員將方向盤自由至于中間位置，汽車行駛方向偏離汽車縱軸線，駕駛員需要在方向盤上施加一矯正力，以保持汽車直行。跑偏是汽車使用中的常見故障之一。GB17675《汽車轉(zhuǎn)向系基本要求》中規(guī)定：汽車以80 km/h的速度行駛時，駕駛員必須能在不做異常轉(zhuǎn)向修正的條件下，保持汽車直線行駛。通常要求駕駛員的修正力小于0.5 N·m。各主機廠對汽車跑偏的定義不一致，主要有2種：

1）以約80 km/h的速度行駛，100 m內(nèi)左右偏≤1 m即為合格；

2）以約100 km/h的速度行駛，汽車基準輪胎從車道（國內(nèi)高速公路車道寬約3.7 m）一側(cè)到達另一側(cè)所需時間≥9 s即為合格。

1.2 汽車跑偏的原因及危害

已有較多文獻對汽車跑偏原因進行分析，主要分為汽車本身問題和環(huán)境因素2類?？偨Y(jié)目前常見的汽車跑偏原因，得到汽車跑偏魚骨分析圖，如圖1所示。其中汽車四輪定位參數(shù)和輪胎定位是引起汽車跑偏的重要原因[1-2]。

駕駛跑偏的汽車，駕駛員需要時刻在方向盤上施加矯正力，單側(cè)轉(zhuǎn)向力增加，容易造成駕駛疲勞。輕則影響駕駛舒適感，造成輪胎磨損異常等，重則可能導(dǎo)致整車跑偏，汽車失控，如果行駛在高速路上，則可能造成嚴重的交通事故。

2 電動助力轉(zhuǎn)向的跑偏補償原理

電動助力轉(zhuǎn)向由于其控制方法靈活，可根據(jù)整車的狀態(tài)及駕駛員的意圖提供轉(zhuǎn)向助力。在汽車出現(xiàn)跑偏情況下，如果EPS能夠提供一個額外的轉(zhuǎn)向助力補償，則可防止汽車跑偏，并減少駕駛員因長期手扶方向盤造成的駕駛疲勞。

2.1 汽車跑偏的識別

電動助力轉(zhuǎn)向?qū)ε芷难a償前提是EPS能夠通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸入，正確判定整車是否發(fā)生了跑偏。文章設(shè)定的EPS識別汽車是否處于跑偏，需要同時滿足以下條件：1）車速大于設(shè)定值，如50 km/h；2）方向盤轉(zhuǎn)角小于設(shè)定值；3）EPS助力與轉(zhuǎn)向手力之和滿足設(shè)定范圍，如 0.5～2 N·m；4）EPS無故障；5）滿足以上條件，并持續(xù)一定時間。

由于汽車長時間運行在較高車速，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出助力和轉(zhuǎn)向角度均較小，EPS由此可認為汽車已發(fā)生跑偏，或者汽車長時間運行在受單側(cè)風影響的長直路面。通常，該情況下駕駛員需要長時間手扶方向盤。如果能夠通過EPS提供助力補償，則可以較好解決上述問題。

2.2 跑偏補償學(xué)習算法

在EPS識別汽車跑偏之后，利用電動助力轉(zhuǎn)向，根據(jù)跑偏程度提供與之適應(yīng)的跑偏補償量[3]。文章提出了一種基于轉(zhuǎn)向手力和跑偏程度大小的跑偏補償量自學(xué)習方法。EPS的跑偏補償量隨跑偏程度（駕駛員手扶方向盤的力）增加，補償值逐漸迭代增加，進而實現(xiàn)跑偏補償量的“自適應(yīng)”。其計算公式如下：

式中：Tcompensation——EPS防跑偏補償力矩，N·m；

THand_Torq——方向盤上力矩（轉(zhuǎn)向手力），N·m；

TMotor_Torq——EPS根據(jù)當前車速及方向盤上手力計算得到的轉(zhuǎn)向助力，N·m；

C——迭代常量。

從跑偏補償?shù)姆椒芍?，補償量的大小由跑偏程度（駕駛員手扶方向盤的力）和迭代次數(shù)決定。跑偏補償?shù)淖詫W(xué)習速度與迭代常量和迭代頻率相關(guān)。補償量大小隨時間增加趨于穩(wěn)定，直到駕駛員手扶方向盤的力為0。

3 CarSim與Simulink聯(lián)合仿真驗證

3.1 仿真建模

為驗證設(shè)計的電動助力轉(zhuǎn)向跑偏補償方法，在Simulink中建立了補償算法的模型，在CarSim中建立整車模型和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，進行聯(lián)合仿真，如圖2所示。

在CarSim中建立整車模型和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械模型，主要參數(shù)，如表1和表2所示。在Matlab/Simulink中建立EPS的助力控制算法模型。CarSim可與Simulink相互調(diào)用，可以將Simulink中定義的變量，如轉(zhuǎn)向助力及方向盤轉(zhuǎn)角等導(dǎo)入CarSim中[4]。同時，將CarSim中變量，如車速及方向盤扭矩等信號導(dǎo)出到Simulink中。建立如圖2所示聯(lián)合仿真模型，設(shè)定仿真步長為0.001 s。

表1 CarSim整車模型主要參數(shù)

表2 CarSim轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)模型主要參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

仿真開始時，在轉(zhuǎn)向器齒條上施加150 N齒條力，模擬懸架誤差造成的轉(zhuǎn)向跑偏。EPS模型根據(jù)車速、方向盤力矩及方向盤角度計算轉(zhuǎn)向助力矩。防跑偏補償模型根據(jù)汽車狀態(tài)進行補償學(xué)習。在確認整車處于跑偏狀態(tài)，并持續(xù)15 s以后防跑偏模塊開始計算。經(jīng)仿真得到方向盤上力矩（手力）與EPS的防跑偏補償情況，如圖3和圖4所示。

如圖3所示，仿真開始時，駕駛員為保持汽車直行，需要在方向盤上施加1.3 N·m的轉(zhuǎn)向力矩。同時，EPS通過判定邏輯，識別當前汽車狀態(tài)滿足跑偏判定條件，15 s后開始計算防跑偏補償量。在這個過程中，駕駛員的手力逐漸減小，EPS補償量逐步增加，最后趨于穩(wěn)定值，如圖4所示。經(jīng)過5～6 min的自學(xué)習，EPS提供的補償扭矩可使汽車保持直線行駛，駕駛員不需要再在方向盤上施加手力。

另外，通過電動助力轉(zhuǎn)向補償防止汽車跑偏，并沒有從本質(zhì)上解決跑偏問題。汽車長期在此工況使用，容易造成零部件損壞。文章設(shè)定了EPS跑偏補償?shù)淖畲笙拗屏?，當跑偏程度達到一定量時，EPS提供跑偏補償?shù)耐瑫r存儲故障碼，并通過儀表板提示駕駛?cè)藛T進行汽車檢修。

4 結(jié)論

當汽車由于種種原因出現(xiàn)跑偏時，通過EPS施加額外電動助力扭矩，可以減小駕駛員的轉(zhuǎn)向手力，防止汽車跑偏，保證駕駛安全?；贓PS的汽車跑偏補償，可以保證輕微跑偏時不需要對汽車進行維修；當整車嚴重跑偏時，EPS報警提示用戶對汽車底盤進行檢查。文章提出的EPS對汽車跑偏狀態(tài)的識別方法及EPS的跑偏補償助力算法對電動助力轉(zhuǎn)向控制方法的開發(fā)具有參考意義。