張騫 郭昊 鄒昌宏
摘 要:首先對EPS系統(tǒng)助力控制過程進行了介紹;然后根據(jù)助力曲線特性設(shè)計了模糊控制器;研究了電動機目標(biāo)電流模糊自適應(yīng)PID控制算法;最后在MATLAB/SIMULINK中建立EPS的仿真模型,并進行了結(jié)果驗證和分析。
關(guān)鍵詞:助力曲線;模糊控制器;仿真模型
中圖分類號:TB
文獻標(biāo)識碼:A
doi:10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.090
隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的飛速發(fā)展及人們生活水平的提高,人們對汽車轉(zhuǎn)向的操縱性能提出了更高的要求。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為重要的組成部分,其性能的好壞直接關(guān)系駕駛員駕駛過程中的舒適性、安全性及操縱穩(wěn)定性。
電動助力轉(zhuǎn)向(EPS),就是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,以車載蓄電池作為能源,以助力電機為動力,以方向盤轉(zhuǎn)矩和車速為輸入信號,通過電子控制單元(ECU)控制,協(xié)助人力轉(zhuǎn)向獲得最佳轉(zhuǎn)向力的伺服系統(tǒng)。助力控制是在轉(zhuǎn)向過程中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力,通過減速結(jié)構(gòu)把電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩作用到機械轉(zhuǎn)向系上的一種控制模式。助力控制主要作用是為減輕駕駛員的操縱力,助力的大小主要取決于所采取的助力特性曲線及助力控制算法。
1 EPS系統(tǒng)助力控制
按照汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況,EPS系統(tǒng)主要有助力控制、回正控制和阻尼模式三種控制模式。本文主要針對助力控制這種控制模式進行研究。圖1為EPS系統(tǒng)的助力控制過程,EPS控制單元實時采集方向盤扭矩信號和車速信號,通過內(nèi)置的助力特性曲線確定電機目標(biāo)電流,經(jīng)驅(qū)動電路輸出PWM控制電機轉(zhuǎn)動,同時ECU采集電機反饋電流,經(jīng)控制算法對PWM波占空比進行調(diào)節(jié)后實現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
2 模糊控制器設(shè)計
通過比較助力曲線的優(yōu)缺點,采用模糊控制的方法確定助力特性曲線,即建立一個以轉(zhuǎn)向盤力矩Td和車速V為輸入,以助力電流Im為輸出的模糊控制器來表征助力特性曲線。該方法易調(diào)整、實時性好,下面對助力特性的模糊控制器進行設(shè)計。
模糊控制器的建立是為了表述助力特性,所以模糊控制器的輸入為轉(zhuǎn)向盤力矩Td和車速V,輸出為助力電流Im,模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊規(guī)則推理及輸出量反模糊化三步。圖2為助力特性的模糊控制器原理圖。
3 電動機目標(biāo)電流模糊自適應(yīng)PID控制算法
模糊控制是建立在操作人員實際控制經(jīng)驗和近似推理基礎(chǔ)上的一種語言邏輯控制模式,與常規(guī)PID相比,它不需要建立被控對象的精確模型,對非線性、滯后性系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。但由于其沒有積分環(huán)節(jié),無法消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,所以一般將其與PID控制相結(jié)合,構(gòu)成模糊自適應(yīng)PID控制。
模糊自適應(yīng)PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入,根據(jù)模糊控制原理通過一定的推理規(guī)則獲得模糊輸出量△Kp、△Ki、△Kd,推理規(guī)則是根據(jù)不同情況下e和ec和控制量Kp、Ki、Kd的模糊關(guān)系而確定的,使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
4 EPS系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真模型的建立
EPS系統(tǒng)可以采用機械轉(zhuǎn)向系模型、直流電機模型、電流控制器模型來進行描述,根據(jù)EPS系統(tǒng)各部件的受力分析,可在Matlab/Simulink環(huán)境中建立起各個模塊的仿真模型,各模塊關(guān)系如圖4所示。
圖4中,“Steering Model”為機械轉(zhuǎn)向系模型,“Motor Motor”為直流電動機模型,“I Control Model”為目標(biāo)電流決策和電流控制器模型。該模型以轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩Td和汽車行駛速度V為輸入,以電動機電流為輸出,同時還可觀測柱下端齒輪轉(zhuǎn)角、系統(tǒng)助力力矩、系統(tǒng)阻力力矩等。下面著重介紹控制器模型。
建立的模糊自適應(yīng)PID控制器模型如圖5所示。
5 EPS系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真結(jié)果及分析
根據(jù)建立的EPS系統(tǒng)Simulink模型,為了驗證電流控制器對目標(biāo)電流的響應(yīng)速度和跟隨效果,即EPS系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性,對正弦輸入響應(yīng)工況進行了仿真試驗。
從不同車速正弦輸入響應(yīng)下的電流曲線可以看出,三種算法控制下電機電流對目標(biāo)電流均具有較快的響應(yīng)速度,表明EPS系統(tǒng)能較好的跟隨方向盤輸入力矩的動作,且在目標(biāo)電流變化和輸入力矩?fù)Q向瞬間,加入了修正因子的模糊自適應(yīng)PID控制較其他兩種控制器具有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)量。圖6表明,當(dāng)轉(zhuǎn)向盤輸入力矩大于1N·m(設(shè)定的起始助力閥值)時,電機開始提供助力,且隨著輸入力矩的增大,助力電流也增大;同時,隨著車速的增大,助力電流逐漸減小,符合助力特性曲線的要求。
6 總結(jié)
本文對助力特性進行了理論分析,設(shè)計了模糊控制器,進而開發(fā)了模糊自適應(yīng)PID控制算法,建立了Matlab/Simulink下的控制模型,并與其他兩種控制算法進行了仿真對比。仿真結(jié)果表明,所建立的電流控制器對目標(biāo)電流具有很好的響應(yīng)速度和跟蹤效果,電動機具有良好的靜、動態(tài)性能。
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