摘 要：研究了PID控制的助力特性。根据转矩信号和车速信号确定助力电动机的目标转矩，并通过PID控制参数使得电动机施加在转向轴的助力转矩能快速跟随目标转矩，达到助力转向的目的。分析结果证实，所研究的PID控制策略具有良好的助力性能。试验结果表明，提出的控制策略是有效的，对电动助力转向开发有指导意义。

　　关键词：转向系统;转矩控制;PID控制策略;助力;电动

　　中图分类号：U463.4 文献标识码：A

　　Abstract：The power characteristic based on PID control strategy is studyed.The target motor torque is determined by the torque signal and speed signal. The motor to exert a positive force in the steering shaft torque can quickly follow the target torque through the PID control parameters, to achieve the purpose of power steering.Analysis result shows that the study of PID control strategy has a good power performance.The test shows that the control strategy is valid，and has a guiding significance to development of electric power steering.

　　Key words： Steering System;Torque control;PID control strategy; Power;Electric

　　电动助力转向系统(Electric Power Steering System简称EPS)是将最新的电子技术和高性能的电动机控制技术应用于汽车转向系统。EPS与传统液压助力相比，能适时依靠电动机提供助力，节约燃料，提高安全性和稳定性，有利于环保[1]，因此，电动助力转向已经成为汽车动力转向系统的发展趋势。本文重点研究了PID控制的助力特性。根据转矩信号和车速信号确定助力电动机的目标转矩，并通过PID控制参数使得电动机施加在转向轴的助力转矩能快速跟随目标转矩，达到助力转向的目的。 电动助力转向系统模型 EPS结构如图1所示。当转向时，转矩传感器测出转向轴上的转矩，该信号与车速传感器测出的车速信号同时输入ECU，ECU对这些信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和转向，向电动机发出指令[2]。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭，加在汽车的转向调整机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。因此它可以很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力,保证汽车在低速转向时轻便灵活，高速转向时稳定可靠。

　　小齿轮 离合器

　　电动机 ECU 车速信号 齿条 横拉杆 输出轴 转向盘 转向轴

减速机构 转矩传感器

　　图1 电动助力转向系统模型

　　Figure1. Electric power steering system model

　　2 电动机转矩控制

　　2.1电动机数学模型

　　EPS系统中采用直流电动机，图2所示为电动机的等效电路。

　　I U R

L N 图2 电动机等效电路图

　　Figure2. Motor equivalent circuit

(1)

(2)­

式中：—电动机端电压;—电动机电感;—电动机电枢电阻;—电动机转速;—电动机电流;—反电动势常数

　　由于采用直流电动机，电动机自感电动势很小[3]，电机端电压可表达成如下关系:

( 3)

　　当电动机电流稳定时，电动机产生输出转矩几可简化成如下关系:

(4)

式中： —电动机助力矩

—电动机到转向轴传动比

—电动机转矩系数

—小齿轮转角(rad)

　　2.2电动机转矩控制

　　EPS系统的助力矩控制是通过使电机的输出转矩跟踪由助力特性曲线所得到的参考助力矩[4]，从上面的建模过程可以看出，电动机的输出助力矩正比于电动机的电流，在电压一定的情况下，负载越大，要求电机转矩越大，即电流越大。因此，要控制EPS系统的助力矩必须控制电动机电流。本文采用PID的电流控制方法控制电动机转矩，将电动机助力控制确定的电动机目标转矩直接转换成电动机目标电流。图3是电动机的Simulink的仿真模型。根据电动机数学模型和参数得出图4电动机电流和时间的关系,图5电动机转速和时间的关系。

　　图3电动机的Simulink的仿真模型

　　Figure3. Simulink simulation model of the motor

　　时间/s 电动机电流/A

图4电动机电流和时间的关系

　　Figure4. The relationship between motor current and time

　　电动机转速(rad/s)

时间/s 图5电动机转速和时间的关系

　　Figure5. The relationship between motor speed and time

　　由图可看出，电动机助力效果明显，转向盘力矩平稳变化，电动机电流能较好地跟随助力特性变化，表明电动机转矩控制策略是有效的。

　　3 PID控制策略

　　对于EPS系统的控制方法有很多种，PID控制作为最早发展起来的控制策略之一，其控制结构简单，易于实现，在工业过程控制中有着广泛的应用[5]。PID控制策略，不但考虑了助力转矩随转向盘转矩变化，而且还考虑车速对助力特性的影响，更加符合控制的要求。为此，本文即采用PID控制策略实现EPS系统中电动机输出转矩的控制。

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