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摘 要：汽车电动助力转向（Electric Power Steering，EPS）系统作为一种新型的动力转向方式，与传统液压助力转向方式相比，在行车安全、节能环保、结构简单等方面有着独特的优越性，因此大力推广汽车电动助力转向系统势在必行。文章主要就EPS 的工作原理及分类进行介绍，并对其控制技术做了简要分析。
关键词：汽车；电动助力转向系统；EPS控制技术
中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0014-02
1 引 言
随着汽车性能的提升制造工艺以及汽车控制的要求也越来越高，不仅希望低速行驶时转向轻便，而且高速时必须有良好的操纵稳定性。传统的液压动力转向系统、机械转向系统不能同时达到上述两个要求，通过采用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统很好的解决了这一矛盾。同时EPS系统是汽车的安全性能得到提升，耗能少、有利于环保。电动助力转向代表着转向系统的发展趋势，有着良好的应用前景。
2 电动助力转向系统的概述
2.1 电动助力转向系统的工作原理
电动助力转向机构由机械转向器与电动助力部分相结合构成。电动助力部分包括电动机、电池、传感器和控制器（ECU）及线束，有的还有减速机构和电磁离合器等。电动助力转向机构的工作原理如下：
当驾驶员对转向盘施力并转动转向盘时，位于转向盘下方与转向轴连接的转矩传感器将经扭杆弹簧连接在一起的上、下转向轴的相对转动角位移信号转变为电信号传至控制器，在同一时刻车速信号也传至控制器。通过对上述两种信号的分析，控制器对电动机的转向和助力转矩的大小进行调整。并且通过D/A转换器将控制器输出的数字信号转换为模拟信息，之后通过电流控制电路对信号进行处理。来自微机的电流命令值同与电动机电流的实际值之间存在的一个差值，电流控制电路能够检测到这个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助力转向作用[1]。
2.2 电动助力转向系统的分类
EPS系统依据电动机布置位置的不同可分为转向轴助力式、小齿轮助力式、齿条助力式三个基本类型。分别如图1、图2和图3所示。
3 EPS的控制技术
3.1 EPS常见的几种控制策略
EPS控制系统主要是对助力电机的控制，同时对系统输入与输出的参量也需要进行考虑，常用的系统输入：路面干扰、侧向力、方向盘传感器噪声、方向盘力矩大小、回正力矩及机械部件的非线性摩擦等。系统输出：电机转角、转向器位移、方向盘转角、电机助力力矩等参量。此外，汽车在转向的过程中，车身的横摆角速度与侧倾角等参数会因为车身方向的改变而改变，因此还需综合考虑EPS与悬架的集成化控制策略[4]。
EPS系统的控制要求最重要的就是在原地或低速时转向轻便，高速时稳定性好，且灵敏度高，反应时间短等特点，尽可能的实现实时控制。根据控制内容的不同，控制算法可分为：
①助力控制、回正控制、阻尼控制。除此之外，由于实际系统中存在摩擦和惯性作用，因此还需要进行补偿控制。
助力控制的特点是根据车速和方向盘力矩大小确定助力矩，使转向轻便，利用电机转矩和电机电流成比例的特性，通过对反馈电流与电机目标电流的闭环控制输出信号给动力回路，电动机受到反馈信号后产生合适的助力。助力控制主要是协助驾驶员进行转向，汽车在高速行驶时，可通过阻尼控制适当增加转向阻力，避免汽车在高速行驶途中发生“飘移”，在低速行驶时增加汽车转向的灵活性，避免出现“打死”情况。
②回正控制是改善转向系统转向后的回正性能，尤其是原地及低速时转向。根据汽车不同的行驶工况，对转向系统进行同正控制，当汽车需要进行同正控制时，EPS根据方向盘转角信号和车速信号，计算出车辆的侧向加速度，再产生与侧向加速度相对应的同正力矩。控制作用一般是这样的：当汽车行驶速度较低时，同正过程中使电动机电流迅速减少，电动机产生的驱动力矩也减小，转向轮迅速同正；当汽车高速行驶时，转向轮稍稍改变方向就会使汽车改变较大的方向，为了使转向幅度减小，电机电流逐渐减少，车轮在转向过程中显得更为平稳。
③阻尼控制的特点是可抑制电机的超调，使高速行驶稳定性得以改善，防止汽车“发飘”，利用电动机旋转产生的反电动势形成阻碍电机继续旋转的阻尼转矩。在低速行驶时，控制内容以助力控制和回正控制为主，在高速行驶时，以阻尼控制为主。
④补偿控制。实际应用中由于摩擦和惯性的存在，若对数学模型的控制进行理想化处理，不能得到良好的模拟效果。EPS中应用的电动机，对于大功率的电动机，汽车在行驶途中所产生的摩擦力矩和转动惯量会随着功率的增加而增加。会对车轮的回正造成一定的影响，转向相对较为困难。这时，若在系统控制中加入摩擦补偿与惯量补偿，可较好地解决此问题[5]。
3.2 EPS的控制方式
要實现上述EPS控制策略必须应用相关的控制方式常见的控制方式有以下5种：PID控制、最优二次型控制、鲁棒性控制、模糊控制、人工神经网络控制。
3.2.1 PID控制
PID控制又称偏差控制，是根据系统的误差（偏差），利用数学方法和公式来计算出控制偏差量。PID控制器有很多优势比如结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。PID控制器现已成为工业控制的主要技术之一。
3.2.2 最优二次型控制
最优二次型控制采用线性系统二次性能指标高斯分布法（LQG法）来实现线性系统的最优控制。最优二次型控制法使用最小的控制能量使得系统误差最小化，通过数学建模可得出状态现行反馈的最优控制规律，不仅容易构成闭环最优系统，而且能够达到工程实际问题中对线性系统性能指标的要求。 3.2.3 鲁棒性控制
鲁棒性控制不像其他控制理论，在设计EPS控制策略时设计指标的可行性太依赖所建立的EPS系统数学模型和精确程度。在实际中采用鲁棒控制技术可使设计简单、易于实现，且可充分利用最优控制理论的成果，不需在线辨识，是一种新的控制理论，目前已成为现代控制理论中最重要的分支和前沿技术。
3.2.4 模糊控制
模糊控制也称为Fuzzy控制。模糊控制器是一种语言控制器，能更近似地反映人的控制行为，它不依赖系统的精确数学模型，并不需要对系统参数变化有很明显的反应效果，具有很强的鲁棒性和控制稳定性。模糊控制的控制算法可直接通过语音进行控制，非常简捷，很适合汽车这一类快速动态系统。对于汽车转向系统而言，由于地面附着系数、车速、轮胎状况、转向系统摩擦和间隙等因素的影响，要提出一个在各种运行工况下都能满意工作的电动机助力控制策略是非常困难的。
3.2.5 人工神经网络控制
人工神经网络是基于人脑和自然神经网络的基本特性，将这种特性抽象化和模拟化。人工神经网络的技术基础主要还是依赖于对大脑的生理研究成果，模拟大脑的某些相应的机理和机制来实现一些特定的功能。
4 结 语
本文从EPS的基本原理、控制策略以及控制方式三个方面对EPS的控制技术作了简要分析。EPS的关键问题助力控制，同时回正控制和阻尼控制是EPS系统性能优越性的体现，补偿控制是主要体现在提升EPS控制精度方面。
对于EPS的控制方式，通过比较分析比例控制、比例加微分控制、最优二次型控制、鲁棒性控制、模糊控制和人工神经网络控制的优缺点，每种方法优劣，其中PID控制方式使用性更强。要想更好的应用EPS控制技术，必须对上述控制方式和控制策略进行合理应用。
参考文献：
[1] 苑林.汽车电动转向系统的研究[D].长春：吉林大学，2007.
[2] 晋兵营，宁广庆，施国标.汽车电动助力转向系统发展综述[J].拖拉机 与农用运输车，2010，37（ 1） ： 1-5.
[3] 任夏楠，邓兆祥.汽车FPS助力特性設计方法研究[J].机械科学与技术， 2011，33（8）：1225-1232.
[4] 邵丽青.电动助力转向系统（ EPS） 的应用现状及发展趋势[J].汽车与 配件，2011（36）：19-21.
[5] 施国标.电动助力转向的控制技术[D].北京：北京理工大学电动车辆国 家工程实验室，2008.
关键词：汽车；电动助力转向系统；EPS控制技术
中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0014-02
1 引 言
随着汽车性能的提升制造工艺以及汽车控制的要求也越来越高，不仅希望低速行驶时转向轻便，而且高速时必须有良好的操纵稳定性。传统的液压动力转向系统、机械转向系统不能同时达到上述两个要求，通过采用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统很好的解决了这一矛盾。同时EPS系统是汽车的安全性能得到提升，耗能少、有利于环保。电动助力转向代表着转向系统的发展趋势，有着良好的应用前景。
2 电动助力转向系统的概述
2.1 电动助力转向系统的工作原理
电动助力转向机构由机械转向器与电动助力部分相结合构成。电动助力部分包括电动机、电池、传感器和控制器（ECU）及线束，有的还有减速机构和电磁离合器等。电动助力转向机构的工作原理如下：
当驾驶员对转向盘施力并转动转向盘时，位于转向盘下方与转向轴连接的转矩传感器将经扭杆弹簧连接在一起的上、下转向轴的相对转动角位移信号转变为电信号传至控制器，在同一时刻车速信号也传至控制器。通过对上述两种信号的分析，控制器对电动机的转向和助力转矩的大小进行调整。并且通过D/A转换器将控制器输出的数字信号转换为模拟信息，之后通过电流控制电路对信号进行处理。来自微机的电流命令值同与电动机电流的实际值之间存在的一个差值，电流控制电路能够检测到这个差值信号，同时将此信号送往电动机驱动电路，该电路驱动电动机，并向电动机提供控制电流，完成助力转向作用[1]。
2.2 电动助力转向系统的分类
EPS系统依据电动机布置位置的不同可分为转向轴助力式、小齿轮助力式、齿条助力式三个基本类型。分别如图1、图2和图3所示。
3 EPS的控制技术
3.1 EPS常见的几种控制策略
EPS控制系统主要是对助力电机的控制，同时对系统输入与输出的参量也需要进行考虑，常用的系统输入：路面干扰、侧向力、方向盘传感器噪声、方向盘力矩大小、回正力矩及机械部件的非线性摩擦等。系统输出：电机转角、转向器位移、方向盘转角、电机助力力矩等参量。此外，汽车在转向的过程中，车身的横摆角速度与侧倾角等参数会因为车身方向的改变而改变，因此还需综合考虑EPS与悬架的集成化控制策略[4]。
EPS系统的控制要求最重要的就是在原地或低速时转向轻便，高速时稳定性好，且灵敏度高，反应时间短等特点，尽可能的实现实时控制。根据控制内容的不同，控制算法可分为：
①助力控制、回正控制、阻尼控制。除此之外，由于实际系统中存在摩擦和惯性作用，因此还需要进行补偿控制。
助力控制的特点是根据车速和方向盘力矩大小确定助力矩，使转向轻便，利用电机转矩和电机电流成比例的特性，通过对反馈电流与电机目标电流的闭环控制输出信号给动力回路，电动机受到反馈信号后产生合适的助力。助力控制主要是协助驾驶员进行转向，汽车在高速行驶时，可通过阻尼控制适当增加转向阻力，避免汽车在高速行驶途中发生“飘移”，在低速行驶时增加汽车转向的灵活性，避免出现“打死”情况。
②回正控制是改善转向系统转向后的回正性能，尤其是原地及低速时转向。根据汽车不同的行驶工况，对转向系统进行同正控制，当汽车需要进行同正控制时，EPS根据方向盘转角信号和车速信号，计算出车辆的侧向加速度，再产生与侧向加速度相对应的同正力矩。控制作用一般是这样的：当汽车行驶速度较低时，同正过程中使电动机电流迅速减少，电动机产生的驱动力矩也减小，转向轮迅速同正；当汽车高速行驶时，转向轮稍稍改变方向就会使汽车改变较大的方向，为了使转向幅度减小，电机电流逐渐减少，车轮在转向过程中显得更为平稳。
③阻尼控制的特点是可抑制电机的超调，使高速行驶稳定性得以改善，防止汽车“发飘”，利用电动机旋转产生的反电动势形成阻碍电机继续旋转的阻尼转矩。在低速行驶时，控制内容以助力控制和回正控制为主，在高速行驶时，以阻尼控制为主。
④补偿控制。实际应用中由于摩擦和惯性的存在，若对数学模型的控制进行理想化处理，不能得到良好的模拟效果。EPS中应用的电动机，对于大功率的电动机，汽车在行驶途中所产生的摩擦力矩和转动惯量会随着功率的增加而增加。会对车轮的回正造成一定的影响，转向相对较为困难。这时，若在系统控制中加入摩擦补偿与惯量补偿，可较好地解决此问题[5]。
3.2 EPS的控制方式
要實现上述EPS控制策略必须应用相关的控制方式常见的控制方式有以下5种：PID控制、最优二次型控制、鲁棒性控制、模糊控制、人工神经网络控制。
3.2.1 PID控制
PID控制又称偏差控制，是根据系统的误差（偏差），利用数学方法和公式来计算出控制偏差量。PID控制器有很多优势比如结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。PID控制器现已成为工业控制的主要技术之一。
3.2.2 最优二次型控制
最优二次型控制采用线性系统二次性能指标高斯分布法（LQG法）来实现线性系统的最优控制。最优二次型控制法使用最小的控制能量使得系统误差最小化，通过数学建模可得出状态现行反馈的最优控制规律，不仅容易构成闭环最优系统，而且能够达到工程实际问题中对线性系统性能指标的要求。 3.2.3 鲁棒性控制
鲁棒性控制不像其他控制理论，在设计EPS控制策略时设计指标的可行性太依赖所建立的EPS系统数学模型和精确程度。在实际中采用鲁棒控制技术可使设计简单、易于实现，且可充分利用最优控制理论的成果，不需在线辨识，是一种新的控制理论，目前已成为现代控制理论中最重要的分支和前沿技术。
3.2.4 模糊控制
模糊控制也称为Fuzzy控制。模糊控制器是一种语言控制器，能更近似地反映人的控制行为，它不依赖系统的精确数学模型，并不需要对系统参数变化有很明显的反应效果，具有很强的鲁棒性和控制稳定性。模糊控制的控制算法可直接通过语音进行控制，非常简捷，很适合汽车这一类快速动态系统。对于汽车转向系统而言，由于地面附着系数、车速、轮胎状况、转向系统摩擦和间隙等因素的影响，要提出一个在各种运行工况下都能满意工作的电动机助力控制策略是非常困难的。
3.2.5 人工神经网络控制
人工神经网络是基于人脑和自然神经网络的基本特性，将这种特性抽象化和模拟化。人工神经网络的技术基础主要还是依赖于对大脑的生理研究成果，模拟大脑的某些相应的机理和机制来实现一些特定的功能。
4 结 语
本文从EPS的基本原理、控制策略以及控制方式三个方面对EPS的控制技术作了简要分析。EPS的关键问题助力控制，同时回正控制和阻尼控制是EPS系统性能优越性的体现，补偿控制是主要体现在提升EPS控制精度方面。
对于EPS的控制方式，通过比较分析比例控制、比例加微分控制、最优二次型控制、鲁棒性控制、模糊控制和人工神经网络控制的优缺点，每种方法优劣，其中PID控制方式使用性更强。要想更好的应用EPS控制技术，必须对上述控制方式和控制策略进行合理应用。
参考文献：
[1] 苑林.汽车电动转向系统的研究[D].长春：吉林大学，2007.
[2] 晋兵营，宁广庆，施国标.汽车电动助力转向系统发展综述[J].拖拉机 与农用运输车，2010，37（ 1） ： 1-5.
[3] 任夏楠，邓兆祥.汽车FPS助力特性設计方法研究[J].机械科学与技术， 2011，33（8）：1225-1232.
[4] 邵丽青.电动助力转向系统（ EPS） 的应用现状及发展趋势[J].汽车与 配件，2011（36）：19-21.
[5] 施国标.电动助力转向的控制技术[D].北京：北京理工大学电动车辆国 家工程实验室，2008.