基于傳感器P 信號的EPS補償控制策略和算法

侯訓波

（大連創新零部件制造公司）

現代汽車配裝電動助力轉向系統（簡稱EPS）已非常普遍，而EPS 系統由于電機和減速機構的存在，增加了轉向系統的摩擦力，給汽車回正性能帶來了不良影響[1]?；卣阅苡质瞧嚥倏v穩定性的重要指標，回正性能不良不但使駕駛員產生操縱疲勞，還會影響行車安全。同時，汽車在高速行駛時，其自身的回正能力較強，阻尼較弱，又會產生回正超調現象，使汽車擺振，同樣會影響行車安全。懸架定位誤差和胎壓異常等會引起汽車跑偏[2]，雖不能使汽車發生嚴重的交通事故，但會增加駕駛員干預汽車的時間，加重駕駛員的疲勞感[3]。針對以上問題，通常由EPS 系統采用帶角度檢測能力的傳感器來配合，實現回正、阻尼及跑偏等補償，依此克服這些缺陷。文章通過對低成本純扭矩傳感器P 信號開展研究，基于此信號實現EPS 系統補償控制，并提出相應控制策略和算法，供EPS 系統工程師參考。

1 傳感器P 信號工作原理

文章所研究的EPS 系統傳感器為Hella 非接觸交變電磁感應式純扭矩傳感器，其輸出扭矩T 信號需要2個轉子與PCB 板上的預埋線圈和芯片配合，當2 個轉子隨上下軸轉動時，由固定位置的預埋線圈感應轉子角度變化，利用其相對角度差來檢測并輸出T 信號。其中一個40°轉子及芯片所對應輸出的P 信號，即為文章所研究的對象，該P 信號是脈沖寬度調制（PWM）占空比形式。

當轉向盤轉動時，將帶動EPS 系統轉向上軸旋轉，使P 信號在12.5%～87.5%內變化，且以40°為一個循環周期性重復變化，這與帶角度檢測的傳感器對比，在結構上缺少了一個磁性小齒輪和對應芯片及相關附件，即缺少了P 信號配合，無法檢測絕對角度。而文章利用P 信號所具備的相對角度檢測能力，再使EPS 系統電子控制單元（簡稱ECU）算法配合，實現絕對角度的間接檢測能力，依此完成EPS 系統補償控制。

2 EPS 系統基本角度算法

EPS 系統基本角度檢測是通過ECU 對PWM_P 信號實時采樣，并按相應規則計算來獲得，該基本角度是參照車輛直行中位為基準零點的絕對角度。

2.1 異常P 信號過濾

為保證對P 信號正確采樣，采取適當算法對異常P信號進行過濾。通常駕駛員操控轉向盤的最快轉角速度小于 1 000（°）/s，若 ECU 按 1 ms 的采樣周期，相鄰采樣點變化量ΔPWM_Pn=PWM_Pn- PWM_Pn-1，其通常采樣結果|ΔPWM_Pn|≤1.875%均屬正常，但存在2 個特殊采樣范圍段，如：向右轉時由85.625%～87.5%變至12.5%～14.375 5%和向左轉時由12.5%～14.375%變至85.625%～87.5%，會出現P 信號采樣值突變，屬于區段轉換的正?，F象，除此之外均屬異常，此時需對異常采樣點賦值為前次采樣值。據此分析所給出的策略，再結合信號自身特點，異常信號過濾算法如下：

當對第n 次采樣，先按算式（1）進行判斷，再執行算式（2），最終對PWM_P 信號采樣賦值。

2.2 EPS 系統基本角度算法

當車輛下線，必須通過手動角度中點標定方法，使EPS 系統角度中點與車輛直行中位（即角度零點）重合，ECU 記憶當前基準P 信號為PWM_P0及所處區段號K=0。標定后的P 信號與EPS 系統的基準P 信號PWM_P0、區段號 K 及絕對角度 θ 等的關系，如圖 1 所示。其中θ0為EPS 基準角度，設ΔPWM_P=PWM_PPWM_Pn-1。

圖1 EPS 角度中點標定后PWM_P 與θ 等的關系示意圖

EPS 基準角度 θ0的算法：

區段號K 的算法：

EPS 絕對角度 θ 的算法：

由算式（4）可知，區段號K 與前次區段號Kn-1相關，需ECU 連續滾動記憶，使車輛實際所處的角度區段號與ECU 計算結果保持一致。當EPS 系統斷電后，且車輛轉向盤在此期間又被無意轉動，在EPS 系統再上電時，ECU 斷電時所記憶的區段號與車輛實際轉向盤所處轉角范圍就不能吻合了，會使角度檢測出現嚴重偏差，不能被EPS 系統應用。因此，需找回角度中點，才能恢復各項控制功能。

3 角度中點自動找回和修正的方法

EPS 系統重新上電后，即執行角度基本算法，并可獲得當前EPS 絕對轉角θ。但此時，ECU 所記憶的區段號K 已不可信，故所獲EPS 絕對轉角θ 值也不可信，需暫停與其相關的功能，如：回正補償、阻尼補償、跑偏補償等。當EPS 系統找回角度中點后，方可啟動相關功能，但部分功能還需在角度中點修正后，才能啟動。

角度中點找回（或稱功能）是基于初始中點標定可信，即PWM_P0不變的情況下，當區段號K 可能發生異常變化而不可信，僅需找回正確K 值即可；角度中點修正（或稱功能）是針對車輛直行零點與EPS 所標定中點可能存在較大偏差，影響了回正等功能，需對PWM_P0和K 同時檢驗并修正。

3.1 車輛直行狀態分析

當駕駛員操控車輛直行時，轉向盤轉角也通常在零點±5°范圍內微調來保持汽車直行，并且微調手力通常小于0.5 N·m。圖2 示出車輛直行狀態的各物理參數關系示意圖。假設手動所標定的角度中點處于左側-5°位置，同時車輛存在向右跑偏現象，此假設為車輛被向左糾偏的直行狀態，EPS 系統角度中點所處為極限狀態。此時糾偏手力通常小于1.0 N·m，但駕駛員長時間保持糾偏手力在0.4～1.0 N·m，也會引起駕駛疲勞，若糾偏手力大于1.0 N·m 則認為是嚴重跑偏，需要維修解決。維持車輛直行所需糾偏手力≤0.4 N·m，即為符合標準[4]，也不會引起駕駛疲勞。

圖2 汽車直行狀態的各物理參數關系示意圖

歸納以上分析，車輛保持直行狀態，以車輛角度零點為基準，所體現出的相關參數變化范圍，如表1 所示。其中手力Ts和轉角θ 的方向性定義為：凡手力Ts有利于向右轉向為正值，反之為負值；轉角θ 以標定中點為基準，向右轉角為正值，反之為負值。

表1 車輛直行時相關參數的表現狀態

3.2 EPS 角度中點自動找回方法

表2 示出車輛直行時參數記錄表。

表2 車輛直行時參數記錄表

當EPS 系統上電先清除表2 中所有數據。以0.5 s為記錄周期，僅當 AND（|Ts|≤1.0 N·m，V≥30 km/h，|θ-40 ROUND（θ/40,0）|≤8°）時，方可對相關參數按表 2進行記錄。當EPS 系統上電所記錄數據填滿60 組后，需在2 s 內完成統計處理，之后將自動清除表2 中所有記錄，再重新開始采樣并記錄。所記錄數據填滿60 組后，需對相同 ROUND（θ/40，0）取整值的頻次數 N 進行統計，提取頻次數最高值Nmax對應ROUNmax，依此，按算式（6）進行K 值更新。EPS 角度中點找回算法：

在理論上，車輛持續直行30 s 后，即可自動找回EPS 角度中點。

3.3 EPS 角度中點自動修正方法

每次EPS 系統上電，當完成角度中點找回，區段號K 首次被更新后，角度中點自動找回功能即刻暫停，同時觸發角度中點自動修正功能啟動，并按自動找回方法中的要求及規則，來采樣和記錄表2 中的參數。

圖3 示出標定點PWM_P0和修正點PWM_PA拓展示意圖。為便于理解，初始標定角度中點的PWM_P0和θ0，已與車輛直行零點出現偏差，而能與車輛直行零點吻合的修正點，其基準P 信號設為PWM_PA，基準角度設為θA，二者角度差值設為ΔθA，ΔPWM_PA代表標定點和修正點的基準P 信號凈差。

圖3 標定點PWM_P0 和修正點PWM_PA 拓展示意圖

ΔθA和 ΔPWM_PA的算法：

PWM_PA和 KA的算法：

基準角度θA算法：

該功能將持續運行，最終可使EPS 系統角度中點逼近車輛零點。

4 回正補償和阻尼補償

回正補償特性是由轉向盤轉角所形成的，并隨車速變化的回正補償電流曲線族；阻尼補償特性是由轉向盤轉角速度所形成的，并隨車速變化的阻尼補償電流曲線族。以下所涉及補償電流的方向性定義為：凡有利于向右轉向的電流值為正，反之為負；同時，由于左右轉向的對稱性，所涉及回正過程中的電流特性曲線，均以右側轉向區域所體現出的特性來表達，而左側區域的電流特性的曲線，則是以原點對稱的。

4.1 回正補償和阻尼補償的控制策略

圖4 示出回正和阻尼的額定電流隨車速變化曲線，其回正補償控制策略為：當車速V≤Vr1時，視為駐車狀態，無回正補償電流，轉向盤所至轉向的位置將保持不動；當車速Vr1Vr3時，車輛自身回正能力已完全可以實現自動回正，此時無需回正補償，反而需要阻尼補償來避免回正過快，甚至超調現象。如圖4所示，其在回正過程中的阻尼補償控制策略為：當車速V≤Vd1時，車輛回正阻力較大（即阻尼較大），EPS 系統無需提供阻尼補償電流；當車速Vd1Vd2時，車輛已進入較高車速行駛，需要轉向盤有較快的回正轉角速度，使車輛在較短時間內，即可回到直行的中位，保持阻尼補償電流恒定。

圖4 回正和阻尼的額定電流隨車速變化曲線

即使是同批次車輛，仍具有差異性?？紤]到EPS系統所匹配參數具有普適性，也為避免出現補償風險，需要將回正補償的結束點車速Vr3和阻尼補償的起點車速Vd1（如圖 4 所示） 設置為Vr3>Vd1，通常Vr3-Vd1=10～20 km/h。結合某電動車的實際情況，推薦匹配參數范圍，如表3 所示。

表3 回正和阻尼的補償參數推薦范圍

4.2 回正補償算法

額定回正補償電流算法：

圖5 示出回正補償電流隨角度變化曲線。

圖5 回正補償電流隨角度變化曲線

EPS 系統回正補償與所處轉角位置相關，首先需設定一個角度死區，在此范圍內無需回正補償，以防止干擾車輛直行，該角度死區定義為θr1，通常為10～20°；同時，在回正過程中，當轉向盤回轉接近中位時，為避免出現超調現象，需設定一個角度θr2，作為回正補償能力遞減的起點角度，通常 θr2為 60～90°，由式（10）所確定的各車速下額定回正補償電流，即是在該角度點上的電流值。

回正補償電流算法：

4.3 阻尼補償算法

設轉向盤轉角速度為：ωd=dθ/dt。額定阻尼補償電流算法：

圖6 示出阻尼補償電流隨轉角速度變化曲線，在車輛回正過程中，EPS 系統的阻尼補償與轉向盤回轉的轉角速度相關。當轉角速度較低時，無需阻尼補償，設該轉角速度為 ωd1，通常為 80～120（°）/s；隨著轉角速度提高則需加強阻尼作用，特別是在較高車速時，也可避免回正超調，設駕駛員能夠接受的較適宜的回正轉角速度為 ωd2，通常為 200～300（°）/s，由式（12）所確定的各車速下的額定阻尼補償電流，即是在該轉角速度點上的電流值；同時，在阻尼補償中需設定最大阻尼電流Idx（通常Idx=3.0～4.0 A）限制，以便在必須快打轉向時，EPS 系統的助力作用仍能充分發揮作用。

圖6 阻尼補償電流隨轉角速度變化曲線

阻尼補償電流算法：

4.4 回正補償和阻尼補償的調校

利用此2 種補償特性的組合匹配，通過在整車上調校，才能實現良好的轉向回正性能。其主要評價要求包括回正后剩余橫擺角速度與剩余橫擺角（或稱殘留角度），以及達到剩余橫擺角速度的時間[5]，同時，汽車在高速時的轉向回正性能較在低速行駛時更為重要，應更加注重高速行駛的轉向回正性能[6]。按表3 所示的調校參數，推薦在車速為 10，20，30，50，80，100 km/h 時來進行調校評價。

5 EPS 系統跑偏補償

汽車行駛跑偏表現為直線行駛時，駕駛員將轉向盤自由置于中間位置，汽車行駛方向偏離汽車縱軸線，駕駛員需在轉向盤上施加一矯正力（或稱糾偏力），以保持汽車直行[2]。GB 17675《汽車轉向系統基本要求》中規定：汽車以80 km/h 的速度行駛時，駕駛員必須能在不做異常轉向修正的條件下，保持汽車直線行駛。通常所需修正力≤0.4 N·m，即為符合標準[4]。

汽車跑偏因素較多，其中配裝EPS 系統的車輛，由于角度中點標定的偏差較大，轉向盤會出現向EPS 系統所標定角度中點一側轉動的趨勢，從而造成車輛跑偏[3]。該因素所引起的跑偏現象，可由文中EPS 角度中點修正的方法來解決，而針對其它因素所引起的跑偏現象，按以下跑偏補償的方法應對。

5.1 糾偏手力和補償電流梯度估算

根據3.2 節中EPS 角度中點找回方法中所規定的采樣條件及規則，并利用表2 所記錄的相關數據，對手力Ts進行平均值統計，獲得糾偏手力ΔTs和補償電流梯度ΔIp的估算值。

糾偏手力和補償電流梯度的估計算法：

式（13）中的補償電流梯度設定為2 種：0.1 A 和0.2 A，主要目的是當車輛跑偏不嚴重時，以較小的補償電流梯度來增減原補償量；當跑偏較嚴重時，以較大的補償電流梯度來增減原補償量。這2 種補償梯度值均不會引起車輛行駛中的明顯手力變化，但會延遲跑偏補償的達標時間。

5.2 EPS 系統跑偏補償

EPS 系統初始上電時，將額定跑偏補償電流設置為Ipn=0，之后EPS 系統無論斷電或上電運行，都需記憶前次Ipn-1值，以便加上式（13）所得的ΔIp估算值，獲得當前需更新的額定跑偏補償電流值。同時，為了保證跑偏補償不會對其它功能造成影響，以及從安全的角度來考慮，需設置額定跑偏補償限制電流Ipmax，該限制電流是以車輛不需維修的糾偏手力（1.0 N·m），對應匹配設定的，通常Ipmax=1.2～1.8 A。

額定跑偏補償電流算法：

當獲得額定跑偏補償電流值（Ipn）后，該跑偏補償特性Ip與轉向盤轉角θ 相關，在一定的角度范圍有效，并隨角度增大而衰減，如圖7 所示。

圖7 跑偏補償電流隨角度變化曲線

跑偏補償電流算法：

對于圖7 中和式（16）中的2 個特征角度點，通常θp1=10～20°，θp2=20～30°。

6 結論

文章所述的角度中點自動找回功能和角度中點自動修正功能，均是在不影響車輛正常行駛中而自學習完成的，但在EPS 系統上電初期，會存在短時間部分功能被暫停的現象，通常車輛在持續直行1 min 左右即可恢復。EPS 系統角度中點自動修正功能是不斷重復地采樣和記錄，并滾動修正的，能使EPS 系統角度中點始終保持與車輛角度零點吻合，可使各種補償功能充分發揮作用；可信的角度檢測能力有助于繼續開展主動回正和主動阻尼等功能的深入研究。針對回正補償和阻尼補償，需進行匹配組合，并經整車調校，才能實現EPS 系統良好的回正性能；同時，文章所提供的阻尼補償功能，可使車輛在不平路面高速行駛時，具有抑制中位沖擊的能力。