車載EPS算法、架構(gòu)以及控制策略

　　駕駛員在操縱方向盤進行轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的 大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)距電壓信號、轉(zhuǎn)動方向和車速信號等，向電動機控制器發(fā)出指令，使電動機輸出相 應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動力。汽車不轉(zhuǎn)向時，電子控制單元不向電動機控制器發(fā)出指令，電動機不工作。

　　第一部分 EPS的控制策略

　　控制策略無非三個東西：

　　輸入是什么？

　　對EPS控制策略而言，其基本功能的輸入主要是EPS系統(tǒng)內(nèi)部扭矩轉(zhuǎn)角傳感器所提供的方向盤扭矩，方向盤轉(zhuǎn)角，從總線獲取的車速信號。

　　對某些EPS高級功能而言，可能還需要從CAN總線獲取車身的側(cè)偏角、橫擺角速度、左右前后輪速等車輛動態(tài)參數(shù)。

　　駕駛輔助或自動駕駛，還需要從CAN總線獲取諸如疊加的力矩值、目標(biāo)方向盤轉(zhuǎn)角、目標(biāo)方向盤轉(zhuǎn)速等信號。

　　輸出是什么？

　　基于輸入，通過一些什么樣的控制邏輯得到輸出？

　　篇幅所限，這里只涉及EPS基本功能的控制策略，請各位牢記下面的簡化公式：T_手+T_電機=T_阻

　　T_手就是駕駛員操縱方向盤所使用的力矩，由扭矩轉(zhuǎn)角傳感器測量得到。

　　T_阻就是由于輪胎與地面摩擦傳給齒條的阻力所產(chǎn)生的力矩，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作的過程就是客服這一阻力矩的過程。

　　EPS控制策略，其實就是基于各種系統(tǒng)輸入條件，計算T_電機的這一過程。至于T_電機是怎樣產(chǎn)生的（電機控制領(lǐng)域范疇）

　　細心的觀眾可能要問，還要用車速做為輸入嗎？車速在哪里呀車速在哪里？

　　技術(shù)所有的框框里都有一些叫做CURVE或MAP的標(biāo)定參數(shù)，那些煩死人的參數(shù)基本都是與車速相關(guān)的。

　　圖1：基本的EPS控制模塊

　　首先是助力特性曲線模塊，從EPS發(fā)明至今，主要的助力特性曲線經(jīng)過了從直線、到分段折線、到曲線這么一個過程。直線型助力特性曲線和折線型的助力特性曲線比較簡單，容易調(diào)試，但是由于助力曲線不是處處可導(dǎo)，不能獲得較好的轉(zhuǎn)向手感建立梯度和中間位置感。

　　超前滯后矯正模塊有很多高大上的叫法，比如穩(wěn)定補償器、自適應(yīng)補償器等等，其本質(zhì)都是自動控制原理里面的一個超前滯后矯正的環(huán)節(jié)。學(xué)過自控原理反饋系統(tǒng)基本知識的都知道當(dāng)一個控制系統(tǒng)前向通道的放大倍數(shù)太大時，必然會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散不穩(wěn)定（勞斯穩(wěn)定性判據(jù)和奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)）。

　　助力特性曲線，其本質(zhì)就是前向通道的一個放大倍數(shù)K，不過這個K在不同的車速和不同的手力矩情況下是變化的而已。當(dāng)這個K比較大時，就會導(dǎo)致EPS系統(tǒng)發(fā)散，很典型的一種情況我們管他叫“自嗨型EPS”，在不引入超前滯后矯正模塊或者超前滯后矯正模塊參數(shù)沒有調(diào)節(jié)好的情況下，給轉(zhuǎn)向盤稍微加一個激勵，方向盤在可能某一位置不停震蕩。

　　滯后超前模塊的引入就是為了消除這一現(xiàn)象而設(shè)計，有做兩階補償?shù)?、有三階補償?shù)摹⒂兴碾A補償?shù)?，四階以上的補償算法因為參數(shù)調(diào)節(jié)太過復(fù)雜，目前筆者還沒有見到過哪家采用。

　　其設(shè)計思路為：

　　在低頻段盡量不影響原系統(tǒng)的幅頻和相頻特性

　　在中頻段降低系統(tǒng)增益

　　在高頻段提高系統(tǒng)的相頻特性，以獲得更大的相位裕度

　　典型的超前滯后矯正模塊的BODE圖如下：

　　高頻增益模塊是單獨將手力矩做高通濾波，基于扭矩信號的高頻部分經(jīng)過一個MAP后計算得到一個高頻增益力矩。因為做高通濾波必然會帶來相位的超前，因此這一部分的力矩對電機慣量及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)摩擦都有一定的補償效果。

　　回正控制和阻尼控制是一對互為補充的好基友。沒有這兩個控制，輪胎及懸置系統(tǒng)本身也能夠提供一定的回正力。但一般來說：

　　在低車速情況下，系統(tǒng)阻力太大，撒手時車輛本身的回正力不足以克服所有的阻力使方向盤回到中位；

　　在高車速情況下，車輛本身的回正力又太大，撒手時又容易出現(xiàn)搖頭的現(xiàn)象。

　　于是這一對好基友便各司其責(zé)，低車速情況下回正控制起作用，提供一個額外的力矩幫助方向盤回到中位；高車速的情況下，阻尼控制起作用，提供一個反向的力矩，防止方向盤搖頭。最終的目標(biāo)是一致的，在全車速范圍下，能讓方向盤準確、平順的一次性回到中位。

　　第二部分 EPS架構(gòu)

　　德鵬給我的架構(gòu)確實引起了不少的意見，我這里做一下說明。底盤電子的架構(gòu)，大體以以下為主流架構(gòu)，單個雙核配一個外部MCU。

　　EPS部分，沒有、亂動和鎖住是三大D級問題

　　在邁向線控和無人駕駛的領(lǐng)域，EPS本身一套就是兩個以上

　　是不是這么夸張，我們還不知道

　　小結(jié)：

　　1）在EPS基本功能模塊中，助力曲線是基礎(chǔ)，矯正高頻是關(guān)鍵，回正阻尼錦上添花。

　　2）單個EPS乃至2～3個未來咋折騰，看BOM成本看目的要求，整個設(shè)計可能會有一些變數(shù)，誰說得明白來說一說