車載EPS算法、架構(gòu)以及控制策略

　　駕駛員在操縱方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的 大小，將電壓信號(hào)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(cè)到的轉(zhuǎn)距電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車速信號(hào)等，向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，使電動(dòng)機(jī)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(dòng)力。汽車不轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元不向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)不工作。

　　第一部分 EPS的控制策略

　　控制策略無非三個(gè)東西：

　　輸入是什么？

　　對(duì)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(hào)。

　　對(duì)某些EPS高級(jí)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(dòng)態(tài)參數(shù)。

　　駕駛輔助或自動(dòng)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(hào)。

　　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(qǐng)各位牢記下面的簡(jiǎn)化公式：T_手+T_電機(jī)=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(cè)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(shí)就是基于各種系統(tǒng)輸入條件，計(jì)算T_電機(jī)的這一過程。至于T_電機(jī)是怎樣產(chǎn)生的（電機(jī)控制領(lǐng)域范疇）

　　細(xì)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(gè)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(jiǎn)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(bǔ)償器、自適應(yīng)補(bǔ)償器等等，其本質(zhì)都是自動(dòng)控制原理里面的一個(gè)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(shí)的都知道當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)前向通道的放大倍數(shù)太大時(shí)，必然會(huì)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(gè)放大倍數(shù)K，不過這個(gè)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(gè)K比較大時(shí)，就會(huì)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(gè)激勵(lì)，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(jì)，有做兩階補(bǔ)償?shù)?、有三階補(bǔ)償?shù)摹⒂兴碾A補(bǔ)償?shù)?，四階以上的補(bǔ)償算法因?yàn)閰?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(jì)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(dú)將手力矩做高通濾波，基于扭矩信號(hào)的高頻部分經(jīng)過一個(gè)MAP后計(jì)算得到一個(gè)高頻增益力矩。因?yàn)樽龈咄V波必然會(huì)帶來相位的超前，因此這一部分的力矩對(duì)電機(jī)慣量及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)摩擦都有一定的補(bǔ)償效果。

　　回正控制和阻尼控制是一對(duì)互為補(bǔ)充的好基友。沒有這兩個(gè)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(shí)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(shí)又容易出現(xiàn)搖頭的現(xiàn)象。

　　于是這一對(duì)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(gè)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(gè)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(zhǔn)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(shí)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(gè)雙核配一個(gè)外部MCU。

　　EPS部分，沒有、亂動(dòng)和鎖住是三大D級(jí)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(gè)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(gè)EPS乃至2～3個(gè)未來咋折騰，看BOM成本看目的要求，整個(gè)設(shè)計(jì)可能會(huì)有一些變數(shù)，誰說得明白來說一說