EPS的基本策略演算法和架構

作者：金工，朱玉龍

關於EPS未來的架構我也做了一些說明。

第一部分 EPS的控制策略

控制策略無非三個東西：

• 輸入是什麼？

• 對EPS控制策略而言，其基本功能的輸入主要是EPS系統內部扭矩轉角感測器所提供的方向盤扭矩，方向盤轉角，從匯流排獲取的車速信號。

• 對某些EPS高級功能而言，可能還需要從CAN匯流排獲取車身的側偏角、橫擺角速度、左右前後輪速等車輛動態參數。

• 駕駛輔助或自動駕駛，還需要從CAN匯流排獲取諸如疊加的力矩值、目標方向盤轉角、目標方向盤轉速等信號。

• 輸出是什麼？

• 基於輸入，通過一些什麼樣的控制邏輯得到輸出？

篇幅所限，這裡只涉及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，由扭矩轉角感測器測量得到。

• T_阻就是由於輪胎與地面摩擦傳給齒條的阻力所產生的力矩，轉向系統工作的過程就是客服這一阻力矩的過程。

EPS控制策略，其實就是基於各種系統輸入條件，計算T_電機的這一過程。至於T_電機是怎樣產生的（電機控制領域範疇）

細心的觀眾可能要問，還要用車速做為輸入嗎？車速在哪裡呀車速在哪裡？

技術所有的框框里都有一些叫做CURVE或MAP的標定參數，那些煩死人的參數基本都是與車速相關的。

圖1：基本的EPS控制模塊

首先是助力特性曲線模塊，從EPS發明至今，主要的助力特性曲線經過了從直線、到分段折線、到曲線這麼一個過程。直線型助力特性曲線和折線型的助力特性曲線比較簡單，容易調試，但是由於助力曲線不是處處可導，不能獲得較好的轉向手感建立梯度和中間位置感。

超前滯後矯正模塊有很多高大上的叫法，比如穩定補償器、自適應補償器等等，其本質都是自動控制原理裡面的一個超前滯後矯正的環節。學過自控原理反饋系統基本知識的都知道當一個控制系統前向通道的放大倍數太大時，必然會導致系統發散不穩定（勞斯穩定性判據和奈奎斯特穩定性判據）。

助力特性曲線，其本質就是前向通道的一個放大倍數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。當這個K比較大時，就會導致EPS系統發散，很典型的一種情況我們管他叫「自嗨型EPS」，在不引入超前滯後矯正模塊或者超前滯後矯正模塊參數沒有調節好的情況下，給轉向盤稍微加一個激勵，方向盤在可能某一位置不停震蕩。

滯後超前模塊的引入就是為了消除這一現象而設計，有做兩階補償的、有三階補償的、有四階補償的，四階以上的補償演算法因為參數調節太過複雜，目前筆者還沒有見到過哪家採用。

其設計思路為：

• 在低頻段盡量不影響原系統的幅頻和相頻特性

• 在中頻段降低系統增益

• 在高頻段提高系統的相頻特性，以獲得更大的相位裕度

典型的超前滯後矯正模塊的BODE圖如下：

高頻增益模塊是單獨將手力矩做高通濾波，基於扭矩信號的高頻部分經過一個MAP後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向系統的內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迴到中位；

• 在高車速情況下，車輛本身的回正力又太大，撒手時又容易出現搖頭的現象。

於是這一對好基友便各司其責，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迴到中位；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。最終的目標是一致的，在全車速範圍下，能讓方向盤準確、平順的一次性回到中位。

第二部分 EPS架構

德鵬給我的架構確實引起了不少的意見，我這裡做一下說明。底盤電子的架構，大體以以下為主流架構，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域，EPS本身一套就是兩個以上

是不是這麼誇張，我們還不知道

小結：

1）在EPS基本功能模塊中，助力曲線是基礎，矯正高頻是關鍵，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，整個設計可能會有一些變數，誰說得明白來說一說

附錄：金工講故事

寶貝：爸爸，你天天去上班在辦公室里都忙些什麼呀。

爸爸：寶貝，爸爸現在做的是EPS的控制策略。

寶貝：EPS，那是個什麼東西？控制策略，那又是個什麼東西？

爸爸：EPS呀，是電動助力轉向系統的簡稱，這個系統由電動助力機直接提供轉向助力，省去了液壓動力轉向系統所必需的……

媽媽：什麼鬼？說點地球人聽得懂的！

爸爸：好吧，你讓我想想怎麼說。寶貝你想想鄉下爺爺家拉磨的事情，方向盤就是那個磨，開車的人就是那頭驢。以前是只有驢拉磨（機械轉向機）；後來呢，在磨上裝了個馬達，驢和馬達同時拉磨（EPS）；再後來，驢也不用拉磨了，拉磨的全是那個馬達（APA/自動駕駛）。控制策略做的就是怎樣讓那個馬達能一邊哼著小曲還能一邊讓磨轉得又歡騰又平順。

寶貝：好吧，我好像有點懂了。

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本文首發於公眾號：汽車電子設計（微信號：QCDZSJ）

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