EPS的基本策略算法和架构

EPS的基本策略算法和架构

作者：金工，朱玉龙

关于EPS未来的架构我也做了一些说明。

第一部分 EPS的控制策略

控制策略无非三个东西：

∙输入是什么？

∙对EPS控制策略而言，其基本功能的输入主要是EPS系统内部扭矩转角传感器所提供的方向盘扭矩，方向盘转角，从总线获取的车速信号。

∙对某些EPS高级功能而言，可能还需要从CAN总线获取车身的侧偏角、横摆角速度、左右前后轮速等车辆动态参数。

∙驾驶辅助或自动驾驶，还需要从CAN总线获取诸如叠加的力矩值、目标方向盘转角、目标方向盘转速等信号。

∙输出是什么？

∙基于输入，通过一些什么样的控制逻辑得到输出？

篇幅所限，这里只涉及EPS基本功能的控制策略，请各位牢记下面的简化公式：T_手+T_电机=T_阻

∙T_手就是驾驶员操纵方向盘所使用的力矩，由扭矩转角传感器测量得到。

∙T_阻就是由于轮胎与地面摩擦传给齿条的阻力所产生的力矩，转向系统工作的过程就是客服这一阻力矩的过程。

EPS控制策略，其实就是基于各种系统输入条件，计算T_电机的这一过程。至于T_电机是怎样产生的（电机控制领域范畴）

细心的观众可能要问，还要用车速做为输入吗？车速在哪里呀车速在哪里？

技术所有的框框里都有一些叫做CURVE或MAP的标定参数，那些烦死人的参数基本都是与车速相关的。

图1：基本的EPS控制模块

首先是助力特性曲线模块，从EPS发明至今，主要的助力特性曲线经过了从直线、到分段折线、到曲线这么一个过程。直线型助力特性曲线和折线型的助力特性曲线比较简单，容易调试，但是由于助力曲线不是处处可导，不能获得较好的转向手感建立梯度和中间位置感。

超前滞后矫正模块有很多高大上的叫法，比如稳定补偿器、自适应补偿器等等，其本质都是自动控制原理里面的一个超前滞后矫正的环节。学过自控原理反馈系统基本知识的都知道当一个控制系统前向通道的放大倍数太大时，必然会导致系统发散不稳定（劳斯稳定性判据和奈奎斯特稳定性判据）。

助力特性曲线，其本质就是前向通道的一个放大倍数K，不过这个K在不同的车速和不同的手力矩情况下是变化的而已。当这个K比较大时，就会导致EPS系统发散，很典型的一种情况我们管他叫“自嗨型EPS”，在不引入超前滞后矫正模块或者超前滞后矫正模块参数没有调节好的情况下，给转向盘稍微加一个激励，方向盘在可能某一位置不停震荡。

滞后超前模块的引入就是为了消除这一现象而设计，有做两阶补偿的、有三阶补偿的、有四阶补偿的，四阶以上的补偿算法因为参数调节太过复杂，目前笔者还没有见到过哪家采用。

其设计思路为：

∙在低频段尽量不影响原系统的幅频和相频特性

∙在中频段降低系统增益

∙在高频段提高系统的相频特性，以获得更大的相位裕度

典型的超前滞后矫正模块的BODE图如下：

高频增益模块是单独将手力矩做高通滤波，基于扭矩信号的高频部分经过一个MAP后计算得到一个高频增益力矩。因为做高通滤波必然会带

来相位的超前，因此这一部分的力矩对电机惯量及转向系统的内摩擦都有一定的补偿效果。

回正控制和阻尼控制是一对互为补充的好基友。没有这两个控制，轮胎及悬置系统本身也能够提供一定的回正力。但一般来说：

在低车速情况下，系统阻力太大，撒手时车辆本身的回正力不足以克服所有的阻力使方向盘回到中位；

在高车速情况下，车辆本身的回正力又太大，撒手时又容易出现摇头的现象。

于是这一对好基友便各司其责，低车速情况下回正控制起作用，提供一个额外的力矩帮助方向盘回到中位；高车速的情况下，阻尼控制起作用，提供一个反向的力矩，防止方向盘摇头。最终的目标是一致的，在全车速范围下，能让方向盘准确、平顺的一次性回到中位。

第二部分 EPS架构

德鹏给我的架构确实引起了不少的意见，我这里做一下说明。底盘电子的架构，大体以以下为主流架构，单个双核配一个外部MCU。

EPS部分，没有、乱动和锁住是三大D级问题

在迈向线控和无人驾驶的领域，EPS本身一套就是两个以上

是不是这么夸张，我们还不知道

小结：

1）在EPS基本功能模块中，助力曲线是基础，矫正高频是关键，回正阻尼锦上添花。

2）单个EPS乃至2～3个未来咋折腾，看BOM成本看目的要求，整个设计可能会有一些变数，谁说得明白来说一说

谈到电动转向的功能，很多人的第一认识就是ECU根据检测到的手盘力矩信号，通过一组与车速相关的助力特性曲线计算得到一个助力矩，由电机实现这个助力力矩。这种说法说到了EPS最最基本的功能，但不全面。下面我就从EPS的基本功能和高级功能两部分来讲讲现在的EPS系统中都有哪些feature。

（一）基本功能篇

EPS的基本功能见下图：

基本助力

基本助力模块将手上力矩分解成高频部分和低频部分两个分量，低频部分用来计算最基本的助力，高频部分则主要通过一个高频增益，建立转向的中间位置感，同时由于高通滤波必然带来相位超前，对惯量和摩擦也有一定的补偿作用。

助力特性曲线模块，从EPS发明至今，主要的助力特性曲线经过了从直线、分段折线、曲线这么一个过程。直线型助力特性曲线和折线型的助力特性曲线比较简单，容易调试，但是由于助力曲线不是处处可导，不能获得较好的转向手感建立梯度和中间位置感。

超前滞后矫正模块有很多高大上的叫法，比如稳定补偿器、自适应补偿器等等，其本质都是自动控制原理里面的一个超前滞后矫正的环节。学过自控原理反馈系统基本知识的都知道当一个控制系统前向通道的放大倍数太大时，必然会导致系统发散不稳定（请自行脑补劳斯稳定性判据和奈奎斯特稳定性判据）。助力特性曲线，其本质就是前向通道的一个放大倍数K，不过这个K在不同的车速和不同的手力矩情况下是变化的而已。当这个K比较大时，就会导致EPS系统发散，很典型的一种情况我们管他叫“自嗨型EPS”，在不引入超前滞后矫正模块或者超前滞后矫正模块参数没有调节好的情况下，给转向盘稍微加一个激励，方向盘在可能某一位置不停震荡。滞后超前模块的引入就是为了消除这一现象而设计，有做两阶补偿的、有三阶补偿的、有四阶补偿的，四阶以上的补偿算法因为参数调