eps基本策略算法和架构

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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 23 个未来咋折腾，看

7、 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

8、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，

9、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。其设计思路无非：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

10、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： 回正控制和阻尼控制 轮胎及悬置系统本身是能够提供一定的回正力让方向盘朝中位运动的。 但一般来 说，在低车速情况下，系统阻力太大，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。 回正控制和阻尼控制各司其责， 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。 路面震颤抑制 在车辆运动过程中，在驾驶员的手上能够感受到各种各样的路面震颤噪音，其中 一个比较典型

11、的噪音的频率是与轮速正相关的。 路面震颤抑制算法检测轮速信号， 同时对手盘力矩中与轮速频率正相关的频率特征进行提取后， 在最终施加给电机 的力矩中减掉这一频率特征信号与路面震颤进行抵消，从而达到抑制的目的。 惯量与摩擦补偿 惯量补偿主要是补偿电机的转动惯量，可以理解为一个纯超前的矫正环节。 摩擦补偿主要是补偿系统摩擦力，该摩擦力主要来源于齿条与压块的摩擦、管柱 轴承的摩擦等，表现为库伦摩擦力的形式，一般是根据电机转速大于某阈值作为 trigger 信号，施加一个与其运动方向相同的力用于克服库伦摩擦力。 （二） 高级功能篇 PDC（Pull Drift Compensation） PDC 功能触

12、发的条件多样，可能是车辆行驶在拱形路面上、也可能是车辆受到 侧风作用、还有可能是悬架系统安装左右不对称，其工作原理是车辆在直行过程 当中检测到扭矩传感器的力矩超过正常范围，则由电机主动施加一个反向力矩， 保证驾驶员在中位附近感受到的力矩很小。 TSC（Torque Steer Compensation） 任何车辆，方向盘不可能安装在正中间，转向横拉杆左右长度是不一样的，角度 也会有细微差异；另外在急加速的过程中，左右车轮上的牵引力也会不一致，这 就导致会出现行驶跑偏的现象。 TSC 功能根据转角、车速、侧向加速度、横摆角速度、轮速、各轮牵引力等信 号，当形式跑偏将要发生时，给电机施加一个反向的

13、力矩，防止形式跑偏产生。 DSR（Driver Steering Recommendation ） DSR 功能中 EPS 主要是作为执行机构，ESC 检测到抱死或侧滑即将发生时， 通知 EPS 施加一个力，在 ESC 动作的同时帮助驾驶员进行转向操作，在对开路 面上可以有效的降低刹车距离，在过弯过程中可以防止或减弱甩尾现象。 APA (Auto Parking Assist) 在这种情况下，EPS 控制器接收 AutoParking 上位机的角度指令，以位置环- 速度环-电流环三环控制的形式实现角度伺服功能。 难点是如何做到平顺、 准确、 快速。 LDW+LKA/LCA 这几个功能 EPS 都是作为 ADAS 系统的执行机构，LDW（Lane Departure Waning）是当检测到车辆即将偏出车道时，在方向盘上给出一个震动的信号对 驾驶员进行提醒。 LKA（Lane Keeping Assist）和 LCA（Lane Centering Assist）的工作机理比较 类似，LKA 是当 ADAS 系统发现车辆有偏移车道的风险的时候，通知 EPS 提供 一个反向力矩，作用时间为比较短；LCA 则是期望车辆维持在车道中央行驶， 一旦有偏离中线的迹象，则马上进行调整，持续起作用。 车身稳定控制器的液压驱动原理