EPS通過一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)產(chǎn)生作用力并傳入到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，輔助駕駛員更好地完成對車輛的控制。為了完成這種要求，轉(zhuǎn)向功能要按照駕駛員的意愿進(jìn)行反應(yīng)，并且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要適當(dāng)。駕駛員的意愿在這里是由扭矩傳感器測量駕駛員施加到轉(zhuǎn)向器輸入軸上的扭矩，并利用相關(guān)的算法來獲知的。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過一個(gè)角度傳感器來獲得，這個(gè)信號可以通過轉(zhuǎn)向管柱上的角度傳感器測量得到，或者是通過轉(zhuǎn)向齒條的位置傳感器計(jì)算得到。這個(gè)信號表示的是方向盤的絕對轉(zhuǎn)角。

轉(zhuǎn)向功能可分成以下幾部分：

（1）基本的轉(zhuǎn)向功能?；镜霓D(zhuǎn)向功能是指駕駛員必須保持或者施加一個(gè)力矩來操控方向盤。此外，方向盤脫手時(shí)的車輛性能也可以通過轉(zhuǎn)向功能來影響。

（2）轉(zhuǎn)向手感控制。轉(zhuǎn)向手感控制的根本任務(wù)是操控穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向功能所需要的力矩不會產(chǎn)生不希望的振動(dòng)和其他干擾。

（3）轉(zhuǎn)向電機(jī)控制。車輛操控穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向敏捷性通過觸覺和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)連接在一起，電機(jī)控制方面的不足會很大程度地降低系統(tǒng)性能。例如電機(jī)控制響應(yīng)太慢，駕駛員的感受為轉(zhuǎn)向性能遲鈍，整個(gè)車輛的性能也會變得遲鈍。轉(zhuǎn)向盤上的輕微顫動(dòng)以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異樣的聲音都會讓人產(chǎn)生整車操控穩(wěn)定性差的印象。

1.轉(zhuǎn)向功能

轉(zhuǎn)向功能決定了駕駛員在操控轉(zhuǎn)向盤時(shí)所需要施加的力。包含直線行駛中的靜態(tài)把持方向盤以及在轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出彎道的彎道行駛中的動(dòng)態(tài)操控方向盤。此外，轉(zhuǎn)向功能還包含方向盤脫手的自由狀態(tài)下的性能，以及泊車時(shí)的轉(zhuǎn)向性能。

也就是說，轉(zhuǎn)向功能必須考慮許多種工況，讓駕駛員感覺轉(zhuǎn)向系統(tǒng)“善解人意”?？煞殖梢韵聨讉€(gè)方面。

1.1基本的轉(zhuǎn)向功能

基本的轉(zhuǎn)向功能包括四個(gè)方面：助力轉(zhuǎn)向、摩擦補(bǔ)償、慣性補(bǔ)償、阻尼模擬?；镜霓D(zhuǎn)向功能與車輛速度相關(guān)，即速度參數(shù)化。下面介紹這種功能的作用方式，并說明如何與速度相關(guān)。

（1）助力轉(zhuǎn)向

最基本也是最重要的功能就是助力轉(zhuǎn)向。該功能的任務(wù)是，作用在齒條上的轉(zhuǎn)向力不必完全由駕駛員施加在方向盤上的力來產(chǎn)生，而是大部分由EPS電機(jī)來產(chǎn)生。這個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)的不同方式以及不同的參數(shù)化強(qiáng)烈影響著齒條上的作用力與方向盤上駕駛員施加力的比值，最終表現(xiàn)在駕駛員的轉(zhuǎn)向感覺上。

為了更好理解，可以想象，在準(zhǔn)靜態(tài)情況下齒條力的平衡可以有下面的近似關(guān)系：

齒條力=轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比x扭桿力矩+電機(jī)力矩傳動(dòng)比x電機(jī)力矩

其中，扭桿力矩由駕駛員施加在方向盤上的力來產(chǎn)生，電機(jī)力矩則是屬于轉(zhuǎn)向電機(jī)的助力部分。也就是說，齒條上一定大小的力可以由扭桿力矩和電機(jī)力矩組合起來進(jìn)行平衡。

電機(jī)力矩和扭桿力矩之間的比例分配對于駕駛員的轉(zhuǎn)向感覺起著決定性作用，并且影響著駕駛員對于齒條力變化的感知。當(dāng)駕駛員由于齒條力而承受扭桿力矩時(shí)，駕駛員可以獲得反饋信息。在這里，較大比例系數(shù)意味著齒條力小的變化會導(dǎo)致扭桿力矩很大的變化，對于駕駛員而言，這樣可以很好地感知路面的粗糙度和不平度。

在車輛速度較低的情況下，特別是原地靜止?fàn)顟B(tài)下，齒條力達(dá)到最大值。在這種情況下，駕駛員不需要通過路面不同的反饋來獲知路面狀況，這時(shí)助力轉(zhuǎn)向可以這樣設(shè)計(jì)，整個(gè)轉(zhuǎn)向過程從一端到另外一端都保證轉(zhuǎn)向舒適性。較低速度范圍的上限取決于橫向加速度以及齒條力。在這個(gè)速度范圍內(nèi)，助力轉(zhuǎn)向的特性必須明顯不同。所要面臨的挑戰(zhàn)是，如何在不同的速度范圍之間進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)和諧過渡。

再來考察上面介紹的力平衡?？梢源_定，這個(gè)平衡只有在假設(shè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有摩擦也沒有慣性的前提下才會成立。但是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中相互運(yùn)動(dòng)的部件的連接部位都有摩擦，每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件都有慣性，特別是EPS電機(jī)的轉(zhuǎn)子，而平衡方程中都沒有考慮。為了能夠滿足假設(shè)，那么必須盡可能減小摩擦和慣性。

（2）摩擦補(bǔ)償

減小摩擦的目的是減小摩擦力的影響，使前面介紹的力平衡關(guān)系成立。該策略可以通過產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和助力大小相關(guān)的補(bǔ)償力矩來實(shí)現(xiàn)。

最簡單的摩擦補(bǔ)償為在整個(gè)轉(zhuǎn)向過程中補(bǔ)償力矩為一個(gè)定值。這個(gè)補(bǔ)償力矩永遠(yuǎn)施加在運(yùn)動(dòng)方向上，在靜止?fàn)顟B(tài)則施加在與助力相同的方向上。

這種簡單的摩擦補(bǔ)償只在某些條件下符合實(shí)際。一方面這個(gè)補(bǔ)償力矩本身就很不穩(wěn)定，另外一方面實(shí)際的摩擦也是變化的，未加考慮。摩擦變化的首要原因是時(shí)效老化，并且溫度變化會讓摩擦力在很大范圍內(nèi)波動(dòng)。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦的物理因素，摩擦力補(bǔ)償不需要對速度進(jìn)行參數(shù)化。

（3）慣性補(bǔ)償

考慮EPS中方向盤到齒條的傳動(dòng)比，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量不可忽略。前面列出的力平衡公式并沒有考慮這些質(zhì)量的慣性作用。產(chǎn)生的結(jié)果是，齒條上的動(dòng)態(tài)激勵(lì)沒有對扭桿力矩產(chǎn)生影響，也就是駕駛員在起動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)總是必須先克服慣性力。慣性補(bǔ)償功能的任務(wù)就是減小慣性對轉(zhuǎn)向感覺的影響。

在這里也只是考慮簡單的慣性補(bǔ)償。首先測量EPS電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置或者轉(zhuǎn)子速度，可以通過求導(dǎo)得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子加速度。根據(jù)轉(zhuǎn)子加速度以及總的慣量可以算出需要的補(bǔ)償力矩，于是EPS電機(jī)會在助力力矩和摩擦補(bǔ)償力矩的基礎(chǔ)上，另外增加一個(gè)補(bǔ)償力矩來抵消慣性影響。這種簡單的慣性補(bǔ)償非常敏感，難以在實(shí)際中應(yīng)用。同樣，考慮慣性影響的物理因素，慣性補(bǔ)償也不需要進(jìn)行速度參數(shù)化。

（4）阻尼模擬

考慮摩擦力和慣性補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)向系統(tǒng)對于力平衡中的干擾反應(yīng)非常敏感。路面激勵(lì)會立刻引起很大的系統(tǒng)加速度，駕駛員將會感受到路面沖擊。即使駕駛員把持方向盤時(shí)稍微改變力矩就會引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)，整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顯得非常敏感。為了減小這種不希望出現(xiàn)的特性，必須給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加阻尼。在EPS系統(tǒng)中有相應(yīng)的功能來實(shí)現(xiàn)阻尼的模擬。

實(shí)現(xiàn)阻尼功能的簡單方式是，讓EPS電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)阻止轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的力矩，這個(gè)阻止力矩正比于轉(zhuǎn)向速度。模擬這種阻尼和我們的設(shè)計(jì)理念是相矛盾的，我們的設(shè)計(jì)理念是電機(jī)應(yīng)該幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)這種恰到好處的阻尼要花費(fèi)大量精力。

阻尼功能的速度參數(shù)化是有意義的。在靜止?fàn)顟B(tài)，只需抑制方向盤的限位撞擊和余振，在高速時(shí)則需要產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖枘?，來阻止在彎道行駛中放開方向盤時(shí)方向盤的過大振動(dòng)所造成的車輛左右搖晃。

1.2擴(kuò)展的轉(zhuǎn)向功能

除了已經(jīng)介紹的助力轉(zhuǎn)向基本功能、摩擦補(bǔ)償、慣性補(bǔ)償和阻尼模擬功能等，EPS還需要包括一些其他的擴(kuò)展功能。

（1）主動(dòng)回正

現(xiàn)代車輛的前橋結(jié)構(gòu)決定了車輛在直線行駛時(shí)回正性能常常不令人滿意，特別是車速較低時(shí)。其中一部分原因是，車橋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在到達(dá)幾何限位位置之前力就已經(jīng)改變，轉(zhuǎn)向會更快進(jìn)入到限位位置，也就是轉(zhuǎn)向的倒吸現(xiàn)象。

主動(dòng)回正功能的任務(wù)是來改善這種現(xiàn)象。其基本思想是，EPS電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)力矩，這個(gè)力矩大小與方向盤轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)相關(guān)，方向是讓車輛保持直線行駛。這種功能必須能夠?qū)崿F(xiàn)方向盤在脫手自由狀態(tài)下車輛依然能夠保持直線行駛，就像是手把持著方向盤保持直線行駛一樣。

一種非常有用的擴(kuò)展形式是，自動(dòng)回正功能與方向盤角速度相關(guān)。在這種形式中，轉(zhuǎn)向速度的目標(biāo)值是方向盤轉(zhuǎn)角和車速的函數(shù)。這種功能產(chǎn)生的最大力矩會根據(jù)手上施加的力矩而減小，因此能夠很好地從方向盤脫手狀態(tài)過渡到方向盤手持狀態(tài)。

（2）直線行駛校正

當(dāng)車輛在向一側(cè)傾斜的路面上直線行駛時(shí)，方向盤上會一直產(chǎn)生一個(gè)力矩。駕駛員必須主動(dòng)反打方向盤，避免車輛向傾斜側(cè)行駛。也就是說車輛在直線行駛，但是方向盤轉(zhuǎn)過了一個(gè)較小的角度。為了減輕駕駛員在這種工況下的負(fù)擔(dān)，可以應(yīng)用該直線行駛校正功能。

如果已經(jīng)存在主動(dòng)回正功能，則可以移動(dòng)車輛的直線行駛方向，這里是通過一個(gè)偏移角度來改變車輛的直線行駛方向。因此，關(guān)鍵的是偏移角度必須準(zhǔn)確。要注意的是偏移角度也是動(dòng)態(tài)變化的，例如，隨著路面傾斜角度的變化偏移角也必須改變。

1.3整車層級的功能

通過基本轉(zhuǎn)向功能和擴(kuò)展轉(zhuǎn)向功能，EPS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的轉(zhuǎn)向感覺，為客戶群量身定做汽車行駛性能。此外，EPS還可以在整車層級上成為一個(gè)智能的集成驅(qū)動(dòng)器。

（1）車道保持

當(dāng)今高速公路上的大量事故是由于車輛無意偏離車道引起的，原因是駕駛員疲勞或者注意力分散。當(dāng)車輛無意偏離車道時(shí)，EPS可以在方向盤上產(chǎn)生抖動(dòng)來提醒駕駛員注意力重新保持集中，這就是駕駛員警示。此時(shí)，EPS在方向盤上以一定的頻率和振幅作用施加力矩。

駕駛員警示功能的進(jìn)一步發(fā)展就是持續(xù)的車道保持功能。車道保持的目標(biāo)是，不僅僅是提醒駕駛員，而且是主動(dòng)施加轉(zhuǎn)向使車輛保持在車道上。

更為重要的是如何構(gòu)建附加轉(zhuǎn)向力矩。必須對實(shí)際情況加以計(jì)算，要保證這種功能讓駕駛員產(chǎn)生信任感，相信車輛會保持在車道上，但是同時(shí)又不能讓駕駛員感覺受到干擾或者受到操縱。為了讓車道保持能夠被接受，EPS必須有一個(gè)接口，通過這個(gè)接口主動(dòng)影響轉(zhuǎn)向力矩。最理想的方式是，通過這個(gè)接口在方向盤上直接施加附加力矩。

因?yàn)楦郊恿氐慕槿霑绊戃囕v的安全，因此這個(gè)力矩必須很小，這個(gè)力矩必須小到駕駛員在任何時(shí)候都能夠克服車道保持所施加的附加力矩，并且受到監(jiān)控。

（2）穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向提醒

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向提醒是通過施加附加力矩來激勵(lì)駕駛員進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。例如在對開路面上制動(dòng)時(shí)，駕駛員獲得一個(gè)激勵(lì)，比如一個(gè)短時(shí)間的力矩脈沖，提醒駕駛員及時(shí)打方向盤，糾正行駛方向。力矩脈沖的量值當(dāng)然必須限制在一定范圍內(nèi)，就像車道保持中的附加力矩一樣。這個(gè)力矩脈沖的大小在任何時(shí)候都應(yīng)該能夠被駕駛員克服，不允許出現(xiàn)危及安全的情況出現(xiàn)。

2.轉(zhuǎn)向手感控制

在上文中介紹了不同的轉(zhuǎn)向功能，它們?nèi)慷际且砸粋€(gè)轉(zhuǎn)向感覺控制為基礎(chǔ)，根據(jù)各種功能所要求的轉(zhuǎn)向力矩來進(jìn)行調(diào)節(jié)。接下來將介紹兩種常用的轉(zhuǎn)向控制策略。

（1）傳統(tǒng)控制策略

EPS中的傳統(tǒng)控制策略是一樣的：根據(jù)駕駛員施加的力，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。駕駛員施加的力與轉(zhuǎn)向助力之間的關(guān)系中，最典型的聯(lián)系并不是線性關(guān)系，而是一種可以通過實(shí)車確定的非線性關(guān)系。

駕駛員施加的力與扭桿力矩相對應(yīng)。從控制的角度來看，這種結(jié)構(gòu)可以看成是一個(gè)放大系數(shù)可變的比例環(huán)節(jié)控制回路(圖0-48)?；趥鹘y(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力特性曲線為非線性，在這里放大系數(shù)隨著駕駛員輸入扭矩而變化。

但是，這種比例環(huán)節(jié)必須圍繞一個(gè)穩(wěn)定的部件進(jìn)一步擴(kuò)展，這個(gè)穩(wěn)定化如何進(jìn)行、參數(shù)如何，這些都是EPS供應(yīng)商的核心技術(shù)。對此有兩個(gè)原則性的方面必須考慮。第一個(gè)原則的理念是，穩(wěn)定化要設(shè)計(jì)得非?？煽?，轉(zhuǎn)向助力特性能夠抵消變化的放大系數(shù)。第二個(gè)原則是利用當(dāng)前放大系數(shù)是已知的這一點(diǎn)，通過放大系數(shù)查表得出穩(wěn)定化的參數(shù)。

人們感興趣的是轉(zhuǎn)向感覺，不是控制回路中規(guī)定的目標(biāo)值，而是轉(zhuǎn)向助力特性曲線。轉(zhuǎn)向控制以及轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性在這種控制回路中與轉(zhuǎn)向感覺是緊密聯(lián)系的，轉(zhuǎn)向感覺的匹配常常意味著轉(zhuǎn)向控制的干預(yù)?？梢詤⒖荚谡噷蛹壣系霓D(zhuǎn)向功能，它們在轉(zhuǎn)向盤上施加一個(gè)附加力矩。顯然在傳統(tǒng)的控制策略范圍內(nèi)還沒有辦法實(shí)現(xiàn)施加這個(gè)附加力矩。傳統(tǒng)控制策略的這兩個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致了新的控制策略的產(chǎn)生，在新的控制策略中把駕駛員力矩規(guī)定為目標(biāo)值。

（2）駕駛員力矩控制策略

以轉(zhuǎn)向感覺作為控制目標(biāo)，工程師馬上就可以知道：由駕駛員感知的力矩大小也就是扭桿力矩，是需要被控制的量，EPS電機(jī)力矩為調(diào)節(jié)量。那些通過轉(zhuǎn)向橫拉桿/齒條傳到轉(zhuǎn)向的力為干擾量，如同駕駛員施加到方向盤上的力一樣。

轉(zhuǎn)向控制的任務(wù)在這里可以分成兩個(gè)部分。第一部分任務(wù)是確定扭桿力矩的目標(biāo)值，也就是匹配轉(zhuǎn)向感覺。第二部分任務(wù)則是確定EPS電機(jī)力矩。為了達(dá)到扭桿力矩的目標(biāo)值，必須確定電機(jī)力矩，也就是通過調(diào)節(jié)電機(jī)力矩，獲得扭桿的控制力矩。在轉(zhuǎn)向感覺和轉(zhuǎn)向控制之間存在明顯的區(qū)分，因此要讓它們的相互耦合作用盡量小。