CN101377657A - 具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统。该系统由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的。本发明利用H∞鲁棒控制方法来确定电动助力转向系统，鲁棒控制器对于系统的摄动有着很好的鲁棒稳定性，同时，本发明也成功的对设计的鲁棒控制器做了降阶和定点化处理，从而成功的利用某廉价车用控制芯片实现了该控制算法，实车实验证明，该发明是有效的，对于电动助力转向系统的工业化生产具有重大意义。

Description

具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及电动助力转向系统，尤其是一种具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)。

背景技术

电动助力转向系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员操纵力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及操纵力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机可安装在转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩。一般来讲，电子控制单元的主要控制功能模块包括基本助力模块(包含有相位补偿控制器，转向助力特性曲线)，电机电流控制模块和故障诊断模块。

使用传统的相位补偿控制器，需通过反复调试才能达到系统稳定的目的。但是该过程十分繁琐，需要设计人员具有相当的调试经验，而且鲁棒性不好，对于不同的转向助力特性曲线，或者对于不同的转向系统，需要重新调试，十分耗时。

发明内容

本发明的目的是为了改善电动助力转向系统的稳定性，提供一种具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，该系统可以有效地确保电动助力转向系统在不同转向助力特性曲线下的稳定性。

为达到以上目的，本发明的技术方案是：

该发明利用H∞鲁棒控制理论来设计控制系统，由传统的相位补偿控制器改为鲁棒控制器，该鲁棒控制器的确定方法是：根据电动助力转向系统的动力学模型，选取适当的加权函数，然后利用基于Riccati方程的设计方法计算出鲁棒控制器，将设计出的鲁棒控制器进行降阶和定点化处理，将得到的控制器算法加入到基本助力模块。

具体的，一种具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统。该系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员操纵力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及操纵力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机可安装在转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩。一般来讲，电子控制单元的主要控制功能模块包括基本助力模块(包含有相位补偿控制器，转向助力特性曲线)，电机电流控制模块和故障诊断模块。该发明的特点是对基本助力模块进行改进，利用H∞鲁棒控制理论来设计控制系统，由传统的相位补偿控制器改为鲁棒控制器，使电动助力转向系统具有鲁棒稳定性。在根据系统设计鲁棒控制器的同时，利用慢速—快速模态降阶法对所求得的鲁棒控制器做了降阶处理；车用控制器对程序的实时性和快速性有很高的要求，为了有效的提高程序的运算速度，减小程序的占用空间，本专利对降阶的鲁棒控制器做了定点化处理。

进一步，在利用H∞鲁棒控制理论来设计控制系统时，灵敏度函数加权因子选择为低通滤波函数，减小传感器噪声对控制系统的影响；补灵敏度加权函数选取为高通滤波函数，以减小模型高频不确定性对系统的影响，增强系统的鲁棒稳定性。

所述的鲁棒控制器传递函数，低频段相位为0度，最大相位超前角不小于65度，相位超前角大于45度的频率范围不小于90Hz，高频段相位为-90度；低频段增益为0dB，中频段增益小于0dB，最大增益不超过15dB，高频段增益为下降趋势。

所述的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，当助力增益在0-40之间变化时，操纵力矩抖动幅度小于0.3Nm，系统始终保持稳定。

所述的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，在原地转向工况下，最大操纵力矩可设定在2Nm—5Nm间的任意值，系统始终保持稳定。

由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：在不需要改动现有的电动助力转向系统的硬件的前提下，通过控制算法的改变，大大提高了电动助力转向系统的鲁棒稳定性。

附图说明

图1是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统原理图。

图2是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的H∞鲁棒控制设计标准结构框架示意图。

图3是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统模型示意图。

图4是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的闭环控制框图。

图5是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统鲁棒控制问题示意图。

图6是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的灵敏度函数S(s)及其加权函数Ws-1(s)的奇异值曲线图。

图7是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的补灵敏度函数T(s)及其加权函数Wt-1(s)的奇异值曲线图。

图8是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的求解的鲁棒控制器K(s)的波特图。

图9是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的相位补偿控制器以及降阶前后鲁棒控制器的波特图对比图。

图10是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的降阶后鲁棒控制器的离散化控制器结构框图。

图11本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的降阶后鲁棒控制器的定点化后控制器结构框图。

图12是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的降阶的鲁棒控制器定点化前后波特图比较图。

图13是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的相位补偿控制方法力矩-转角曲线图。

图14是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的助力增益为20，低频抖动发生时力矩-时间曲线图。

图15是本发明的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的鲁棒控制方法力矩-转角曲线图。

图16是具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的本发明的助力增益为20时力矩-时间曲线图。

图17是具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的本发明的助力增益为5时力矩-时间曲线图。

图18是具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统的本发明的助力增益为40时力矩-时间曲线图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员手上力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及手上力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机一般安装在转向轴上，或者转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；一般来讲，电子控制单元的控制程序包括基本助力模块(包含有相位补偿控制器，转向助力特性曲线，两者为串联连接且前后顺序不限)，电机电流控制模块和故障诊断模块。该发明是在基本助力模块上的改进，利用H∞鲁棒控制理论来设计控制系统，由传统的相位补偿控制器改为鲁棒控制器，该鲁棒控制器的设计方法是：根据电动助力转向系统的动力学模型，选取适当的加权函数，然后利用基于Riccati方程的设计方法计算出鲁棒控制器，将设计出的鲁棒控制器进行降阶和定点化处理，将得到的控制器算法加入到基本助力模块。

H∞鲁棒控制理论是在H∞空间(即hardy空间)通过某些性能指标的无穷范数优化而获得具有鲁棒性能的控制器的一种控制理论。范数的物理意义是代表系统获得的最大能量增益。H∞鲁棒控制理论的实质是为多输入多输出(MIMO)且具有模型摄动的系统提供了一种频域的鲁棒控制器设计方法，它很好地解决了常规频域理论不适于MIMO系统设计及LQG(线性二次高斯)理论不适于模型摄动情况两个难题，其计算复杂的缺点已因计算机技术的飞速发展及标准软件开发工具箱的出现而得到克服，已成为控制理论的一个热点研究领域。

一般来说，各种H∞控制问题都可以化为如图2所示的系统。

其中:u为控制输入信号，y为观测量，w为干扰输入信号(或为设计而定义的辅助信号，包括参考信号、干扰信号、传感器噪音等)，z为控制量(或为设计需要而定义的评价信号)。由输入信号u、w到输出信号z、y的传递函数阵G(s)称为增广被控对象，包括实际对象和为了描述设计指标而设定的加权函数等，K(s)是设计的控制器。

下面结合附图进一步描述本发明的具体实施过程：

电动助力转向系统的模型可以由图3来表示。其中，Jc是转向盘以及转向轴转动惯量，Jm是电机转动惯量，Mr是转向器的齿条质量，θc，θm，Xr分别为转向轴转角，电机转角和齿条位移，Ks，Kt分别为扭矩传感器扭杆刚度和弹簧刚度，Cc，Cm，Cr分别为转向轴阻尼，电机阻尼和齿条阻尼，rp是小齿轮半径，G为蜗轮蜗杆传动比，Td，Ta，Tcom分别为驾驶员力矩，电机助力矩和目标指令力矩，θp为小齿轮转角。在此不考虑摩擦力等非线性因素，而把它们归为模型不确定性。通过对该模型进行分析，可以得到电动助力转向系统的动力学方程。

$J_c{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_c+C_c{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_c+K_s({\mathrm{\θ}}_c-\frac{X_r}{r_p})=T_d$

$J_m{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_m+C_m{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m+\frac{T_a}{G}=\frac{T_{\mathrm{com}}}{G}$

$M_r{\stackrel{\·\·}{X}}_r+C_r{\stackrel{\·}{X}}_r+K_t{X}_r=\frac{K_s}{r_p}({\mathrm{\θ}}_c-\frac{X_r}{r_p})+\frac{T_a}{r_p}$

电动助力转向系统的闭环控制框图可以由图4表示。Ts为扭矩传感器的输出，K(s)为需要设计的控制器，u为控制器给出的指令力矩，G(s)为电动助力转向系统模型。该系统为一个角度跟踪问题，当驾驶员给方向盘一个转角θc，系统输出一个小齿轮转角θp，两者之间的偏差e作为控制信号来控制电机的力矩输出，从而减小e，即驾驶员手上力矩减小，从而达到助力的目的。因此，要实现较好的助力性能，K(s)的设计是关键。

基于鲁棒控制策略的电动助力转向系统设计原理图如图5所示，其中，G1(s)＝Ks*G(s)为被控对象，d(s)为传感器噪声，Ws(s)为灵敏度函数加权因子，通常选择为低通滤波器，以减小传感器噪声对控制误差e的影响，同时，Ws(s)也决定了系统的跟踪性能。Wt(s)为补灵敏度加权函数，一般选取为高通滤波器，以减小高频模型不确定性产生的扰动对系统的干扰。Wr(s)为一个常数，它的存在可以保证系统有解。

根据系统的设计要求及灵敏度函数和补灵敏度函数加权因子的选取原则，在选取适当的加权因子(如图6和图7所示)后，利用基于Riccati方程的设计方法求出控制器K(s)(如图8所示)。

$K\left(s\right)=\frac{117746.0605(s+600)(s^2+39.44s+3917)}{(s+1034)(s+15)(s^2+6292s+19600000)}$

在控制系统的分析与设计中，降阶技术起着很大的作用，因为设计者往往需要用一个可实现的低阶传递函数来代替不易实现的原始高阶传递函数，以增加设计结果的实用性。在本专利中，由于所求得的鲁棒控制器阶数较高，不利于在廉价车用ECU上实现该控制算法，所以，有必要对所求得鲁棒控制器进行降阶处理。在此将采用慢速—快速模态降阶法。

分析已求得的电动助力转向控制系统鲁棒控制器K(s)，可以看出四个模态-15，-1034，-3150+3120i中，第一个模态远远慢于其他三个模态，因此将K(s)进行模态分解得到慢速模态

$K_1\left(s\right)=\frac{12.2968}{s+15}$

以及快速模态

$K_2\left(s\right)=\frac{117733.7637(s+597.8)(s+25.93)}{(s+1034)(s^2+6292s+19600000)}.$

因为第一个子模块已经是一阶形式，不需进行降阶，因此对第二个子模块进行schur模型降阶得到

$K_{2r}\left(s\right)=\frac{4685.9(s+19.45)}{s^2+758.4s+1117000}$

则K(s)的降阶等效模型为

$K_r\left(s\right)=K_1\left(s\right)+K_{2r}\left(s\right)=\frac{4153.7396(s^2+36.88s+4035)}{(s+15)(s^2+758.4s+1117000)}$

这是确定鲁棒控制器的一个典型的例子。

图9为相位补偿控制器，鲁棒控制器，降阶的鲁棒控制器的波特图比较。由图9可以看出，相比相位补偿控制器，鲁棒控制器在15-400Hz的频带之内都能提供不低于45度的相位补偿角度，降阶的鲁棒控制器也在15-100Hz内提供了不低于45度的补偿角度，保证了系统的鲁棒稳定性；而且在10Hz左右有10个dB的幅值衰减，可以一定程度上抑制该频率范围的谐振。

然后，对所求得的降阶鲁棒控制器进行定点化处理。所谓定点技术就是指按照固定的字长和小数点位置，以整数的形式表示实数的方法。在处理器内部，数值是用定点数或浮点数来表示的。对这两种表示方法来表示用的字长都受到一定的条件限制，比如说，有8的单片机，也有16位甚至32位的单片机。如果单就某种型号的单片机来说，用相同的字长来表示数值，那么定点数所能表示的数值范围要远远小于浮点数所能表示的范围。因此，若要用定点数来运算，则必须要考虑到它所能表示的最大数值范围，以及表示数值的精度，避免数值范围溢出和量化误差，为此，就需要对定点数进行比例尺设置(即确定小数位数)

定点数相对于浮点数有以下几个优点。

首先，从两种支持的硬件的电路复杂程度和功耗来说。定点硬件的逻辑电路要比浮点电路简单的多，这意味着定点硬件会有比浮点硬件更小的尺寸和功耗，而且生产电路的成本也较低，这种优势是很多产品所追求的。

其次，从程序执行的角度来说，定点数执行的速度更快，而且占用的空间更小。在CPU执行程序时，它有不同的执行器件针对定点和浮点，由于浮点电路和浮点数的本身特性要比定点的复杂，所以它的运行速度远远赶不上定点数。同时，因为定点数是针对特定的对象采用特定的字长，因此充分利用了字长的资源，而浮点数无论对大范围的数还是小范围的数，都采用相同的字长，由此造成了字长的浪费，占用了更多的存储资源。

由此可见，定点化处理可以有效的提高程序的运算速度，减小程序的占用空间，尤其适合对程序的实时性和快速性要求很高的车用控制器。

本专利对控制器模型进行定点化处理，首先对所求的降阶鲁棒控制器进行离散化，得到的离散化控制器结构框图如图10所示，然后根据系统需求设置系统中各个参数的位数以及数值精度，结果如图11所示。(其中sfix32_En18表示该数为有符号32位定点数，小数位数为后18位)

实验用ECU采用了Infineon的某款16位单片机，为了验证该代码的有效性，利用频率特性分析仪(FRA)实测了ECU中的鲁棒控制器定点化C代码的频率响应特性，并与降阶的鲁棒控制器做了对比，如图12所示。可以看出，定点化前后的降阶鲁棒控制器的频率特性基本一致。

采用了该鲁棒控制器的电动助力转向系统与传统的采用相位补偿器的电动助力转向系统相比具有明显的鲁棒稳定性。图13，图14，图15，图16的实验结果验证了该鲁棒控制方法的有效性。实验车辆为微型家用车，采用基于16位Infineon单片机的车载控制器，主要考察了在不同助力增益Ka下原地转向工况，此时需要的电机输出力矩最大，助力增益最大。如果系统能在该工况下保持稳定、操纵力矩平顺，则控制系统在小于该助力增益的工况下都能保持良好的稳定性与操纵平顺性。

图13为采用传统的相位补偿的控制方法，助力增益ka＝5，20时，扭力仪记录的操纵力矩-操纵转角曲线。由图可知，当助力增益变化为20时，系统出现不稳定，转向盘操纵力矩出现低频抖动，图14为发生抖动时的操纵力矩-时间曲线。

图15为采用鲁棒控制方法，助力增益ka＝5，20时，扭力仪记录的操纵力矩-操纵转角曲线。由图可知，当助力增益变化为20时，系统仍然保持稳定，转向盘操纵力矩没有出现任何低频抖动，且操纵力矩十分平滑，图16、图17、图18分别为ka＝20、ka＝5、ka＝40时的操纵力矩-时间曲线。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，包括基本助力模块，其特征在于：该基本助力模块的控制器为使电动助力转向系统具有鲁棒稳定性的鲁棒控制器。

2、根据权利要求1所述的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，其特征在于：该鲁棒控制器以慢速—快速模态降阶法做了降阶处理。

3、根据权利要求2所述的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，其特征在于：该降阶后的鲁棒控制器做了定点化处理。

4、根据权利要求1所述的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，其特征在于：在利用H∞鲁棒控制理论来设计控制系统时，灵敏度函数加权因子选择为低通滤波函数，减小传感器噪声对控制系统的影响；补灵敏度加权函数选取为高通滤波函数，以减小模型高频不确定性对系统的影响，增强系统的鲁棒稳定性。

5、根据权利要求1至4中任一所述的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，其特征在于：该鲁棒控制器传递函数，低频段相位为0度，最大相位超前角不小于65度，相位超前角大于45度的频率范围不小于90Hz，高频段相位为-90度；低频段增益为0dB，中频段增益小于0dB，最大增益不超过15dB，高频段增益为下降趋势。

6、根据权利要求1至4中任一所述的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，其特征在于：当助力增益在0-40之间变化时，操纵力矩抖动幅度小于0.3Nm，系统始终保持稳定。

7、根据权利要求1至4中任一所述的具有鲁棒稳定性能的电动助力转向系统，其特征在于：在原地转向工况下，最大操纵力矩可设定在2Nm—5Nm间的任意值，系统始终保持稳定。

Images