CN101554882B - 混合闭环eps控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种混合闭环EPS控制系统，包括由转向上轴、力矩变形杆、转向下轴、控制器、助力电机、减速机和力矩传感器组成的电动助力装置，控制器上设有车速信号、力矩信号以及蓄电池的输入端口，还包括电机控制单元的微处理器、脉宽调制功率放大全桥和助力电机输出端口，控制器的电路板上设置有转向力矩输入电路和助力电机电流检测电路，减速机与力矩传感器连接，所述控制器与助力电机、减速机和力矩传感器形成力矩闭环回路，助力电机与控制器的微处理器以及电流检测电路形成小电流闭环回路。本发明以驾驶者手感和车辆路感作为控制目标，控制算法简单、参数匹配容易，减少了硬件成本，并能缩短和整车同步开发时间。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电动助力转向系统，具体涉及一种混合闭环EPS控制系统。
背景技术
电动助力转向系统(EPS，E1ectric Power Steering)是未来汽车转向系统的发展方向。电动助力转向系统由助力电机直接提供转向助力，具有车辆低速行驶时转向轻便，高速行驶时提供阻尼使方向稳定，并具有在车辆运行中90％的直线行驶期间不耗能而达到综合节油5％左右的优良经济性能。EPS的安装灵活性也十分突出，可在不更换系统硬件的情况下，通过改变控制器软件的设计，十分方便地调节系统的助力、回正和阻尼特性，使汽车获得多种助力特性，以满足不同型号但同一品牌的汽车对车辆操控性的不同要求。它的应用能够节约能源，提高主动安全性，且有利于环保，可广泛应用于轻型汽车及普通轿车上，并可提高汽车的操纵灵活性。
参见图2，现有汽车的电动助力转向系统，包括由转向上轴2、力矩变形杆3、转向下轴4、控制器8、力矩传感器11、助力电机9和减速机10组成的电动助力装置，电动助力装置安装在转向装置的转向下轴4或齿轮上，并为转向系统提供电动助力。但是，现有的EPS系统存在控制策略复杂，补偿参数过多的问题，如图1和图4所示，采用以控制助力电机电流大小为目标的控制策略，在汽车转向过程中，要实现对转向助力的精确控制，就必须对电流也实施精确控制。而助力电机9的电流变化受到多种因素的影响，控制器8接收的信号越全面，系统控制输出的助力就越精确，但控制策略就越复杂。采用纯电流闭环的控制策略时，需要将助力电机9的实时电流信号反馈至控制器8，因此在控制器8与助力电机9之间还连接有电流传感器(图中省略)，控制器8需要不断对车速V、力矩Ts、转角θm以及反馈电流I等信号进行分析和计算、并参考多种补偿修正系数，然后需要根据系统控制策略不断调整输出电流的值。这种以电机绕组电流作为闭环控制策略的算法，忽略了方向盘的操作手感，容易忽略因转向系统的机械部件制造误差及装配误差造成左、右转向手力不对称的现象，造成车辆保舵力差的问题。如果随着车辆使用时间的增加，会进一步加深机械部件的磨损，很可能会进一步扩大这种左、右转向手力不对称的现象，而这种纯电流闭环的控制策略很难自动补偿并消除这种左、右转向手力不对称的问题。另外针对同等功率的助力电机使用在不同车型的EPS系统中时，在纯电流闭环的控制策略中，其各种参数的确定复杂，整车匹配的时间较长，也不利于新车型的早日推出。
又如图1、图5所示，采用以控制转向力矩为目的的控制策略，可以很好地消除路面冲击和机械振动造成的电流波动影响，并可以保持较好的手感，但是对起始力矩要求较大。从图5也可以看出，当方向盘的输入力矩较小时，电机绕组内无助力电流，加上纯力矩闭环控制还存在响应滞后的问题，因而造成了方向盘转向起动转向力矩偏大的手感问题。
发明内容
针对现有技术中EPS控制系统存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种以驾驶者的手感和车辆的路感作为控制目标，且控制算法简单、各种参数匹配容易，减少大量成本，并能大大缩短和整车同步开发时间的混合闭环EPS控制系统。
本发明的技术方案是：混合闭环EPS控制系统，包括由转向上轴、力矩变形杆、转向下轴、控制器、助力电机、减速机和力矩传感器组成的电动助力装置，所述控制器上设有车速信号、力矩信号以及蓄电池的输入端口，控制器内还包括微处理器、脉宽调制功率放大全桥和助力电机输出端口，本发明的创新在于，在控制器的电路板上设置有转向力矩输入电路和电流检测电路，减速机与力矩传感器连接，力矩传感器将力矩信号输出给控制器；所述控制器与助力电机、减速机和力矩传感器形成力矩闭环控制的硬件回路，助力电机与控制器的微处理器以及电流检测电路形成小电流闭环控制的硬件回路。
进一步的特征是，所述控制器内嵌入以力矩和电流混合闭环控制的算法软件，在软件内设定有助力死区和力矩闭环点的参考值，并执行如下步骤：当方向盘的转向输入力矩超过助力死区但未达到力矩闭环点时，控制器采用小电流闭环回路控制助力电机的输出转向助力；当方向盘的转向输入力矩超过或达到力矩闭环点时，控制器采用力矩闭环回路控制助力电机的输出转向助力；本系统以驾驶者的手感和车辆的路感作为监控目标，对输入控制器的力矩信号、车速信号、电流检测电路反馈的助力电机电流信号进行综合分析，经计算后判断选用小电流闭环回路或力矩闭环回路，以不同的控制策略分段控制电动助力的输出。
所述转向力矩超过助力死区但信号未达到力矩闭环点的规定值时，电流检测电路采用镜像检测方法，实时监控助力电机绕组电流，并将电机的绕组电流镜像值输入到控制器的微处理器，同时对输入控制器的力矩信号进行监测，通过写入在控制器内的软件算法对电机绕组电流进行电流闭环控制。
输入控制器的力矩信号是由方向盘输入端的转向手动力矩和从减速机输出的助力力矩叠加后形成的，所述力矩信号超过或达到力矩闭环点的规定值时，以力矩信号的变化量作为选择电机力矩输出控制的输入参数并和不同车速下力矩闭环点的目标值共同输入到控制算法中进行实时计算，然后将控制结果通过PWM功率放大全桥对助力电机通电时间进行调整，以实现力矩闭环回路的实时控制，同时监测电机绕组电流是否超过极限，并对工作电流超过极限时进行快速保护。
相对于现有技术，本发明具有以下显著优点：
1、改变了传统的控制模式，采用电流和力矩混合闭环的控制策略，减少了转向系统中多种参数的补偿难以准确实现的难题，并以驾驶者的手感和车辆的路感作为控制目标，将方向盘的操控与最终效果直接联系，极大的简化了系统的控制算法和实施过程。
2、在控制器内嵌入了以电流和力矩混合闭环控制策略为基础的算法软件，其控制算法简单，各种参数匹配更容易，减少了因转向系机械部件在使用中不断的磨损而造成的转向系统误差，提高了转向系统的整体性能，延长了使用寿命。
3、相对于现有的电动助力系统，本发明在系统的硬件环境中省略了控制器输出端的电流传感器，结构更加简化，降低了控制器至少10％的生产成本，并能大大缩短和整车同步开发时间。
附图说明
图1为现有技术的电动助力转向系统控制原理图；
图2为本发明的混合闭环EPS控制系统结构简图；
图3为本发明的控制系统原理图；
图4为采用电流闭环控制策略的电流分析图；
图5为采用力矩闭环控制策略的电流与力矩关系图；
图6为本发明控制策略的电流与力矩关系图。
图2中，1-方向盘，2-转向上轴，3-力矩变形杆，4-转向下轴，5-转向器，6-踏板，7-车速传感器，8-控制器，9-助力电机，10-减速机，11-力矩传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明的混合闭环EPS控制系统，包括由转向上轴2、力矩变形杆3、转向下轴4、控制器8、助力电机9、减速机10和力矩传感器11组成的电动助力装置，助力电机9与减速机10相连构成减速的助力机构，助力机构安装在转向轴上，并为转向机构提供电动助力，所述控制器8上设有车速信号、力矩信号以及蓄电池的输入端口，控制器8内还包括微处理器(MCU)、脉宽调制功率放大全桥和助力电机输出端口，在微处理器内嵌入有控制软件，控制器的输入端获取传感器的力矩信号和车速信号，并通过控制软件控制助力电机的助力力矩输出；本发明的创新在于，在控制器8的电路板上设置有转向力矩输入电路和电流镜像检测电路，转向力矩输入电路和电流检测电路将转矩差信号和助力电机的绕组电流以电压的形式输入到控制器的微处理器；减速机10与力矩传感器11连接，力矩传感器11将驾驶人员通过转向上轴2施加到力矩变形杆3上端的转向力矩Td，和助力电机通过减速机10转动施加到力矩变形杆3下端的助力力矩Tb的差值通过力矩传感器11输出给控制器8；所述控制器8与助力电机9、减速机10和力矩传感器11形成力矩闭环回路，助力电机9与控制器的微处理器以及电流检测电路形成小电流闭环回路。所述电流检测电路采用了镜像检测技术，镜像检测技术为现有技术，在此不加以详述。由于助力电机的内部电流较大，若采用常规的串入检测电阻检测方法则功率损耗较大，而选用高精度的检测元件成本又太高，又因为本发明采用力矩闭环控制方式，不需要直接对电流进行精密采样，只需对转向力矩进行检测，所以对电机绕组电流采用镜像检测的手段，实时监控助力电机绕组电流是否超过极限，并将电机的绕组电流输入到控制器的微处理器，省略了大电流传感器的成本、提高了系统控制效率，得到了舒适的驾驶手感，而且通过镜像检测电路还能对助力电机的工作电流超过极限时进行快速保护。
本发明的助力控制原理是采用上层控制与下层控制相结合的形式，其核心是通过控制器来实现信号的分析和处理，控制器内置含汽车专用电机控制单元的微处理器，微处理器与传感器信号输出端口相连，控制器按照其嵌入在微处理器中的控制程序对各个数据端口分配不同的输入或输出功能，输入端的数据端口分别接收车速信号、电机绕组的反馈的镜像电流值和力矩传感器的输入值，控制器对接收到的信号，按照嵌入的软件算法进行计算，通过微处理器的PWM输出端口控制功率放大全桥，输出到助力电机控制助力转向。为了增强手感，助力控制还需要在不同的车速下产生不同的助力曲线值。
本发明针对现有技术中控制策略的缺陷，在控制器内嵌入以电流和力矩混合闭环控制的算法软件，在软件内设定有助力死区和力矩闭环点的值，并执行如下步骤：如图6所示，当方向盘的转向输入力矩超过助力死区但未达到力矩闭环点时，控制器采用小电流闭环回路控制电动助力的输出；当方向盘的转向输入力矩超过或达到力矩闭环点时，控制器采用力矩闭环回路控制电动助力的输出。针对不同型号但同一品牌的汽车对车辆操控性的不同要求，控制系统的电动助力输出值也存在差异，可以通过调整控制程序内设置的参数，实现不同的转向目的，达到最大限度提供满足驾驶者的操作手感。在控制程序中，对细微的力矩输入进行了限定，在软件内还设定有助力死区值，当汽车正常行驶时，由于很小的方向盘转动或路面不平会引起的振动而造成的力矩信号输入的漂移和抖动，控制系统能够进行判断和区别，当输入力矩小于助力死区值时，控制系统不产生电动助力输出，以保证车辆高速直线行驶的稳定性。
在控制器输入端接收的力矩信号Ts是由方向盘输入端的转向手动力矩Td和从减速机输出的助力力矩Tb叠加后形成的，操作时，力矩传感器11将驾驶人员通过转向上轴2施加到力矩变形杆3上端的转向手动力矩Td和减速机10转动施加到力矩变形杆3下端的助力力矩Tb的差值输入给控制器8，并形成力矩闭环回路。所述力矩信号Ts超过或达到力矩闭环点的规定值时，以力矩信号的变化量作为电机力矩输出控制的参考值并和不同车速下力矩闭环点的目标值进行计算，实现力矩闭环回路的实时控制。
本发明以驾驶者的手感和车辆的路感作为控制目标，对输入控制器的转向手动力矩Td、从减速机输出的助力力矩Tb、车速V和电流镜像检测电路反馈的助力电机电流信号I进行综合分析，经计算后判断选用小电流闭环回路或力矩闭环回路来控制电动助力的输出。
本发明尽管在对电机输出功率的调整变量上仍然采用PWM控制器调整电机绕组的电流，但检测目标却以力矩传感器的输出值为控制对象进行闭环的PID控制，而不是仅仅以电机绕组中的电流检测值为对象进行闭环的PID控制，其优点是将转向回路中机械部件等执行机构全部纳入闭环回路，而不去追究局部的参数，由控制策略根据驾驶人员的操作手感和车辆路感对车辆转向目标进行闭环控制，而且综合利用电流闭环和力矩闭环各自的优点，取得了较好的控制效果。
Claims (3)
1.混合闭环EPS控制系统，包括由转向上轴(2)、力矩变形杆(3)、转向下轴(4)、控制器(8)、助力电机(9)、减速机(10)和力矩传感器(11)组成的电动助力装置，所述控制器(8)上设有车速信号、力矩信号以及蓄电池的输入端口，控制器(8)内还包括微处理器、脉宽调制功率放大全桥和助力电机输出端口，其特征在于，在控制器(8)的电路板上设置有转向力矩输入电路和电流检测电路，减速机(10)与力矩传感器(11)连接，力矩传感器(11)将力矩信号输出给控制器(8)；所述控制器(8)与助力电机(9)、减速机(10)和力矩传感器(11)形成力矩闭环控制的硬件回路，助力电机(9)与控制器的微处理器以及电流检测电路形成小电流闭环控制的硬件回路；
所述控制器(8)内嵌入以力矩和电流混合闭环控制的算法软件，在软件内设定有助力死区和力矩闭环点的参考值，并执行如下步骤：当方向盘的转向输入力矩超过助力死区但未达到力矩闭环点时，控制器采用小电流闭环回路控制助力电机的输出转向助力；当方向盘的转向输入力矩超过或达到力矩闭环点时，控制器采用力矩闭环回路控制助力电机的输出转向助力；本系统以驾驶者的手感和车辆的路感作为监控目标，对输入控制器的力矩信号、车速信号、电流检测电路反馈的助力电机电流信号进行综合分析，经计算后判断选用小电流闭环回路或力矩闭环回路，以不同的控制策略分段控制电动助力的输出。
2.根据权利要求1所述的混合闭环EPS控制系统，其特征在于，所述转向力矩超过助力死区但信号未达到力矩闭环点的规定值时，电流检测电路采用镜像检测方法，实时监控助力电机绕组电流，并将电机的绕组电流镜像值输入到控制器的微处理器，同时对输入控制器的力矩信号进行监测，通过写入在控制器内的软件算法对电机绕组电流进行电流闭环控制。
3.根据权利要求1所述的混合闭环EPS控制系统，其特征在于，输入控制器的力矩信号是由方向盘输入端的转向手动力矩和从减速机输出的助力力矩叠加后形成的，所述力矩信号超过或达到力矩闭环点的规定值时，以力矩信号的变化量作为选择电机力矩输出控制的输入参数并和不同车速下力矩闭环点的目标值共同输入到控制算法中进行实时计算，然后将控制结果通过PWM功率放大全桥对助力电机通电时间进行调整，以实现力矩闭环回路的实时控制，同时监测电机绕组电流是否超过极限，并对工作电流超过极限时进行快速保护。
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