CN101716953B

CN101716953B - 一种电动助力转向系统的控制模型

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Publication number: CN101716953B
Application number: CN2009102375203A
Authority: CN
Inventors: 张卫冬; 余达太
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-11-17
Also published as: CN101716953A

Abstract

本发明提供了一种电动助力转向系统的控制模型。主要用于汽车电子控制领域。其特征是电动机轴和转向输出轴一体式，电动助力转向系统具有结构简单、高效率等诸多优点，但要对其进行控制需要这种新型结构电动助力转向系统的控制模型。本发明通过合理忽略非线性摩擦项、传感器噪音及路面冲击为零、系统中各参数不变的情况下，给出这种新型电动助力转向系统的数学模型和控制模型，为对系统进行助力控制算法的实施提供了一个数学平台。

Description

一种电动助力转向系统的控制模型

技术领域

电动助力转向系统的控制模型主要用于汽车电子控制领域。

背景技术

电动助力转向系统自产生以来，现有的转向系统有转向轴助力式转向系统：即电动机通过减速器与转向轴相连，如附图1所示，转向轴助力式电动助力转向系统基本上是由机械式转向装置、电磁离合器、转矩传感器、转角传感器、车速传感器、控制器、三相鼠笼电动机和减速器组成，其工作原理如下：当操纵转向盘时，装在转向输入轴上的转矩传感器、转角传感器不断地检测出转向输入轴的转矩、转角信号，这些信号与车速信号同时输入到电子控制单元，电子控制单元根据这些输入信号，控制助力电动机输出转矩的大小和方向。电动机的转矩经过电磁离合器通过减速器减速增矩后，传递到汽车转向输出轴上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。

根据牛顿力学(考虑轮胎粘性阻力)转向轴式电动助力转向系统可以等效为一个具有三自由度的非线性系统，如附图2所示。由于系统包含了部件之间的非线性摩擦、冲击、传感器的非线性等非线性环节，所以整个系统称为非线性系统。三个自由度分别是转向柱(方向盘)的转动、电动机的转动、转向齿条的移动。

通过分析系统各部分之间的受力分别得到转向柱(方向盘)、转向齿条、助力电动机(减速齿轮箱)的数学模型，见式(4.9)、(4.10)、(4.11)：

J_{h} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{c} + b_{c} {\overset{\cdot}{θ}}_{c} + k_{c} (θ_{c} - \frac{X_{r}}{r_{p}}) + f_{c} (θ_{c}, {\overset{\cdot}{θ}}_{c}) = T_{h} - - - (4.9)

M_{r} {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{r} + b_{r} {\overset{\cdot}{X}}_{r} + k_{r} X_{r} + f_{r} (X_{r}, {\overset{\cdot}{X}}_{r}) = \frac{k_{c}}{r_{p}} (θ_{c} - \frac{X_{r}}{r_{p}}) + \frac{k_{g} G}{r_{p}} (θ_{m} - \frac{G}{r_{p}} X_{r}) - - - (4.10)

b_{g} {\overset{\cdot}{θ}}_{m} + k_{g} (θ_{m} - \frac{G}{r_{p}} X_{r}) + f_{g} (θ_{m}, {\overset{\cdot}{θ}}_{m}) = T_{l} - - - (4.11)

发明内容

对任何系统进行控制的前提是要基于系统的控制模型，本发明的目的就是在一种新型的电动助力转向系统物理结构的基础上，通过合理忽略次要因素得到数学模型，进而推导出控制模型，为对系统实施算法控制提供了一个平台。

本发明提供一种新型的电动助力转向系统，其由机械式转向装置、安装在转向输入轴上的转矩传感器、车速传感器、接收转矩信号与车速信号的电子控制单元、由电子控制单元控制的助力电动机、与助力电动机轴相连接的转向输出轴组成。其中，方向盘(1)与转向输入轴(2-1)相连，转向输入轴(2-1)上装有转角传感器(4)、扭矩传感器(3)，并与助力电动机(7)的轴相连，助力电动机(7)的轴和转向输出轴(2-2)是一体的，转角传感器(4)、扭矩传感器(3)的信号通过信号线传给控制器(5)，控制器(5)的控制信号通过信号线传给助力电动机(7)，转向输出轴(2-2)通过连杆与转向小齿轮(9)相连，转向小齿轮(9)与转向齿条(10)相连，转向齿条(10)通过连接杆(11)与车轮(12)相连。其特征在于，助力电动机轴和转向输出轴为一体式，将助力电动机输出的转矩直接加在转向输出轴上。上述助力电动机可以是三相鼠笼电动机.

本发明提供一种电动助力转向系统控制平台，安装在方向盘转向输入轴上的转矩传感器测量转矩输出转矩信号、车速传感器测量车速输出车速信号，电子控制单元接收上述转矩信号与车速信号，电子控制单元控制助力电动机和转向输出轴，其特征在于，助力电动机轴和转向输出轴为一体式，将助力电动机输出的转矩直接加在转向输出轴上，上述助力电动机可以是三相鼠笼电动机.

本发明技术效果：由于电动机轴和转向输出轴一体式电动助力转向系统具有结构简单、高效率等诸多优点，代表了电动助力系统交流化、驱动直接化的发展方向，所以以后的控制算法均在这种结构的电动助力转向系统上实现。

附图说明

附图1：转向轴助力式电动助力转向系统结构示意图；

附图2：转向轴助力式电动助力转向系统模型；

附图3：电动机轴和转向输出轴一体式电动助力转向系统结构示意图；

附图4：电动机轴和转向输出轴一体式电动助力转向系统模型.

其中，附图中和说明书中的附图标号以及字母含义以及单位分别是：

1、方向盘 2-1、转向输入轴 2-2、转向输出轴

3、扭矩传感器 4、转角传感器 5、控制器

6、电磁离合器 7、助力电动机 8、减速器

9、转向器小齿轮 10、转向齿条 11、连接杆

12、车轮

θ_c 方向盘(转向柱)转角 Rad

方向盘(转向柱)角速度 Rad/s

J_h 方向盘转动惯量 kg·m²

f_c 转向柱非线性摩擦项

T_h 人力输出转矩 N·m

b_c 转向柱粘性系数 N·m/(rad/s)

k_c 转向柱和转向扭杆弹性系数 N·m/rad

b_g 减速箱粘性系数 N·m/(rad/s)

k_g 减速箱弹性系数 N·m/(rad/s)

f_g 减速箱非线性摩擦项

θ_m 电动机转角 Rad

电动机角速度 Rad/s

J_m 电动机转动惯量 kg·m²

T_l 电动机轴输出的转矩 N·m

G 减速箱变比

T_p 转向柱作用在小齿轮上的力矩 N·m

θ_p 小齿轮上半径 m

r_p 小齿轮上转角 Rad

小齿轮角速度 Rad/s

X_r 齿条位移 m

M_r 齿条位移 m

f_r 转向齿条非线性摩擦项

k_r 轮胎弹性系数 N/m

b_r 轮胎粘性系数 N·m/(m/s)

T_m(T_l)助力电动机输出的电磁转矩(由于结构特殊等于轴输出转矩) N·m

T_p 转向输出轴输出到转向齿条上的转矩 N·m

J_mc 转向输出轴(电动机)转动惯量 kg·m²

f_mc 转向输出轴(电动机轴)非线性摩擦项

b_mc 转向输出轴(电动机轴)粘性系数 N·m/(m/s)

θ_mc 转向输出轴(电动机轴)转角 Rad

具体实施方式

电动机轴和转向输出轴一体式电动助力转向系统也是是由机械式转向装置、转矩传感器、车速传感器、控制器、三相鼠笼电动机组成。其工作原理如下：当操纵转向盘时，装在转向输入轴上的转矩传感器不断的检测出转向输入轴的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元，电子控制单元根据这些输入信号，控制助力电动机输出转矩的大小和方向。电动机输出的转矩直接加在转向输出轴上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。

电动机轴和转向输出轴一体式电动助力转向系统同样可以等效为一个具有三自由度的非线性系统，如附图4所示。

通过分析系统各部分之间的受力分别得到转向柱(方向盘)、转向齿条、助力电动机的数学模型，见式(4.12)、(4.13)、(4.14)：

J_{h} {\overset{\cdot}{θ}}_{cc} + b_{c} {\overset{\cdot}{θ}}_{c} + k_{c} (θ_{c} - θ_{mc}) + f_{c} (θ_{c}, {\overset{\cdot}{θ}}_{c}) = T_{h} - - - (4.12)

M_{r} {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{r} + b_{r} {\overset{\cdot}{X}}_{r} + k_{r} X_{r} + f_{r} (X_{r}, {\overset{\cdot}{X}}_{r}) = \frac{T_{p}}{r_{p}} - - - (4.13)

J_{mc} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{mc} + b_{mc} {\overset{\cdot}{θ}}_{mc} + T_{p} + f_{mc} (θ_{mc}, {\overset{\cdot}{θ}}_{mc}) = T_{m} + k_{c} (θ_{c} - θ_{mc}) - - - (4.14)

由附图4可知：

θ_{mc} = \frac{X_{r}}{r_{p}} - - - (4.15)

将式(4.15)代入式(4.14)得：

\frac{J_{mc}}{r_{p}} \times {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{r} + \frac{b_{mc}}{r_{p}} \times {\overset{\cdot}{X}}_{r} + T_{p} + f_{mc} (\frac{X_{r}}{r_{p}}, \frac{{\overset{\cdot}{X}}_{r}}{r_{p}}) = T_{m} + k_{c} (θ_{c} - \frac{X_{r}}{r_{p}}) - - - (4.16)

将式(4.16)代入式(4.13)，消去T_p得：

(M_{r} + \frac{J_{mc}}{r_{p}^{2}}) {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{r} + (b_{r} + \frac{b_{mc}}{r_{p}^{2}}) {\overset{\cdot}{X}}_{r} + k_{r} X_{r} + f_{r} (X_{r}, {\overset{\cdot}{X}}_{r}) + \frac{1}{r_{p}} \times f_{mc} (\frac{X_{r}}{r_{p}}, \frac{{\overset{\cdot}{X}}_{r}}{r_{p}}) =

(4.17)

\frac{T_{m}}{r_{p}} + \frac{k_{c}}{r_{p}} (θ_{c} - \frac{X_{r}}{r_{p}})

将式(4.15)代入式(4.12)得：

J_{h} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{c} + b_{c} + {\overset{\cdot}{θ}}_{c} + k_{c} (θ_{c} - \frac{X_{r}}{r_{p}}) + f_{c} (θ_{c}, {\overset{\cdot}{θ}}_{c}) = T_{h} - - - (4.18)

式(4.17)和式(4.18)构成电动机轴和转向输出轴一体式电动助力转向系统数学模型。

忽略式(4.17)和式(4.18)中的非线性摩擦项、假设传感器噪音及路面冲击为零、假设系统中各参数不变，就得到线性化模型：

J_{h} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{c} = - b_{c} {\overset{\cdot}{θ}}_{c} - k_{c} θ_{c} + k_{c} \frac{X_{r}}{r_{p}} + T_{h} - - - (4.19)

(M_{r} + \frac{J_{mc}}{r_{p}^{2}}) {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{r} = - (b_{r} + \frac{b_{mc}}{r_{p}^{2}}) {\overset{\cdot}{X}}_{r} - (k_{r} + \frac{k_{c}}{r_{p}^{2}}) X_{r} + \frac{k_{c}}{r_{p}} θ_{c} + \frac{T_{m}}{r_{p}} - - - (4.20)

电动机轴和转向输出轴一体式电动助力转向系统状态空间方程

输入变量u＝[T_hT_m]^T，

状态变量x＝[x₁x₂x₃x₄]^T x₁＝θ_c，

x_{2} = {\overset{\cdot}{θ}}_{c},

x₃＝X_r，

x_{4} = {\overset{\cdot}{X}}_{r},

输出变量y＝[T_cθ_c]^T

状态空间方程如下：

\overset{\cdot}{x} = Ax + Bu - - - (4.21)

y＝Cx+Du

其中：

A = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ - \frac{k_{c}}{J_{h}} & - \frac{b_{c}}{J_{h}} & \frac{k_{c}}{J_{h} r_{p}} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \frac{k_{c} r_{p}}{M_{r} r_{p}^{2} + J_{mc}} & 0 & \frac{- (k_{r} r_{p}^{2} + k_{c})}{M_{r} r_{p}^{2} + J_{mc}} & \frac{- (b_{r} r_{p}^{2} + b_{mc})}{M_{r} r_{p}^{2} + J_{mc}} \end{matrix}],

B = [\begin{matrix} 0 & 0 \\ 1 & 0 \\ 0 & 0 \\ 0 & \frac{r_{p}}{M_{r} r_{p}^{2} + J_{mc}} \end{matrix}],

C = [\begin{matrix} k_{c} & 0 & - \frac{k_{c}}{r_{p}} & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}],

D＝0

Claims

1.一种电动助力转向系统控制方法，安装在方向盘转向输入轴上的转矩传感器测量转矩输出转矩信号、车速传感器测量车速输出车速信号，电子控制单元接收上述转矩信号与车速信号，电子控制单元控制助力电动机和转向输出轴，其特征在于，助力电动机轴和转向输出轴为一体式，将助力电动机输出的转矩直接加在转向输出轴上；

按照如下方法控制所述转向系统：

(M_{r} + \frac{J_{mc}}{r_{p}^{2}}) {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{r} + (b_{r} + \frac{b_{mc}}{r_{p}^{2}}) {\overset{\cdot}{X}}_{r} + k_{r} X_{r} + f_{r} (X_{r}, {\overset{\cdot}{X}}_{r}) + \frac{1}{r_{p}} \times f_{mc} (\frac{X_{r}}{r_{p}}, \frac{{\overset{\cdot}{X}}_{r}}{r_{p}}) =

\frac{T_{m}}{r_{p}} + \frac{k_{c}}{r_{p}} (θ_{c} - \frac{X_{r}}{r_{p}})

J_{h} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{c} + b_{c} {\overset{\cdot}{θ}}_{c} + k_{c} (θ_{c} - \frac{X_{r}}{r_{p}}) + f_{c} (θ_{c}, {\overset{\cdot}{θ}}_{c}) = T_{h}

其中字母含义以及单位分别是：

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述助力电动机是三相鼠笼电动机。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在忽略非线性摩擦项、传感器噪音及路面冲击为零、系统中各参数不变的情况下，按照

J_{h} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{c} = - b_{c} {\overset{\cdot}{θ}}_{c} - k_{c} θ_{c} + k_{c} \frac{X_{r}}{r_{p}} + T_{h}

(M_{r} + \frac{J_{mc}}{r_{p}^{2}}) {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{r} = - (b_{r} + \frac{b_{mc}}{r_{p}^{2}}) {\overset{\cdot}{X}}_{r} - (k_{r} + \frac{k_{c}}{r_{p}^{2}}) X_{r} + \frac{k_{c}}{r_{p}} θ_{c} + \frac{T_{m}}{r_{p}}

控制所述转向系统。

4.如权利要求3的控制方法，其特征在于，按照如下方式控制所述车辆转向系统：

输入变量u＝[T_h T_m]^T，

状态变量x＝[x₁ x₂ x₃ x₄]^T x₁＝θ_c，x₃＝X_r，

输出变量y＝[T_c θ_c]^T

状态空间方程如下：

\overset{\cdot}{x} = Ax + Bu

y＝Cx+Du

其中：

A = [\begin{matrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ - \frac{k_{c}}{J_{c}} & - \frac{b_{c}}{J_{c}} & \frac{k_{c}}{J_{c} r_{p}} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \frac{k_{c} r_{p}}{M_{r} r_{p}^{2} + J_{mc}} & 0 & \frac{- (k_{r} r_{p}^{2} + k_{c})}{M_{r} r_{p}^{2} + J_{mc}} & \frac{- (b_{r} r_{p}^{2} + b_{mc})}{M_{r} r_{p}^{2} + J_{mc}} \end{matrix}],

B = [\begin{matrix} 0 & 0 \\ 1 & 0 \\ 0 & 0 \\ 0 & \frac{r_{p}}{M_{r} r_{p}^{2} + J_{mc}} \end{matrix}],

C = [\begin{matrix} k_{c} & 0 & - \frac{k_{c}}{r_{p}} & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}],

D＝0

其中字母含义以及单位分别同权利要求1。