CN101746407B - 具有主动回正控制功能的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有主动回正控制功能的电动助力转向系统。该系统由传统的机械转向系统加装扭矩传感器，转向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的。本发明所设计的具有主动回正控制的电动助力转向系统将转向盘的转角信号、扭矩传感器的扭矩信号以及车速传感器的车速信号相结合，输入到电子控制单元的主动回正控制模块，判断出转向盘是否处于回正状态，如果处于回正状态，则计算出适当的回正控制力矩，并由电机输出相应力矩。本发明利用转角信号，扭矩信号，以及车速信号进行回正控制，适用于各种助力形式的电动助力转向系统，改善车辆的回正性能，同时不会影响驾驶员的操纵手感。

Description

具有主动回正控制功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，尤其是一种具有主动回正控制功能的电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)。

背景技术

电动助力转向系统包括机械转向系统，扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成。其中，所述扭矩传感器安装于所述机械转向系统的转向轴上以检测驾驶员操纵力矩并输出扭矩信号；车速传感器用于检测目前车辆的行驶速度并输出车速信号；方向盘转角传感器用于检测转向盘偏离直线行驶位置并输出的角度信号；电子控制单元计算出需要给转向助力电机提供的驱动电流值；转向助力电机可安装在机械转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩。所述电子控制单元包括基本助力控制模块、电机电流控制模块和故障诊断模块。

传统的电动助力转向控制系统可以提高车辆的转向轻便性，但是，在低速行驶时，由于转向装置摩擦力矩的影响，会出现转向盘无法回到中间位置的情况，降低了车辆的行驶安全性。

发明内容

本发明的目的是为了改善电动助力转向系统的低速回正性能，提供一种具有主动回正控制功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低速下的转向回正性能，且不会影响驾驶员的操纵手感。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，包括机械转向系统，扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构；其中，所述扭矩传感器安装于所述机械转向系统的转向轴上以检测驾驶员操纵力矩并输出扭矩信号；方向盘转角传感器用于检测转向盘偏离直线行驶位置并输出的角度信号；车速传感器用于检测目前车辆的行驶速度并输出车速信号；电子控制单元计算出需要给转向助力电机提供的驱动电流值；转向助力电机可安装在机械转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩。所述电子控制单元包括力矩控制模块、电机电流控制模块和故障诊断模块；力矩控制模块接受扭矩信号、车速信号和角度信号并向电机电流控制模块输出控制信号，该力矩控制模块包括基本助力控制模块，主动回正控制模块，阻尼控制模块，其特征在于，所述的主动回正控制模块包括回正判断模块和回正力矩计算模块，回正判断模块根据接受扭矩信号、车速信号和角度信号，判断转向盘是否处于回正状态，如果处于回正状态，则主动回正控制模块中的回正力矩计算模块计算出适当的回正控制力矩给电机电流控制模块，并由电机电流控制模块控制转向助力电机输出相应回正力矩。

由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：通过利用方向盘转角信号，扭矩信号，以及车速信号进行回正控制，该方法适用于各种助力形式的电动助力转向系统，改善车辆的回正性能，同时不会影响驾驶员的操纵手感。

附图说明

图1是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统原理图。

图2是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的回正判断模块原理图。

图3是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制的回正力矩计算方法原理图。

图4是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制的回正力矩计算方法的20km/h车速下实车回正实验曲线。

图5是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的转角闭环回正力矩计算方法中用到的理想转向系统回正模型。

图6是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的转角闭环回正力矩计算方法用到的理想转向系统回正模型输出的理想的转向盘回正转角-时间历程。

图7是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的转角闭环回正力矩计算方法原理图。

图8是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的转角闭环回正力矩计算方法的实车回正实验曲线。(无回正控制和有回正控制时的转向盘转角-时间历程对比)

图9是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的回正判断实验验证曲线。

图10是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的转角闭环回正力矩计算方法的实车回正实验曲线。(10km/h和20km/h车速时，参考模型输出和实际转角输出)

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。

具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，包括机械转向系统，扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成。其中，扭矩传感器安装于机械转向系统的转向轴上以检测驾驶员操纵力矩并输出扭矩信号；方向盘转角传感器用于检测转向盘偏离直线行驶位置并输出的角度信号；车速传感器用于检测目前车辆的行驶速度并输出车速信号；电子控制单元计算出需要给转向助力电机提供的驱动电流值；转向助力电机可安装在机械转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩。所述电子控制单元包括力矩控制模块、电机电流控制模块和故障诊断模块；力矩控制模块接受扭矩信号、车速信号和角度信号并向电机电流控制模块输出控制信号，该力矩控制模块包括基本助力控制模块，主动回正控制模块，阻尼控制模块，三个控制模块的输入端与扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器连接，接受扭矩信号、车速信号和角度信号，三个控制模块的输出端与电机电流控制模块连接，向电机电流控制模块输出控制信号。主动回正控制模块包括回正判断模块和回正力矩计算模块，回正判断模块的输入端与扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器连接，接受扭矩信号、车速信号和角度信号，判断转向盘是否处于回正状态，如果处于回正状态，则回正判断模块将信号反馈至主动回正控制模块中的回正力矩计算模块，回正力矩计算模块计算出适当的回正控制力矩，并由电机电流控制模块控制转向助力电机输出相应回正力矩。本发明利用方向盘转角信号，扭矩信号，以及车速信号进行回正控制，适用于各种助力形式的电动助力转向系统，改善车辆的回正性能，同时不会影响驾驶员的操纵手感。

主动回正控制模块包含回正判断模块和回正力矩计算模块。如图1。

回正判断模块根据方向盘转角信号、方向盘转速信号(可由方向盘转角信号微分得到，或者由电机转速估算得到)、扭矩传感器信号来判断车辆是否处于回正状态。回正判断模块的设计是基于状态机理论，通过将转向回正操作分解为回正判断，回正待命，回正开始三种状态，再通过方向盘转角信号、方向盘转速信号、扭矩传感器信号来判断当前是否需要施加回正力矩。具体的判断流程如图2。

其中，

A：转角大于设定值1；

B：转角方向与转速方向相反；

C：操纵力矩大于设定值2；

D：转角方向与转速方向相反且操纵力矩小于设定值2；

E：转角小于设定值3；

回正判断模块决定了是否要施加回正力矩。

本专利中回正力矩计算模块的实现方式可以有以下两种：

一种是以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制。该方式包含一个基本回正力矩和一个积分环节，或者是带有积分环节的控制系统校正环节。本专利中该基本回正力矩是一个随转向盘角度信号变化的数值，且该数值由回正判断模块来控制是否输出，即，回正过程中基本回正力矩为设置值，非回正过程中为0。本专利中，控制系统校正环节为一个比例-积分-微分(PID)控制环节，包括一个比例环节(P)，一个积分环节(I)，一个微分环节(D)，在本专利中这三个环节是一个随转向盘角度信号变化的数值，同样由回正判断模块来使能，即，回正过程中比例-积分-微分(PID)环节是起作用的，非回正过程中输出为0。由于车辆在不同车速下具有不同的回正特性，故在本专利中，基于比例-积分-微分(PID)控制的转角闭环控制计算出来的回正力矩与一个随车速变化的系数相乘，在不同车速下，只需调整该系数，便可以标定在不同车速下车辆的回正性能。

以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制原理框图如图3所示。图4为以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制回正力矩计算方法的实车实验曲线，其中，试验车辆为装配有电动助力转向系统的某微型车，在车速为20km/h时，方向盘打到180度左右进行撒手回正实验，由方向盘转角-时间历程曲线可以看出，回正最终残留角在5度以内，结果说明回正控制改善了车辆低速时的回正性能。

另外一种回正力矩计算方法是基于模型跟踪的转角跟踪闭环控制方法。该方法包含一个理想的转向系统回正模型，该理想模型的输出为理想的转向盘回正转角-时间历程，该理想模型假设电动助力转向系统的摩擦阻力为0，通过在不同车速下设置该理想转向系统回正模型的设定值1转向刚度和设定值2转向阻尼，可以提供一个对于不同车速的理想的回正过程。该模型输出由回正判断模块来使能，即，在非回正过程中，该模型的输出角度为0。如果处于回正状态，则根据理想的转向系统回正模型的状态与实际的转向系统回正的状态之差，通过一个积分环节，或者是带有积分环节的控制系统校正环节，在本专利中，该控制系统校正环节为比例-积分-微分(PID)控制，计算出相应的回正控制力矩，在回正过程中使电机输出附加回正控制力矩。该比例-积分-微分(PID)环节由回正判断模块来使能，即，回正过程中比例-积分-微分(PID)环节是起作用的，非回正过程中输出为0。

所述的基于模型跟踪的转角跟踪闭环回正力矩计算方法包含一个理想的转向系统回正模型，该理想模型和实际转向系统的不同之处在于，其忽略了转向系统的摩擦，即假设摩擦力为0。转向系统可以简化为一个单自由度系统，如图5所示，可将转向盘，转向柱，转向器和前轮转动惯量全部等效转化到转向轴轴线上，记作Is；将转向柱，转向器和主销等处的阻尼全部等效转化到转向柱轴线上，记为Cs；将转向柱，转向器，转向拉杆球头等处的摩擦力全部等效转化到转向柱轴线上，记为Fs；转向盘上作用有驾驶员的操纵力矩Th，转向盘转角记为α；假设转向盘和前轮之间为刚性联接，它们之间的运动符合传动比所决定的关系，转向传动比记为ns；前轮上作用有回正力矩Tw，前轮转角记为δ；描述该转向系统动态特性的微分方程为

$I_s\frac{d^2\mathrm{\α}}{d{t}^2}+C_s\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}+F_s*\mathrm{sgn}\left(\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}\right)=T_h+\frac{T_w}{n_s}---\left(1\right)$

假设采用二自由度车辆模型以及线形轮胎模型，且只考虑由侧向力引起的回正力矩，则Tw的计算如下：

$\mathrm{mV}\frac{\mathrm{d\β}}{\mathrm{dt}}+2(K_f+K_r)\mathrm{\β}+[\mathrm{mV}+\frac{2(l_f{K}_f-l_r{K}_r)}{V}]r=2K_f\mathrm{\δ}---\left(2\right)$

$2(l_f{K}_f-l_r{K}_r)\mathrm{\β}+I\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}}+\frac{2(l_f^2{k}_f+l_r^2{K}_r)}{V}r=2l_f{k}_f\mathrm{\δ}---\left(3\right)$

$T_w=2\mathrm{\ξ}{K}_f(\mathrm{\β}+l_f\frac{r}{V}-\mathrm{\δ})---\left(4\right)$

以上参数以及变量列表含义见下表

名称	符号
		车辆质量	m
车辆横摆转动惯量	I
		前轮侧偏刚度	Kf
后轮侧偏刚度	Kr
		质心到前轴距离	Lf
质心到后轴距离	Lr
		轮胎拖距	ξ
转向系统惯量	Is

转向系统阻尼(设定值2)	Cs
		转向系统摩擦	Fs
车辆质心处的侧偏角	β
		车辆的纵向车速	V
车辆的前轮转角	δ
		车辆的横摆角速度	r

由汽车理论可知，在汽车正常行驶，侧向加速度不是很大时，侧偏角与侧偏力近似呈线性关系，而侧偏角和方向盘转角也近似呈线性关系。因此Tw和转向盘转角近似成正比关系，可以把每转过1rad角度所要施加的转向力矩定义为转向刚度(设定值1)，用符号Ks来表示，因此可以用Ks·α代替

则公式(1)可以表示为

$\left[\begin{array}{c}\frac{d^2\mathrm{\α}}{d{t}^2}\\ \frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Is}}& -\frac{\mathrm{Ks}}{\mathrm{Is}}\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}\\ \mathrm{\α}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{\mathrm{Is}}\\ 0\end{array}\right](-\mathrm{Fs}+\mathrm{Th})---\left(5\right)$

忽略以上模型中的摩擦，则其转化为如下模型，

$\left[\begin{array}{c}\frac{d^2\mathrm{\α}}{d{t}^2}\\ \frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{\mathrm{Cs}}{\mathrm{Is}}& -\frac{\mathrm{Ks}}{\mathrm{Is}}\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}\\ \mathrm{\α}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{\mathrm{Is}}\\ 0\end{array}\right]T_h---\left(6\right)$

其中，Th为驾驶员的操纵力矩，如果回正过程是撒手回正的话，Th约等于0，这样，理想的转向系统的回正过程相当于一个典型的二阶环节的零输入响应，只要适当地设置设定值1的Ks和设定值2的Cs，即只要满足

$C_s^2-4I_s{K}_s>0---\left(7\right)$

系统即为过阻尼系统，回正时既不会产生超调，也不会产生残留转角，这是理想的回正过程。图6是简化后的带有摩擦的转向系统与简化后不带有摩擦的转向系统两者在撒手回正时的过程。

通过回正状态判断模块的回正使能信号，可以把实际转向系统在开始回正时的状态量，即转向盘转角和转向盘转速传递给回正控制模块中的理想转向参考模型，同时使能理想转向参考模型，使其输出理想的转向盘回正转角-时间历程，并作为参考信号，通过理想转向盘转角和实际转向盘转角之差，引入比例-积分-微分(PID)控制，向系统施加附加回正力矩，来抵消摩擦力，从而消除方向盘不能完全回正的情况。其基本的控制框图如图7。

采用具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，在不同车速下进行撒手回正试验，图8-图10的试验结果验证了本系统的有效性。

在试验车速为20km/h，在180度左右开始撒手回正的情况下进行。图8为无回正控制和有回正控制时的转向盘转角的时间历程对比。从图中可以看出，无回正控制时，驾驶员撒手3s后，残留的转向盘转角为约为50°；而有回正控制时，驾驶员撒手3s后，残留的转向盘转角在5°以内。结果说明回正控制改善了车辆低速时的回正性能。

同时，在相同试验情况下，转向盘转过180°后进行撒手回正，在回正到60°时，再进行转向操作，如图9红色圆圈所示，在撒手回正和转向操作的切换时刻，并没有发生转向力矩的突变，因而回正控制不会给驾驶员的手感带来影响。

同时，在车速为10km/h的情况下，也进行了回正试验。在不同的车速下，回正参考模型的参数也不一样，较低车速下，回正阻尼系数设置较大。图10为10km/h和20km/h车速时，参考模型输出和实际转角输出，可以看出实际的转角基本能够按照参考模型进行回正。

上述的对两种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 (6)

1.一种具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，包括机械转向系统，扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构;其中，所述扭矩传感器安装于所述机械转向系统的转向轴上以检测驾驶员操纵力矩并输出扭矩信号;方向盘转角传感器用于检测转向盘偏离直线行驶位置并输出的角度信号;车速传感器用于检测目前车辆的行驶速度并输出车速信号;电子控制单元计算出需要给转向助力电机提供的驱动电流值;转向助力电机可安装在机械转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩;所述电子控制单元包括力矩控制模块、电机电流控制模块和故障诊断模块;力矩控制模块接受扭矩信号、车速信号以及角度信号，该力矩控制模块包括基本助力控制模块，主动回正控制模块，阻尼控制模块，三个控制模块的输入端与扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器连接，接受扭矩信号、车速信号和角度信号，三个控制模块的输出端与电机电流控制模块连接，向电机电流控制模块输出控制信号，其特征在于，所述的主动回正控制模块包括回正判断模块和回正力矩计算模块，回正判断模块的输入端与扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器连接，接受扭矩信号、车速信号和角度信号，判断转向盘是否处于回正状态，如果处于回正状态，则回正判断模块将信号发送给主动回正控制模块中的回正力矩计算模块，回正力矩计算模块计算出适当的回正控制力矩，并由电机电流控制模块控制转向助力电机输出相应回正力矩；回正力矩计算模块采用基于模型跟踪控制方法的转角跟踪闭环控制；所述系统利用方向盘转角信号，扭矩信号，以及车速信号进行回正控制，适用于各种助力形式的电动助力转向系统，改善车辆的回正性能，同时不会影响驾驶员的操纵手感；

所述的回正力矩计算模块采用基于模型跟踪控制方法的转角跟踪闭环控制是指：包含一个转向系统回正模型，该转向系统回正模型的输出为转向盘回正转角一时间历程，该转向系统回正模型假设电动助力转向系统的摩擦阻力为0，通过在不同车速下设置该理想转向系统回正模型的设定值1和设定值2，可以提供一个对于不同车速的回正过程；所述转向系统回正模型输出由所述的回正判断模块来使能，即，在非回正过程中，该模型的输出角度为0；

或者：所述的回正力矩计算模块采用基于模型跟踪控制方法的转角跟踪闭环控制是指：如果处于回正状态，则根据转向系统回正模型的状态与实际的转向系统回正的状态之差，通过一个积分环节，或者是带有积分环节的控制系统校正环节，计算出相应的回正控制力矩，在回正过程中使电机输出附加回正控制力矩;所述积分环节或带有积分环节的控制系统校正环节由所述的回正判断模块来使能，即，回正过程中该环节是起作用的，非回正过程中输出为0。

2.根据权利要求1所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于，所述回正判断模块根据转角信号、方向盘转速信号、扭矩信号来判断车辆是否处于回正状态。

3.根据权利要求2所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于，主动回正控制模块中的回正判断模块的设计是基于状态机理论，通过将转向回正操作分解为回正判断，回正待命，回正开始三种状态，再通过转角信号、方向盘转速信号、扭矩信号来判断当前是否需要施加回正力矩。

4.根据权利要求2或3所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于，所述方向盘转速信号可由转角信号微分得到，或者由转向助力电机转速估算得到。

5.根据权利要求1所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于，主动回正控制模块所包含的回正力矩计算模块根据当前的转角信号，车速信号计算出回正到转向盘中间位置所需要的回正力矩。

6.根据权利要求1所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于，回正转向盘残留角度小于5度，同时不会影响驾驶员的操纵手感。

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