CN101811515B - 用于汽车主动转向系统的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于汽车主动转向系统的控制装置，该装置包括AFS目标转角确定模块、助位移电机调节模块、EPS目标转矩确定模块、助力电机调节模块和协调控制模块；其中AFS目标转角确定模块结合协调控制模块为助位移电机调节模块提供目标转角值，EPS目标转矩确定模块为助力电机调节模块提供出目标转矩值，协调控制模块通过CAN总线与ESP控制单元进行通讯；所述AFS目标转角确定模块包括目标传动比设定子模块、目标转角计算子模块和期望横摆角速度计算子模块；其中，目标传动比设定子模块，根据车速u和理想角传动比曲线计算传动比R；目标转角计算子模块，根据转向盘转角θ_S和传动比R计算目标转角值θ_m4d。

Description

用于汽车主动转向系统的控制装置

技术领域

本发明涉及主动转向系统的控制装置，特别地，本发明涉及主动前轮转向系统与电动助力转向系统及电子稳定性程序的协调控制装置。

背景技术

提高操纵稳定性和转向轻便性是汽车转向系统发展的趋势，目前，国内外汽车生产商大多在新车型上装备了动力转向系统，该系统使得汽车在转向时获得一个额外的助力，从而大大地降低了驾驶员的体力消耗，提高了舒适性。但该系统只提供助力功能，不能根据车辆行驶工况及操纵稳定性要求实施主动转向，不能对驾驶员的转向误操作或外界干扰进行有效补偿，因此不能减小驾驶员在高速驾驶时的精神负担。

已公开的专利CN1749081A提出了一种融合主动转向功能的电动助力转向系统(EPS)，该系统在传统的EPS系统基础上加装了转向盘转角传感器和横摆角速度传感器，在电子控制单元(ECU)内增加了稳定性控制模块，当ECU接收到转向盘转角传感器、横摆角速度传感器及估算的侧向加速度信号时，鲁棒稳定性控制器会输出助力矩修正量，依靠助力电机实施主动转向，从而改善车辆的稳定性能。但由于该系统缺少实现变传动比功能的传动机构，其实现的主动转向功能与线控转向系统(SBW)中通过电机和控制器实施的基于可变传动比的主动转向功能是有区别的，因此该系统不能很好地解决极限工况下的操稳性问题。

为了解决这个问题，日本专利NO.2005-247214提出了一种电动转向系统，该系统包括一套可变齿轮传动系统(VGS)和一套电动助力转向系统，可变齿轮传动系统利用电机和行星齿轮机构向转向轮提供附加转角来调整角传动比；电动助力转向系统利用电机提供助力矩辅助驾驶员操纵转向盘。该系统在提高转向系统整体性能的同时，也存在以下问题：

(1)由于该系统是在传统的EPS基础上加装了一套可变齿轮传动机构和一个电机，这大大增加了转向系统的重量和惯性矩，因此可能会降低转向系统的灵敏性，导致转向传动机构响应缓慢，当转向盘高速转动时，驾驶员需要施加的力矩就会增大，作用时间也会加长；

(2)该系统具有主动转向功能，能够解决车辆过度转向、轻度不足转向和对开路面附着系数等极限工况下的操稳性问题，但要求轮胎处于线性工作区域。因此若要提高全工况下的操稳性，就必需对AFS系统和车辆稳定性控制系统(如ESP)进行集成控制，如何协调控制各系统是技术的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于汽车主动转向系统的控制装置，该装置改善汽车转向系统转向灵敏性，本发明的进一步目的还在于对主动转向系统与电子稳定性程序进行协调控制。

实现本发明目的的技术方案是：一种用于汽车主动转向系统的控制装置，该装置包括EPS目标转矩确定模块、助力电机调节模块、AFS目标转角确定模块、助位移电机调节模块以及协调控制模块；其中，EPS目标转矩确定模块输出目标转矩控制信号至助力电机调节模块，AFS目标转角确定模块结合协调控制模块为助位移电机调节模块提供目标转角，协调控制模块通过CAN总线与ESP控制单元进行通讯；

所述AFS目标转角确定模块包括：目标传动比设定子模块，用于根据车速u和理想角传动比公式计算传动比R；目标转角计算子模块，用于根据转向盘转角θ_S和传动比R计算目标转角θ_m4d；

期望横摆角速度计算子模块，根据转向盘转角θ_S和车速u计算期望横摆角速度γ_d，γ_d与实测的横摆角速度信号γ相减得到车辆系统稳态误差，将误差值乘以反馈增益K_β可计算出目标转角反馈修正值；

AFS目标转角确定模块将目标转角计算模块输出的目标转角、目标转角反馈修正值和协调控制模块输出的目标转角协调控制量三者相加可得到目标转角控制信号：

θ_m4ref＝K_bθ_s+K_β(γ-γ_d)+Δθ

其中，θ_m4d＝K_bθ_S，K_b为直流增益，与转向系统的传动比R相关。

上述技术方案将目标转角计算模块输出的目标转角θ_m4d、目标转角的反馈修正值K_β(γ-γ_d)、协调控制模块输出的目标转角协调控制量Δθ三者之和作为目标转角控制信号，提高车辆在高速时的行驶稳定性和低速时的转向轻便性。

作为本发明的进一步改进，所述EPS目标转矩确定模块，包括计算目标转矩的助力系数K(u)设定子模块、助力矩计算子模块、转向盘转速计算子模块、权重系数

计算子模块和助力矩补偿量计算子模块五个子模块，用于根据扭矩传感器信号、转向盘转角信号和估算的转向盘转速计算目标助力矩；其中，助力系数K(u)设定子模块和助力矩计算子模块，用于计算输出常规助力矩值T_a1，常规助力矩值T_a1为转向轴扭矩T_h与比例系数K(u)之积；转向盘转速计算子模块、权重系数计算子模块和助力矩补偿量计算子模块，用于计算输出补偿助力矩值T_a2，补偿助力矩值T_a2为转向盘转角θ_S与权重系数

之积，其中，权重系数

随转向盘转速的提高而变大；常规助力矩值和助力矩补偿量值叠加后得到目标助力矩T_aref。

在车速一定的情况下，本发明所述控制装置，根据转向盘转速计算助力矩补偿量，结合依据车速计算的常规助力矩对EPS系统实施控制，因此是一种优选的助力矩计算方法，能够解决因增加AFS系统而而导致的转向系统惯性矩增大的问题，进一步提高了转向轻便性和转向灵敏性。

作为本发明的进一步改进，所述协调控制模块包括侧向加速度估算子模块和协调控制量计算子模块；整个协调控制系统还包括AFS控制单元、AFS执行机构、ESP控制单元和ESP执行机构；AFS控制单元和AFS机构组成AFS控制回路；ESP控制单元和ESP执行机构组成ESP控制回路；侧向加速度估算子模块根据横摆角速度信号和前轮转角信号估算侧向角速度a_y，并把计算结果输出给协调控制量计算子模块，根据已设定的算法，协调控制模块向AFS控制单元和ESP控制单元分别输出目标转角协调控制量Δθ、横摆力矩补偿量ΔM，两控制单元结合各自信号处理单元提供的传感器信号值计算出相应的控制量值，对整车系统进行稳定性控制。整个协调控制系统分为三层：协调层、控制层和执行层，各层之间相互关联，构成一个闭环控制回路。

作为本发明的进一步改进，所述协调控制模块依据侧向加速度值把轮胎的工作区域分为线性区域、非线性区域和饱和区域三段，根据输入的侧向加速度信号值，判别轮胎所处的工作区域，参考此时的质心侧偏角，通过分配主动转向系统的协调控制量Δθ和稳定性控制系统的协调控制量ΔM来进行相应的控制：线性区域，由AFS控制回路单独控制；非线性区域，由AFS控制回路和ESP控制回路联合控制；饱和区域，由ESP控制回路单独控制。

附图说明

图1是本发明实施例的汽车主动转向系统结构示意图；

图2是本发明实施例的主动转向系统控制装置方框图；

图3是本发明实施例的助力控制模块方框图；

图4是本发明实施例的可变传动比控制模块方框图；

图5是本发明实施例的可变传动比特性曲线；

图6是本发明实施例的协调控制系统方框图；

具体实施方式

本发明优选主动前轮转向系统(AFS)、电动助力转向系统(EPS)和电子稳定性程序(ESP)作为实施例，但本实施例不限制本发明，凡是采用与本发明相似结构或相似变化的控制装置均应列入本发明的保护范围，例如，本发明同样适用于可变齿轮传动机构为单行星齿轮机构、谐波齿轮机构的主动转向系统的控制装置。

参见图1，车辆转向系统包括：转向盘转角传感器1，用于测量转向盘转角以及估算转向盘转速；车速传感器2，用于测量车速；驱动电机4、电机转角传感器5及可变齿轮传动机构6，用于提供前轮附加转角，实现可变传动比功能；扭矩传感器7，用于测量转向轴扭矩；助力电机8、电机转角传感器9及电动助力转向机构10，用于提供转向助力矩；转向控制装置(ECU)3，用于接收各种传感器信号，并对两套辅助转向系统进行协调控制；齿轮齿条转向器11，用于传递转向力矩及转向角；线位移传感器12，用于估算前轮转角；横摆角速度传感器13，用于提供车辆稳定性反馈信号。另外，在特殊的行驶工况下，转向控制装置(ECU)3中的协调控制模块还会向ESP控制单元输出参考控制指令。

驾驶员转动转向盘时，转向盘转角传感器1将检测出的转角信号输出给转向控制装置3，同时车速传感器2、横摆角速度传感器13及电机转角传感器也向转向控制装置(ECU)3输出信号，控制装置3实时计算出期望的前轮附加转角值，并转换为PWM信号控制驱动电机4的转动；在驱动电机4及与之相连的蜗轮蜗杆机构(未画出)的驱动下，AFS系统的双行星齿轮机构6对转向盘转向角和电机提供的附加转角进行叠加，并输出给下方的转向轴；扭矩传感器7实时检测出转向轴的扭矩值，并将信号输出给控制装置3，在接收到电机转角传感器9的信号后，控制装置3计算出期望助力矩值，并输出PWM信号控制助力电机8的转动；在助力电机8的驱动下，EPS系统的传动机构10向齿轮齿条式转向器11输出助力矩，同时带有前轮附加转角；线位移传感器12可以实时检测出齿条轴的位移量，并把信号输出给控制装置3，经计算后，便可得到前轮转角值，此值可用于估算侧向加速度。

参见图2，转向控制装置3包括：EPS目标转矩确定模块300、AFS目标转角确定模块301、协调控制模块302、助力电机调节模块303和助位移电机调节模块304，控制装置的输出为两路PWM信号，分别用于控制电机输出目标转矩和目标转角，目标助力矩确定的详细过程如下所述。

参见图3，目标助力矩由常规助力矩和助力矩补偿量两部分组成，常规助力矩计算部分包括助力系数K(u)设定子模块15和助力矩计算子模块16，其输出为常规助力矩值T_a1，即转向轴扭矩T_h与比例系数K(u)之积。助力矩补偿量计算模块包括转向盘转速计算子模块17、权重系数

计算子模块18和助力矩补偿量计算子模块19，其输出为补偿助力矩值T_a2，即转向盘转角θ_S与权重系数

之积，其中，权重系数

随转向盘转速的提高而变大；常规助力矩计算模块和助力矩补偿量计算模块的输出量叠加后得到目标助力矩T_aref。

由于本发明所研究的主动转向系统是与电动助力转向系统相集成的，因此整个转向系统的总重量和惯性矩比一般的转向系统大，这会导致转向系统的灵敏性下降，从而加大驾驶员在高速转动转向盘时的体力消耗或加重驾驶员在汽车高速避让时的精神负担，因此需要系统提供一个助力矩补偿量以保持驾驶员的操纵舒适性，该补偿量应该随着转向盘转速的提高而增大，随着转向盘转角的增大而增大，因此，目标助力矩的计算公式为：

$T_{\mathrm{aref}}=K\left(u\right)T_h+K\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_S\right){\mathrm{\θ}}_S---\left(1\right)$

其中，T_h为转向轴扭矩，由转矩传感器7测量得到；K(u)为比例系数，由助力系数设定子模块15根据车速和助力特性曲线选取，二者通过助力矩计算子模块16计算得到常规助力矩值T_a1；θ_S为转向盘转角，由传感器1测量得到；

为转向盘转速，由转向盘转速计算子模块17计算得出；

为权重系数，由权重系数计算子模块18根据转速计算得到，二者通过助力矩补偿量计算部分19计算得到补偿助力矩值T_a2，最后通过叠加可以得到目标助力矩T_aref。把测量得到的助力电机转角θ_m8输入助力电机反馈转矩计算单元，可计算出实际助力矩值T_a，与目标转矩T_aref相减后得到误差值，此值可用于助力电机8的反馈控制。

在本实施例中，采用PID控制方法对在助力电机8进行控制，如下：

$U_1=K_{p1}(T_a-T_{\mathrm{aref}})+K_{i1}\∫(T_a-T_{\mathrm{aref}})\mathrm{dt}+K_{d1}\frac{d}{\mathrm{dt}}(T_a-T_{\mathrm{aref}})---\left(2\right)$

其中，K_p1、K_i1、K_d1分别为控制系统的比例常数、积分常数和微分常数；U₁为控制器输出的对助力电机8的控制电压。

权重系数

与转向盘转速相关，即与转向盘转动的频率相关，当转动频率较低时，权重系数较小；当转动频率逐渐增大时，权重系数相应地增大；当转动频率较高时，权重系数保持为定值，避免发生由于助力矩补偿量超调而导致的转向系统动荡现象，权重系数-转动频率特性曲线可以设置成“S”形状。

本发明实施例运用利萨如图来评价转向系统的灵敏性，利萨如图为二维图形，以转向盘转角θ_S和转向盘转矩T_h为其横轴和纵轴坐标，整个图形呈椭圆形。椭圆长轴的倾斜度用于衡量转向灵敏性的好坏程度，在相同的转向角范围内，若长轴的倾斜度随着转向盘转动频率地提高而增大，则说明转向系统的灵敏性好，反之则差。

在汽车高速行驶时，转向系统的灵敏度既不能过低也不能过高，过低则不利于对车辆实施紧急避让操作，过高则不利于解决转向误操作或强侧向风干扰问题，前者可以通过上述实施例得到有效缓解，而后者则需通过主动转向系统来解决。

参见图4，AFS目标转角确定模块301包括以下几个子模块：传动比设定子模块21，根据车速和理想角传动比特性曲线计算出传动比R；目标转角计算子模块22，根据传动比R计算直流增益K_b，后者与转向盘转角θ_S之积即为目标转角的前馈值θ_m4d；期望横摆角速度计算子模块23，根据转向盘转角θ_S和车速u计算出理想值γ_d，后者与传感器13输入的横摆角速度信号γ相减得到车辆系统稳态误差，结合增益K_β24可计算出目标转角的反馈修正值；同时，协调控制模块302也向目标转角控制模块301输出目标转角协调控制量Δθ，三者相加可得到目标转角：

θ_m4ref＝K_bθ_s+K_β(γ-γ_d)+Δθ(3)

其中，K_b为直流增益，与转向系统的传动比R相关。

下面着重分析传动比R的计算过程，本发明实施例的控制对象之一为可变传动比系统，该系统的结构特征在于将转向轴断开并加装一套双行星齿轮机构，由于齿轮间的传动是两自由度的，这在结构上保证了角传动比的可变特性。

本发明实施例以实现转向过程中的稳态增益为目标推导了理想角传动比特性曲线方程。由车辆二自由度运动微分方程得，横摆角速度与前轮转角间的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{\mathrm{\γ}\left(s\right)}{{\mathrm{\θ}}_f\left(s\right)}\≈\frac{K_{\mathrm{\γ}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\γ}}s+1}---\left(4\right)$

其中，K_γ为稳定性因素，s²/m²；τ_γ为一阶延迟时间常数，s；结合角传动比定义R＝θ_s/θ_f可得转向灵敏度K_S与传动比R之间的关系式：

$R=\frac{K_{\mathrm{\γ}}}{({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\γ}}s+1)K_S}---\left(5\right)$

设理想的角传动比为：

$R=\left\{\begin{array}{cc}{R}_{\min },& (u\&le;u_1)\\ \frac{K_{\mathrm{\&gamma;}}}{({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&gamma;}}s+1)K_S},& (u_1<u<u_2)\\ R_{\max },& (u\&le;u_2)\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)表明角传动比特性曲线分为三段：低速泊车时，转向盘转角很大，为了使前轮转角不超过极限值，将传动比设为定值R_min；高速行驶时，为了保证车辆具有理想的灵敏度，将传动比设为定值R_max；中速行驶时，转向灵敏度保持为常数，传动比随车速变化。

参见图5，红色线为固定传动比特性曲线，蓝色线为理想角传动比特性曲线，呈“S”形。

参见图6，协调控制模块302包括：侧向加速度估算25和协调控制量计算26两个子模块；整个协调控制系统还包括AFS控制单元27、AFS执行机构、ESP控制单元28以及ESP执行机构；AFS控制单元27和AFS执行机构组成AFS控制回路；ESP控制单元28和ESP执行机构组成ESP控制回路。

侧向加速度估算子模块25根据横摆角速度信号和前轮转角信号估算侧向角速度a_y，并把计算结果输出给协调控制量计算子模块26，根据已设定的算法，协调控制模块向AFS控制单元27和ESP控制单元分28别输出目标转角协调控制量Δθ、横摆力矩补偿量ΔM，两控制单元结合各自信号处理单元提供的传感器信号值计算出相应的控制值，对整车系统305进行稳定性控制。

协调控制模块26依据侧向加速度值把轮胎的工作区域分为线性区域、非线性区域和饱和区域三段，根据输入的侧向角速度信号值，判别轮胎所处的工作区域，参考此时的质心侧偏角，通过分配主动转向系统的协调控制量Δθ和稳定性控制系统的协调控制量ΔM来进行相应的控制：线性区域，由AFS控制回路单独控制；非线性区域，由AFS控制回路和ESP控制回路联合控制；饱和区域，由ESP控制回路单独控制。

本发明实施例所述的转向系统控制装置可用于加装有主动前轮转向系统(AFS)、电动助力转向系统(EPS)和电子稳定性程序(ESP)的车辆上，各传感器信号可以通过CAN总线为各控制单元所共享，各控制器也可以通过局域网对相应执行机构实施控制。

Claims (5)

1.一种用于汽车主动转向系统的控制装置，该装置包括AFS目标转角确定模块、助位移电机调节模块、EPS目标转矩确定模块、助力电机调节模块和协调控制模块；其中AFS目标转角确定模块结合协调控制模块为助位移电机调节模块提供目标转角值，EPS目标转矩确定模块为助力电机调节模块提供出目标转矩值，协调控制模块通过CAN总线与ESP控制单元进行通讯；

所述AFS目标转角确定模块包括目标传动比设定子模块、目标转角计算子模块和期望横摆角速度计算子模块；其中，目标传动比设定子模块，根据车速u和理想角传动比曲线计算传动比R；目标转角计算子模块，根据转向盘转角θ_S和传动比R计算目标转角值θ_m4d；期望横摆角速度计算子模块，根据转向盘转角θ_S和车速u计算期望横摆角速度γ_d，γ_d与实测的横摆角速度信号γ相减得到车辆系统稳态误差，该误差值乘以反馈增益K_β即为目标转角反馈修正值；AFS目标转角确定模块将目标转角计算模块输出的目标转角值、目标转角反馈修正值和协调控制模块输出的目标转角协调控制量三者相加得到目标转角控制信号：

θ_m4ref＝K_bθ_s+K_β(γ-γ_d)+Δθ

其中，θ_m4d＝K_bθ_S，K_b为直流增益，与转向系统的传动比R相关；Δθ为协调控制模块输出的目标转角协调控制量。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征是，所述EPS目标转矩确定模块包括计算目标转矩的助力系数K(u)设定子模块、助力矩计算子模块、转向盘转速计算子模块、权重系数

计算子模块和助力矩补偿量计算子模块五个子模块，用于根据扭矩传感器信号、转向盘转角信号和估算的转向盘转速计算目标助力矩；其中，助力系数K(u)设定子模块和助力矩计算子模块，用于计算输出常规助力矩值T_a1，常规助力矩值T_a1为转向轴扭矩T_h与助力系数K(u)之积；转向盘转速计算子模块、权重系数

计算子模块和助力矩补偿量计算子模块，用于计算输出补偿助力矩值T_a2，补偿助力矩值T_a2为转向盘转角θ_S与权重系数

之积，其中，权重系数

随转向盘转速的提高而变大；常规助力矩值和助力矩补偿量值叠加后得到目标助力矩T_aref。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征是，协调控制模块、AFS控制单元、AFS执行机构、ESP控制单元和ESP执行机构组成协调控制系统；所述AFS控制单元和AFS机构组成AFS控制回路；所述ESP控制单元和ESP执行机构组成ESP控制回路；所述协调控制模块包括侧向加速度估算子模块和协调控制量计算子模块；侧向加速度估算子模块根据横摆角速度信号和前轮转角信号估算侧向角速度a_y，并把计算结果输出给协调控制量计算子模块，根据已设定的算法，协调控制模块向AFS控制单元和ESP控制单元分别输出目标转角协调控制量Δθ、横摆力矩补偿量ΔM，两控制单元结合各自信号处理单元提供的传感器信号值计算出相应的控制量值，对整车系统进行稳定性控制。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征是，所述协调控制模块依据侧向加速度值把轮胎的工作区域分为线性区域、非线性区域和饱和区域三段，根据输入的侧向加速度信号值，判别轮胎所处的工作区域，参考此时的质心侧偏角，通过分配主动转向系统的协调控制量Δθ和稳定性控制系统的协调控制量ΔM来进行相应的控制：线性区域，由AFS控制回路单独控制；非线性区域，由AFS控制回路和ESP控制回路联合控制；饱和区域，由ESP控制回路单独控制。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征是，所述EPS目标转矩确定模块还包括助力电机反馈转矩计算单元，助力电机反馈转矩计算单元用于根据输入的助力电机转角值计算出实际助力矩值T_a，所述EPS目标转矩确定模块将实际助力矩值T_a与目标转矩T_aref相减后得到误差值并输出至助力电机。

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