CN101857047B - 用于电动助力转向的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电动助力转向的装置和方法，该装置包括信号转换装置和计算装置，其中该信号转换装置将电机转子位置信号转换为相对转向角信号，该计算装置根据车速信号、相对转向角信号和转向扭矩信号计算转向中间位置并得出绝对转向角信号，其中该计算装置包括：数据采样单元，用于进行转向角度和转向扭矩信号的数据采样操作；数据拟合单元，用于对采样数据进行数据拟合；转向中间位置求解单元，用于求出相应曲线的交点而得到转向中间位置。该方法应用前述装置来实现。利用本发明，可在不增加转向角传感器的情况下，向电动助力转向系统提供绝对转向角度信号，降低了电动助力转向系统的成本。

Description

用于电动助力转向的装置和方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，具体涉及电动助力转向系统。

背景技术

电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)是一种直接依靠电机提供辅助转矩的动力转向系统，主要由传感器、助力电机、电机减速机构、控制器等关键部件组成。

EPS的基本原理是：当驾驶员操纵转向盘时，转向盘扭矩传感器检测转向扭矩信号，控制器根据输入的车速信号以及转矩信号进行相应的运算处理，确定电机需要输出的目标助力转矩。电机控制器则控制电机产生该助力转矩，并通过电机减速机构加载在转向轴上，从而帮助驾驶员轻松完成车辆转向操作。

除了基本的助力功能，EPS还包含了其他的功能，例如回正控制功能和阻尼控制功能，阻尼惯量补偿功能，主动抑振控制功能，故障诊断功能等。其中某些功能需要绝对转向角度信号才能实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电动助力转向的装置和方法，其是在不添加绝对转向角度传感器以避免增加成本的情况下，向电动助力转向系统提供绝对转向角度信号。因此采用的方法是：根据增量式位置传感器信号得到转向盘相对转角信号，再通过转向中间位置估计来确定转向中间位置，以此来得到绝对转向角度信号。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于电动助力转向的装置，包括信号转换装置和计算装置，其中该信号转换装置将电机转子位置信号转换为相对转向角度信号，该计算装置根据车速信号、相对转向角度信号和转向扭矩信号计算转向中间位置并得出绝对转向角度信号，其中该计算装置包括：数据采样单元，用于进行转向角度和转向扭矩信号的数据采样操作；数据拟合单元，用于对采样数据进行数据拟合；以及转向中间位置求解单元，用于求出相应曲线的交点而得到转向中间位置。

其中，该信号转换装置根据电机转子位置信号获得连续的相对转向角度信号。

其中，所述数据采样操作包括采样判断流程和采样流程，采样判断流程用于判断是否满足数据采样的条件，采样流程用以区分向左转向过程和向右转向过程，并保证采样数据在整个允许采样的扭矩范围内等间隔均匀分布。

其中，所述数据拟合根据采样的数据、通过求解矛盾方程组得到最小二乘解拟合出相应曲线。

其中，所述转向中间位置求解单元通过数值解法求得相应曲线的交点，即转向中间位置。

其中，该计算装置还包括异常值剔除单元，用于去除一组测量数据中的异常值。

本发明还公开一种用于电动助力转向的方法，包括如下步骤：信号转换步骤，将电机转子位置信号转换为相对转向角度信号；计算步骤，根据车速信号、相对转向角度信号和转向扭矩信号计算转向中间位置并得出绝对转向角度信号，其中：该计算步骤包括：对转向角度和转向扭矩信号进行数据采样；对采用数据进行数据拟合；以及求出相应曲线的交点而得到转向中间位置。

其中，该信号转换步骤根据电机转子位置信号获得连续的相对转向角度信号。

其中，所述数据采样包括采样判断流程和采样流程，采样判断流程用于判断是否满足数据采样的条件，采样流程用以区分向左转向过程和向右转向过程，并保证采样数据在整个允许采样的扭矩范围内等间隔均匀分布。

其中，所述数据拟合根据采样的数据、通过求解矛盾方程组得到最小二乘解拟合出相应曲线。

其中，所述转向中间位置是通过数值解法求得相应曲线的交点，即转向中间位置。

其中，该方法还包括异常值剔除步骤，用于去除一组测量数据中的异常值。

由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：省略了绝对转向角度传感器，降低了电动助力转向系统的成本。

附图说明

图1是本发明所用的永磁同步电机转子霍尔电平信号逻辑图。

图2是本发明的计算相对转向角度的方法在状态流内的算法实现图。

图3是本发明的计算相对转向角度的方法的仿真结果图。

图4是本发明所用的永磁同步电机转子高精度霍尔电平信号逻辑图。

图5是转向角度和转向扭矩的关系图。

图6是本发明的估计转向中间位置的方法的数据采样使能判断流程图。

图7是本发明的估计转向中间位置的方法的数据采样流程图。

图8是本发明的估计转向中间位置的方法的左转向等间隔数据采样流程图。

图9是本发明的估计转向中间位置的方法的迭代计算拟合曲线在状态流内的算法实现图。

图10是本发明的估计转向中间位置的方法的牛顿法计算曲线交点在状态流内的算法实现图。

图11是本发明的估计转向中间位置的方法的剔除异常值的格拉布斯法的流程图。

图12是本发明的估计转向中间位置的方法的仿真结果图。

图13是本发明的估计转向中间位置的方法仿真测试的转向角度和转向扭矩的关系图。

图14是本发明由周期性信号电机转子信号得到连续相对转向角信号的示意图。

图15是本发明中装置的示意图。

具体实施方式

本发明使用EPS用永磁同步电机(PMSM)上安装的电机转子位置传感器的周期脉冲信号，通过判断不同相位脉冲信号的状态，把周期的脉冲信号转化为连续的电机转角信号。由于电机和转向管柱固定啮合，电机转角信号可以转化为转向管柱的相对转角信号。再通过转向中间位置估计的方法，则可以得到绝对的转向角度信号。

具体地，所使用的传感器信号包括转向扭矩信号、车速信号和增量式位置信号。其中增量式位置信号由永磁同步电机转子位置传感器提供，ECU根据输入的电机转子位置信号计算出连续的相对转向角度信号；根据车速信号和转向扭矩信号得出转向中间位置在连续相对转向角度上的位置。所述的具有绝对转向角度估算功能的电动助力转向系统内包含计算相对转向角度信号的模块以及估计转向中间位置的模块。计算相对转向角度信号的模块输入端与PMSM转子位置角度传感器连接，用于计算连续相对转向角度；估计转向中间位置的模块与相对转向角度信号、车速信号和转向扭矩信号连接，用于估计转向中间位置，从而获得绝对转向角度信号。本系统包含的这两个模块可以为电动助力转向系统的回正控制等控制策略提供绝对转向角度信号。

在车辆进行向左和向右转向时，所述的计算相对转向角度信号的模块根据PMSM转子位置信号获得连续的相对转角信号。在车辆进行向左和向右转向时，估计转向中间位置的模块进行转向角度和转向扭矩信号的数据采样操作，数据拟合操作以及转向中间位置求解操作，此外还进行异常值剔除操作。

本系统是利用转向扭矩-转向角度曲线在转向中间位置附近成线性关系的特征来进行中间位置的估计。

所述的数据采样操作包括采样判断流程和采样流程。采样判断流程用于判断是否满足数据采样的条件；采样流程用以区分向左转向过程和向右转向过程，并保证采样数据在整个允许采样的扭矩范围内等间隔均匀分布。

所述的数据拟合操作根据采样的数据，通过求解矛盾方程组得到最小二乘解，拟合出相应曲线。

所述的转向中间位置求解操作通过数值解法求得相应曲线的交点，即转向中间位置。

所述的异常值剔除操作能够剔除估计结果中的异常值，保证估计结果的可靠性。

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

要获取转向系统的绝对转向角度，需要做两部分计算：(1)计算相对转角位置；(2)估算转向中间位置。可以利用EPS用PMSM上安装的电机转子位置传感器来得到转向盘相对转角信号，再通过转向中间位置估计的方法确定转向中位。

根据电机转子位置传感器的周期脉冲信号，通过判断不同相位脉冲信号的状态，把周期的脉冲信号转化为连续的电机转角信号。由于电机和转向管柱固定啮合，电机转角信号可以转化为转向管柱的相对转角信号。

为了得到相对转角信号，需要采集PMSM转子位置霍尔信号。电机定子A，B，C极的霍尔传感器信号电平逻辑在一个周期内的变化如图1所示。在一个实施例中，所用霍尔传感器的精度为60度电角度，PMSM极对数为5对极，电机与转向管柱的减速比为20。因此霍尔传感器相对于转向管柱的转角信号分辨率为60/(20×5)＝0.6度，能够满足转向回正控制的要求。

如电机转子三相霍尔信号状态表所示，一个周期内，PMSM转子位置的电角度的分为6个角度范围，分别对应A，B，C三相的6种状态。转向盘转动时，PMSM电机相应转动，转子位置在这六个状态内相互转移，根据状态转移的路径，可以把转子位置的周期信号转换为连续信号，再根据电角度到转向角度的减速比和极对数关系，即可得到相对的转向角度。根据此思路，可在状态流(state flow)内实现以上算法，其处理算法如图2所示。以上的处理算法由A，B，C各相的上升沿或者下降沿触发。

电机转子三相霍尔信号状态表

通过仿真来验证以上算法，转向盘输入为一个幅值为360度的角度正弦输入，PMSM随着转向操作而转动，经过如图2所示的算法处理程序，得到处理后的相对转向角度，其处理后得到的相对转向角度信号和实际输入的转向盘转角信号形状一致，只是两者的中间位置，即转向中间位置没有重合，存在一定偏置，这须由转向中间位置估计方法来确定，如图3所示。

以上方法是采用PMSM的A，B，C三相的霍尔传感器信号，如果采用更高分辨率的转子位置传感器，则能提高转向柱转角的分辨率。如图4所示，另一个实施例中，采用5路霍尔信号。其在原有的A，B，C三相霍尔信号的基础上增加了另外两路霍尔信号Q1，Q2。3路霍尔信号A、B、C的精度较低，用于粗略定位；另外两路霍尔信号Q1、Q2的精度相对较高，用于角度测量。电机每旋转一周(电气角度)，Q1、Q2分别输出8个周期。根据电机的旋转方向不同，Q1的相位超前/滞后Q2的相位90°。两路信号的跳变沿将电机电角度0-360°分为均等的4*8＝32个区间，即分为32个状态。由Q1、Q2直接检测出的电机位置信号(基本角度)分辨率为360/32＝11.25°，再根据电角度到转向角度的减速比和极对数关系，由此可以使得计算转向盘转角相对转角的精度提高为0.1125度。

转向中间位置估计方法的主要思路是：在某一车速附近，在转向中间位置附近匀速操纵转向盘(无助力或小助力)情况下，转向角度和转向扭矩的关系类似于如图5所示。在驾驶员进行向左和向右转向时，采集转向盘相对转角和转向扭矩信号。在没有助力或小助力的条件下，中间位置附近的转向角度和转向扭矩关系曲线可近似为直线。利用这些数据进行曲线拟合，曲线1和曲线2是转向角度和转向扭矩拟合曲线，曲线3是曲线2相对于扭矩T＝0直线的对称曲线。由于一般情况下，向左和向右的转向摩擦是相同的，因此曲线1和曲线3的交点就是转向中间位置。转向中间位置估计算法可以分为3部分：数据采样，数据拟合，中间位置求解。

(1)数据采集：

为了能够实现以上的算法，首先必须采集符合以上曲线1、曲线2的典型数据，为此首先要进行采样使能判断。采样使能判断主要考虑三个因素：车速，转向扭矩以及转向角加速度，其判断流程图如图6所示。

对于车速，主要是为了保证在整个采样过程中，车速的变化不过大。因为在不同的车速下，以上的特性曲线是不同的。因此需要保证进行曲线拟合的采样点都是在某一车速附近采样所得。

对于转向扭矩，主要保证是在转向中间位置采样。根据汽车理论，车辆在一定的侧向加速度范围内，回正力矩和前轮转角近似呈线性关系，因此转向角度和转向力矩也在一定程度上呈线性关系，这对于后面的线性拟合有很大的帮助。因此通过限定转向扭矩在较小的范围来保证在转向中间位置采样。

对于转向角加速度，需要保证在较小的范围内，如果转向角加速度过大，转向扭矩的较大一部分用于克服惯性力，而不是克服回正力，这会影响到采样点是否能体现以上的转向曲线特性。

本发明的根本是利用转向力矩-转向角度曲线在转向中间位置附近成线性关系的特征来进行中间位置的估计。只要车速、力矩、转速等相关条件组合满足转向力矩-转向角度曲线线性关系条件，即可进行数据采样。

经过采样判断后，如果转向工况满足以上3个条件，则进入采样阶段。采样阶段可以分为两种工况，左转向采样和右转向采样。这两种工况分别采集图5所示的向左转向区域和向右转向区域的数据。由于不能用转角进行转向区域的区分，因此采用转向扭矩和转向扭矩微分进行判断。左转向的特征是转向扭矩＜0并且转向扭矩微分＜0。右转向的特征是转向扭矩＞0并且转向扭矩微分＞0。其采样流程图如图7所示。在左转向或者右转向过程中，为了采样数据均匀，把允许数据采样的扭矩范围分为6个相等的采样数据区域，并采样这6个区域内的扭矩信号和转角信号，这样有助于正确拟合曲线，其采样流程如图8所示。

(2)数据拟合

由于在转向中间位置，转向扭矩和转向角度的关系近似成一次曲线的关系，因此在进行曲线的多项式拟合时采用一次曲线。

根据采样所得的数据(T1，θ1)，(T2，θ2)，(T3，θ3)...(T6，θ6)和所要拟合的曲线y＝a0+a1x，得到Y＝XA，其中

$Y=\left[\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\\ T_5\\ T_6\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\θ}}_1\\ 1& {\mathrm{\θ}}_2\\ 1& {\mathrm{\θ}}_3\\ 1& {\mathrm{\θ}}_4\\ 1& {\mathrm{\θ}}_5\\ 1& {\mathrm{\θ}}_6\end{array}\right]$

由于A的维数小于Y的维数，因此以上方程式为矛盾方程，不能求得精确解，但能够求得最小二乘函数，使得|Y-XA|最小。

根据数值数学原理，以上的方程式在满足θ1～θ6中至少有2个不相等的情况下，有唯一的最小二乘解。其解为方程X^TXA＝X^TY的解。根据数值分析的迭代法原理，可利用状态流实现迭代算法，计算出A的值。其在状态流内的算法实现图如图9所示。

(3)中间位置求解

完成以上的数据拟合后，可以得到曲线1：y＝k1x+b1和曲线2：y＝k2x+b2，曲线3为曲线2关于y＝0的对称曲线，即y＝-k2x-b2。可利用牛顿迭代法求解出曲线1和曲线3的交点，其交点的横坐标就是转向中间位置所对应的绝对零度位置。同样，牛顿迭代法也可通过状态流实现，其在状态流内的算法实现图如图10所示。

(4)异常值剔除

在一组测量数据中，如果个别数据偏离平均值很远，那么这个数据称作异常值。由于驾驶工况复杂，同时考虑到输入信号采样也可能偶尔出现异常值，因此以上的算法所得到的结果可能会出现异常值。为了保证以上算法的可靠性，需要对以上算法得到的结果进行异常值剔除的处理。用统计方法，例如格拉布斯(Grubbs)法判断，能将异常值从测量数据中剔除而不参与平均值的计算，格拉布斯法的流程图如图11所示。

格拉布斯法主要包括以下几个步骤：

(1)首先采样数据；

(2)然后排列所采样的数据，得到最小值和最大值，同时计算平均值x和标准差s；

(3)确定可疑值。通过比较最小值和最大值与平均值偏差的绝对值，确定本组数据中的可疑值；

(4)计算Gi值：Gi＝(xi-x)/s；其中i是可疑值的排列序号；

(5)把计算值Gi与格拉布斯表给出的临界值GP(n)比较，如果计算的Gi值大于表中的临界值GP(n)，则能判断该测量数据是异常值，可以剔除。如果Gi＜临界值，完成处理；

(6)考虑余下数据：剩余数据再按以上步骤计算。

利用状态流工具箱，可以实现以上算法。利用格拉布斯法可以较好地去除异常值，使得算法的结果更可靠。

对估计转向中间位置的方法进行仿真验证。预设转向角度的偏置为250°，即实际的转向中间位置在250°位置。在车速40km/h情况下，驾驶员转向力矩为正弦输入。其转向中间位置的估算结果如图12所示，其中相对转向角度和转向扭矩的关系图如图13。由图12和图13可以证明，以上的转向中间位置估计的结果较为准确，其误差在5°以内。

上述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 (10)

1.一种用于电动助力转向的装置，其特征在于，包括信号转换装置和计算装置，其中该信号转换装置根据电机转子位置传感器的周期脉冲信号，通过判断不同相位脉冲信号的状态，把周期的脉冲信号转化为连续的电机转角信号，由于电机和转向管柱固定啮合，电机转角信号可以转化为转向管柱的相对转向角度信号；该计算装置根据车速信号、相对转向角度信号和转向扭矩信号计算转向中间位置并得出绝对转向角度信号，其中该计算装置包括：

数据采样单元，当驾驶员在转向中间位置附近匀速操纵转向盘进行向右和向左转向时，用于进行转向角度和转向扭矩信号的数据采样操作；

数据拟合单元，用于对采样数据进行数据拟合；在没有助力或小助力的条件下，转向中间位置附近的转向角度和转向扭矩关系曲线近似为直线，以及

转向中间位置求解单元，用于求出相应曲线的交点而得到转向中间位置；

所述“相应曲线的交点”是指：曲线3与曲线1的交点，其中：曲线3是曲线2相对于扭矩T＝0直线的对称曲线；所述曲线1是转向盘向右转时得到的转向盘扭矩vs转向盘转角的直线，而曲线2是转向盘向左转时得到的转向盘扭矩vs转向盘转角的直线。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采样操作包括采样判断流程和采样流程，采样判断流程用于判断是否满足数据采样的条件，采样流程用以区分向左转向过程和向右转向过程，并保证采样数据在整个允许采样的扭矩范围内等间隔均匀分布。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据拟合根据采样的数据、通过求解矛盾方程组得到最小二乘解拟合出相应曲线。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转向中间位置求解单元通过数值解法求得相应曲线的交点，即转向中间位置。

5.根据上述任一权利要求所述的装置，其特征在于，该计算装置还包括异常值剔除单元，用于去除一组测量数据中的异常值。

6.一种用于电动助力转向的方法，其特征在于，包括如下步骤：

信号转换步骤，将电机转子位置信号转换为相对转向角度信号：根据电机转子位置传感器的周期脉冲信号，通过判断不同相位脉冲信号的状态，把周期的脉冲信号转化为连续的电机转角信号，由于电机和转向管柱固定啮合，电机转角信号可以转化为转向管柱的相对转向角度信号；

计算步骤，根据车速信号、相对转向角度信号和转向扭矩信号计算转向中间位置并得出绝对转向角度信号，其中：该计算步骤包括：

当驾驶员在转向中间位置附近匀速操纵转向盘进行向右和向左转向时，对转向角度和转向扭矩信号进行数据采样；

对采样数据进行数据拟合，在没有助力或小助力的条件下，转向中间位置附近的转向角度和转向扭矩关系曲线近似为直线；以及

求出相应曲线的交点而得到转向中间位置；

所述“相应曲线的交点”是指：曲线3与曲线1的交点，其中：曲线3是曲线2相对于扭矩T＝0直线的对称曲线；所述曲线1是转向盘向右转时得到的转向盘扭矩vs转向盘转角的直线，而曲线2是转向盘向左转时得到的转向盘扭矩vs转向盘转角的直线。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数据采样包括采样判断流程和采样流程，采样判断流程用于判断是否满足数据采样的条件，采样流程用以区分向左转向过程和向右转向过程，并保证采样数据在整个允许采样的扭矩范围内等间隔均匀分布。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数据拟合根据采样的数据、通过求解矛盾方程组得到最小二乘解拟合出相应曲线。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述转向中间位置是通过数值解法求得相应曲线的交点，即转向中间位置。

10.根据权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，还包括异常值剔除步骤，用于去除一组测量数据中的异常值。

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