CN102009686A - 主动转向干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动转向干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法，属于融合主动转向功能的电动助力转向系统的助力电机控制领域。该方法利用前馈助力修正控制模块(7)根据附加转角θ_ac和前馈传递函数G_ΔI(s)计算所需要的前馈助力修正控制电流信号ΔI_a，该修正控制电流信号ΔI_a再与常规助力控制电流信号I_a进行线性叠加，得到助力电机总控制电流信号

控制助力电机施加助力力矩T_a，助力力矩T_a与驾驶员施加的转向盘转矩T_d共同克服转向阻力矩T_R，通过转向传动机构(10)驱动车轮完成转向。本方法可以解决高速行驶下伴随主动转向附加转角干预同时产生的转向盘把持力矩突变问题，改善主动转向干预下转向系统的转向路感，满足高速行驶时安全驾驶的需要。

Description

主动转向干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种主动转向附加转角干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法，属于融合主动转向功能的电动助力转向系统的助力电机控制领域。

背景技术

目前，融合主动转向功能的电动助力转向系统成为电动助力转向系统的未来发展方向。主动转向本质上是控制转向系统的角位移传递特性，通过施加附加转角θ_ac改变转向系统的角位移传递特性，实现变传动比控制和转向主动干预控制，充分发挥转向系统在改善整车稳定性中的作用。

根据牛顿第一定律，力并不是维持物体运动的条件，而是改变物体运动状态的原因。主动转向通过施加附加转角改变转向系统的角位移传递特性的同时，也改变了转向系统的力矩传递特性，造成驾驶员施加在转向盘上的把持力矩发生大的突变，导致转向系统操纵性能的恶化。而电动助力转向系统的助力电机可以通过施加辅助力矩来改变转向系统的力矩传递特性，以获得良好的转向路感，满足安全驾驶的需要。因此，在主动转向附加转角干预下，可以通过修正电动助力转向系统助力电机施加的助力力矩来改善转向系统的转向路感。

日本东京大学的Ryo Minaki提出了主动转向附加转角干预下，助力电机的变助力增益的控制方法，该方法是在传统的电动助力转向系统的助力增益控制方法的基础上增加一个修正项，其目的是通过改变传统的助力特性，实现削弱主动转向附加转角干预下转向盘把持力矩的突变量。其控制思想是将转向盘转角θ_sw与主动转向附加转角θ_ac求和，并将两者之和与转向盘转角θ_sw的比值作为原电动助力转向系统助力电机的助力增益k_a(u)的系数。则主动转向附加转角干预下，助力电机的助力增益K_a(u)满足K_a(u)＝[(θ_sw+θ_ac)/θ_sw]·k_a(u)的关系。现有的微中型轿车上的电动助力转向系统中助力电机的助力增益k_a(u)是有一定的车速上限的，即在一定的车速范围内才施加辅助力矩，这个助力车速范围一般在80～100Km/h之间，超出这个范围助力电机就不再施加辅助力矩。而现有轿车的最高时速可以达到160Km/h以上，这就意味着超出助力车速范围时，助力电机的助力增益k_a(u)就为零，若此时主动转向施加附加转角，该方法就不能对转向盘把持力矩的突变进行修正控制，导致转向系统操纵性能的恶化，无法满足汽车高速行驶时的安全驾驶的需要。

发明内容

本发明的目的是：提出一种不受限于传统电动助力转向系统助力车速范围和助力增益限制的，且能够在主动转向附加转角干预下实现全车速范围内助力修正的电动助力转向系统的助力电机控制方法。

该方法是在主动转向改变转向系统角位移传递特性的同时进行如下控制：

将助力控制模块确定的常规助力控制电流信号I_a与前馈助力修正控制模块确定的前馈助力修正控制电流信号ΔL_a进行线性叠加，得到助力电机总控制电流信号

控制助力电机进行助力操作，助力电机通过助力电机减速机构施加助力力矩T_a，改变转向系统的力矩传递特性，助力力矩T_a与驾驶员施加的转向盘转矩T_d共同克服转向阻力矩T_R，通过转向传动机构驱动前轮完成转向。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、能够实现对转向系统力矩特性与角位移特性发生的改变进行解耦预测，实现转向系统力矩与角位移的解耦控制，达到转向系统力矩特性与角位移特性的完美结合。

2、能够在全车速范围内实现主动转向附加转角干预下助力电机的前馈助力修正控制。无主动转向附加转角干预时，助力电机按照助力特性进行常规助力控制；而当主动转向施加附加转角干预时，能够根据附加转角信号确定助力电机的前馈助力修正控制电流信号，尤其是在传统电动助力转向系统助力增益为零的车速范围内，实现主动转向附加转角干预下助力电机的前馈助力修正控制，解决汽车高速行驶时伴随主动转向附加转角干预同时发生的转向盘把持力矩的突变问题，改善汽车高速行驶时的安全驾驶性能。

附图说明

图1为本发明的助力修正前馈控制逻辑示意图。

图中标号名称：1、转向盘；2、转矩传感器；3、双行星轮系；4、转向器(转向小齿轮)；5、前轮；6、助力电机减速机构；7、前馈助力修正控制模块；8、助力电机；9、助力控制模块；10、转向传动机构。

具体实施方式

本发明的控制方法逻辑如图1所示。

附加转角θ_ac与转向盘转角θ_sw通过双行星轮系3进行线性叠加，改变转向器4的输出转角δ_p，从而改变转向系统的角位移传递特性；

附加转角θ_ac即为主动转向变传动比控制和转向主动干预控制决策的附加转角。

根据牛顿第一定律，力并不是维持物体运动的条件，而是改变物体运动状态的原因。主动转向在施加附加转角θ_ac改变转向系统角位移传递特性的同时，也改变了转向系统的力矩传递特性。

本发明是在上述主动转向改变转向系统角位移传递特性的同时进行如下控制：

助力控制模块9根据转矩传感器2的输出T_s和车速u确定助力增益k_a(u)，计算助力增益k_a(u)与转矩传感器2输出T_s的乘积，从而得到常规助力控制电流信号I_a；前馈助力修正控制模块7根据附加转角θ_ac和传递函数G_ΔI(s)确定前馈助力修正控制电流信号ΔI_a。将常规助力控制电流信号I_a与前馈助力修正控制电流信号ΔI_a进行线性叠加，得到助力电机总控制电流信号

控制助力电机8进行助力操作，助力电机8通过助力电机减速机构6施加助力力矩T_a，改变转向系统的力矩传递特性，助力力矩T_a与驾驶员施加的转向盘转矩T_d共同克服转向阻力矩T_R，通过转向传动机构10驱动前轮5完成转向。

转向盘转矩T_d近似等于转矩传感器2的输出T_s。

上述内容中：转向器4上的输出转角δ_p与转向盘转角θ_sw和附加转角θ_ac的关系为：

δ_p＝θ_sw+G_acθ_ac    (1)

转向阻力矩T_R的估计值可以由下式确定：

$T_R\left(s\right)=\frac{P\left(s\right)}{Q\left(s\right)}{\mathrm{\δ}}_p\left(s\right)---\left(2\right)$

主动转向附加转角干预下，转向阻力矩T_R的估计值可以改写为：

$T_R\left(s\right)=\frac{P\left(s\right)}{Q\left(s\right)}[{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sw}}\left(s\right)+G_{\mathrm{ac}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ac}}\left(s\right)]---\left(3\right)$

主动转向干预下，转向阻力矩T_R的估计值由两部分组成：一部分是由驾驶员施加的转向盘转角θ_sw引起的；另一部分是由主动转向所施加的附加转角θ_ac干预所引起的。因此，可以实现对转向系统力矩特性与角位移特性发生的改变进行解耦预测。

附加转角θ_ac干预所引起的转向系统的力矩变化为：

$T_{\mathrm{afs}}\left(s\right)=\frac{P\left(s\right)}{Q\left(s\right)}{G}_{\mathrm{ac}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ac}}\left(s\right)---\left(4\right)$

转向系统中，驾驶员施加的转向盘转矩T_d和助力电机提供的助力力矩T_a共同克服转向阻力矩T_R。主动转向附加转角θ_ac干预下，若助力电机提供的助力力矩T_a不变，就会造成驾驶员施加于转向盘的转矩T_d发生突变。为保证安全驾驶，主动转向附加转角θ_ac干预下，转向盘转矩T_d的变化不应发生大的突变，同时，为感知主动转向的干预操作，转向盘转矩T_d应有一定程度的变化。

经过推导，可以得到主动转向干预下助力电机前馈助力修正电流ΔI_a与附加转角θ_ac的传递函数G_ΔI(s)：

$G_{\mathrm{\ΔI}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_a\left(s\right)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ac}}\left(s\right)}=(1-f)\frac{T_{\mathrm{afs}}\left(s\right)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ac}}\left(s\right)}=\frac{P\left(s\right)}{Q\left(s\right)}\frac{(1-f)G_{\mathrm{ac}}}{G_{\mathrm{as}}{K}_{\mathrm{eas}}}---\left(5\right)$

以上公式(1)～(5)中：

P(s)＝dK_f[uY(s)+l_fX(s)-uZ(s)]

Q(s)＝G²uZ(s)

$X\left(s\right)=\frac{K_f{l}_f}{I_z}s+\frac{(l_f+l_r)K_f{K}_r}{I_z\mathrm{mu}}$

$Y\left(s\right)=\frac{K_f}{\mathrm{mu}}s-\frac{K_f{l}_f}{I_z}+\frac{K_f{K}_r{l}_r(l_f+l_r)}{I_z\mathrm{mu}}$

$Z\left(s\right)=s^2+(\frac{K_f+K_r}{\mathrm{mu}}+\frac{K_f{l}_f^2+K_r{l}_r^2}{I_{z}u})s-\frac{K_f{l}_f-K_r{l}_r}{I_z}+\frac{{(l_f+l_r)}^2{K}_f{K}_r}{I_z{\mathrm{mu}}^2}$

m为整车质量；u为车速；I_z为整车绕Z坐标的转动惯量；l_f和l_r分别为前、后轴到质心的距离；K_f和K_r分别为前、后车轮的侧偏刚度；d为轮胎拖距；G为转向系角位移传动比；G_as为与助力电机相连的减速机构的减速比；G_ac为行星轮系的等效传动比；K_eas为助力电机的电磁系数；f为驾驶员感知转向阻力矩变化系数，满足0＜f＜1，可以根据驾驶员的需求进行调整；s为拉普拉斯变换子。

G_ΔI(s)即为主动转向附加转角干预下助力电机前馈助力修正电流ΔI_a的决策逻辑，该方法不再受制于传统电动助力转向系统助力电机在助力车速范围外助力增益k_a(u)为零的限制，在高速行驶(尤其在行驶车速超出了助力车速范围时)下仍可以有效地在主动转向附加转角干预时施加助力电机的助力修正控制，解决了汽车在高速行驶时主动转向附加转角干预产生的转向盘把持力矩突变问题，实现了转向系统力矩和角位移传递特性的解耦控制。

Claims (5)

1.一种主动转向干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法，其特征在于：

该方法是在主动转向改变转向系统角位移传递特性的同时进行如下控制：

将助力控制模块(9)确定的常规助力控制电流信号I_a与前馈助力修正控制模块(7)确定的前馈助力修正控制电流信号ΔI_a进行线性叠加，得到助力电机总控制电流信号

控制助力电机(8)进行助力操作，助力电机(8)通过助力电机减速机构(6)施加助力力矩T_a，改变转向系统的力矩传递特性，助力力矩T_a与驾驶员施加的转向盘转矩T_d共同克服转向阻力矩T_R，通过转向传动机构(10)驱动前轮(5)完成转向。

2.根据权利要求1所述的主动转向干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法，其特征在于：所述主动转向改变转向系统角位移传递特性的过程为：

附加转角θ_ac与转向盘转角θ_sw通过双行星轮系(3)进行线性叠加，改变转向器(4)的输出转角δ_p，从而改变转向系统的角位移传递特性；

附加转角θ_ac即为主动转向变传动比控制和转向主动干预控制决策的附加转角。

3.根据权利要求1所述的主动转向干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法，其特征在于：所述助力控制模块(9)是根据转矩传感器(2)的输出T_s和车速u确定助力增益k_a(u)，计算助力增益k_a(u)与转矩传感器(2)输出T_s的乘积，从而得到常规助力控制电流信号I_a。

4.根据权利要求1所述的主动转向干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法，其特征在于：所述前馈助力修正控制模块(7)是根据附加转角θ_ac和传递函数G_ΔI(s)确定前馈助力修正控制电流信号ΔI_a。

5.根据权利要求4所述的主动转向干预下电动助力转向系统的助力电机控制方法，其特征在于：所述传递函数G_ΔI(s)为：

$G_{\mathrm{\ΔI}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_a\left(s\right)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ac}}\left(s\right)}=\frac{P\left(s\right)}{Q\left(s\right)}\frac{(1-f)G_{\mathrm{ac}}}{G_{\mathrm{as}}{K}_{\mathrm{eas}}}$

其中：

P(s)＝dK_f[uY(s)+l_fX(s)-uZ(s)]

Q(s)＝G²uZ(s)

$X\left(s\right)=\frac{K_f{l}_f}{I_z}s+\frac{(l_f+l_r)K_f{K}_r}{I_z\mathrm{mu}}$

$Y\left(s\right)=\frac{K_f}{\mathrm{mu}}s-\frac{K_f{l}_f}{I_z}+\frac{K_f{K}_r{l}_r(l_f+l_r)}{I_z\mathrm{mu}}$

$Z\left(s\right)=s^2+(\frac{K_f+K_r}{\mathrm{mu}}+\frac{K_f{l}_f^2+K_r{l}_r^2}{I_{z}u})s-\frac{K_f{l}_f-K_r{l}_r}{I_z}+\frac{{(l_f+l_r)}^2{K}_f{K}_r}{I_z{\mathrm{mu}}^2}$

上述公式中：m为整车质量；u为车速；I_z为整车绕Z坐标的转动惯量；l_f和l_r分别为前、后轴到质心的距离；K_f和K_r分别为前、后车轮的侧偏刚度；d为轮胎拖距；G为转向系角位移传动比；G_as为与助力电机相连的减速机构的减速比；G_ac为行星轮系的等效传动比；K_eas为助力电机的电磁系数；f为驾驶员感知转向阻力矩变化系数，满足0＜f＜1；s为拉普拉斯变换子。

Images