CN102717826B - 车辆用电动助力转向系统回正控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆用电动助力转向系统回正控制的方法，包括以下步骤：S101：估算车辆的回正力矩；S103：判断所述车辆是否进入回正状态；S105：当所述车辆进入所述回正状态时确定回正控制车速相关系数；以及S107：对助力电机进行回正补偿控制，并且还可以在步骤S109中采用Simulink和dSPACE软硬件结合对所述车辆用电动助力转向系统回正控制的方法进行快速实现。根据本发明的车辆用电动助力转向系统回正控制的方法，无需考虑转角传感器测量出的参数，无需为电动助力转向系统配备转角传感器，节省了车辆成本，而对于已安装了转角传感器的车辆本发明提供的车辆用电动助力转向系统回正控制的方法也同样适用。

Description

车辆用电动助力转向系统回正控制的方法

技术领域

本发明涉及电动助力转向系统技术领域，尤其涉及一种车辆用电动助力转向系统回正控制的方法。

背景技术

车辆的电动助力转向系统（EPS）通常由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元（ECU）、助力电动机、电磁离合器以及减速机构等组成。电动助力转向系统的工作原理是通过安装在转向器上的转角传感器和扭矩传感器监测方向盘的角位移和作用于方向盘上的力矩，将监测结果与车速信息相结合，并按照一定的算法控制助力电动机产生相应的力矩来辅助驾驶员转动方向盘。

驾驶员在驾驶传统无助力或液压助力的车辆时，在高速行驶的状态下一个小幅度的方向调整或者在相对低速的常规转向后突然松开方向盘，方向盘能够依靠地面对车辆的回正力矩自行回到中间行驶位置附近，这种方向盘回正的特性为驾驶员提供了良好的方向感及力感，并减轻了驾驶员转向操作的难度。然而，由于电动助力转向系统转向传动机构和转向器摩擦力大的影响，降低了方向盘的回正性能，例如在高速行驶时方向盘回正超调，低速行驶时方向盘回正不足。这些现象在任何忽略了助力电机类型及转子位置或方向盘位置的电动助力转向系统中都会出现。

为了解决电动助力转向系统的上述缺陷，如今的电动助力转向系统在原有的电动助力转向系统的基础上设置了方向盘转角传感器。但是，这样一来就提高了整个电动助力转向系统的成本，同时也加大了维修的难度。

因此，需要一种不需要考虑转角传感器测量出的参数的车辆用电动助力转向系统回正控制的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种车辆用电动助力转向系统回正控制的方法，包括以下步骤：S101：估算车辆的回正力矩；S103：判断所述车辆是否进入回正状态；S105：当所述车辆进入所述回正状态时确定回正控制车速相关系数；以及S107：对助力电机进行回正补偿控制。

优选地，结合所述车辆的转向盘转矩以及所述电动助力转向系统的参数估算所述车辆的回正力矩。

优选地，比较所述车辆的转向盘转矩、助力电机转矩以及估算出的所述车辆的回正力矩作用在转向柱上的合力矩判断所述车辆是否进入所述回正状态，当所述合力矩的方向与所述回正力矩相同、并且所述合力矩的绝对值大于判定门限值时，所述车辆进入所述回正状态。

优选地，依据车速和所述车辆刚进入回正状态时的回正力矩确定回正控制车速相关系数。

优选地，将所述回正控制车速相关系数与所述助力电机的助力曲线结合，实现对所述助力电机的回正补偿控制。

优选地，通过对所述助力电机的电流施加补偿实现对所述助力电机的回正补偿控制。

优选地，在所述步骤S 107后还包括步骤S109，对所述车辆用电动助力转向系统回正控制的方法进行快速实现。

优选地，所述步骤S109包括以下步骤：S1091：对所述车辆用电动助力转向系统进行模型开发；S1093：将建立好的模型生成C代码；以及S1095：将调试好的模型与电动助力转向测试台架连接，验证所述车辆用电动助力转向系统回正控制的方法的有效性。

优选地，在所述步骤S1091中使用Simulink进行所述车辆用电动助力转向系统的模型开发。

优选地，在所述步骤S1091中，在进行所述车辆用电动助力转向系统的模型开发时，先定义整个系统的模型框架，再细化为子系统模型框架。

优选地，在所述步骤S1095后还包括步骤S1097，将所述模型安装在实际车辆上，进行实际车辆环境下的仿真和验证。

根据本发明的车辆用电动助力转向系统回正控制的方法，首先估算车辆的回正力矩，然后判断车辆是否进入回正状态，当车辆进入回正状态时确定回正控制车速相关系数，最后对助力电机进行回正补偿控制，以保证车辆在小的倾向加速度条件下也能够有足够的回正力矩，使转向盘在驾驶员撒手时能够自行回到中间行驶位置。整个方法的步骤中无需考虑转角传感器测量出的参数，无需为电动助力转向系统配备转角传感器，节省了车辆成本，而对于已安装了转角传感器的车辆本发明提供的车辆用电动助力转向系统回正控制的方法也同样适用。

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

图1为电动助力转向系统的模型示意图;

图2为电动助力转向系统回正控制方法的逻辑框图；

图3为快速实现本发明的车辆用电动助力转向系统回正控制的方法的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明公开了一种车辆用电动助力转向系统回正控制的方法，在完成电动助力转向系统的模型建立后，开始进行步骤S101：估算车辆的回正力矩；随后进行步骤S103：判断车辆是否进入回正状态；当车辆进入回正状态时开始进行步骤S105：确定回正控制车速相关系数；最后进入步骤S107：对助力电机进行回正补偿控制。

根据本发明的车辆用电动助力转向系统回正控制的方法，建立好电动助力转向系统的模型后首先估算车辆的回正力矩，然后判断车辆是否进入回正状态，当车辆进入回正状态时确定回正控制车速相关系数并对助力电机进行回正补偿控制，以保证车辆在小的倾向加速度条件下也能够有足够的回正力矩，使转向盘在驾驶员撒手时能够自行回到中间行驶位置。整个方法的步骤中无需考虑转角传感器测量出的参数，无需为电动助力转向系统配备转角传感器，节省了车辆成本，而对于已安装了转角传感器的车辆本发明提供的车辆用电动助力转向系统回正控制的方法也同样适用。

电动助力转向系统的模型可以使用Simulink等本领域技术人员熟悉的软件建立，图1所示即为建立好的电动助力转向系统的模型，车辆的回正力矩的估算需要结合车辆的转向盘转矩以及电动助力转向系统的参数，下面结合图1说明如何估算车辆的回正力矩。

电动助力转向系统（EPS）用于系统控制的信号主要包括转向盘转矩T_sens，电机电流I_mtr，电机电压V_T以及车速V。当驾驶员转动转向盘时，转向力矩T_hdl可以由转矩传感器测得，助力矩T_assist可以通过减速机构速比和测得的电机电流计算，而这两个力的和是驾驶员操作整个系统的动力，与之对应的阻力则是由车辆产生的回正力矩T_align，转向传动机构和转向器的摩擦力T_fric以及系统转动时的惯性力其中，J为整个转向系统在转向柱上的等效转动惯量，θs为转向柱的转角，为转向柱转角的方向，T_{f_mtr}为助力电机的摩擦力矩，T_{f_rp}为转向齿轮和齿条的摩擦力矩。根据以上关系，可得

$J\·\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}s=T_{\mathrm{hdl}}+T_{\mathrm{assist}}-T_{\mathrm{tran}}$ （式1，T_tran表示转向反力矩），

其中，

T_hdl=T_sens（式2）；

$T_{\mathrm{assist}}=G_{\mathrm{gear}}\·[K_T\·I_{\mathrm{mtr}}-T_{f\_\mathrm{mtr}}\·\mathrm{sgn}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}s\right)]$ （式3）；

$T_{\mathrm{tran}}=T_{\mathrm{align}}+T_{f\_\mathrm{rp}}\·\mathrm{sgn}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}s\right)$ （式4），

将以上四个公式整理可得：

$J\·\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}s=T_{\mathrm{sens}}+G_{\mathrm{gear}}\·K_T\·I_{\mathrm{mtr}}-T_{\mathrm{align}}-(G_{\mathrm{gear}}\·T_{f\_\mathrm{mtr}}+T_{f\_\mathrm{rp}})\·\mathrm{sgn}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}s\right)$ （式5）。

在式5中，转向柱转动角速度可通电机转速估计值与电机减速器速比G_gear计算，这样，就可以估计出转向轮的回正力矩。

从式5可知，当驾驶员没有转向输入时，转向系统的运动状态由回正力矩T_align和总摩擦力矩(G_gear.T_{f_mtr}+T_{f_rp})决定。车速较低的情况下，回正力矩如果小于总摩擦力矩，那么转向盘将不会回正，即使回正力矩大于总摩擦力矩，转向盘也会因为较大的阻力而残留较大的转角。车速较高的情况下，较大回正力矩会使转向盘回正超调，同样由于较大的阻力而使转向盘无法回正，有一定的侧向加速度残留。利用上面的转向轮回正力矩观测器和车速信号，可以在原有的转向助力控制基础上附加一定的补偿控制，使车辆低速时的回正力矩当量增大，高速时的回正力矩当量适当减小，以增强各种车速下的转向回正性能。

在估算出车辆的回正力矩后，就可以结合车辆的转向盘转矩和助力电机转矩进行车辆是否进入回正状态的判断，具体方法是：比较车辆的转向盘转矩、助力电机转矩以及估算出的车辆的回正力矩作用在转向柱上的合力，设置一个和车速相关的判定力矩的门限值，当合力矩与回正力矩方向相同，且合力矩的绝对值大于判定门限值时，才认为车辆正处于回正状态，车辆刚进入回正状态时的回正力矩称为初始回正力矩。

随后依据车速和车辆刚进入回正状态时的回正力矩确定回正控制车速相关系数，并将该回正控制车速相关系数与助力电机的助力曲线结合，实现对助力电机的回正补偿控制。具体地，可以通过对助力电机的电流施加补偿实现对助力电机的回正补偿控制。这里的助力电机可以采用有刷直流电机或者无刷电机。

回正控制车速相关系数K_return可以依据车速和车辆刚进入回正状态时的回正力矩查二维数表得到，该二维数表可以通过以下方法确定。

第一步，设定一个试验车速，如30km/h；第二步，设定一个转向盘力矩幅值，可以使车辆在驾驶员撒手时，以一定的初始回正力矩自由回正，调节K_return，直至车辆回正效果满意；第三步，每隔0.5Nm改变转向盘力矩幅值，从而改变初始回正力矩，重复第二步的过程直至该车速下各初始回正力矩下车辆回正效果满意；最后，进行变试验车速，重复第二步和第三步的过程，直至在各车速下车辆回正效果满意。

为了保证本发明的电动助力转向回正控制的方法能够可靠地应用到实际车辆上，该方法还包括步骤S109：对车辆用电动助力转向系统回正控制的方法进行快速实现。具体地，步骤S109包括以下步骤：S1091：对所述车辆用电动助力转向系统进行模型开发；S1093：将建立好的模型生成C代码；以及S1095：将调试好的模型与电动助力转向测试台架连接，验证所述车辆用电动助力转向系统回正控制的方法的有效性。其中，在步骤S1091中，对电动助力转向系统的模型开发可以使用Simulink软件，具体的使用方法本领域的普通技术人员都已知晓，本文不再对这部分内容进行赘述。在进行电动助力转向系统的模型开发时，可以先定义整个系统的模型框架，随后再细化为子系统模型框架。在这个过程中，各个子系统之间的变量、联系和接口已经统一考虑清楚。在复杂多变量大系统中使用这种快速实现方法，优点会更加明显。在进行步骤S1093将建立好的模型生成C代码时，可以通过dSPACE硬件和Target Link软件完成，这样就能够省去开发板编写源代码的复杂过程。在步骤S1095中可以将调试好的电动助力转向系统的模型和dSPACE硬件一起直接与电动助力转向测试台架连接，以实现在实验室的开发环境中直接验证回正控制策略的有效性，实现硬件在环的仿真和验证。

完成上述调试过程后，可以将电动助力转向系统的模型和dSPACE控制器安装在实车上，进行实车环境下的验证。在验证过程中，可以采用自下而上的方法，首先确定子模块的功能是否正确，然后测试子系统的功能是否正确，最后验证这个系统的回正控制的方法是否正确。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (6)

1.一种车辆用电动助力转向系统回正控制的方法，包括：判断车辆是否进入回正状态以及对助力电机进行回正补偿控制，其特征在于，所述车辆用电动助力转向系统回正控制的方法包括以下步骤：

S101：估算车辆的回正力矩，结合所述车辆的转向盘转矩以及所述电动助力转向系统的参数估算所述车辆的回正力矩；

S103：判断所述车辆是否进入回正状态，比较所述车辆的转向盘转矩、助力电机转矩以及估算出的所述车辆的回正力矩作用在转向柱上的合力矩判断所述车辆是否进入所述回正状态，当所述合力矩的方向与所述回正力矩相同、并且所述合力矩的绝对值大于判定门限值时，所述车辆进入所述回正状态；

S105：当所述车辆进入所述回正状态时确定回正控制车速相关系数，依据车速和所述车辆刚进入回正状态时的回正力矩确定回正控制车速相关系数；以及

S107：对助力电机进行回正补偿控制，将所述回正控制车速相关系数与所述助力电机的助力曲线结合，实现对所述助力电机的回正补偿控制。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对所述助力电机的电流施加补偿实现对所述助力电机的回正补偿控制。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S107后还包括步骤S109，对所述车辆用电动助力转向系统回正控制的方法进行快速实现。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S109包括以下步骤：

S1091：对所述车辆用电动助力转向系统进行模型开发；

S1093：将建立好的模型生成C代码；以及

S1095：将调试好的模型与电动助力转向测试台架连接，验证所述车辆用电动助力转向系统回正控制的方法的有效性。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1091中，在进行所述车辆用电动助力转向系统的模型开发时，先定义整个系统的模型框架，再细化为子系统模型框架。

6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1095后还包括步骤S1097，将所述模型安装在实际车辆上，进行实际车辆环境下的仿真和验证。