CN102923185B - 电控液压助力转向系统控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电控液压助力转向系统控制器及其控制方法，该控制器包括：微处理器模块以及与微处理器模块相连的电源模块、信号调理模块、CAN模块和驱动模块。本发明在车辆原地转向或低速转向时，满足低速转向轻便性的要求；在车辆高速转向时，满足高速时的操纵稳定性要求，在紧急转向时，保证转向的响应性。在满载转向时，控制器按照比当前车速低的车速下的助力特性执行控制程序，增强了转向“路感”。控制器采用单片机作为控制核心，由于信号主要是以数字形式传输，所以控制器抗干扰能力强，而且通过优化助力特性曲线和控制参数可以使控制达到最优化。

Description

电控液压助力转向系统控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电控液压助力转向技术领域，尤其涉及一种电控液压助力转向系统控制器及其控制方法。

背景技术

传统的汽车采用液压助力转向系统，转向系统的助力特性是固定的，即转向助力大小不随转向工况的不同而相应地调节。例如当汽车高速转向时，由于转向助力大，驾驶员就会感觉路感不清晰，感觉汽车“发飘”，这样汽车的操纵稳定性和行驶安全性就得不到保证。为了提高汽车的操纵稳定性，改进型液压助力转向系统的助力特性在小操纵转矩区更平、更长，牺牲了低速转向的轻便性来提高高速转向的安全性，但是低速转向时就会感觉沉重。随着经济的发展和生活水平的提高，人们对汽车的舒适性和安全性提出了更高的要求，表现在转向系统领域就是要求低速转向时轻便，高速转向时稳定。上世纪末出现的电动助力转向系统和电动液压助力系统能使汽车在低速转向时轻便，高速转向时稳定，但是由于其功率有限，不适用于前轴负荷较大的重型车辆。

电控液压助力转向系统（简称ECHPS）在传统液压助力转向系统的基础上加装电子执行装置，使系统的压力和流量随行驶工况的变化而变化，从而实现低速转向轻便，高速转向稳定的目标；而且ECHPS仍然采用液压泵作为助力源，可以提供足够的转向功率，因此适用于重型车辆，此方案能提高重型车辆的转向轻便性和操稳性。专利“电控液压动力转向器总成”（CN200620066801.9）采用步进电机来调节旁通阀的节流孔大小，以控制进入转向控制阀的液压油流量，控制器根据车速调节旁通阀的节流孔大小，保证低速转向轻便性和高速转向稳定性；专利“一种阀特性电子控制液压转向系统”（CN200620127131.7）提出在转向器的油路中并联电磁比例节流阀，电子控制单元根据车速信号适时改变电磁比例节流阀的线圈电流从而改变节流阀节流口的大小，但是此专利没有给出控制器的具体方案和控制方法；专利“汽车电控液压助力转向系统”（CN200320118460.1）提出在转向器的进油管和回油管间并联连接电磁阀，控制装置根据车速传感器的信号控制电磁阀阀口的开度从而调节转向系统的压力，使驾驶员操作的方向盘在汽车低速时有较轻的手感，高速时具有较重的手感，而且给出了相应的控制电路，但是由于控制器采用模拟电路，所以控制器极易受到干扰，控制参数固定，不能适应工况的变化，而且没有给出控制方法。

综上所述，现有转向系统存在如下技术问题：液压助力转向系统不能兼顾转向轻便性和操纵稳定性且能耗高，基于电动泵的电动液压助力转向系统和电动助力转向系统不能满足重型车辆对大转向功率的要求。基于旁通阀节流孔调节的电控液压转向系统的控制器采用模拟电路，抗干扰能力差，控制参数固定，而且没有考虑极限工况下的控制方法。

有鉴于此，有必要提出了一种电控液压助力转向系统控制器及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电控液压助力转向系统控制器及其控制方法。

本发明的一种电控液压助力转向系统控制器，所述控制器包括：

微处理器模块；

电源模块，与所述微处理器模块相连，用于处理电源中的共模和串模干扰，并产生控制器中芯片所需的电压；

信号调理模块，与所述微处理器模块相连，用于调理转角、车速、转速、压力、电流和点火信号；

CAN模块，与所述微处理器模块相连，用于接收车速和转速信号；

驱动模块，与所述微处理器模块相连，用于把微处理器模块发出的PWM信号放大为驱动比例阀线圈的电流信号。

作为本发明的进一步改进，所述电源模块由第一低通滤波器、扼流线圈、电源继电器、第二低通滤波器、防反接电路、稳压芯片TLE4276和稳压芯片TLE4271组成，稳压芯片TLE4276给传感器供电，稳压芯片TLE4271给信号调理模块和微处理器模块供电。

作为本发明的进一步改进，所述信号调理模块包括：

车速和转速信号处理电路，所述车速和转速处理电路由浪涌抑制器、低通滤波器、光耦隔离和施密特触发器依次串接而成；

转角信号处理电路，所述转角信号处理电路由钳位二极管、二阶低通滤波器、光耦隔离、迟滞比较器依次串联而成；

压力信号处理电路，所述压力信号处理电路由齐纳二极管和有源低通滤波器依次串接而成；

电流信号处理电路，所述电流信号处理电路由低通滤波器和差分放大器依次串接而成；

点火信号处理电路，所述点火信号处理电路由稳压二极管、分压电路、π型滤波器依次串联而成。

作为本发明的进一步改进，所述微处理器模块以单片机XC866为处理芯片。

作为本发明的进一步改进，所述驱动模块由功率放大电路、电流反馈电阻、续流二极管、滤波电容组成。

相应地，一种电控液压助力转向系统控制器的控制方法，所述方法包括：

根据转角、车速、系统压力信号和助力特性曲线计算出理论系统压力；

电流控制器根据输入的理论系统压力运算出对应的比例阀目标电流；

目标电流与反馈电流的差值输入到PID控制器，PID控制器的运算结果控制PWM信号的占空比，从而控制比例阀的阀口位移，随着位移的变化，液压系统的助力随之相应变化。

作为本发明的进一步改进，所述方法包括：

当车辆低速转向时，控制器控制比例阀的开度变小，此时比例阀旁通少量油液，使转向器提供足够的转向助力；当车辆高速转向时，控制器控制比例阀的开度变大，此时比例阀旁通大量油液，转向器提供的助力变小。

作为本发明的进一步改进，所述方法包括：

当高速紧急转向时，为了保证转向的快速响应性，比例阀的开度应减小，此时助力增大，以免转向沉重。

作为本发明的进一步改进，所述方法包括：

当车辆满载时，控制器若检测到一定车速下系统压力超过原先设计的值，控制器则按照比现在车速低的车速下的助力特性执行控制程序。

本发明的有益效果是：本发明电控液压助力转向系统控制器及其控制方法在车辆原地转向或低速转向时，满足低速转向轻便性的要求；在车辆高速转向时，满足高速时的操纵稳定性要求，在紧急转向时，保证转向的响应性。在满载转向时，控制器只要检测到一定车速下系统压力超过原先设计的值，控制器就会按照比现在车速低的车速下的助力特性执行控制程序，由于低车速下的助力压力在强路感区比高车速下的助力压力大，所以车辆满载时，转向系统仍然工作在强路感区，这种把助力压力引入助力特性的方法保证了车辆在空载和满载时都有很强的操纵稳定性。控制器采用单片机作为控制核心，由于信号主要是以数字形式传输，所以控制器抗干扰能力强，而且通过优化助力特性曲线和控制参数可以使控制达到最优化。不仅提出了一般工况下的控制方法，而且也考虑了极限工况下的控制方法，而且还考虑了车辆在同一车速下由于转向载荷不同助力也应相应变化的情况，这样就保证了车辆在满载和空载情况下驾驶员的转向手感不会相差太大。

附图说明

图1为本发明一实施方式电控液压助力转向系统控制器的结构示意图。

图2为本发明一实施方式控制器中电源模块的结构示意图。

图3为本发明一实施方式控制器中信号调理模块的结构示意图。

图4为本发明一实施方式控制器中驱动模块的结构示意图。

图5为本发明一实施方式中电控液压助力转向系统控制器控制方法的示意图。

图6为本发明一实施方式中微处理器模块执行程序的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示为本发明的一种电控液压助力转向系统控制器，图1中，+BAT表示电源正极，CAN表示总线通信模块，PWM表示脉宽调制信号，SOL+表示比例阀接线正端，SOL-表示比例阀接线负端，控制器包括：

微处理器模块(MCU)10；

电源模块20，与所述微处理器模块10相连，用于处理电源中的共模和串模干扰，并产生控制器中芯片所需的电压；

信号调理模块30，与所述微处理器模块10相连，用于调理转角、车速、转速、压力、电流和点火信号；

CAN模块40，与所述微处理器模块10相连，用于接收车速和转速信号；

驱动模块50，与所述微处理器模块10相连，用于把微处理器模块发出的PWM信号放大为驱动比例阀线圈的电流信号。

参图2所示，电源模块20中，+BAT表示电源正极，Relay_En表示电源继电器使能信号，+24V表示经过处理过的电源正极，Power_En1表示电源芯片TLE4276使能信号1，Power_En2表示电源芯片TLE4271使能信号2，IGN表示经过处理的点火信号，Vdd表示单片机供电电源，Vsensor表示传感器供电电源。电源模块20由第一低通滤波器21、扼流线圈22、电源继电器23、第二低通滤波器24、防反接电路25、稳压芯片TLE4276 26和稳压芯片TLE4271 27组成。其中：

第一低通滤波器21为一阶电容滤波电路，初步滤除电源中的干扰信号；

扼流线圈22用来滤除共模干扰；

电源继电器23的作用是在控制器检测到无法容错的故障时切断电源供应以确保安全；

第二低通滤波器24为LC π型滤波电路；

防反接电路25是用一个大电流二极管串联在电源电路中，防止电源的正负极反接；

稳压芯片TLE4276 26的输出电压给各传感器供电；

稳压芯片TLE4271 27输出电源供信号调理模块30和微处理器模块10使用。

参图3所示，信号调理模块30包括车速和转速信号处理电路31、转角信号处理电路32、压力信号处理电路33、电流信号处理电路34、点火信号处理电路35，该模块的作用是滤除各信号中的杂波，削除尖峰脉冲以及整形不规则的方波信号，使信号的电压范围适合单片机的要求，经过调理后的车速、转速、转角信号输入到单片机的捕获单元，压力和电流信号输入单片机的模数转换单元，点火信号输入电源芯片的使能端。

图3(a)为车速和转速信号处理电路示意图，车速和转速处理电路由浪涌抑制器、低通滤波器、光耦隔离和施密特触发器依次串接而成。由于车速和转速信号都是频率变化的脉冲信号，所以车速和转速信号的处理电路基本相同，只是个别电阻值和电容值不同；

图3 (b)为转角信号处理电路示意图，转角信号处理电路，转角信号处理电路由钳位二极管、二阶低通滤波器、光耦隔离、迟滞比较器依次串联而成；

图3 (c)为压力信号处理电路示意图，压力信号处理电路，压力信号处理电路由齐纳二极管和有源低通滤波器依次串接而成；

图3 (d)为电流信号处理电路示意图，电流信号处理电路，电流信号处理电路由低通滤波器和差分放大器依次串接而成；

图3 (e)为点火信号处理电路示意图，点火信号处理电路，点火信号处理电路由稳压二极管、分压电路、π型滤波器依次串联而成。

参图4所示，驱动模块50的作用是把微处理器发出的PWM信号放大为驱动比例阀线圈的电流信号，由功率放大电路、电流反馈电阻Rf、续流二极管D1、滤波电容组成。功率放大电路包括功率管Q1，外围电阻R1、R2，二极管D2~D4，D2和D3串联后并联在功率管Q1的漏极和栅极，D4和R2分别并联在功率管Q1的栅极和源级。功率管Q1始终工作在饱和区和截止区，因此相当于一个电子开关，而且功耗很小，R1为Q1栅源间电容的充电电阻，选择合适的阻值可以保证功率管通断时没有尖峰脉冲，R2为Q1栅源间电容的放电电阻，选择合适的阻值可以保证功率管的开关速度，D2~D4是反向击穿二极管即齐纳二极管，作用是当比例阀的反电动势很大时保护功率管的漏-栅结、栅-源结；电流反馈电阻Rf是精度为0.5%的精密电阻，阻值为0.1欧姆，用来反馈比例阀的电流；续流二极管D1是肖特基二极管，特点是恢复速度快，电流大，用于给线圈反电动势提供泄流通道；滤波电容主要用来滤除功率管开关过程中形成的尖峰脉冲，防止干扰杂波进入电源中。

优选地，本实施方式中微处理器模块10以单片机XC866为处理芯片。CAN模块40用来接收车速和转速信号，因为有些车型车速和转速信号是以CAN总线形式传输的，以及向总线发送控制器的状态信息。

参图5所示，本发明的一种电控液压助力转向系统控制器的控制方法，其包括：

根据转角、车速、系统压力信号和助力特性曲线计算出理论系统压力Pt；

电流控制器根据输入的理论系统压力运算出对应的比例阀目标电流It；

目标电流It与反馈电流If的差值输入到PID控制器，PID控制器的运算结果控制PWM信号的占空比，从而控制比例阀的阀口位移，随着位移的变化，液压系统的助力随之相应变化。

当车辆低速转向时，控制器控制比例阀的开度变小，此时比例阀旁通少量油液，使转向器提供足够的转向助力；当车辆高速转向时，控制器控制比例阀的开度变大，此时比例阀旁通大量油液，转向器提供的助力变小；

当高速紧急转向时，为了保证转向的快速响应性，比例阀的开度应减小，此时助力增大，以免转向沉重；

当车辆满载时，一定车速下转向阻力比空载时增大，系统的压力会从强路感区变成助力区以平衡增大的转向阻力，这样高速行驶的路感变差，一定车速下只要检测到系统压力超过原先设计的值，控制器就会按照比现在车速低的车速下的助力特性执行控制程序，由于低车速下的助力压力在强路感区比高车速下的助力压力大，所以车辆满载时，转向系统仍然工作在强路感区，这种把助力压力引入助力特性的方法保证了车辆在空载和满载时都有很强的操纵稳定性。

参图6所示，电控液压助力转向系统控制器工作过程：控制器接收到点火使能信号后，稳压芯片TLE4276和稳压芯片TLE4271开始运行，输出传感器和单片机供电电压，单片机得电后系统复位，程序开始运行。首先单片机对各端口初始化，初始化完成后对各部件自检，如果检测到故障，程序跳转到故障检测继续自检，如果如此循环1秒钟一直有故障存在，那么程序结束，只要1秒钟内没有故障，程序继续往下运行；接下来对转速值进行判断，如果一段时间内转速值始终大于设定值，说明发动机启动正常，如果转速值不大于设定值，程序一直在此处循环直至转速值大于设定值；接下来控制器的I/O端口输出稳压芯片和电源继电器使能信号，使稳压芯片在发动机点火信号结束后仍然正常工作，使驱动模块在电源继电器接通后得到供电，控制器一旦检测到故障立即切断电源继电器；然后单片机根据转角、车速、压力并结合助力特性曲线运算出目标电流，紧接着根据目标电流和反馈电流运用PID运算出PWM占空比，PWM模块输出PWM信号至驱动模块，至此控制器一个完整的工作周期结束，接下来程序跳转到故障检测继续下一个周期。转角、车速、压力、电流信号的采集和处理通过中断的方式进行即各信号采集完毕主程序暂停运行，单片机运行中断服务程序对各信号进行处理，处理的结果存储起来供主程序使用，中断服务程序运行结束后，单片机继续运行之前暂停的主程序。转角、车速、压力、电流信号的中断优先级为转角>压力>电流>车速。

由上述技术方案可以看出，本发明电控液压助力转向系统控制器及其控制方法在车辆原地转向或低速转向时，满足低速转向轻便性的要求；在车辆高速转向时，满足高速时的操纵稳定性要求，在紧急转向时，保证转向的响应性。在满载转向时，控制器只要检测到一定车速下系统压力超过原先设计的值，控制器就会按照比现在车速低的车速下的助力特性执行控制程序，由于低车速下的助力压力在强路感区比高车速下的助力压力大，所以车辆满载时，转向系统仍然工作在强路感区，这种把助力压力引入助力特性的方法保证了车辆在空载和满载时都有很强的操纵稳定性。控制器采用单片机作为控制核心，由于信号主要是以数字形式传输，所以控制器抗干扰能力强，而且通过优化助力特性曲线和控制参数可以使控制达到最优化。不仅提出了一般工况下的控制方法，而且也考虑了极限工况下的控制方法，而且还考虑了车辆在同一车速下由于转向载荷不同助力也应相应变化的情况，这样就保证了车辆在满载和空载情况下驾驶员的转向手感不会相差太大。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电控液压助力转向系统控制器，其特征在于，所述控制器包括：

微处理器模块；

电源模块，与所述微处理器模块相连，用于处理电源中的共模和串模干扰，并产生控制器中芯片所需的电压；所述电源模块由第一低通滤波器、扼流线圈、电源继电器、第二低通滤波器、防反接电路、稳压芯片TLE4276和稳压芯片TLE4271组成，稳压芯片TLE4276给传感器供电，稳压芯片TLE4271给信号调理模块和微处理器模块供电；

信号调理模块，与所述微处理器模块相连，用于调理转角、车速、转速、压力、电流和点火信号；所述信号调理模块包括：

车速和转速信号处理电路，由浪涌抑制器、低通滤波器、光耦隔离和施密特触发器依次串接而成；

转角信号处理电路，由钳位二极管、二阶低通滤波器、光耦隔离、迟滞比较器依次串联而成；

压力信号处理电路，由齐纳二极管和有源低通滤波器依次串接而成；

电流信号处理电路，由低通滤波器和差分放大器依次串接而成；

点火信号处理电路，由稳压二极管、分压电路、π型滤波器依次串联而成；

CAN模块，与所述微处理器模块相连，用于接收车速和转速信号；

驱动模块，与所述微处理器模块相连，用于把微处理器模块发出的PWM信号放大为驱动比例阀线圈的电流信号；所述驱动模块由功率放大电路、电流反馈电阻、续流二极管、滤波电容组成。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述微处理器模块以单片机XC866为处理芯片。

3.一种如权利要求1所述的电控液压助力转向系统控制器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据转角、车速、系统压力信号和助力特性曲线计算出理论系统压力；

电流控制器根据输入的理论系统压力运算出对应的比例阀目标电流；

目标电流与反馈电流的差值输入到PID控制器，PID控制器的运算结果控制PWM信号的占空比，从而控制比例阀的阀口位移，随着位移的变化，液压系统的助力随之相应变化。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

当车辆低速转向时，所述PID控制器控制比例阀的开度变小，此时比例阀旁通少量油液，使转向器提供足够的转向助力；当车辆高速转向时，所述PID控制器控制比例阀的开度变大，此时比例阀旁通大量油液，转向器提供的助力变小。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

当高速紧急转向时，为了保证转向的快速响应性，比例阀的开度应减小，此时助力增大，以免转向沉重。

6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

当车辆满载时，所述的电控液压助力转向系统控制器若检测到一定车速下系统压力超过原先设计的值，所述的电控液压助力转向系统控制器则按照比现在车速低的车速下的助力特性执行控制程序。