CN103085864B - 一种电动助力转向系统扭矩传感器零点漂移补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种电动助力转向系统扭矩传感器零点漂移补偿方法，包括转向系统、助力电机、PID控制器、扭矩传感器、状态观测器，通过建立EPS系统空间状态模型，采用状态观测器对电动助力转向系统进行状态观测，检测扭矩传感器偏离零点时的输出是由驾驶员输入产生还是由扭矩传感器本身零点漂移产生；检测是扭矩传感器本身零点漂移产生的输出，则记录此值，并执行扭矩传感器零点漂移补偿算法；实现对扭矩传感器零点校准。本发明通过建立EPS系统空间状态模型，并采用状态观测器对系统进行状态观测，纯软件补偿，提高了扭矩传感器可靠性；当扭矩传感器补偿值大于预定范围时，可对扭矩传感器进行故障报警，提高了整个系统的安全。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电动助力转向系统的扭矩传感器补偿技术领域，尤其涉及一种电动助力转向系统扭矩传感器零点漂移补偿方法。
背景技术
汽车转向系统是汽车的一个重要底盘部件，牵涉到汽车的行驶性能。转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全，减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全，减轻驾驶员劳动强度有着重要作用。
电动助力转向系统（Electronic Power Steering简称EPS）是一种由电机提供助力能源的动力转向系统，主要由扭矩传感器、车速传感器、助力电机及减速机构、ECU控制单元组成；当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给ECU（控制器）, ECU根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流有大小，从而完成实时助力转向控制。因此ECU可以很容易地实现在车速不同时由电机提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。
目前国内EPS发展迅速，研发制造企业已由几家发展到十几家甚至上百家。由于国内汽车整体水平的提高，对EPS提出更重要的性能指标及可靠性要求。由于对EPS安全及技术的要求很高，即对EPS中占重要组成的两大重要部件传感器和ECU也提出了更高的要求，由于ECU是根据扭矩信号来控制助力大小，对处在信号源前端的传感器要求就更高了。
汽车在行驶过程中，EPS是在连续工作，如果在没有输入的情况下，而扭矩传感器存在输出，偏离了零点，则汽车行驶的过程中便产生助力转动转向盘，使得汽车偏离直线行驶，情况严重将导致汽车转向功能失效。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种电动助力转向系统扭矩传感器零点漂移补偿方法，以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种电动助力转向系统扭矩传感器零点漂移补偿方法，包括转向系统、助力电机、PID控制器、扭矩传感器、状态观测器，通过建立EPS系统空间状态模型，采用状态观测器对电动助力转向系统进行状态观测，检测扭矩传感器偏离零点时的输出是由驾驶员输入产生还是由扭矩传感器本身零点漂移产生；当检测是扭矩传感器本身零点漂移产生的输出，则记录此值，并执行扭矩传感器零点漂移补偿算法；实现对扭矩传感器零点校准，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。
一种电动助力转向系统扭矩传感器零点漂移补偿方法，具体方法包括如下：
第一步：建立状态观测器，观测扭矩传感器产生零点漂移的时刻；区别是驾驶员输入力矩使得扭矩传感器输出，还是扭矩传感器零点漂移产生输出；在没有驾驶员输入力矩或外力输入转向盘时，此状态称之转向盘自由状态，如果扭矩传感器正常，处在自由状态下的扭矩传感器没有输出，扭矩传感器没有产生零点漂移；反之，则扭矩传感器产生了零点漂移，需要对扭矩传感器进行校准或补偿；由于EPS中包括管柱和传感器执行系统及电机执行系统，执行系统中含有丰富的状态信息，能提高状态鉴别的精度，在做状态监测时，同时建立电机执行子系统数学模型和整个EPS执行动力学模型；
EPS执行动力学模型：
（1-1）
（1-2）
（1-3）
（1-4）
（1-5）
式中，θs为转向盘转角，θm为电机转角，Th为驾驶员输入力矩，Ts为扭矩传感器测出的转矩，为电机电磁转矩，为齿轮位移，为电机控制电压；
根据状态空间表达形式，建立电动助力转向系统的空间状态模型：
根据（1-1）～（1-3）式，令状态向量为
（1-6）
（1-7）
（1-8）
由于，，为常数，令它们分别等于；将公式（1-6）～（1-8）整理后得，
, ,，，
上式中，Z为系统线性输入，A为系统的系统矩阵，X为系统的状态向量，B为控制矩阵，U为输入向量，C为输出矩阵，系统以Th为输入，以θm，为输出；
经过标准矩阵修正后的实际矩阵为
电机执行子系统数学模型：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
（2-4）
其中，为电机回路总电阻，为电机电流，为电机端电压，为电机电枢电感，Ce为电枢反电动势常数，为电动机转子旋转速度，Cm为电机电磁转矩常数；EPS执行器的力矩通过蜗轮蜗杆减速后施加到转向轴上；
根据状态空间表达形式，（2-1）～（2-4）建立直流有刷助力电机的空间状态模型：
直流电机对象引入两个状态变量：，选取输入量：，输出量为；再根据公式（2-1）～（2-4）经过整理消去中间变量，可以表示成为：
再将代人上式，得到状态空间表达式
从上面两个状态监测器可以看出，为系统的状态；，驾驶员输入力矩Th和车速V作为系统输入，电机电流作为输出，可由控制器中电流检测部件获得，
当转向盘处于自由状态时，和全为零，而当驾驶员输入力矩时或有外力作用于转向系统时，和不全为零；如果当转向盘处于自由状态时，电机电流为零，从而可以得出在某一个车速下转向盘输入扭矩Th为零，如果此刻扭矩传感器有输出，则扭矩传感器发生了零点漂移，漂移值的大小为Ts；
在上述状态监测中，车辆在转向时转动转向盘，驾驶员输入力矩为Th，输入力矩后EPS中扭矩传感器检测到一个力矩Ts，若扭矩传感器没有发生零点漂移，则驾驶员输入力矩Th与检测的力矩Ts相等。
第二步：设计补偿算法计算漂移值的大小，EPS的扭矩信号设有主辅两路，在实际控制时，主路控制，辅路主要判断故障等，主路和辅路电压之和为5V；扭矩传感器的零点中间位置在2.5V处，小于2.5V代表向左输入力矩，大于2.5V代表向右输入力矩；状态观测器一边采集数据，一边计算，实现对系统状态的实时的观测，其递推公式计算可由单片机或数字信号处理（Digital signal processing，简称DSP）在线完成；具体算法为：
在扭矩传感器出厂时主路初始电压Umref为2.52V，辅路初始电压Usref为2.48V，假设经过2万公里路试，主路初始电压Umref变为电压Um1 =2.43V，辅路初始电压Umref变为电压Us1=2.57V，经过计算
第三步：将补偿值更新至助力模块中，使助力值达到左右相等；经过补偿后，传感器主路电压为Um=2.43-(-0.07)=2.5V，与理想主路电压相同，与主路初始电压Umref（2.52V）相差0.02V；即可把漂移值（补偿值）存入单片机或数字信号处理（DSP）的EEPROM中，在助力模型中对扭矩的漂移进行补偿。
经过上述算法后，完成扭矩传感器的零点漂移补偿，使整个系统恢复正常转向；若扭矩传感器继续发生零点漂移，整个补偿控制算法包括状态观测器继续监测，反复循环对整个系统执行第一、二步，持续对整个系统进行零点漂移的补偿，直至整个系统恢复正常转向。
有益效果
本发明通过建立EPS系统空间状态模型，并采用状态观测器对系统进行状态观测，检测扭矩传感器偏离零点时的输出，纯软件补偿，不增加任何硬件或成本，提高了扭矩传感器可靠性，效验精度高；且在整个行车过程中对扭矩传感器实时监测，并对扭矩传感器零点实时补偿，确保扭矩传感器的可靠，同时，当扭矩传感器补偿值大于扭矩传感器线性范围时，可对扭矩传感器进行故障报警，提高了整个系统的安全。
附图说明
图1为本发明中扭矩传感器零点漂移补偿控制闭环结构示意图。
图2为本发明中扭矩传感器零点漂移补偿控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1、图2的一种电动助力转向系统扭矩传感器零点漂移补偿方法，包括转向系统、助力电机、PID控制器、扭矩传感器、状态观测器，具体补偿方法包括如下：
第一步：建立状态观测器，观测扭矩传感器产生零点漂移的时刻；区别是驾驶员输入力矩使得扭矩传感器输出，还是扭矩传感器零点漂移产生输出；在没有驾驶员输入力矩或外力输入转向盘时，此状态称之转向盘自由状态，如果扭矩传感器正常，处在自由状态下的扭矩传感器没有输出，扭矩传感器没有产生零点漂移；反之，则扭矩传感器产生了零点漂移，需要对扭矩传感器进行校准或补偿；由于EPS中包括管柱和传感器执行系统及电机执行系统，执行系统中含有丰富的状态信息，能提高状态鉴别的精度，在做状态监测时，同时建立电机执行子系统数学模型和整个EPS执行动力学模型；
EPS执行动力学模型：
（1-1）
（1-2）
（1-3）
（1-4）
（1-5）
式中，θs为转向盘转角，θm为电机转角，Th为驾驶员输入力矩，Ts为扭矩传感器测出的转矩，为电机电磁转矩，为齿轮位移，为电机控制电压；
根据状态空间表达形式，建立电动助力转向系统的空间状态模型：
根据（1-1）～（1-3）式，令状态向量为
（1-6）
（1-7）
（1-8）
由于，，为常数，令它们分别等于；将公式（1-6）～（1-8）整理后得，
, ,，，
上式中，Z为系统线性输入，A为系统的系统矩阵，X为系统的状态向量，B为控制矩阵，U为输入向量，C为输出矩阵，系统以Th为输入，以θm，为输出；
经过标准矩阵修正后的实际矩阵为
电机执行子系统数学模型：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
（2-4）
其中，为电机回路总电阻，为电机电流，为电机端电压，为电机电枢电感，Ce为电枢反电动势常数，为电动机转子旋转速度，Cm为电机电磁转矩常数；EPS执行器的力矩通过蜗轮蜗杆减速后施加到转向轴上；
根据状态空间表达形式，（2-1）～（2-4）建立直流有刷助力电机的空间状态模型：
直流电机对象引入两个状态变量：，选取输入量：，输出量为；再根据公式（2-1）～（2-4）经过整理消去中间变量，可以表示成为：
再将代人上式，得到状态空间表达式
从上面两个状态监测器可以看出，为系统的状态；，转向盘输入转矩Th和车速V作为系统输入，电机电流作为输出，可由控制器中电流检测部件获得，
当转向盘处于自由状态时，和全为零，而当驾驶员输入力矩时或有外力作用于转向系统时，和不全为零；如果当转向盘处于自由状态时，电机电流为零，从而可以得出在某一个车速下转向盘输入扭矩Th为零，如果此刻扭矩传感器有输出，则扭矩传感器发生了零点漂移，漂移值的大小为Ts；
在上述状态监测中，车辆在转向时转动转向盘，驾驶员输入力矩为Th，输入力矩后EPS中扭矩传感器检测到一个力矩Ts，若扭矩传感器没有发生零点漂移，则驾驶员输入力矩Th与检测的力矩Ts相等。
第二步：设计补偿算法计算漂移值的大小，EPS的扭矩信号设有主辅两路，在实际控制时，主路控制，辅路主要判断故障等，主路和辅路电压之和为5V；扭矩传感器的零点中间位置在2.5V处，小于2.5V代表向左输入力矩，大于2.5V代表向右输入力矩；状态观测器一边采集数据，一边计算，实现对系统状态的实时的观测，其递推公式计算可由单片机或数字信号处理（Digital signal processing，简称DSP）在线完成；具体算法为：
在扭矩传感器出厂时主路初始电压Umref为2.52V，辅路初始电压Usref为2.48V，假设经过2万公里路试，主路初始电压Umref变为电压Um1 =2.43V（相当于A值），辅路初始电压Umref变为电压Us1=2.57V，经过计算
（相当于B值）
第三步：将补偿值更新至助力模块中，使助力值达到左右相等；经过补偿后，传感器主路电压为Um=2.43-(-0.07)=2.5V（相当于C值），与理想主路电压相同，与主路初始电压Umref（2.52V）相差0.02V；即可把漂移值（补偿值）存入单片机或数字信号处理（DSP）的EEPROM中，在助力模型中对扭矩的漂移进行补偿。
经过上述算法后，完成扭矩传感器的零点漂移补偿，整个系统恢复正常转向；若扭矩传感器继续发生零点漂移，整个补偿控制算法包括状态观测器继续监测，反复循环地对整个系统执行第一、二步，持续对整个系统进行零点漂移的补偿，直至整个系统恢复正常转向；补偿的过程如表一所示。
表一 扭矩传感器零点漂移后持续补偿状态表
注： 当扭矩传感器的补偿值大于某一设定值时，说明扭矩传感器零点漂移非常严重，控制器对其进行故障显示。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种电动助力转向系统扭矩传感器零点漂移补偿方法，其特征在于，包括转向系统、助力电机、PID控制器、扭矩传感器、状态观测器，通过建立EPS系统空间状态模型，采用状态观测器对电动助力转向系统进行状态观测，检测扭矩传感器偏离零点时的输出是由驾驶员输入产生还是由扭矩传感器本身零点漂移产生；当检测是扭矩传感器本身零点漂移产生的输出，则记录此值，并执行扭矩传感器零点漂移补偿算法；实现对扭矩传感器零点校准；具体补偿方法包括如下：
第一步：建立状态观测器，观测扭矩传感器产生零点漂移的时刻；区别是驾驶员输入力矩使得扭矩传感器输出，还是扭矩传感器零点漂移产生输出；在没有驾驶员输入力矩或外力输入转向盘时，此状态称之转向盘自由状态，如果扭矩传感器正常，处在自由状态下的扭矩传感器没有输出，扭矩传感器没有产生零点漂移；反之，则扭矩传感器产生了零点漂移，需要对扭矩传感器进行校准或补偿；由于EPS中包括管柱和传感器执行系统及电机执行系统，执行系统中含有丰富的状态信息，能提高状态鉴别的精度，在做状态监测时，同时建立电机执行子系统数学模型和整个EPS执行动力学模型；
EPS执行动力学模型：
（1-1）
（1-2）
（1-3）
（1-4）
（1-5）
式中，θs为转向盘转角，θm为电机转角，Th为驾驶员输入力矩，Ts为扭矩传感器测出的转矩，为电机电磁转矩，为齿轮位移，为电机控制电压；
根据状态空间表达形式，建立电动助力转向系统的空间状态模型：
根据（1-1）～（1-3）式，令状态向量为
（1-6）
（1-7）
（1-8）
由于，，为常数，令它们分别等于；将公式（1-6）～（1-8）整理后得，
, , ，，
上式中，Z为系统线性输入，A为系统的系统矩阵，X为系统的状态向量，B为控制矩阵，U为输入向量，C为输出矩阵，系统以Th为输入，以θm，为输出；
经过标准矩阵修正后的实际矩阵为
电机执行子系统数学模型：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
（2-4）
其中，为电机回路总电阻，为电机电流，为电机端电压，为电机电枢电感，Ce为电枢反电动势常数，为电动机转子旋转速度，Cm为电机电磁转矩常数；EPS执行器的力矩通过蜗轮蜗杆减速后施加到转向轴上；
根据状态空间表达形式，（2-1）～（2-4）建立直流有刷助力电机的空间状态模型：
直流电机对象引入两个状态变量：，选取输入量：，输出量为；再根据公式（2-1）～（2-4）经过整理消去中间变量，可以表示成为：
再将代人上式，得到状态空间表达式
从上面两个状态监测器可以看出，为系统的状态；，转向盘输入转矩Th和车速V作为系统输入，电机电流作为输出，可由控制器中电流检测部件获得，
当转向盘处于自由状态时，和全为零，而当驾驶员输入力矩时或有外力作用于转向系统时，和不全为零；如果当转向盘处于自由状态时，电机电流为零，从而可以得出在某一个车速下转向盘输入扭矩Th为零，如果此刻扭矩传感器有输出，则扭矩传感器发生了零点漂移，漂移值的大小为Ts；
第二步：设计补偿算法计算漂移值的大小，EPS的扭矩信号设有主辅两路，在实际控制时，主路控制，辅路主要判断故障，主路和辅路电压之和为5V；扭矩传感器的零点中间位置在2.5V处，小于2.5V代表向左输入力矩，大于2.5V代表向右输入力矩；状态观测器一边采集数据，一边计算，实现对系统状态的实时的观测，其递推公式计算可由单片机或数字信号处理在线完成；具体算法为：
在扭矩传感器出厂时主路初始电压Umref为2.52V，辅路初始电压Usref为2.48V，假设经过2万公里路试，主路初始电压Umref变为电压Um1 =2.43V，辅路初始电压Umref变为电压Us1=2.57V，经过计算
第三步：将补偿值更新至助力模块中，使助力值达到左右相等； 经过补偿后，传感器主路电压为Um=2.43-(-0.07)=2.5V，与理想主路电压相同，与主路初始电压Umref（2.52V）相差0.02V；即可把漂移值存入单片机或数字信号处理的EEPROM中，在助力模型中对扭矩的漂移进行补偿。
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