CN103171614B - 用于电动助力转向系统的力矩控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动助力转向系统的力矩控制装置，包括：基本助力模块，用于形成电动助力转向系统的助力力矩，根据不同车速设置不同的助力曲线，从而获得不同的转向手感；主动回正模块，用于形成回正力矩，使方向盘能自动回到直线行驶位置；惯量摩擦补偿模块，以转向角速度和车速作为输入参数信号，用于计算并输出补偿力矩值；汇总处理模块，将上述各模块的输出值叠加后得到所需要的目标助力力矩值，再将该目标助力力矩值除以减速机构的减速比，得到并输出给电机控制模块的力矩指令值。本发明能够克服由于助力电机本身的惯性和摩擦对助力性能的影响，使系统的响应更精确更灵敏，以及准确的回正性能。

Description

用于电动助力转向系统的力矩控制装置

技术领域

本发明涉及汽车转向领域，特别是涉及一种用于电动助力转向系统(Electric Power Steering EPS)的力矩控制装置。

背景技术

电动助力转向系统如图1所示，是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘1，转向管柱3，中间轴5，转向器6，小齿轮10，转向拉杆7，转向节臂9，转向轮8)加装转角和扭矩传感器2，电子控制单元(ECU)12，转向助力电机11及其减速机构4等组成。其中，转角和扭矩传感器2用以检测方向盘转角和驾驶员操纵力矩；转向助力电机11可安装在转向管柱3或转向器6上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；转角和扭矩传感器2的转角和扭矩信号与车速传感器检测的车速信号输入到电子控制单元12的力矩控制模块，计算出相应的助力力矩，作为目标力矩指令输出给电机控制模块，电子控制单元12输出电流驱动转向助力电机11工作。

所述力矩控制模块由基本助力模块，主动回正模块，和一些辅助模块(如横摆力矩补偿模块等)组成。电动助力转向系统的助力力矩主要由基本助力模块决定，可以在不同车速时设置不同的助力曲线，从而获得不同的转向手感。主动回正模块则是提供一个回正力矩，使方向盘可以自动回到直线行驶位置。而辅助模块的功能是根据系统特性，在基础助力的基础上，施加一些修正力矩值。然后把各模块的输出值由汇总处理模块汇总处理后，作为目标力矩指令输出给电机控制模块，改善整个系统的性能。

由于电机存在机械惯性，会给驾驶员的操作手感带来不良影响。速度越快，这种影响越明显。尤其当驾驶员突然换向时，由于电机惯性的存在，会产生一个反方向的惯性力矩，企图保持原来的运动状态，阻止驾驶员的换向动作。直观的体现就是，驾驶员会感觉方向盘突然变重，转向有滞后感。

一个性能优良的电动助力转向系统，除了应能快速而准确地响应驾驶员的操作意图，而且还应具有准确的回正性能。但是由于系统摩擦的存在，干扰了这种回正性能，使系统存在一种迟滞现象，如图8所示。右转向和左转向的操作力矩曲线不重合，在中间位置存在一个偏置力矩。当驾驶员松开方向盘时，无法准确回到正中位置。虽然通过降低系统的传动比可以减小这种影响，但同时会导致电动助力转向系统的敏感度增加，驾驶员不易操控，因而这种方案的效果并不理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于电动助力转向系统的力矩控制装置，能够克服由于助力电机本身的惯性和摩擦对助力性能的影响，使系统的响应更精确更灵敏，以及准确的回正性能。

为解决上述技术问题，本发明的用于电动助力转向系统的力矩控制装置，包括：

基本助力模块，以车速和转向力矩作为输入参数，计算并输出电动助力转向系统的基本助力力矩，根据不同车速设置不同的助力曲线，从而获得不同的转向手感；

主动回正模块，是以车速、转向力矩、转向角速度和转向角加速度作为输入参数信号，计算并输出回正力矩，使方向盘能自动回到直线行驶位置；其中，还包括：

惯量摩擦补偿模块，以转向角速度和车速作为输入参数信号，用于计算并输出补偿力矩值；

汇总处理模块，与所述基本助力模块、主动回正模块和惯量摩擦补偿模块的输出端相连接，将前述各模块的输出值进行叠加后得到所需要的目标助力力矩值，再将该目标助力力矩值除以减速机构的减速比，得到并输出给电机控制模块的目标力矩指令值。

本发明的用于电动助力转向系统的力矩控制装置，在不增加任何硬件成本的情况下，通过增加惯量摩擦补偿功能模块，产生修正力矩指令(即补偿力矩)，从而增加转向力矩改变的加速度，克服由于助力电机本身的惯性和摩擦对电机助力性能造成的不良影响，使系统的响应更精确更灵敏，以及准确的回正性能。标定人员可以根据不同车速来调整惯量补偿力矩的增益值、摩擦补偿力矩和惯量摩擦补偿力矩限值，以达到满意的转向手感，提升产品品质。

采用本发明的力矩控制装置，当驾驶员快速换向时，系统能迅速做出反应，给予力矩补偿，增加转向力矩改变的加速度，使驾驶员不会感觉到方向盘突然变重的现象，从而改善转向手感。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有的电动助力转向系统原理结构示意图；

图2是所述力矩控制装置结构框图；

图3是图2中惯量摩擦补偿模块结构框图；

图4是惯量补偿力矩的增益值曲线示意图；

图5是摩擦补偿力矩值曲线示意图；

图6是惯量摩擦补偿力矩限值曲线示意图；与表3对应

图7是所述惯量摩擦补偿模块在全车速范围输出曲线示意图；

图8是转向迟滞曲线示意图。

具体实施方式

电动助力转向系统的原理结构示意图如图1所示，方向盘1的旋转运动通过转向管柱3和中间轴5传递到小齿轮10，带动齿条(转向器)6左右运动，然后通过转向拉杆7和转向节臂9带动转向轮8左右运动，从而实现车辆转向。转角和扭矩传感器2安装在转向管柱3(或小齿轮10)上，测得的转角和扭矩信号传递给电子控制单元12，车速信号通过CAN总线传递给电子控制单元12，电机的转速和角度信号(即图1所示的“电机信号”)也传递给电子控制单元12。电子控制单元12根据这些输入信号，计算出相应的助力力矩，作为目标力矩指令输出给电机控制模块。电子控制单元12根据计算出的目标力矩指令，输出驱动电流给转向助力电机11，其产生的助力力矩通过减速机构4传递到转向管柱3上，从而起到助力作用。

参见图2所示，所述用于电动助力转向系统的力矩控制装置是在基本助力模块的基础上，增加了惯量摩擦补偿模块，得到一个补偿力矩，克服由于电机惯量和摩擦对系统性能造成的不良影响。根据不同车型，对惯量补偿力矩的增益值、摩擦补偿力矩和惯量摩擦补偿力矩限值进行实车标定，以使电动助力转向系统能最终获得满意的转向手感。

结合图2所示，所述力矩控制装置在一实施例中，包括：基本助力模块，主动回正模块，横摆力矩补偿模块，惯量摩擦补偿模块，汇总处理模块。

横摆力矩补偿模块，以车速、转向力矩和转向角速度作为输入参数信号，计算并输出给所述汇总处理模块一个阻尼力矩值；从而减小系统超调量，改善系统的动态稳定性。

所述惯量摩擦补偿模块以转向角速度和车速作为输入参数信号，经过惯量摩擦补偿计算后，得到补偿力矩，然后与其他模块的输出值一起输入到汇总处理模块，进行汇总处理，得到最终的目标力矩指令，输出给电机控制模块。

由于电机本身的惯性，根据牛顿第二定律，当电机运转时，会产生一个相反方向的惯性力矩，它会降低转向力矩改变的速率，影响驾驶员的操作手感。转向角加速度越大，这种影响越严重。而且，这种影响会通过减速机构4放大减速比的平方倍。如果方向盘1的角速度为ω₁，电机的角速度为ω₂，减速机构4的减速比为i，则：

ω₁＝ω₂/i    (1)。

角加速度也有同样的关系：

则电机的力矩传到转向管柱3上，会被放大i倍，即

T₁＝T₂×i    (3)。

由牛顿第二定律可知，电机的惯性力矩T₂等于其转动惯量J₂乘以角加速度即

根据以上公式，可计算出传递到转向管柱3上的惯性力矩为：

也就是说，由于电机惯量作用产生的惯性力矩，最终体现在转向管柱3的力矩大小等于三个变量(电机惯量、转向角加速度和减速比平方)的乘积。当驾驶员突然转向时，即变大，从而导致作用在转向管柱3上的惯性力矩T₁变大，由于其方向与转向方向相反，因此抵消了一部分驾驶员施加在方向盘1上的转向力矩，减小了角速度增加的速率，使驾驶员感觉到方向盘1变重。

所述惯量摩擦补偿模块，通过查表得到一个惯量补偿力矩的增益值K，与转向角加速度相乘，得到一个惯量补偿力矩T_J，并叠加到基本助力力矩上，增加角速度改变的速率，从而抵消电机惯量带来的不良影响。

惯量摩擦补偿模块的结构框图如图3所示，包括：

低通滤波模块，用于对传感器获得的转向角速度进行低通滤波处理，滤除其中的高频噪音，得到平滑的角速度信号。

微分模块，与所述低通滤波模块相连接，用于对所述角速度信号进行微分计算，得到角加速度信号。

第一查表模块，用于存储惯量补偿力矩的增益值；EPS从整车CAN总线上获得车速信号并输入给第一查表模块，根据输入的车速与增益值的线性关系，进行线性插值；通过查表得到当前车速时的惯量补偿力矩的增益值K。车速与惯量补偿力矩的增益值的关系参见表1(惯量补偿力矩的增益值表)和图4。

表1

车速(Kph)	0	10	25	45	70	100	130	150	180
										增益值	0	0	0.2	0.3	0.6	0.8	0.9	1.0	1.2

乘积模块，与所述微分模块和第一查表模块的输出端相连接，用于将当前转向角加速度和惯量补偿力矩的增益值相乘，得到并输出一个惯量补偿力矩值T_J。

第二查表模块，用于存储摩擦补偿力矩值，根据输入的车速与摩擦补偿力矩值的线性关系，通过查表得到并输出对应的摩擦补偿力矩值。

求和模块，与所述乘积模块和第二查表模块的输出端相连接，用于对所述惯量补偿力矩值和摩擦补偿力矩值求和，得到并输出一个未经限幅的补偿力矩值。

第三查表模块，用于存储惯量摩擦补偿力矩限值，根据输入的车速与惯量摩擦补偿力矩限值的线性关系，通过查表得到并输出对应的惯量摩擦补偿力矩限值。

限幅模块，与所述求和模块和第三查表模块的输出端相连接，根据所述惯量摩擦补偿力矩限值，对所述未经限幅的补偿力矩值进行处理，限制输出的最大补偿力矩值，避免补偿力矩值过大而影响转向手感。

由于摩擦的影响，使得左右转向时的操纵力矩曲线不重合，存在一个迟滞力矩，如图8所示。当驾驶员松开方向盘后，由于迟滞力矩的存在，使得方向盘不能准确回到正中位置。摩擦补偿功能是产生一个与车速相关的摩擦补偿力矩指令(摩擦补偿力矩值)，驱动电机产生一个回正力矩，克服由于摩擦作用带来的影响。同样，摩擦补偿也是采用查表的方式，把车速分为9个断点，每个车速对应不同的摩擦补偿力矩。这些摩擦补偿力矩值都需经过实车标定，然后固化到芯片的存储器中(即第二查表模块)。根据输入的当前车速与摩擦补偿力矩值的线性关系，进行线性插值；通过查表得到当前车速时的摩擦补偿力矩值T_f。车速与摩擦补偿力矩值T_f的关系参见表2(摩擦补偿力矩值表)和图5。

表2

车速(Kph)	0	10	25	45	70	100	130	150	180
										摩擦补偿力矩(N×m)	0	0.5	1	1.5	2	2.5	3	3.5	4

为了避免补偿力矩值过大而导致最终输出的目标力矩指令波动过大而影响转向手感，需要对补偿力矩值进行限幅处理。根据输入的当前车速与惯量摩擦补偿力矩限值T_max的线性关系，进行线性插值；在第三查表模块通过查表得到当前车速时的惯量摩擦补偿力矩限值T_max。车速与惯量摩擦补偿力矩限值T_max的关系参见表3(惯量摩擦补偿力矩限值表)和图6所示。

表3

车速(Kph)	0	10	25	45	70	100	130	150	180
										补偿力矩限值(N*m)	6	6	6	15	25	25	25	25	25

所述惯量摩擦补偿力矩限值T_max作为限幅模块的输入参数信号。当补偿力矩值小于当前车速下的惯量摩擦补偿力矩限值T_max时，则直接输出所述补偿力矩值；当补偿力矩值大于惯量摩擦补偿力矩限值T_max时，则进入饱和截止状态，输出为惯量摩擦补偿力矩限值T_max。

惯量摩擦补偿模块输出的补偿力矩与转向角加速度和车速的关系如图7所示。不同的车速对应着不同的补偿力矩曲线，且在相同转向角加速度下，随着车速增加，补偿力矩值相应增加。斜率K代表的就是不同车速下的惯量补偿力矩的增益值，T_f代表的是不同车速时的摩擦补偿力矩，饱和值T_max代表的就是不同车速时的惯量摩擦补偿力矩限值。

补偿力矩值与基本助力模块和其他修正模块的输出值一起进行汇总处理，如图2所示。在汇总处理模块中，将各模块的输出值进行叠加后得到的是电动助力转向系统所需要的助力力矩值，然后将这个助力力矩值除以减速机构的减速比，得到的就是输出给电机控制模块的力矩指令值。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于电动助力转向系统的力矩控制装置，包括：

基本助力模块，以车速和转向力矩作为输入参数，计算并输出电动助力转向系统的基本助力力矩，根据不同车速设置不同的助力曲线，从而获得不同的转向手感；

主动回正模块，是以车速、转向力矩、转向角速度和转向角加速度作为输入参数信号，计算并输出回正力矩，使方向盘能自动回到直线行驶位置；其特征在于，还包括：

惯量摩擦补偿模块，以转向角速度和车速作为输入参数信号，用于计算并输出补偿力矩值；

汇总处理模块，与所述基本助力模块、主动回正模块和惯量摩擦补偿模块的输出端相连接，将前述各模块的输出值叠加后得到所需要的目标助力力矩值，再将该目标助力力矩值除以减速机构的减速比，得到并输出给电机控制模块的力矩指令值；

其特征在于：还包括一横摆力矩补偿模块，以车速、转向力矩和转向角速度作为输入参数信号，计算并输出给所述汇总处理模块一个阻尼力矩值。

2.如权利要求1所述的力矩控制装置，其特征在于：所述惯量摩擦补偿模块，包括：

低通滤波模块，用于对传感器获得的转向角速度进行低通滤波处理，滤除其中的高频噪音，得到平滑的角速度信号；

微分模块，与所述低通滤波模块相连接，用于对所述角速度信号进行微分计算，得到角加速度信号；

第一查表模块，用于存储惯量补偿力矩的增益值，根据输入的车速与增益值的线性关系，通过查表得到当前车速时的惯量补偿力矩的增益值；

乘积模块，与所述微分模块和第一查表模块的输出端相连接，用于将当前转向角加速度和惯量补偿力矩的增益值相乘，得到并输出一个惯量补偿力矩值；

第二查表模块，用于存储摩擦补偿力矩值，根据输入的车速与摩擦补偿力矩值的线性关系，输出对应的摩擦补偿力矩值；

求和模块，与所述乘积模块和第二查表模块的输出端相连接，用于对所述惯量补偿力矩值和摩擦补偿力矩值求和，得到并输出一个未经限幅的补偿力矩值；

第三查表模块，用于存储补偿力矩限值，根据输入的车速与补偿力矩限值的线性关系，输出对应的惯量摩擦补偿力矩限值；

限幅模块，与所述求和模块和第三查表模块的输出端相连接，根据所述惯量摩擦补偿力矩限值，对所述未经限幅的补偿力矩值进行处理，限制输出的最大补偿力矩值，避免补偿力矩值过大而影响转向手感。