CN103863393A - 电动助力转向系统的摩擦补偿方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电动助力转向系统的摩擦补偿方法：电动助力转向系统的ECU根据转向盘的转动角速度计算摩擦补偿力矩，该摩擦补偿力矩作为最终输出给电机控制模块的助力力矩的一部分。当转向盘的转动角速度的绝对值≤第一阈值，摩擦补偿力矩为零。当转向盘的转动角速度的绝对值＞第一阈值且≤第二阈值，摩擦补偿力矩随着转向盘的转动角速度的增加而严格单调递增。当转向盘的转动角速度的绝对值＞第二阈值，摩擦补偿力矩恒定为最大值。本申请可以克服由于系统各环节的摩擦力对助力性能的不利影响，使电动助力转向系统的操作更加舒适，中间位置的判断更加准确。

Description

电动助力转向系统的摩擦补偿方法

技术领域

本申请涉及一种汽车的电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS系统）。

背景技术

请参阅图1，这是汽车上的机械转向系统。其包括转向盘11、转向管柱12、转向器13、转向拉杆14和转向轮15。驾驶员对转向盘11施加转向力矩，该转向力矩通过转向管柱12输入转向器13，经转向器13放大后的力矩和减速后的运动传到转向拉杆14，从而带动转向轮15运动。

请参阅图2，这是汽车上的电动助力转向系统。其在机械转向系统的基础上增加了：

——扭矩转角传感器21，用来检测转向盘11的转动力矩（也称转矩、扭矩）和转动角度（转角）；

——车速传感器22，用来测量车辆速度；

——ECU（电子控制单元）23，根据转向盘11的扭矩、转角以及车速信号，计算出相应的助力力矩，并输出给助力电机24；

——助力电机24，安装在转向管柱12或转向器13上，其根据ECU 23的指令而转动，从而输出助力力矩；

——减速机构25，将助力电机24的转动角度以一定比例转换为转向管柱12或转向器13的转动角度。设减速机构25的减速比为k，k＞1，则助力电机24的转动角度/k＝转向管柱12或转向器13的转动角度。

所述扭矩转角传感器21也可分为相互独立的扭矩传感器和转角传感器。

请参阅图3，现有的电动助力转向系统的ECU 23中包括：

——力矩控制模块231，其根据向盘11的扭矩、转角以及车速信号，计算出相应的助力力矩，并输出给电机控制模块232；

——电机控制模块232，根据接收到的助力力矩，输出电流以驱动助力电机24转动。

所述力矩控制模块231中包括基本助力、主动回正控制、主动阻尼控制、惯量补偿控制等子模块。基本助力模块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，其输出基础助力力矩。主动回正控制模块和主动阻尼控制模块可以在不同车速及转向盘11的不同转动角速度时设置不同的主动回正力矩或主动阻尼力矩，保证车辆中低车速时的主动回正性能（使转向盘11可以自动回到直线行驶位置）及中高车速时的行驶稳定性能。惯量补偿控制模块对系统性能做一定惯量补偿，以获得更良好的转向感觉，其输出惯量补偿力矩。各个模块输出的力矩相加后，作为目标力矩指令输出给电机控制模块232。

机械转向系统各个环节的摩擦力都可以等效到转向盘11上，该摩擦力矩以Fc表示。由于摩擦力矩Fc的存在，使得转向盘11的实际操纵力矩F与扭矩转角传感器21检测到转向盘11的转动力矩Ft之间存在一定偏差，表示为F＝Ft＋Fc。同时，F＝Fd＋Fa，其中Fd为驾驶员施加的力矩，Fa为电动助力转向系统施加的助力力矩。

现有的力矩控制模块231都未考虑摩擦力矩Fc，而是使F≈Ft。这样当检测出的转动力矩Ft很小的时候，输出的助力力矩Fa也很小。由于Fd＝Ft＋Fc－Fa，这使得摩擦力矩Fc基本上需要由驾驶员的施加力矩Fd来克服，导致驾驶员的手感不舒适。

摩擦力矩Fc还对车辆中间位置的判断带来很大影响。例如在回正控制时，当回正力矩小于摩擦力矩的时候，转向盘11并没有回到中间，而是留有一定的残余角度。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种电动助力转向系统的摩擦补偿方法。该方法可以克服由于系统各环节的摩擦力对助力性能的不利影响，使电动助力转向系统的操作更加舒适，中间位置的判断更加准确。

为解决上述技术问题，本申请电动助力转向系统的摩擦补偿方法为：电动助力转向系统的ECU根据转向盘的转动角速度计算摩擦补偿力矩，该摩擦补偿力矩作为最终输出给电机控制模块的助力力矩的一部分；

当转向盘的转动角速度的绝对值≤第一阈值，摩擦补偿力矩为零；

当转向盘的转动角速度的绝对值＞第一阈值且≤第二阈值，摩擦补偿力矩随着转向盘的转动角速度的增加而严格单调递增；

当转向盘11的转动角速度的绝对值＞第二阈值，摩擦补偿力矩恒定为最大值。

本申请通过增加摩擦补偿控制模块，产生摩擦补偿力矩，从而消除了摩擦力对助力性能的不良影响。标定人员可以根据实际测得的摩擦力根据数学计算得到初始曲线，然后根据车速、转动角速度值标定不同的参数。进一步地，还可同时标定扭矩增益来改变摩擦补偿力矩，以达到更满意的转向手感，提升产品品质。

附图说明

图1是汽车上的机械转向系统的结构示意图；

图2是汽车上的电动助力转向系统的结构示意图；

图3是现有的电动助力转向系统的力矩控制模块的结构示意图；

图4是本申请电动助力转向系统的力矩控制模块的结构示意图；

图5是本申请电动助力转向系统的摩擦补偿方法的实施例一的流程图；

图6是摩擦补偿力矩与转向盘的转动角速度之间的关系曲线；

图7是本申请电动助力转向系统的摩擦补偿方法的实施例二的流程图；

图8是摩擦补偿力矩与转向盘的转动角速度、车速之间的关系曲线；

图9是本申请电动助力转向系统的摩擦补偿方法的实施例三的流程图；

图10是扭矩增益与转向盘的转动力矩之间的关系曲线。

图中附图标记说明：

11为转向盘；12为转向管柱；13为转向器；14为转向拉杆；15为转向轮；21为扭矩转角传感器；22为车速传感器；23为ECU；231为力矩控制模块；232为电机控制模块；24为助力电机；25为减速机构。

具体实施方式

请参阅图4，这是本申请电动助力转向系统的力矩控制模块。与图3所示的现有的力矩控制模块相比，本申请在力矩控制模块231中增加了摩擦补偿控制模块。

请参阅图5，本申请电动助力转向系统的摩擦补偿方法的实施例一为：扭矩转角传感器21测量得到转向盘11的转动角速度ω，所述摩擦补偿控制模块以转向盘11的转动角速度ω作为输入，经计算后输出摩擦补偿力矩。该摩擦补偿力矩与其他模块的输出（包括基础助力力矩、主动回正力矩、主动阻尼力矩、惯量补偿力矩等）相加后，作为最终的目标力矩指令输出给电机控制模块232。

所述转向盘11的转动角速度ω一个有符号的值，其符号表示转向盘11的转动方向。通常，扭矩转角传感器21的输出中含有无用的高频分量，因而可经过一个低通滤波器处理以得到平滑的表示转动角速度的低频信号。

请参阅图6，所述摩擦补偿力矩Ff与转向盘11的转动角速度ω之间的关系如下：

扭矩转角传感器21很难检测的转向盘11因轻微转动而产生的转动角速度ω，因此在转向盘11的转动角速度ω的绝对值≤第一阈值ωn的时候，摩擦补偿力矩Ff为0，这样也利于转向盘11的中间位置保持。以公式表示为当|ω|≤ωn时，Ff＝0。

当转向盘11的转动角速度ω的绝对值＞第一阈值ωn且≤第二阈值ωm时，摩擦形变并未完全形成，也为了避免立即添加摩擦补偿转矩造成驾驶员手感的突变，因此适于采用单调递增的函数。

例如，可采用Dahl模型计算此时摩擦补偿力矩。一种简化的Dahl模型可表示为：当ωn＜ω≤ωm时，Ff＝∫_ωωγ[Ft-f₀sgn(ω)]²。其中γ为经验常数，可以标定取得。Ft是扭矩转角传感器21检测到转向盘11的转动力矩。f₀为最静摩擦力，可以由实际测试得到。sgn（）表示取符号函数。

当转向盘11的转动角速度ω的绝对值＞第二阈值ωm时，摩擦力趋近一个值，此时一个恒定的摩擦补偿力矩Ff就可以达到补偿效果。以公式表示为当ω＞ωm时，Ff＝kf₀sgn(ω)。其中k为增益值，可以标定取得。

请参阅图7，本申请电动助力转向系统的摩擦补偿方法的实施例二为：扭矩转角传感器21测量得到转向盘11的转动角速度ω，车速传感器测量得到车速；所述摩擦补偿控制模块以转向盘11的转动角速度ω和车速作为输入，经计算后输出摩擦补偿力矩。该摩擦补偿力矩与其他模块的输出汇总处理后，作为最终的目标力矩指令输出给电机控制模块232。

随着车速的增加，电动助力转向系统输出的助力力矩应当减小，以保证系统高速稳定。为此，本申请摩擦补偿力矩还随着车速升高而降低，如图8所示。

在实际应用中，可在车速恒定的条件下，先计算出一组摩擦补偿力矩Ff的初始数据，然后在实际车辆上标定ωn、ωm、k、γ。接着标定出不同车速下的摩擦补偿力矩Ff。最后将这些数据列表（表一）存储到ECU 23，从而可方便地通过查表得到转动角速度和车速在各种取值下所对应的摩擦补偿力矩值，然后再乘以方向。

如果角速度的方向为正，则摩擦补偿力矩的方向为正；

如果角速度的方向为负，则摩擦补偿力矩的方向为负。

请参阅图9，本申请电动助力转向系统的摩擦补偿方法的实施例三为：扭矩转角传感器21测量得到转向盘11的转动角速度ω和转动力矩Ft，车速传感器测量得到车速；所述摩擦补偿控制模块以转向盘11的转动角速度ω、车速和转动力矩Ft作为输入，经计算后输出摩擦补偿力矩。该摩擦补偿力矩与其他模块的输出汇总处理后，作为最终的目标力矩指令输出给电机控制模块232。

如果在任何转动力矩的情况下都以同样的方式计算摩擦补偿力矩，则会造成电动助力转向系统所输出的助力力矩不平顺、出现助力过冲现象。因此，为保证系统稳定和驾驶员的良好手感，在转动力矩很小的时候补偿一个较大的摩擦补偿力矩，在转动力矩增大的时候补偿一个较小的摩擦补偿力矩。实施例三由此在实施例二的基础上引入了扭矩增益Tgain，其作为摩擦补偿力矩Ff计算时的一个相乘因子。

请参阅图10，扭矩增益Tgain与转向盘11的转动力矩Ft之间的关系为：

当Ft＜Fta时，Tgain＝1；

当Fta≤Ft＜Ftb时，Tgain随着Ft的增大而严格单调递减。例如Tgain＝1－(1-Tg)(Ft－Fta)/(Ftb-Fta)；

当Ft≥Ftb时，Tgain=Tg。

其中，Fta是第三阀值，Ftb是第四阀值，Tg是最小的扭矩增益，均可由标定得到。

在实际应用中可将不同转动力矩条件下对应的扭矩增益列表（表二）存储到ECU 23。根据转动角速度和车速从表一查得的摩擦补偿力矩值，与根据转动力矩从表二查得的扭矩增益值，两者相乘即可得到最终的摩擦补偿力矩值。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电动助力转向系统的摩擦补偿方法，其特征是，电动助力转向系统的ECU根据转向盘的转动角速度计算摩擦补偿力矩，该摩擦补偿力矩作为最终输出给电机控制模块的助力力矩的一部分；

当转向盘的转动角速度的绝对值≤第一阈值，摩擦补偿力矩为零；

当转向盘的转动角速度的绝对值＞第一阈值且≤第二阈值，摩擦补偿力矩随着转向盘的转动角速度的增加而严格单调递增；

当转向盘11的转动角速度的绝对值＞第二阈值，摩擦补偿力矩恒定为最大值。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统的摩擦补偿方法，其特征是，电动助力转向系统的ECU根据转向盘的转动角速度和车速计算摩擦补偿力矩；所述摩擦补偿力矩还随着车速的升高而降低。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向系统的摩擦补偿方法，其特征是，电动助力转向系统的ECU根据转向盘的转动角速度、车速和转向盘的转动力矩计算摩擦补偿力矩；所述转向盘的转动力矩仅用于得到扭矩增益，该扭矩增益为摩擦补偿力矩计算时的一个相乘因子；

当转向盘的转动力矩＜第三阈值，扭矩增益为最大值1；

当转向盘的转动力矩≥第三阈值且＜第四阈值，扭矩增益随着转向盘的转动力矩的增加而严格单调递减；

当转向盘的转动力矩≥第四阈值，扭矩增益为最小值。

4.根据权利要求1所述的电动助力转向系统的摩擦补偿方法，其特征是，当转向盘的转动角速度的绝对值＞第一阈值且≤第二阈值，摩擦补偿力矩采用Dahl模型计算。

5.根据权利要求4所述的电动助力转向系统的摩擦补偿方法，其特征是，当转向盘的转动角速度的绝对值＞第一阈值且≤第二阈值，摩擦补偿力矩采用如下公式计算：

$\mathrm{Ff}=\underset{\mathrm{\ω}}{\∫}\mathrm{\ωY}{[\mathrm{Ft}-f_0\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\ω}\right)]}^2$

其中γ为经验常数，由标定取得；Ft是扭矩转角传感器检测到转向盘的转动力矩；f₀为最静摩擦力，由实际测得；sgn（）表示取符号函数。

6.根据权利要求1所述的电动助力转向系统的摩擦补偿方法，其特征是，当转向盘的转动力矩≥第三阈值且＜第四阈值，扭矩增益采用如下公式计算：

Tgain＝1－(1-Tg)(Ft－Fta)/(Ftb-Fta)；

其中Fta是第三阀值，Ftb是第四阀值，Tg是最小的扭矩增益，均由标定得到。

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