CN104157179A - 基于c-eps结构的力感模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于C-EPS结构的力感模拟系统，该系统包括基于C-EPS结构的力感模拟机械系统和力感模拟控制系统；力感模拟机械系统包括方向盘、转向柱管、伺服电机、转角限位装置、扭矩传感器、方向盘转角传感器；力感模拟控制系统包括控制器、控制模型；通过转角限位装置可实现不同转角范围的转向，通过包括摩擦补偿、力矩微分、惯量补偿、阻尼补偿、刚度补偿的补偿模型克服C-EPS系统机械结构惯量大、摩擦大等弊端；本发明基于量产C-EPS系统的硬件结构，有效利用其结构简单紧凑、机械系统精度高、成本低等特点，设计出具有回正力矩和极佳力感的力感模拟系统。

Description

基于C-EPS结构的力感模拟系统

技术领域

本发明属于汽车领域，具体涉及汽车线控转向技术中方向盘的路感模拟，是一个阻力加载模拟器。

背景技术

传统的汽车转向系统经历了传统机械转向系统、液压助力转向系统、电液助力转向系统、电动助力转向系统4个发展阶段，这个4个阶段共有的特点是都是机械连接，只是应用不同的方式来提高机械转向系统的性能，这就无法克服不平路面的冲击所造成的方向盘抖动和助力转向系统造成的噪声和振动问题，同时系统的机械连接不利于提高汽车碰撞安全性，由于机械系统的诸多弊病和汽车电子技术的发展，线控技术将是未来汽车发展的方向。

随着汽车电子技术的发展，线控技术成为汽车研究的热点，而线控转向又相对复杂、要求极高，成为各汽车厂商、高校和研究机构研究的热点。线控转向是通过采集驾驶员对方向盘的操纵信号作为控制单元的控制指令，再结合当前车辆状态、路面状况，通过控制单元中控制算法产生控制指令，作用于转向执行机构控制器，使车轮实现所需要的任意转角，克服传统转向系统的不足，是未来汽车智能化发展的前提。

线控转向取消了转向盘和执行机构之间的机械连接部分，这使得驾驶员丧失了从轮胎反馈给方向盘的路感，但是在驾驶过程中路感是驾驶员掌握汽车运动状态和路面状况的重要途径，是保证汽车能够安全和稳定行驶的不可或缺的部分。因此，线控转向系统中必须有能够根据车辆状态、路面状况等信息来模拟路感，并将其传递给驾驶员的一种阻力加载模拟器，进而保证驾驶员具有传统汽车股的驾驶感觉，确保汽车有足够的操纵稳定性和行车安全性。

目前，一部分力感模拟系统都是通过弹簧或者卷簧来模拟阻力和回正力，例如申请号为201010504604.1和201110185749.0的专利，但是弹簧是线性元件与汽车运动过程中轮胎所受到的阻力的非线性不符合，无法提供准确的阻力和回正力，造成驾驶员力感失真，进而影响操纵稳定性。一部分驾驶员模拟器是通过电机加载来模拟力感，但是大部分都是自行设计加工，结构复杂、体积庞大、安装复杂，而量产C-EPS具有结构紧凑、机械精度高、成本低等优点，本发明在原有的C-EPS机械结构上稍作改进，在控制算法上通过摩擦补偿、阻尼补偿、力矩微分、刚度补偿、惯量补偿克服机械系统固有的缺陷，使驾驶员模拟器具有极佳的力感特性。

发明内容

本发明针对目前驾驶员模拟器依靠弹簧或卷簧等线性元件进行阻力加载或者回正，导致力感部分失真；用力矩电机、电磁制动器、阻尼电机搭建的驾驶员模拟器体积庞大，结构复杂，无法装车等问题。利用量产C-EPS结构紧凑、成本低、装车方便、机械精度高等优点，结合算法进行摩擦补偿、阻尼补偿、力矩微分、刚度补偿、惯量补偿搭建极具力感真实性的力感模拟系统。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于C-EPS结构的力感模拟系统，其包括基于C-EPS结构的力感模拟机械系统和力感模拟控制系统，其中力感模拟控制系统又包括力感模拟控制模型和控制系统硬件平台。

其中基于C-EPS结构的力感模拟系统的机械系统包括：方向盘、转向柱管、伺服电机、蜗轮蜗杆减速机构、转角限位装置、扭矩传感器、方向盘转角传感器。方向盘转角传感器是通过连接轴与C-EPS的转向柱管末端连接，并通过传感器支座固定在C-EPS的壳体上；方向盘转角限位装置通过限位装置支座与C-EPS壳体连接固定。

其中方向盘转角限位装置是通过主动齿轮轴和从动齿轮轴进行减速，传动比为4∶1，通过位置可调整限位螺栓和限位挡块进行变转角范围限位，实现方向盘在±360°～±720°范围内转动，以满足不同车型的转向需求，主动齿轮轴和从动齿轮轴是通过轴承固定于限位装置支座和限位装置壳体上，其中主动齿轮轴和连接轴是一体的。

其中方向盘转角传感器的内键槽通过平键与连接轴外键槽连接，连接轴的另一端为内花键与转向柱管末端外花键连接，使得方向盘转角传感器与转向柱管保持精准的同轴度。

其中方向盘转角传感器的轴向固定是通过传感器支座固定，方向盘转角传感器的线束输出口的矩形外壳与传感器支座所设计的矩形口相配合，并通过张紧螺钉预紧，传感器支座底部通过螺钉与C-EPS的壳体连接固定。

其中力感模拟控制模型是由电机控制模型和电机控制器中的补偿模型组成，同时通过对机械系统进行摩擦补偿、阻尼补偿、力矩微分、刚度补偿、惯量补偿来修正输入控制器的目标电流指令，克服机械系统固有的缺陷，修正后的电流指令输入给永磁同步电机的电流矢量控制策略。

其中控制系统硬件平台包括：TMS320F2812最小电路，供电电路，电源保护电路，转矩转角信号采集电路，母线电压监测电路，相电流采集电路，HALL信号整形电路，铁电存储芯片，CAN收发器，主继电器驱动电路，大功率平波电感，三相全桥驱动电路，三相全桥功率电路。转矩信号和转角信号经过转矩转角信号采集电路进行阻抗匹配后直接输入给TMS320F2812芯片，作为补偿模型的输入量参与计算补偿电流。车辆模型计算的转向阻力矩进行阻抗匹配后输入给主控芯片，其与补偿电流共同作用获得电机的目标电流。相电流采集电路和HALL信号整形电路分别对电机相电流和电机转子位置信号进行处理后输入给主控单元，以进行电流矢量闭环控制策略。

本发明的有益效果：

1.基于C-EPS结构进行部分改进，用简单易加工的齿轮副对方向盘进行±360°～±720°范围内变角度机械限位，适用于不同的车型的转向需求。

2.通过对机械系统进行摩擦补偿、阻尼补偿、力矩微分、刚度补偿、惯量补偿，克服C-EPS系统的固有缺陷，使得驾驶员模拟器具有极佳的力感真实性和恰到好处的回正力。

3.采用量产C-EPS结构、结构紧凑简单、机械精度高、成本低、易于实现装车。

附图说明

图1.本发明的总体结构原理示意图。

图2.限位机构原理图。

图3限位机构D方向局部剖视图。

图4.方向盘转角传感器轴向连接局部剖视图。

图5.方向盘转角传感器固定局部剖视图。

图6.本发明控制模型原理图。

图7.控制器硬件架构图。

图中：1、方向盘，2、转向柱管，3、力矩传感器，4、限位装置支座，5、连接轴，6、传感器支座，7、方向盘转角传感器，8、控制器，9、方向盘转角限位装置，10、主动齿轮轴，11、从动齿轮轴，12、限位挡块，13、轴承，14、位置可调整限位螺栓，15、限位装置壳体，16、伺服电机，17、蜗轮蜗杆减速机构，18、卡簧，19、转向柱管末端，20、平键，21、螺钉，22、23、24是限位螺栓的不同工作位置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1、图4、图5所示，本发明包括方向盘1、伺服电机16、蜗轮蜗杆减速机构17、限位装置9、扭矩传感器3、方向盘转角传感器7。方向盘转角传感器7是通过连接轴5的内花键和转向柱管末端19的外花键连接，方向盘转角传感器7的轴向固定是通过传感器支座6固定，方向盘转角传感器7的线束方形出口和传感器支座6配合，并用螺钉21进行张紧，同时用螺钉21固定在C-EPS壳体上，通过连接轴5和传感器支座6使得传感与转向柱管保持高精度的同轴度。

如图2、图3所示，方向盘转角限位装置9主要由主动齿轮轴10、从动齿轮轴11、位置可调整限位螺栓11、限位挡块12、轴承13组成。限位装置支座4通过螺栓固定在C-EPS壳体上，限位装置内部零件以限位装置支座4为基础进行安装，限位装置壳体15也通过螺栓与限位装置支座4连接形成密封箱体。主动齿轮轴10和转向柱管末端19连接，通过主动齿轮轴10和从动齿轮轴11进行减速，传动比为4∶1，通过位置可调整限位螺栓14和限位挡块12进行变转角范围限位，实现方向盘在±360°～±720°范围内转动，当用一个位置可调限位螺栓14且位于图3所示的24位置时，可实现最大范围±720°转向；当用两个位置可调限位螺栓14且分别为位于图3所示的22、23位置时，可实现最小范围±360°转向；当位置可调限位螺栓14位于图3所示的23与24之间的位置可以实现±360°～±720°任意范围内的转动，以满足不同车型对转向角度的需求。

本发明的工作方式如下：

给基于C-EPS结构的力感模拟系统通电后，如果方向盘不是正中位置，通过控制系统内部的刚度补偿和阻尼补偿使方向盘自动回正。整个力感模拟系统预留有输入接口，便于与车辆动力学模型结合构成完整的驾驶模拟环境。电机控制器8同时采集方向盘转角传感器、力矩传感器信号作为补偿模型的输入，再通过控制器内部的补偿模型对输入的电流指令进行修正，将修正电流作为电机矢量控制的目标输入。

控制模型如图6所示，控制器中的补偿模型包括：摩擦补偿、阻尼补偿、力矩微分、刚度补偿、惯量补偿，通过补偿模型克服C-EPS的在机械结构上的弊端，能提供极佳的路感，其中摩擦补偿采用能够实现动-静摩擦转矩共同控制的方法，函数关系如下：

T_t＝T_s+T_c

$V_{\mathrm{\θc}}=\mathrm{sat}\left(\mathrm{\λ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_c\right)$

T_friction＝sat[V_θc+γ(1-|V_θc||)T_t]T₁

其中，T_t为转向柱总成所受的合力矩；T_s为方向盘的手力；T_c为伺服电机的模拟力矩；为转向柱转速的饱和函数；λ为饱和函数的转速系数；为转速信号；sat()函数的输出限制为±1；T_friction为摩擦补偿；γ为调整系数；T₁为系统的静摩擦。可以看到：当较大使达到饱和时，补偿转向柱总成的转动摩擦；当时，补偿转向柱总成的静摩擦；当未饱和时，为两种摩擦补偿的过渡过程。

阻尼补偿、力矩微分、刚度补偿、惯量补偿的函数关系分别如下：

$T_{\mathrm{Damping}}=K_D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_c$

$T_{\mathrm{Torqug}}=K_T{\stackrel{\·}{T}}_t$

T_Stiffness＝K_STθ_c

$T_{\mathrm{Inertness}}=J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_c$

其中，T_Damping为阻尼补偿；K_D为阻尼系数；T_Torqus为力矩微分补偿；K_T是力矩微分系数；T_Stiffness为刚度补偿；K_ST为力矩微分系数；T_Inertness为惯量补偿；J为系统的转动惯量，其中K_D、K_T、K_ST与车速相关，通过实验测量所得。

如图6所示，永磁同步电机电流闭环控制采用id＝0矢量控制策略，矢量控制策略根据磁势和功率不变的原则对电机定子电流矢量进行Clark变换和Park变换，将其分解成按转子磁场定向的励磁电流分量id和转矩电流分量iq，然后分别进行电流PI闭环控制得到相应电压分量，最后经过Park逆变换和空间电压矢量脉宽调制方法实现对电机目标电流的快速动态跟踪。

如图7所示，控制系统硬件平台以32位DSP为核心，主要运行补偿模型和电机矢量控制策略，实现对力感的精确模拟。控制系统硬件平台包括：TMS320F2812最小电路、供电电路、电源保护电路、转矩转角信号采集电路、母线电压监测电路、相电流采集电路、HALL信号整形电路、铁电存储芯片、CAN收发器、主继电器驱动电路、大功率平波电感、三相全桥驱动电路、三相全桥功率电路。转矩信号和转角信号经过转矩转角信号采集电路进行阻抗匹配后直接输入给TMS320F2812芯片，作为补偿模型的输入量参与计算补偿电流；车辆模型计算的转向阻力矩进行阻抗匹配后输入给主控芯片，其与补偿电流共同作用获得电机的目标电流；相电流采集电路和HALL信号整形电路分别对电机相电流和电机转子位置信号进行处理后输入给主控单元，以进行电流矢量闭环控制策略。

主控单元根据矢量策略计算出的电压矢量输出6路PWM信号，通过三相全桥驱动电路和三相全桥功率电路放大后控制电机进行转向阻力加载，电源保护电路利用TVS器件和二极管电路保护控制系统硬件在受浪涌电压冲击和电源反接时不会损坏。母线电压监测电路对母线电压信号进行滤波和阻抗匹配处理后输入给主控电路，在系统出现持续过压和过流的情况时通过主继电器驱动电路将母线与功率器件的连接断开。铁电存储芯片作为外部数据存储通过SPI总线与主控单元连接，在进行数据标定时将标定后的数据值存储下来。CAN收发器主要接收dSPACE或者NI平台发出的车速信号并将控制系统的状态信息量发送给外部测控设备。

Claims (7)

1.基于C-EPS结构的力感模拟系统，其包括基于C-EPS结构的力感模拟机械系统和力感模拟控制系统，其中力感模拟控制系统又包括力感模拟控制模型和控制系统硬件平台。

2.根据权利要求1所述的基于C-EPS结构的力感模拟系统，其特征在于：所述的基于C-EPS结构的力感模拟机械系统包括：方向盘(1)、转向柱管(2)、伺服电机(16)、蜗轮蜗杆减速机构(17)、转角限位装置(9)、扭矩传感器(3)、方向盘转角传感器(7)；方向盘转角传感器(7)是通过连接轴(5)与C-EPS的转向柱管末端连接，并通过传感器支座(6)固定在C-EPS的壳体上；方向盘转角限位装置(9)通过限位装置支座(4)与C-EPS壳体固连。

3.根据权利要求2所述的基于C-EPS结构的力感模拟系统，其特征在于：所述的方向盘转角限位装置是通过主动齿轮轴(10)和从动齿轮轴(11)进行减速，传动比为4∶1，通过位置可调整限位螺栓(14)和限位挡块(12)进行变转角范围限位，实现方向盘在±360°～±720°范围内转动，以满足不同车型的转向需求，主动齿轮轴(10)和从动齿轮轴(11)是通过轴承(13)固定于限位装置支座(4)和限位装置壳体(15)上，其中主动齿轮轴(10)和连接轴(5)设计为一个整体。

4.根据权利要求2所述的基于C-EPS结构的力感模拟系统，其特征在于：所述的方向盘转角传感器的内键槽通过平键与连接轴(5)外键槽连接，连接轴(5)的另一端为内花键与转向柱管末端外花键连接，使得方向盘转角传感器与转向柱管保持精准的同轴度。

5.根据权利要求2所述的基于C-EPS结构的力感模拟系统，其特征在于：所述的方向盘转角传感器的轴向固定是通过传感器支座(6)固定，方向盘转角传感器(7)的线束输出口的矩形外壳与传感器支座所设计的矩形口相配合，并通过张紧螺钉预紧，传感器支座(6)的底部通过螺钉与C-EPS的壳体连接固定。

6.根据权利要求1所述的基于C-EPS结构的力感模拟系统，其特征在于：所述的力感模拟控制模型是由电机控制模型和电机控制器中的补偿模型组成，通过对机械系统进行摩擦补偿、阻尼补偿、力矩微分、刚度补偿、惯量补偿来修正输入控制器的目标电流指令，克服机械系统固有的缺陷，修正后的电流指令输入给永磁同步电机的电流矢量控制策略。

7.根据权利要求1所述的基于C-EPS结构的力感模拟系统，其特征在于：所述的控制系统硬件平台包括：TMS320F2812最小电路、供电电路、电源保护电路、转矩转角信号采集电路、母线电压监测电路、相电流采集电路、HALL信号整形电路、铁电存储芯片、CAN收发器、主继电器驱动电路、大功率平波电感、三相全桥驱动电路、三相全桥功率电路；转矩信号和转角信号经过转矩转角信号采集电路进行阻抗匹配后直接输入给TMS320F2812芯片，作为补偿模型的输入量参与计算补偿电流；车辆模型计算的转向阻力矩进行阻抗匹配后输入给主控芯片，其与补偿电流共同作用获得电机的目标电流；相电流采集电路和HALL信号整形电路分别对电机相电流和电机转子位置信号进行处理后输入给主控单元，以进行电流矢量闭环控制策略。