CN106585714A - 一种多模式复合转向系统分类控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式复合转向系统的分类控制器及其控制方法，通过工况特征提取模块对传感器模块输入的信号进行处理分析，建立分类函数，计算得到当前工况下分类函数的值。通过模式分类器Ⅰ将转向系统的转向模式分为模式A、模式B、模式C；通过模式分类器Ⅱ将模式C分为模式D、模式E，模式分类控制器向相应助力模块执行机构输出控制电流，驱动电动助力执行机构、液压助力执行机构输出助力，实现了系统多转向模式控制的功能，解决了车用多工作模式机电液耦合的助力系统模式切换的问题。

Description

一种多模式复合转向系统分类控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车助力转向系统控制技术领域，具体指代一种多模式复合转向系统分类控制器及其控制方法。

背景技术

目前，国内外现有汽车采用的液压助力转向系统可在汽车低速工况下提供较大助力，减轻驾驶员转向时负担；但在高速工况下转向路感较差，操纵稳定性存在问题；电动助力转向系统由控制器、助力电机、减速机构转向盘转矩传感器以及车速传感器等组成，控制器接收传感器测得的转向盘转矩信号和车速信号并进行处理，控制电机根据事先确定的助力特性输出助力转矩。但受汽车本身蓄电池电压等电气特性影响，其输出的最大助力矩较小，不满足大型客车等车辆的需求。

理想情况下，转向系统在汽车低速行驶时应输出较大的助力，以减轻驾驶员负担，实现良好的转向轻便性；在高速时应输出较小的助力，保障行驶安全，获得良好的转向路感。因此，在液压助力转向系统中融合电动助力模块，可实现车辆低速时的转向轻便性和高速时良好的路感；实现可变传动比功能，可进行主动转向干预，实现了汽车的操纵稳定性与驾驶舒适性的有机融合，是一种理想转向系统，具有广阔的应用前景。

但多模式复合转向系统在工作过程中，存在当车辆处于临界工况时，系统转向模式判定模糊、模式切换过程中出现切换“死区”，以及转向系统在模式切换过程中助力执行机构响应存在迟滞等问题，因此需要设计相应控制器，来解决机电液耦合的多模式系统工作模式切换的问题。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多模式复合转向系统分类控制器及其控制方法，以解决机电液耦合的多工作模式系统的模式切换问题，现有技术中转向系统传动比固定、液压助力转向系统在高速工况下转向路感较差，操纵稳定性差等问题。

为达到上述目的，本发明的一种多模式复合转向系统分类控制器，包括：传感器模块、信息预处理模块、工况特征提取模块、模式分类器Ⅰ、模式分类器Ⅱ，上述各部分依次连接，其中，

所述的传感器模块将采集到的工况信息传递至信息预处理模块；

所述的信息预处理模块对上述工况信息进行滤波、车辆状态参数估计处理，并将处理结果信息传递至工况特征提取模块；

所述的工况特征提取模块依据定义的不同工况转向力矩、转向能耗函数，对信息预处理模块输出的信号进行提取，得到当前车辆的工况特征函数，并将特征函数传递至模式分类器Ⅰ进行分类操作；所述的模式分类器Ⅰ为一级模式分类器，依照车辆当前工况以及一级模式分类算法，将系统转向模式分为转向模式A、转向模式B、转向模式C，并将相应分类信号输出至模式分类器Ⅱ，所述转向模式A、转向模式B、转向模式C分别为电动助力模式、液压助力模式、复合助力模式；

所述的模式分类器Ⅱ为复合模式分类器，依照复合模式分类算法将系统的复合模式分为转向模式D、转向模式E，所述转向模式D、转向模式E分别为原地转向模式、紧急避撞模式。

优选地，上述的传感器模块采集到的工况信息包括：车速信号、转向盘转角信号、转矩信号以及各个电机转速信号。

优选地，上述信息预处理模块包括：转角信息预处理模块、侧向加速度信息预处理模块、转向盘转矩信息预处理模块、车速信息预处理模块，分别对传感器模块采集到的转矩信号进行滤波处理，以及通过参数估计来获取横摆角速度信号。

本发明的一种多模式复合转向系统分类控制器的控制方法，包括如下步骤：

1)传感器模块采集工况信息，并将采集到的各个信号输出至信息预处理模块进行滤波处理；

2)信息预处理模块将处理信号传递至工况特征提取模块，定义不同工况转向力矩、转向能耗函数，得到指标理想转向力矩理想转向能耗表达式如下：

式中：θ_s为转向盘转角；θ_m1、θ_m2分别为伺服电机A、B转速；V为车速；ω为助力油泵转速；I_A为控制器电流；x_r为转向齿条位移；b为主销转向节偏距；β为前轮主销内倾角；r为轮胎半径；R为转弯半径；γ为前轮主销后倾角；η₁为转向系正传动效率；d为转向盘直径；i_ω为转向系角传动比；F₁为满载前轴荷；C_Fr为速比摩擦系数；C_Fr2为速比平方摩擦系数；P_s为助力泵输出压力；q为助力泵排量；ρ为助力油液密度；Q_s为油泵流量；A_p为液压缸活塞的有效面积；C_q为流量系数；A_i为第i个阀口的节流面积；

3)模式分类器Ⅰ基于信息预处理模块的输出结果，包括转向助力模块输出力矩大小与理想转向力矩间的偏差以及助力模块的能耗值，基于一级模式分类算法对转向系统模式划分进行判定：

所述一级模式分类算法为：转向系统处于单助力执行机构工作的工况下，当助力机构实际可提供的转向力矩大于相同工况下的理想转向力矩时，继续由单助力执行机构输出转向助力；当助力机构实际提供的转向力矩小于相同工况下的理想转向力矩时，电子控制单元向相应的伺服电机输出控制电流，驱动相应执行机构工作，转向系统进入复合转向模式，且电子控制单元通过控制伺服电机电流限制两个助力机构输出助力比例，使系统满足约束条件转向能耗在理想能耗区间内；

复合转向模式计算式如下：

4)当模式分类器Ⅰ的计算得到的转向模式为复合转向模式时，模式分类器Ⅰ输出信号至模式分类器Ⅱ，模式分类器Ⅱ基于复合模式分类算法进行计算，所述复合模式分类算法为：计算实际转向助力执行机构能耗最小值，来确定液压执行机构、电动执行机构二者参与助力的比例关系，并限定计算得到的实际提供转向力矩在相同工况下的理想转向力矩区间内，复合转向比例判定式如下：

定义助力模式C下的比例系数K_E，助力模式比例系数K_E表示转向系统在复合助力模式下，电动助力模块所提供助力占转向系统所提供总助力理想值的百分比，通过对助力模式比例系数K_E进行控制，将助力模式分为助力模式D、助力模式E，分别为原地转向模式、紧急避撞模式；其表达式为：

5)各模式执行器分别依据模式分类器Ⅰ、模式分类器Ⅱ计算结果，输出电信号至执行机构模块的电动执行机构、液压执行机构，驱动相应执行机构输出助力距，实现动力转向。

本发明的有益效果：

本发明基于助力执行机构输出助力大小、工作能耗的关系，提出了车辆当前工况特征函数；通过模式分类器Ⅰ、模式分类器Ⅱ依照车辆工况对转向模式进行分类控制，实现了系统的多转向模式的功能，实现了车辆模式与工况的匹配，从而提高了系统的转向经济性和转向轻便性，提高了转向盘转矩控制精度，因此具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1绘示多模式复合转向系统的机械结构图；

图2绘示多模式复合转向系统分类控制器原理框图；

图3绘示多模式复合转向系统分类控制器策略逻辑流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，一种多模式主动转向系统，包括：转向盘1、传感器模块2、转向柱3、行星齿轮组4、转向器7、电子控制单元(ECU)12、转向摇臂17、伺服电机C14、电动推杆、第一减速机构13、伺服电机A6、第二减速机构5、伺服电机B10、液压泵9、储油罐11、转阀8、液压助力缸15及助力耦合器16；

所述的转向盘1连接转向柱3的力矩输入端，传感器模块2置于转向盘1与转向柱3之间，并与电子控制单元(ECU)12相连接，转向柱3的力矩输出端与行星齿轮组4输入端相连，转角修正模块通过行星齿轮组4中的下齿圈向转向系统提供修正力矩，转向力矩经行星齿轮组4输出端、转向器7、输出至转向摇臂17，转向助力模块向循环球转向器7提供转向助力矩。电子控制单元(ECU)12通过伺服电机控制信号b对伺服电机C14及第一减速机构13、电动推杆进行控制，助力矩经第一减速机构13减速增矩后传递给电动推杆、到行星齿轮组4的下齿圈，实现变传动比转角修正控制；伺服电机A6，第二减速机构5组成电动助力模块，电子控制单元(ECU)12通过伺服电机控制信号c对伺服电机A6进行控制，助力矩经第二减速机构5减速增矩后传递给助力耦合器16；伺服电机B10、液压泵9、储油罐11、转阀8、液压助力缸15组成液压助力模块，电子控制单元(ECU)12通过伺服电机控制信号d对助力伺服电机B10进行控制，驱动液压泵9将助力油液从储油罐11经转阀8泵入液压助力缸15，在液压助力缸15两端形成压差，从而产生助力，助力矩传递给助力耦合器16，助力耦合器16将合力矩传递至转向摇臂17。

参照图2所示，本发明的一种多模式复合转向系统分类控制器，于实施例中基于上述多模式主动转向系统，包括：传感器模块、信息预处理模块、工况特征提取模块、模式分类器Ⅰ、模式分类器Ⅱ，上述各部分依次连接，其中，

所述的传感器模块将采集到的工况信息传递至信息预处理模块；

所述的信息预处理模块对上述工况信息进行滤波、车辆状态参数估计处理，并向工况特征提取模块传递转向盘转角信号θ_s、侧向加速度信号a_y、前轮转角信号δ_f、纵向车速信号v、前轮主销内倾角信号β、前轮主销后倾角信号γ、控制器电流信号I_A、助力油泵转速信号ω、转向齿条位移信号x_r、伺服电机A、B转速信号θ_m1、θ_m2；

所述的工况特征提取模块依据定义的不同工况转向力矩、转向能耗函数，对信息预处理模块输出的信号进行提取，得到当前车辆的工况特征函数，并将特征函数传递至模式分类器Ⅰ进行分类操作；所述的模式分类器Ⅰ为一级模式分类器，依照车辆当前工况以及一级模式分类算法，将系统转向模式分为转向模式A、转向模式B、转向模式C，并将相应分类信号输出至模式分类器Ⅱ，所述转向模式A、转向模式B、转向模式C分别为电动助力模式、液压助力模式、复合助力模式；

所述的模式分类器Ⅱ为复合模式分类器，依照复合模式分类算法将系统的复合模式分为转向模式D、转向模式E，所述转向模式D、转向模式E分别为原地转向模式、紧急避撞模式。

各模式执行器分别依据模式分类器Ⅰ、模式分类器Ⅱ计算结果，输出电信号至执行机构模块的电动执行机构、液压执行机构，驱动相应执行机构输出助力距，实现动力转向。

其中，上述的传感器模块采集到的工况信息包括：车速信号、转向盘转角信号、转矩信号以及各个电机转速信号。

其中，上述信息预处理模块包括：转角信息预处理模块、侧向加速度信息预处理模块、转向盘转矩信息预处理模块、车速信息预处理模块，分别对传感器模块采集到的转矩信号等进行滤波处理，以及通过参数估计来获取横摆角速度信号。

参照图3所示，一种多模式复合转向系统分类控制器的控制方法，包括如下步骤：

1)传感器模块采集工况信息，并将采集到的各个信号输出至信息预处理模块进行滤波处理；

2)信息预处理模块将处理信号传递至工况特征提取模块，定义不同工况转向力矩、转向能耗函数，得到指标理想转向力矩理想转向能耗表达式如下：

式中：θ_s为转向盘转角；θ_m1、θ_m2分别为伺服电机A、B转速；V为车速；ω为助力油泵转速；I_A为控制器电流；x_r为转向齿条位移；b为主销转向节偏距；β为前轮主销内倾角；r为轮胎半径；R为转弯半径；γ为前轮主销后倾角；η₁为转向系正传动效率；d为转向盘直径；i_ω为转向系角传动比；F₁为满载前轴荷；C_Fr为速比摩擦系数；C_Fr2为速比平方摩擦系数；P_s为助力泵输出压力；q为助力泵排量；ρ为助力油液密度；Q_s为油泵流量；A_p为液压缸活塞的有效面积；C_q为流量系数；A_i为第i个阀口的节流面积；

3)模式分类器Ⅰ基于信息预处理模块的输出结果，包括转向助力模块输出力矩大小与理想转向力矩间的偏差以及助力模块的能耗值，基于一级模式分类算法对转向系统模式划分进行判定：

所述一级模式分类算法为：转向系统处于单助力执行机构工作的工况下，当助力机构实际可提供的转向力矩大于相同工况下的理想转向力矩时，继续由单助力执行机构输出转向助力；当助力机构实际提供的转向力矩小于相同工况下的理想转向力矩时，电子控制单元向相应的伺服电机输出控制电流，驱动相应执行机构工作，转向系统进入复合转向模式，且电子控制单元通过控制伺服电机电流限制两个助力机构输出助力比例，使系统满足约束条件转向能耗在理想能耗区间内；

复合转向模式计算式如下：

4)当模式分类器Ⅰ的计算得到的转向模式为复合转向模式时，模式分类器Ⅰ输出信号至模式分类器Ⅱ，模式分类器Ⅱ基于复合模式分类算法进行计算，所述复合模式分类算法为：计算实际转向助力执行机构能耗最小值，来确定液压执行机构、电动执行机构二者参与助力的比例关系，并限定计算得到的实际提供转向力矩在相同工况下的理想转向力矩区间内，防止由于限定系统转向能耗，从而导致助力机构输出助力过小，影响驾驶舒适性、操纵稳定性，复合转向比例判定式如下：

定义助力模式C下的比例系数K_E，助力模式比例系数K_E表示转向系统在复合助力模式下，电动助力模块所提供助力占转向系统所提供总助力理想值的百分比，通过对助力模式比例系数K_E进行控制，将助力模式分为助力模式D、助力模式E，分别为原地转向模式、紧急避撞模式；从而实现转向系统的转向经济性和转向轻便性，其表达式为：

5)模式执行器A、模式执行器B、模式执行器D、模式执行器E分别依据模式分类器Ⅰ、模式分类器Ⅱ计算结果，输出电信号至执行机构模块的电动执行机构、液压执行机构，驱动相应执行机构输出助力距，实现动力转向。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多模式复合转向系统分类控制器，其特征在于，包括：传感器模块、信息预处理模块、工况特征提取模块、模式分类器Ⅰ、模式分类器Ⅱ，上述各部分依次连接，其中，

所述的传感器模块将采集到的工况信息传递至信息预处理模块；

所述的信息预处理模块对上述工况信息进行滤波、车辆状态参数估计处理，并将处理结果信息传递至工况特征提取模块；

所述的工况特征提取模块依据定义的不同工况转向力矩、转向能耗函数，对信息预处理模块输出的信号进行提取，得到当前车辆的工况特征函数，并将特征函数传递至模式分类器Ⅰ进行分类操作；所述的模式分类器Ⅰ为一级模式分类器，依照车辆当前工况以及一级模式分类算法，将系统转向模式分为转向模式A、转向模式B、转向模式C，并将相应分类信号输出至模式分类器Ⅱ；所述转向模式A、转向模式B、转向模式C分别为电动助力模式、液压助力模式、复合助力模式；

所述的模式分类器Ⅱ为复合模式分类器，依照复合模式分类算法将系统的复合模式分为转向模式D、转向模式E；所述转向模式D、转向模式E分别为原地转向模式、紧急避撞模式。

2.根据权利要求1所述的多模式复合转向系统分类控制器，其特征在于，上述的传感器模块采集到的工况信息包括：车速信号、转向盘转角信号、转矩信号以及各个电机转速信号。

3.根据权利要求1所述的多模式复合转向系统分类控制器，其特征在于，上述信息预处理模块包括：转角信息预处理模块、侧向加速度信息预处理模块、转向盘转矩信息预处理模块、车速信息预处理模块，分别对传感器模块采集到的转矩信号进行滤波处理，以及通过参数估计来获取横摆角速度信号。

4.一种多模式复合转向系统分类控制器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)传感器模块采集工况信息，并将采集到的各个信号输出至信息预处理模块进行滤波处理；

2)信息预处理模块将处理信号传递至工况特征提取模块，定义不同工况转向力矩、转向能耗函数，得到指标理想转向力矩理想转向能耗表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1^{*}\\ y_2^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccc}\frac{F_{1}b\·\sin 2\mathrm{\β}}{90{\mathrm{\η}}_1\·d\·i_{\mathrm{\ω}1}}& \frac{2}{{\mathrm{\η}}_1\·d\·i_{\mathrm{\ω}1}}& \frac{2}{{\mathrm{\η}}_1\·d\·i_{\mathrm{\ω}1}}& \frac{2F_{1}r\·\sin \mathrm{\γ}}{g\·R\·{\mathrm{\η}}_1\·d\·i_{\mathrm{\ω}1}}& 0& 0& 0\\ 0& C_{Fr}+C_{Fr2}& C_{Fr}+C_{Fr2}& 0& \frac{P_{s}q}{2\mathrm{\π}}& R_A& \underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\ρQ}}_s{A}_p}{{\left(C_q{A}_i\right)}^2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_s\\ {\mathrm{\θ}}_{m1}\\ {\mathrm{\θ}}_{m2}\\ V\\ \mathrm{\ω}\\ {I_A}^2\\ {\stackrel{\·}{x}}_r\end{array}\right]$

式中：θ_s为转向盘转角；θ_m1、θ_m2分别为伺服电机A、B转速；V为车速；ω为助力油泵转速；I_A为控制器电流；x_r为转向齿条位移；b为主销转向节偏距；β为前轮主销内倾角；r为轮胎半径；R为转弯半径；γ为前轮主销后倾角；η₁为转向系正传动效率；d为转向盘直径；i_ω为转向系角传动比；F₁为满载前轴荷；C_Fr为速比摩擦系数；C_Fr2为速比平方摩擦系数；P_s为助力泵输出压力；q为助力泵排量；ρ为助力油液密度；Q_s为油泵流量；A_p为液压缸活塞的有效面积；C_q为流量系数；A_i为第i个阀口的节流面积；

3)模式分类器Ⅰ基于信息预处理模块的输出结果，包括转向助力模块输出力矩大小与理想转向力矩间的偏差以及助力模块的能耗值，基于一级模式分类算法对转向系统模式划分进行判定：

所述一级模式分类算法为：转向系统处于单助力执行机构工作的工况下，当助力机构实际可提供的转向力矩大于相同工况下的理想转向力矩时，继续由单助力执行机构输出转向助力；当助力机构实际提供的转向力矩小于相同工况下的理想转向力矩时，电子控制单元向相应的伺服电机输出控制电流，驱动相应执行机构工作，转向系统进入复合转向模式，且电子控制单元通过控制伺服电机电流限制两个助力机构输出助力比例，使系统满足约束条件转向能耗在理想能耗区间内；

复合转向模式计算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1<y_1^{*}\\ \begin{array}{cc}s.t.& y_2\&Element;(y_{2\min }^{*},y_{2\max }^{*})\end{array}\end{array}\right.$

4)当模式分类器Ⅰ的计算得到的转向模式为复合转向模式时，模式分类器Ⅰ输出信号至模式分类器Ⅱ，模式分类器Ⅱ基于复合模式分类算法进行计算，所述复合模式分类算法为：计算实际转向助力执行机构能耗最小值，来确定液压执行机构、电动执行机构二者参与助力的比例关系，并限定计算得到的实际提供转向力矩在相同工况下的理想转向力矩区间内，复合转向比例判定式如下：

$\left\{\begin{array}{c}min:y_2\\ \begin{array}{cc}s.t.& y_1\&Element;(y_{1\min }^{*},y_{1max}^{*})\end{array}\end{array}\right.$

定义助力模式C下的比例系数K_E，助力模式比例系数K_E表示转向系统在复合助力模式下，电动助力模块所提供助力占转向系统所提供总助力理想值的百分比，通过对助力模式比例系数K_E进行控制，将助力模式分为助力模式D、助力模式E，分别为原地转向模式、紧急避撞模式；其表达式为：

$K_E=\frac{T_{EPS}\left({\mathrm{\&theta;}}_m\right)}{f_1};$

5)各模式执行器分别依据模式分类器Ⅰ、模式分类器Ⅱ计算结果，输出电信号至执行机构模块的电动执行机构、液压执行机构，驱动相应执行机构输出助力距，实现动力转向。