CN106697039B - 一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，包括：有刷电动助力转向系统及其控制器，还包括集成在有刷电动助力转向系统的控制器中的车辆动态验证模块、车轮周长补偿模块、轮速修正模块、转角估算模块和回正力矩分配模块，有刷电动助力转向系统包括执行单元模块，所述控制器控制执行单元模块中的EPS马达的工作电流电压来实现控制策略。通过上述方式，本发明所述的基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，不使用方向盘转角传感器，仅利用车速信号和轮速信号，根据方向盘扭矩传感器信号，EPS控制器计算出方向盘的转角信号，从而分配主动回正力矩，控制电机执行，精度高，控制稳定，成本低。

Description

一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统

技术领域

本发明涉及车辆转向系统领域，特别是涉及一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统。

背景技术

随着汽车技术的深入发展，优化产品性能和降低成本的诉求也越来越高，性价比高的产品具有非常强的市场竞争力，是各个汽车厂商的关键需求。

电动助力转向系统(EPS)由于响应精准、操控性强、能耗低等特点，被越来越多的汽车厂商所接受，逐渐成为汽车标配产品。而主动回正功能是电动助力转向系统中的一项重要功能，能够帮助驾驶员合理控制车辆的回正姿态，其中，获取方向盘的实时角度信息是实现主动回正功能的基础和关键。

传统的电动助力转向系统中，大多需要加装额外的方向盘转角传感器，以获取实时的方向盘位置信号，但是需要增加额外的硬件成本。

无刷电动助力转向系统中，由于电机控制需要，电机模块中带有电机位置传感器，能够实时输出电机的位置信号，由于电机与方向盘通过机械结构连接，从而能够间接确定方向盘的角度信息，因此可以取消方向盘转角传感器。

有刷电动助力转向系统相比于无刷系统具有更好的成本优势，在经济型车型上具有广泛的应用；由于其电机模块中没有电机位置传感器，实现主动回正功能往往需要加装额外的方向盘转角传感器，但是会导致系统成本的上升。

专利CN103523077A公布了一种无转角传感器的回正功能，利用方向盘扭矩信号，车速，方向盘转角的对应关系判断方向盘角度，从而实施主动回正；但是没有考虑路面摩擦力变化引起的方向盘扭矩的影响，因此很难得到有效的角度估算。

专利CN102530071A公布了一种无角度传感器的电动助力转向回正控制器，其利用电机的工作电流和转向灯组合开关判断方向盘的位置，并施加适当的回正力矩；但是没有考虑汽车负载和蓄电池电压变化对电机工作电流的影响，组合开关中时钟弹簧的位置信号获取也增加了硬件设计的成本。

因此，基于有刷转向系统平台开发出低成本的主动回正功能仍然需要有更优化的解决方案，从而进一步提升产品的性价比。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，在不使用方向盘转角传感器的情况下，利用车速信号和轮速信号，根据方向盘扭矩传感器信号，EPS控制器计算出方向盘的转角信号，从而分配主动回正力矩，控制电机执行。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提出一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，包括：有刷电动助力转向系统及其控制器，还包括：

车辆动态验证模块：接收方向盘扭矩信号、车速信号、电机转速信号，然后对接收信号分别进行逻辑计算，判断目前驾驶车辆的状态信息，生成车辆状态信号；

车轮周长补偿模块：接收车速信号、车辆状态信号、各个轮速信号，基于输入信号的分析，实时计算每个车轮的周长补偿系数；

轮速修正模块：接收各个轮速信号、车轮周长补偿系数，分析以上输入信号，得出合理的车轮转速，并计算前后轴的轮速差；

转角估算模块：根据修正后的各个轮速信号，实时计算出方向盘的转角值；

回正力矩分配模块：接收车速信号、方向盘扭矩信号、电机转速信号和方向盘转角的信号，分析以上输入信号，分配合理的电机回正力矩；

以上车辆动态验证模块、车轮周长补偿模块、轮速修正模块、转角估算模块、回正力矩分配模块集成在有刷电动助力转向系统的控制器中，有刷电动助力转向系统包括执行单元模块，所述控制器控制执行单元模块中的EPS马达的工作电流电压来实现控制策略。

在本发明一个较佳实施例中，所述车辆动态验证模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、EPS系统中的方向盘扭矩信号T和电机转速信号V_Motor，电机转速信号V_Motor当量设为N，判断出车辆状态值S，其计算的方法为：

1.1当方向盘扭矩信号T>t1,车速信号V>v1,电机转速信号N>n1时，

车辆的状态计算为动态驾驶，输出的车辆状态值为S1；

1.2当方向盘扭矩信号T<＝t1,车速信号V<＝v1,电机转速信号N<＝n1时，

车辆的状态计算为低速稳态驾驶，输出的车辆状态值为S2；

1.3当方向盘扭矩信号T<＝t1,车速信号V>v1,电机转速信号N<＝n1时；

车辆的状态计算为高速稳态驾驶，输出的车辆状态值为S3；

1.4其余状态输出的车辆状态值为S0；

其中，t1、v1和n1为预设值，根据车辆的底盘特性通过实车标定得出。

在本发明一个较佳实施例中，所述车轮周长补偿模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、左前轮轮速信号V_FL、右前轮轮速信号V_FR、左后轮轮速信号V_RL、右后轮轮速信号V_RR以及车辆动态验证模块中输出的车辆状态值S，计算出各个车轮周长的补偿系数，以消除车轮滚动周长差异对主动回正功能的影响，其计算的方法为：

1.1当车辆状态值为S1和S0时，由于车辆处于非稳态行驶状态，车辆动态对车轮轮速会有较大影响，因此左前轮补偿系数C_FL、右前轮补偿系数C_FR、左后轮补偿系数C_RL和右后轮补偿系数C_RR不更新，保持历史状态；

1.2当车辆状态值为S2时；

左前轮补偿系数

右前轮补偿系数

左后轮补偿系数

右后轮补偿系数

其中K1为常量，与实际车辆状态相关，需要实车标定得出；

1.3当车辆状态值为S3时；

左前轮补偿系数

右前轮补偿系数

左后轮补偿系数

右后轮补偿系数

其中K0为常量，与实际车辆状态相关，需要实车标定得出；补偿系数的优先级规则如下：

a:当车辆状态值达到S3，计算出的补偿系数将存储于模块中，具有最高优先级，应用于主动回正功能运算中，直至下一个车辆状态值达到S3时再更新；

b:当车辆状态值达到S2，计算出的补偿系数将存储于模块中，具有中等优先级，应用于主动回正功能运算中，但是车辆状态值达到S3时会被更新,此时补偿系数规则参考a；

c):当车辆状态值达到S1或S0，直接调用模块中存储的补偿系数。

在本发明一个较佳实施例中，所述轮速修正模块接收车辆CAN总线上的左前轮轮速信号V_FL、右前轮轮速信号V_FR、左后轮轮速信号V_RL、右后轮轮速信号V_RR以及车轮周长补偿模块中输出的左前轮补偿系数C_FL、右前轮补偿系数C_FR、左后轮补偿系数C_RL、右后轮补偿系数C_RR，计算出各个车轮修正速度:左前轮修正轮速V_FL_Corr、右前轮修正轮速V_FR_Corr、左后轮修正轮速V_RL_Corr、右后轮修正轮速V_RR_Corr，其计算的方法为：

V_FL_Corr＝C_FL×V_FL

V_FR_Corr＝C_FR×V_FR

V_RL_Corr＝C_RL×V_RL

V_RR_Corr＝C_RR×V_RR。

在本发明一个较佳实施例中，所述转角估算模块接收轮速修正模块中输出的左前轮修正轮速V_FL_Corr、右前轮修正轮速V_FR_Corr、左后轮修正轮速V_RL_Corr、右后轮修正轮速V_RR_Corr，计算出方向盘的转角值：

车辆在转弯过程中驾驶员通过改变方向盘角度，以带动机械连接的转向车轮发生偏转，因此各个车轮的轮速和车轮中心行驶轨迹的半径有如下关系：

(2) |r_RR-r_RL|＝B

(5) θ＝i×α

其中B为后轴轮距，L为车辆轴距，i为转向系统传动比，α为转向车轮的转角，通过计算即可得到方向盘转角的计算值θ。

在本发明一个较佳实施例中，所述回正力矩分配模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、EPS系统中的方向盘扭矩信号T和电机转速信号V_Motor以及转角估算模块中的方向盘转角θ，实时分配回正力矩：

回正力矩T_motor与三个影响因子f(θ)、f(V)、f(V_Motor,θ)有关，其中f(θ)为以方向盘转角为变量的函数，转角越大，函数的值越大；f(V)为以车速为变量的函数，车速越大，函数值越小；f(V_Motor,θ)为边界条件函数，防止方向盘在即将到达中点位置时，电机助力过大引起回正超调；

EPS控制器将回正力矩T_motor发给电机执行，以实现回正功能。

本发明的有益效果是：本发明指出的一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，利用车速信号和轮速信号，根据方向盘扭矩传感器信号，EPS控制器计算出方向盘的转角信号，从而分配主动回正力矩，控制电机执行，精度高，控制稳定，而且不使用方向盘转角传感器，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统一较佳实施例的主动回正功能的结构示意图；

图2为车辆动态验证模块的示意图；

图3为车轮周长补偿模块的示意图；

图4为轮速修正模块的示意图；

图5为转角估算模块的示意图；

图6为回正力矩分配模块的示意图；

图7本发明一种基于有刷电动助力转向系统实时分配回正力矩的逻辑原理图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～图7，本发明实施例包括：

一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，包括：有刷电动助力转向系统及其控制器，还包括：

车辆动态验证模块：接收方向盘扭矩信号、车速信号、电机转速信号，然后对接收信号分别进行逻辑计算，判断目前驾驶车辆的状态信息，生成车辆状态信号，如图2所示；

车轮周长补偿模块：接收车速信号、车辆状态信号、各个轮速信号，基于输入信号的分析，实时计算每个车轮的周长补偿系数，如图3所示；

轮速修正模块：接收各个轮速信号、车轮周长补偿系数，分析以上输入信号，得出合理的车轮转速，并计算前后轴的轮速差，如图4所示；

转角估算模块：根据修正后的各个轮速信号，实时计算出方向盘的转角值，如图5所示；

回正力矩分配模块：接收车速信号、方向盘扭矩信号、电机转速信号和方向盘转角的信号，分析以上输入信号，分配合理的电机回正力矩，如图6所示；

以上车辆动态验证模块、车轮周长补偿模块、轮速修正模块、转角估算模块、回正力矩分配模块集成在有刷电动助力转向系统的控制器中，有刷电动助力转向系统包括执行单元模块，所述控制器控制执行单元模块中的EPS马达的工作电流电压来实现控制策略。

进一步的，所述车辆动态验证模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、EPS系统中的方向盘扭矩信号T和电机转速信号V_Motor，电机转速信号V_Motor当量设为N，判断出车辆状态值S，其计算的方法为：

1.5当方向盘扭矩信号T>t1,车速信号V>v1,电机转速信号N>n1时，

车辆的状态计算为动态驾驶，输出的车辆状态值为S1；

1.6当方向盘扭矩信号T<＝t1,车速信号V<＝v1,电机转速信号N<＝n1时，

车辆的状态计算为低速稳态驾驶，输出的车辆状态值为S2；

1.7当方向盘扭矩信号T<＝t1,车速信号V>v1,电机转速信号N<＝n1时；

车辆的状态计算为高速稳态驾驶，输出的车辆状态值为S3；

1.8其余状态输出的车辆状态值为S0；

其中，t1、v1和n1为预设值，根据车辆的底盘特性通过实车标定得出。

进一步的，所述车轮周长补偿模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、左前轮轮速信号V_FL、右前轮轮速信号V_FR、左后轮轮速信号V_RL、右后轮轮速信号V_RR以及车辆动态验证模块中输出的车辆状态值S，计算出各个车轮周长的补偿系数，以消除车轮滚动周长差异对主动回正功能的影响，其计算的方法为：

1.4当车辆状态值为S1和S0时，由于车辆处于非稳态行驶状态，车辆动态对车轮轮速会有较大影响，因此左前轮补偿系数C_FL、右前轮补偿系数C_FR、左后轮补偿系数C_RL和右后轮补偿系数C_RR不更新，保持历史状态；

1.5当车辆状态值为S2时；

左前轮补偿系数

右前轮补偿系数

左后轮补偿系数

右后轮补偿系数

其中K1为常量，与实际车辆状态相关，需要实车标定得出；

1.6当车辆状态值为S3时；

左前轮补偿系数

右前轮补偿系数

左后轮补偿系数

右后轮补偿系数

其中K0为常量，与实际车辆状态相关，需要实车标定得出；补偿系数的优先级规则如下：

a:当车辆状态值达到S3，计算出的补偿系数将存储于模块中，具有最高优先级，应用于主动回正功能运算中，直至下一个车辆状态值达到S3时再更新；

b:当车辆状态值达到S2，计算出的补偿系数将存储于模块中，具有中等优先级，应用于主动回正功能运算中，但是车辆状态值达到S3时会被更新,此时补偿系数规则参考a；

c):当车辆状态值达到S1或S0，直接调用模块中存储的补偿系数。

进一步的，所述轮速修正模块接收车辆CAN总线上的左前轮轮速信号V_FL、右前轮轮速信号V_FR、左后轮轮速信号V_RL、右后轮轮速信号V_RR以及车轮周长补偿模块中输出的左前轮补偿系数C_FL、右前轮补偿系数C_FR、左后轮补偿系数C_RL、右后轮补偿系数C_RR，计算出各个车轮修正速度:左前轮修正轮速V_FL_Corr、右前轮修正轮速V_FR_Corr、左后轮修正轮速V_RL_Corr、右后轮修正轮速V_RR_Corr，其计算的方法为：

V_FL_Corr＝C_FL×V_FL

V_FR_Corr＝C_FR×V_FR

V_RL_Corr＝C_RL×V_RL

V_RR_Corr＝C_RR×V_RR。

进一步的，所述转角估算模块接收轮速修正模块中输出的左前轮修正轮速V_FL_Corr、右前轮修正轮速V_FR_Corr、左后轮修正轮速V_RL_Corr、右后轮修正轮速V_RR_Corr，计算出方向盘的转角值：

车辆在转弯过程中驾驶员通过改变方向盘角度，以带动机械连接的转向车轮发生偏转，因此各个车轮的轮速和车轮中心行驶轨迹的半径有如下关系：

(2) |r_RR-r_RL|＝B

(5) θ＝i×α

其中B为后轴轮距，L为车辆轴距，i为转向系统传动比，α为转向车轮的转角，通过计算即可得到方向盘转角的计算值θ。

进一步的，所述回正力矩分配模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、EPS系统中的方向盘扭矩信号T和电机转速信号V_Motor以及转角估算模块中的方向盘转角θ，实时分配回正力矩：

回正力矩T_motor与三个影响因子f(θ)、f(V)、f(V_Motor,θ)有关，其中f(θ)为以方向盘转角为变量的函数，转角越大，函数的值越大；f(V)为以车速为变量的函数，车速越大，函数值越小；f(V_Motor,θ)为边界条件函数，防止方向盘在即将到达中点位置时，电机助力过大引起回正超调；

EPS控制器将回正力矩T_motor发给电机执行，以实现回正功能。

综上所述，本发明指出的一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，控制灵活，稳定性高，没有采用方向盘转角传感器，大大降低了成本，适用于多种有刷电动助力转向系统。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，包括：有刷电动助力转向系统及其控制器，其特征在于，还包括：

车辆动态验证模块：接收方向盘扭矩信号、车速信号、电机转速信号，然后对接收信号分别进行逻辑计算，判断目前驾驶车辆的状态信息，生成车辆状态信号；

车轮周长补偿模块：接收车速信号、车辆状态信号、各个轮速信号，基于输入信号的分析，实时计算每个车轮的周长补偿系数；

轮速修正模块：接收各个轮速信号、车轮周长补偿系数，分析以上输入信号，得出合理的车轮转速，并计算前后轴的轮速差；

转角估算模块：根据修正后的各个轮速信号，实时计算出方向盘的转角值；

回正力矩分配模块：接收车速信号、方向盘扭矩信号、电机转速信号和方向盘转角的信号，分析以上输入信号，分配合理的电机回正力矩；

以上车辆动态验证模块、车轮周长补偿模块、轮速修正模块、转角估算模块、回正力矩分配模块集成在有刷电动助力转向系统的控制器中，有刷电动助力转向系统包括执行单元模块，所述控制器控制执行单元模块中的EPS马达的工作电流电压来实现控制策略。

2.根据权利要求1所述的基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，其特征在于，所述车辆动态验证模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、EPS系统中的方向盘扭矩信号T和电机转速信号V_Motor，电机转速信号V_Motor当量设为N，判断出车辆状态值S，其计算的方法为：

1.1当方向盘扭矩信号T>t1,车速信号V>v1,电机转速信号N>n1时，

车辆的状态计算为动态驾驶，输出的车辆状态值为S1；

1.2当方向盘扭矩信号T<＝t1,车速信号V<＝v1,电机转速信号N<＝n1时，

车辆的状态计算为低速稳态驾驶，输出的车辆状态值为S2；

1.3当方向盘扭矩信号T<＝t1,车速信号V>v1,电机转速信号N<＝n1时；

车辆的状态计算为高速稳态驾驶，输出的车辆状态值为S3；

1.4其余状态输出的车辆状态值为S0；

其中，t1、v1和n1为预设值，根据车辆的底盘特性通过实车标定得出。

3.根据权利要求2所述的基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，其特征在于，所述车轮周长补偿模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、左前轮轮速信号V_FL、右前轮轮速信号V_FR、左后轮轮速信号V_RL、右后轮轮速信号V_RR以及车辆动态验证模块中输出的车辆状态值S，计算出各个车轮周长的补偿系数，以消除车轮滚动周长差异对主动回正功能的影响，其计算的方法为：

1.1当车辆状态值为S1和S0时，由于车辆处于非稳态行驶状态，车辆动态对车轮轮速会有较大影响，因此左前轮补偿系数C_FL、右前轮补偿系数C_FR、左后轮补偿系数C_RL和右后轮补偿系数C_RR不更新，保持历史状态；

1.2当车辆状态值为S2时；

左前轮补偿系数

右前轮补偿系数

左后轮补偿系数

右后轮补偿系数

其中K1为常量，与实际车辆状态相关，需要实车标定得出；

1.3当车辆状态值为S3时；

左前轮补偿系数

右前轮补偿系数

左后轮补偿系数

右后轮补偿系数

其中K0为常量，与实际车辆状态相关，需要实车标定得出；补偿系数的优先级规则如下：

a:当车辆状态值达到S3，计算出的补偿系数将存储于模块中，具有最高优先级，应用于主动回正功能运算中，直至下一个车辆状态值达到S3时再更新；

b:当车辆状态值达到S2，计算出的补偿系数将存储于模块中，具有中等优先级，应用于主动回正功能运算中，但是车辆状态值达到S3时会被更新,此时补偿系数规则参考a；

c):当车辆状态值达到S1或S0，直接调用模块中存储的补偿系数。

4.根据权利要求3所述的基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，其特征在于，所述轮速修正模块接收车辆CAN总线上的左前轮轮速信号V_FL、右前轮轮速信号V_FR、左后轮轮速信号V_RL、右后轮轮速信号V_RR以及车轮周长补偿模块中输出的左前轮补偿系数C_FL、右前轮补偿系数C_FR、左后轮补偿系数C_RL、右后轮补偿系数C_RR，计算出各个车轮修正速度:左前轮修正轮速V_FL_Corr、右前轮修正轮速V_FR_Corr、左后轮修正轮速V_RL_Corr、右后轮修正轮速V_RR_Corr，其计算的方法为：

V_FL_Corr＝C_FL×V_FL

V_FR_Corr＝C_FR×V_FR

V_RL_Corr＝C_RL×V_RL

V_RR_Corr＝C_RR×V_RR。

5.根据权利要求4所述的基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，其特征在于，所述转角估算模块接收轮速修正模块中输出的左前轮修正轮速V_FL_Corr、右前轮修正轮速V_FR_Corr、左后轮修正轮速V_RL_Corr、右后轮修正轮速V_RR_Corr，计算出方向盘的转角值：

车辆在转弯过程中驾驶员通过改变方向盘角度，以带动机械连接的转向车轮发生偏转，因此各个车轮的轮速和车轮中心行驶轨迹的半径有如下关系：

(1)

(2) |r_RR-r_RL|＝B

(3)

(4)

(5) θ＝i×α

其中B为后轴轮距，L为车辆轴距，i为转向系统传动比，α为转向车轮的转角，通过计算即可得到方向盘转角的计算值θ。

6.根据权利要求5所述的基于有刷电动助力转向系统的主动回正控制系统，其特征在于，所述回正力矩分配模块接收车辆CAN总线上的车速信号V、EPS系统中的方向盘扭矩信号T和电机转速信号V_Motor以及转角估算模块中的方向盘转角θ，实时分配回正力矩：

回正力矩T_motor与三个影响因子f(θ)、f(V)、f(V_Motor,θ)有关，其中f(θ)为以方向盘转角为变量的函数，转角越大，函数的值越大；f(V)为以车速为变量的函数，车速越大，函数值越小；f(V_Motor,θ)为边界条件函数，防止方向盘在即将到达中点位置时，电机助力过大引起回正超调；

EPS控制器将回正力矩T_motor发给电机执行，以实现回正功能。