CN106741127B - 一种双助力循环球式转向系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双助力循环球式转向系统及其控制方法，该系统包括有方向盘、转向管柱、转矩传感器、齿扇、双向蜗轮蜗杆减速机构、转向摇臂、转向横拉杆、车轮、车速传感器、横摆角速度传感器、电子控制单元、左右助力电机。在行驶过程中，电子控制单元实时采集转矩传感器、横摆角速度以及车速信号，计算理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值，通过设计的自适应容错控制器重新计算双助力电机补偿转矩，并由ECU向发送脉冲控制其运行完成正常与执行器部分失效状况下的汽车稳定性控制。本发明能够实现双助力循环球式转向系统的自适应容错控制，提高转向系统的可靠性和汽车行驶时的稳定性和安全性。

Description

一种双助力循环球式转向系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及转向系统技术领域，尤其涉及一种双助力循环球式转向系统及其控制方法。

背景技术

动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统，在机械转向系统的基础上额外增加一套动力转向装置而形成的。在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由动力转向装置提供的。但在动力转向装置失效时，驾驶员需要独立承担汽车转向的任务。

对质量较重的汽车而言，一旦动力转向装置失效，驾驶员通过机械传动系加于转向节的力可能不足以使转向轮偏转而实现转向或者需要耗费较多体力，因此设计动力转向装置失效工况下的容错控制显得非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种双助力循环球式转向系统及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种双助力循环球式转向系统，包括方向盘、转向管柱、方向盘转角传感器、齿扇、双向蜗轮蜗杆减速机构、转向摇臂、转向横拉杆、车速传感器、横摆角速度传感器、电子控制单元、左助力电机和右助力电机；

所述转向管柱一端和所述方向盘固定相连，另一端和所述双向蜗轮蜗杆减速机构的输出端相连；

所述方向盘转角传感器安装在转向管柱上，用于获取方向盘转角，并将其传递给所述电子控制单元；

所述双向蜗轮蜗杆减速机构的一个输入端和左助力电机的输出端相连，另一个输入端和右助力电机的输出端相连；

所述左助力电机、右助力电机用于根据各自接收到的电流信号提供转向助力给所述双向蜗轮蜗杆减速机构；

所述转向管柱在方向盘转角传感器和双向蜗轮蜗杆减速机构之间设有螺杆；

所述齿扇的齿面和所述螺杆啮合、转心和所述转向摇臂的一端铰接；

所述转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的中心铰接；

所述转向横拉杆的两端分别和汽车的两个前轮相连；

所述车速传感器、横摆角速度传感器均设置在汽车上，分别用于获取汽车的车速和横摆角速度，并将其传递给所述电子控制单元；

所述电子控制单元分别和方向盘转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、左助力电机、右助力电机电气相连，用于根据获得的方向盘转角、车速、横摆角速度计算左助力电机和右助力电机需要提供的补偿助力，并产生相应的电流信号传递给所述左助力电机、右助力电机。

本发明还公开了一种基于该双助力循环球式转向系统的容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1)，计算理想横摆角速度与方向盘转角关系；

步骤2)，建立双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型，并基于双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型建立双助力循环球式转向系统的状态空间模型；

步骤3)，建立自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型；

步骤4)，建立双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，并基于双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，建立自适应容错控制算法结构；

步骤5)，基于自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型和自适应容错控制算法结构，建立双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器，并采用所述自适应容错控制器对双助力循环球式转向系统进行稳定性控制。

作为本发明一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤1)中所述的理想横摆角速度ω_r ^*与方向盘转角θ_sw关系为：

式中：

a₀＝k₁k₂(a+b)²+(k₂b-k₁a)mu²；b₀＝k₁k₂(a+b)u；L为前后轴轴距；u为汽车速度；K_s为预设的横摆角速度调整参数；k₁、k₂为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量。

作为本发明一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤2)中所述的双助力循环球式转向系统模型为：

式中：T_s＝K_h(θ_h-θ_r)；K_h为方向盘转角传感器；T_h为驾驶员作用在方向盘作用力；J_h和B_h分别表示方向盘等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_h为方向盘转角；n₁、n₂分别表示左右助力电机减速机构减速比；T₁、T₂分别为左右助力电机输出转矩；J_r和B_r分别表示转向螺杆等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_r为转向螺杆转角；T_r为作用于轮胎的阻力矩等效到转向螺杆上的力矩，

d为半轮距；n₃为转向螺杆到前轮的传动比；β为质心侧偏角；ω_r为横摆角速度；δ为前轮转角；

步骤2)中所述的整车二自由度模型为：

式中：I_z为汽车质量对z轴的转动惯量。

作为本发明一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤2)中所述的双助力循环球式转向系统的状态空间模型为：

作为本发明一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤3)所述的自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型为：

式中，

B＝σB₁；

C＝[0 0 0 0 0 1]^T；

σ₁和σ₂分别表示左右助力电机发生故障的概率；

u(t)＝[T₁T₂]^T；w(t)＝[T_h]^T；

y(t)＝[ω_r]^T；t为时间。

作为本发明一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤4)所述的双助力循环球式转向系统的参考模型为：

式中：x_m(t)为参考模型的状态向量；u_m(t)为参考模型的输入控制向量，y_m(t)为参考模型的输出向量；A_m＝A；B_m＝B₁；C_m＝C。

作为本发明一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤4)中所述的双助力循环球式转向系统的理想模型为：

式中：x^*(t)为理想模型的状态向量；u^*(t)为理想模型的输入控制向量，y^*(t)为理想模型的输出向量。

作为本发明一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤4)所述的自适应容错控制算法结构为：

u(t)＝K_e(t)(y_m(t)-y(t))+K_x(t)x_m(t)+K_u(t)u_m(t)

式中：K_e(t)表示跟踪误差增益；K_x(t),K_u(t)表示理想的前馈增益；

K_r(t)为定义自适应增益，K_r(t)＝[K_e(t) K_x(t) K_u(t)]＝[K_p(t) K_i(t)]；自适应控制器输入

式中

自适应增益按照以下自适应控制律在线调整：

K_p(t)＝e_y(t)r^T(t)T_p

K_i(t)＝e_y(t)r^T(t)T_i

式中：T_p,T_i为常值权矩阵；

自适应控制算法结构可简化为：u_t＝K_t(t)r(t)。

作为本发明一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤5)所述的双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器为：

式中：A_p＝A-BK_cC，K_c为基本控制器增益；B_p＝Bσ；C_p＝C。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.预先并不需要知道助力电机发生失效的时间和失效情况，不需要通过传感器进行检测，通过本发明自适应控制器，能够在线自适应调整控制器参数，让故障转向系统跟踪理想模型输出，从而达到理想的控制效果；

2.所提控制算法结构简单，可调参数少，并且能保证转向系统动态方程满足自适应控制系统稳定性条件，为解决循环球式助力转向系统的容错控制拓宽了研究思路。

附图说明

图1为本发明双助力循环球式转向系统结构图；

图2为本发明自适应容错控制结构图。

图中，1-方向盘，2-转向管柱，3-方向盘转角传感器，4-螺杆，5-螺母，6-齿扇，7-双向蜗轮蜗杆减速机构，8转向摇臂，9-转向横拉杆，10-车轮，11-车速传感器，12-横摆角速度传感器，13-电子控制单元，14-左助力电机，15-右助力电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明开发了一种双助力循环球式转向系统，包括方向盘、转向管柱、方向盘转角传感器、齿扇、双向蜗轮蜗杆减速机构、转向摇臂、转向横拉杆、车速传感器、横摆角速度传感器、电子控制单元、左助力电机和右助力电机；

转向管柱一端和所述方向盘固定相连，另一端和所述双向蜗轮蜗杆减速机构的输出端相连。方向盘转角传感器安装在转向管柱上，用于获取方向盘转角，并将其传递给所述电子控制单元。双向蜗轮蜗杆减速机构的一个输入端和左助力电机的输出端相连，另一个输入端和右助力电机的输出端相连。左助力电机、右助力电机用于根据各自接收到的电流信号提供转向助力给所述双向蜗轮蜗杆减速机构。转向管柱在方向盘转角传感器和双向蜗轮蜗杆减速机构之间设有螺杆。齿扇的齿面和所述螺杆啮合、转心和所述转向摇臂的一端铰接。齿扇的齿面和螺杆之间，可以设置若干螺母，以减少摩擦。转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的中心铰接。转向横拉杆的两端分别和汽车的两个前轮相连。车速传感器、横摆角速度传感器均设置在汽车上，分别用于获取汽车的车速和横摆角速度，并将其传递给所述电子控制单元。电子控制单元分别和方向盘转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、左助力电机、右助力电机电气相连，用于根据获得的方向盘转角、车速、横摆角速度计算左助力电机和右助力电机需要提供的补偿助力，并产生相应的电流信号传递给所述左助力电机、右助力电机。

如图2所示，本发明公开了一种基于该转向系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)，根据转向控制ECU通过方向盘转角传感器、车速传感器采集到方向盘转角θ_sw以及车速信号u，得到理想横摆角速度ω_r ^*和方向盘转角关系：

式中：

a₀＝k₁k₂(a+b)²+(k₂b-k₁a)mu²；b₀＝k₁k₂(a+b)u；L为前后轴轴距；u为汽车速度；K_s预设的横摆角速度调整参数，其范围可根据驾驶员喜好选取，优先设置为0.12-0.37 1/s；k₁、k₂为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量。

步骤2)，建立双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型，并基于双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型建立双助力循环球式转向系统的状态空间模型：

首先建立双助力循环球式转向系统模型：

式中：T_s＝K_h(θ_h-θ_r)；K_h为方向盘转角传感器；T_h为驾驶员作用在方向盘作用力；J_h和B_h分别表示方向盘等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_h为方向盘转角；n₁,n₂分别表示左右助力电机减速机构减速比；T₁,T₂分别为左右助力电机输出转矩；J_r和B_r分别表示转向螺杆等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_r为转向螺杆转角；T_r为作用于轮胎的阻力矩等效到转向螺杆上的力矩，假设轮胎特性为线性，则

d为轮距；n₂为转向螺杆到前轮的传动比；β为质心侧偏角；ω_r为横摆角速度；δ为前轮转角。

其次建立整车二自由度模型：

式中：I_z为汽车质量对z轴的转动惯量。

最后基于双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型，建立双助力循环球式转向系统状态空间模型；

步骤3)，建立自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型：

式中，

B＝σB₁；

C＝[0 0 0 0 0 1]^T；

σ₁和σ₂分别为左右助力电机发生故障的概率；

u(t)＝[T ₁T₂]^T；w(t)＝[T_h]^T；

y(t)＝[ω_r]^T；t为时间。

步骤4)，建立双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，并根据双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型建立自适应容错控制算法结构；

首先建立双助力循环球式转向系统的参考模型为：

式中：x_m(t)为参考模型的状态向量；u_m(t)为参考模型的输入控制向量，y_m(t)为参考模型的输出向量；A_m＝A；B_m＝B₁；C_m＝C。

其次建立双助力循环球式转向系统的理想模型为：

式中：x^*(t)为理想模型的状态向量；u^*(t)为理想模型的输入控制向量，y^*(t)为理想模型的输出向量；

最后基于双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，建立自适应容错控制算法结构：

u(t)＝K_e(t)(y_m(t)-y(t))+K_x(t)x_m(t)+K_u(t)u_m(t)

式中：K_e(t)表示跟踪误差增益；K_x(t),K_u(t)表示理想的前馈增益。

定义自适应增益K_r(t)：K_r(t)＝[K_e(t) K_x(t) K_u(t)]＝[K_p(t) K_i(t)]；自适应控制器输入

式中

自适应增益按照以下自适应控制律在线调整：

K_p(t)＝e_y(t)r^T(t)T_p

K_i(t)＝e_y(t)r^T(t)T_i

式中：T_p,T_i为常值权矩阵。

则自适应控制算法结构可简化为：u_t＝K_t(t)r(t)。

步骤5)，基于自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型和自适应容错控制算法结构，建立双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器，并采用所述自适应容错控制器对双助力循环球式转向系统进行稳定性控制。

双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器如下：

式中：A_p＝A-BK_cC，K_c为基本控制器增益；B_p＝Bσ；C_p＝C。

当使用输入指令使得转向系统输出能够很好地跟踪参考模型时，有：e_y＝y_m-y＝0。

此时，u^*＝K_xx_m+K_uu_m。

根据跟踪控制理论，计算出理想状态轨迹：x^*＝s₁₁x_m+s₁₂u_m；

即：

式中，s₁₁,s₁₂为常数矩阵。

为满足转向系统稳定，需要满足以下条件：

存在正定对称矩阵P＝P^T＞0和正定矩阵Q，并且满足：

式中，A_k＝A_p-B_pK_fC_p，K_f为反馈增益矩阵。

那么转向系统闭环传递函数H(s)＝C_p(sI-A_k)^-1B_p是严格正定的。

下面设计优化算法计算反馈增益矩阵K_f的值，具体方法实现流程如下：

Step1：根据式(1)计算每个σ_k∈(0,1](k＝1,2)对应的P矩阵，其中Q为可选的参数矩阵；

Step2：将计算得到的每个P矩阵代入式(2)，解线性矩阵不等式，找寻满足条件的K_f；

Step3：优化K_f，使得K_f＝min||K_f||，即寻找2-范数最小的K_f值；

Step4：重复上面几步，直到满足所有σ_k∈(0,1](k＝1,2)，得到的最终K_f值为所求的最优反馈补偿器增益。

经过反复验证当σ_k∈(0.18,1](k＝1,2)时，有满足要求的K_f存在。这个结果表明，本发明设计的双助力循环球式转向系统自适应容错控制器允许助力电机最大损伤为82％，在此前提下，本发明能够有效保证转向系统稳定性。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法，所述双助力循环球式转向系统包括方向盘、转向管柱、方向盘转角传感器、齿扇、双向蜗轮蜗杆减速机构、转向摇臂、转向横拉杆、车速传感器、横摆角速度传感器、电子控制单元、左助力电机和右助力电机；

所述转向管柱一端和所述方向盘固定相连，另一端和所述双向蜗轮蜗杆减速机构的输出端相连；

所述方向盘转角传感器安装在转向管柱上，用于获取方向盘转角，并将其传递给所述电子控制单元；

所述双向蜗轮蜗杆减速机构的一个输入端和左助力电机的输出端相连，另一个输入端和右助力电机的输出端相连；

所述左助力电机、右助力电机用于根据各自接收到的电流信号提供转向助力给所述双向蜗轮蜗杆减速机构；

所述转向管柱在方向盘转角传感器和双向蜗轮蜗杆减速机构之间设有螺杆；

所述齿扇的齿面和所述螺杆啮合、转心和所述转向摇臂的一端铰接；

所述转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的中心铰接；

所述转向横拉杆的两端分别和汽车的两个前轮相连；

所述车速传感器、横摆角速度传感器均设置在汽车上，分别用于获取汽车的车速和横摆角速度，并将其传递给所述电子控制单元；

所述电子控制单元分别和方向盘转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、左助力电机、右助力电机电气相连，用于根据获得的方向盘转角、车速、横摆角速度计算左助力电机和右助力电机需要提供的补偿助力，并产生相应的电流信号传递给所述左助力电机、右助力电机；

其特征在于，所述双助力循环球式转向系统的容错控制方法包括以下步骤：

步骤1)，计算理想横摆角速度与方向盘转角关系；

步骤2)，建立双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型，并基于双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型，建立双助力循环球式转向系统的状态空间模型；

步骤3)，建立自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型；

步骤4)，建立双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，并基于双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，建立自适应容错控制算法结构；

步骤5)，基于自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型和自适应容错控制算法结构，建立双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器，并采用所述自适应容错控制器对双助力循环球式转向系统进行稳定性控制。

2.根据权利要求1所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤1)中所述的理想横摆角速度ω_r ^*与方向盘转角θ_sw关系为：

式中：

a₀＝k₁k₂(a+b)²+(k₂b-k₁a)mu²；b₀＝k₁k₂(a+b)u；L为前后轴轴距；u为汽车速度；K_s为预设的横摆角速度调整参数；k₁、k₂为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量。

3.根据权利要求2所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤2)中所述的双助力循环球式转向系统模型为：

式中：T_s＝K_h(θ_h-θ_r)；K_h为方向盘转角传感器；T_h为驾驶员作用在方向盘作用力；J_h和B_h分别表示方向盘等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_h为方向盘转角；n₁、n₂分别表示左右助力电机减速机构减速比；T₁、T₂分别为左右助力电机输出转矩；J_r和B_r分别表示转向螺杆等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_r为转向螺杆转角；T_r为作用于轮胎的阻力矩等效到转向螺杆上的力矩，

d为半轮距；n₃为转向螺杆到前轮的传动比；β为质心侧偏角；ω_r为横摆角速度；δ为前轮转角；

步骤2)中所述的整车二自由度模型为：

式中：I_z为汽车质量对z轴的转动惯量。

4.根据权利要求3所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤2)中所述的双助力循环球式转向系统的状态空间模型为：

5.根据权利要求4所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤3)所述的自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型为：

式中，

B＝σB₁；

C＝[0 0 0 0 0 1]^T；

σ₁和σ₂分别表示左右助力电机发生故障的概率；

u(t)＝[T₁ T₂]^T；w(t)＝[T_h]^T；

y(t)＝[ω_r]^T；t为时间。

6.根据权利要求5所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤4)所述的双助力循环球式转向系统的参考模型为：

式中：x_m(t)为参考模型的状态向量；u_m(t)为参考模型的输入控制向量，y_m(t)为参考模型的输出向量；A_m＝A；B_m＝B₁；C_m＝C。

7.根据权利要求6所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤4)中所述的双助力循环球式转向系统的理想模型为：

式中：x^*(t)为理想模型的状态向量；u^*(t)为理想模型的输入控制向量，y^*(t)为理想模型的输出向量。

8.根据权利要求7所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤4)所述的自适应容错控制算法结构为：

u(t)＝K_e(t)(y_m(t)-y(t))+K_x(t)x_m(t)+K_u(t)u_m(t)

式中：K_e(t)表示跟踪误差增益；K_x(t),K_u(t)表示理想的前馈增益；

K_r(t)为定义自适应增益，K_r(t)＝[K_e(t) K_x(t) K_u(t)]＝[K_p(t) K_i(t)]；自适应控制器输入

式中

自适应增益按照以下自适应控制律在线调整：

K_p(t)＝e_y(t)r^T(t)T_p

K_i(t)＝e_y(t)r^T(t)T_i

式中：T_p,T_i为常值权矩阵；

自适应控制算法结构可简化为：u_t＝K_t(t)r(t)。

9.根据权利要求8所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤5)所述的双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器为：

式中：A_p＝A-BK_cC，K_c为基本控制器增益；B_p＝Bσ；C_p＝C。

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