CN107128357B - 具有扭矩转角自学习对中功能的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有扭矩转角自学习对中功能的电动助力转向系统（简称EPS），它能对特定组合操作条件进行识别，确认驾驶员的操作意图，能将EPS系统传感器扭矩信号或转角信号的中点偏移现象，由系统中电子控制单元（简称ECU）自我学习和统计，并实施自动标定，使EPS系统具有正常的助力效果，而勿需专用仪器。本发明所设计开发的EPS系统，它的对中功能主要由组合条件判断模块和对中程序模块进行配合来实现的，由判断模块决定是否启动对中程序模块，对中程序模块将采集传感器相应信号并自动进行对中标定。本发明的扭矩转角自学习对中功能，不影响EPS系统其它功能的实现，适用于各种电动助力转向系统。

Description

具有扭矩转角自学习对中功能的电动助力转向系统

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及汽车电动助力转向系统(简称EPS)，尤其涉及一种具有扭矩转角自学习对中功能的电动助力转向系统。

背景技术

汽车电动助力转向系统主要由机械转向器、扭矩转角传感器、车速传感器、电子控制单元(简称ECU)、转向助力电机(简称EPS电机)、机械减速机构等组成。其中，扭矩转角传感器安装在转向轴上，用以检测驾驶员转向手力和方向盘转角，并输出扭矩信号和转角信号；车速传感器用于检测汽车行驶速度并输出车速信号；电子控制单元是EPS系统实现各种控制功能的核心，根据输入的各种信号进行综合处理及运算，向EPS电机发出驱动电流指令；EPS电机安装在机械减速机构上，并通过该减速机构为驾驶员提供助力扭矩；机械转向器是推动车轮转向的执行部件。

为了EPS系统在整车上能正常工作，必须对扭矩转角传感器的信号进行中点(或称零点)标定，才能使传感器输出信号准确地表征驾驶员转向手力和方向盘转角。由于各种因素的影响，几乎所有传感器都会出现不同程度的零点漂移现象，因此既使标定完成的传感器信号，也会在后期的车辆使用中出现中点偏移。当中点偏移严重时，就影响了EPS系统的正常工作，甚至在转向系统维修过程中，也会改变传感器转角信号的中点，此时EPS系统将出现非正常的工作状态。目前，通常的做法是无论初始标定时或当中点偏移严重时，需专用的仪器或专用标定系统来完成对中标定，那么在不具备该专用仪器的情况下则无法实施对中标定，这样就限制了车辆的销售地域，甚至有的客户会将该类中点偏移所引起的车辆转向异常，而作为故障产品来对待。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计开发一种具有扭矩转角自学习对中功能的电动助力转向系统，使其在驾驶员做出特定的点火次序等组合条件下，触发ECU对中程序模块启动，采集传感器相应信号并自动进行对中标定，从而实现电动助力转向系统具有扭矩转角自学习的对中标定能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

电动助力转向系统所采用的传感器，根据其输出信号类型可分为模拟量和数字量，通常模拟量信号为电压形式，而数字量信号为PWM占空比形式；同时根据整车匹配需要，电动助力转向系统可采用仅有扭矩信号的传感器，也可为相关功能服务而采用扭矩信号和转角信号兼备的传感器。据此，为方便技术方案说明，按以下三种信号的方案进行说明：扭矩模拟量电压信号、扭矩数字量占空比信号、转角数字量占空比信号。

传感器为扭矩模拟量电压信号US输出时的技术方案：无论当前传感器扭矩信号的中点U_S0是否发生了偏移，只要ECU程序内的扭矩基准点U_{S0_ECU}与传感器扭矩信号中点U_S0一致，就实现了传感器扭矩信号对中标定。因此，在ECU中要设计一个扭矩模拟量电压信号的ECU对中程序模块，当驾驶员按特定的组合条件进行操作后，将启动ECU对中程序，使U_S0-ECU＝U_S0。

传感器为扭矩数字量占空比信号PWM_T输出时的技术方案：无论当前传感器扭矩信号的中点PWM_T₀是否发生了偏移，只要ECU程序内的扭矩基准点PWM_T_0-ECU与传感器扭矩信号中点PWM_T₀一致，就实现了传感器扭矩信号对中标定。因此，在ECU中要设计一个扭矩数字量占空比信号的ECU对中程序模块，当驾驶员按特定的组合条件进行操作后，将启动ECU对中程序，使PWM_T_0-ECU＝PWM_T₀。

传感器为转角数字量占空比信号PWM_P和PWM_S输出时的技术方案：当方向盘转动，传感器信号PWM_P和PWM_S按规律进行组合，就代表了传感器自身角度θ_ver。当确认整车处于转向中间位置时，ECU就将当前传感器信号PWM_P₀、PWM_S₀和自身角度θ_ver0进行保存，并使ECU程序内的转角基准点θ_ver0-ECU与传感器转角信号中点θ_ver0一致，即实现了转角信号对中标定。据此，在ECU中要设计一个转角数字量占空比信号的ECU对中程序模块，当驾驶员按特定的组合条件进行操作后，将启动ECU对中程序，使θ_ver0-ECU＝θ_ver0。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过对特定的组合条件进行操作，能在整车下线时，由ECU对传感器扭矩信号自动进行对中标定，使传感器输出的扭矩信号更准确地表征驾驶员转向手力。

2、本发明通过对特定的组合条件进行操作，能在电动助力转向系统传感器扭矩信号中点严重偏移时，由ECU自动实施对中标定，恢复电动助力转向系统正常的助力效果，而勿需专用仪器。

3、本发明通过对特定的组合条件进行操作，能在整车下线时或在转向系统维修过程中，传感器角度信号中点(或称零点)未标定或发生偏移的情况下，由ECU自动实施对中标定，而勿需专用仪器。

4、本发明的扭矩转角自学习对中功能，由ECU独立的ECU对中程序模块运行操作，不影响电动助力转向系统其它功能的实现，适用于各种电动助力转向系统。

附图说明：

本发明共有附图5张，其中：

图1为本发明的模拟量扭矩电压信号传感器与ECU对中标定的工作原理示意框图。

图2为本发明的数字量扭矩占空比信号传感器与ECU对中标定的工作原理示意框图。

图3为本发明的数字量转角占空比信号传感器与ECU对中标定的工作原理示意框图。

图4为本发明的组合条件成立(IGcon＝TRUE)的逻辑框图。

图5为本发明的ECU对中程序模块工作过程示意图。

图中物理参数定义如下表：

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：

电动助力转向系统中扭矩传感器的输出信号Us或PWM_T与转向手力T_h线性相关。当方向盘在驾驶员手力T_h的作用下转动，使扭杆受到扭转力矩T_b并产生相对扭转角Δθ_S，其关系式为T_b＝K_bΔθ_S；扭杆扭转角Δθ_S作为输入量，使传感器将产生对应的输出信号U_S或PWM_T，其关系式为：电压信号U_S-U_S0＝K_SΔθs、占空比信号PWM_T-PWM_T₀＝K_SΔθ_S；同时因转向手力T_h与扭杆扭转力矩T_b等效，再经整理的关系式为：电压信号T_h＝K_b(U_S-U_S0)/K_S、占空比信号T_h＝K_b(PWM_T-PWM_T0)/K_S。

为了使电动助力转向系统能正确地感知驾驶员的转向手力T_h，并被ECU作为输入量且按预设的助力电流曲线，向EPS电机提供驱动电流指令，实现驾驶员的操作意图，又符合转向手力T_h的操纵规律。此时我们期望ECU扭矩信号处理模块所输出的理论手力T_s与T_h完全等效，使T_s能准确地表征驾驶员转向手力。如图1和图2所示，ECU扭矩信号处理模块采取与上述关系式一致的信号处理形式，如电压信号：T_s＝K_b(U_s-U_S0-ECU)/K_s，占空比信：T_s＝K_b(PWM_T-PWM_T_0-ECU)/K_s，且当U_S0-ECU＝U_S0或PWM_T_0-ECU＝PWM_T₀时，就实现了ECU理论手力T_s与T_h完全等效。同时因U_S0-ECU和PWM_T_0-ECU是ECU程序中所设定的扭矩基准值，且是常数，而U_S0和PWM_T₀是传感器自身标定后的中点值，会在使用过程中出现不同程度的偏移，将使U_S0-ECU≠U_S0或PWM_T_0-ECU≠PWM_T₀，这时T_s就不能准确地表征驾驶员的转向手力T_h，只有重新进行对中标定后，才能恢复。

按技术方案所述，当方向盘转动，使电动助力转向系统中转角传感器的输出信号PWM_P、PWM_S在12.5％～87.5％范围内按规律进行组合，其组合就代表了传感器自身角度θ_ver(范围±740°，当PWM_P＝50％和PWM_S＝50％组合时，θ_ver＝0°)。由于电动助力转向系统在整车上安装定位后，其传感器自身角度θ_ver＝0°与车辆直线行驶的方向盘绝对角度零点并不重合，因此，经ECU组合计算所得的实时传感器自身角度θ_ver并不能准确地表征驾驶员的实际转角θ_h。当车辆处于转向中间位置时，ECU将当前传感器信号PWM_P₀、PWM_S₀进行组合计算，得其自身角度中点θ_ver0，若该角度中点θ_ver0作为参考点，则ECU实时采集转角传感器的输出信号PWM_P、PWM_S组合所计算得θ_ver，再计算得θ_ver-θ_ver0就能准确地表征实际转角θ_h。如图3所示，我们期望ECU转角信号处理模块所输出的理论转角θ_s与θ_h完全等效，使ECU转角信号处理模块采取与上述一致的信号处理形式，即θ_s＝θ_ver-θ_ver0-ECU，且当θ_ver0-ECU＝θ_ver0时，就实现了ECU转角信号处理模块所输出的理论转角θ_s与实际转角θ_h完全等效。同时因θ_ver0-ECU是ECU程序中所设定的转角基准值，且是常数，而θ_ver0是传感器标定后的中点值，会在使用或维修过程中出现一定的偏移，将使θ_ver0-ECU≠θ_ver0，这时θ_s则不能准确地表征驾驶员的实际转角θ_h，只有重新进行对中标定后，才能恢复。

传感器扭矩转角的传统对中标定方法是面向传感器本身，而采用专用仪器进行对标定。经上述传感器输出信号与ECU信号处理模块工作原理的分析，我们发现，对中标定还可通过ECU修正其程序内的扭矩基准值U_S0-ECU或PWM_T_0-ECU、转角基准值θ_ver0-ECU来实现。因此设计开发一种组合条件判断模块，使其在驾驶员做出特定的点火次序等组合条件下，触发ECU对中程序模块启动，采集传感器相应信号并自动进行对中标定。

当驾驶员做出特定的点火次序等组合条件下，触发ECU对中程序模块启动，采集传感器对应信号并自动进行对中标定，从而实现电动助力转向系统具有扭矩转角自学习的对中标定能力。

根据输出信号类型，通过ECU修正其程序内的扭矩基准值U_S0-ECU或PWM_T_0-ECU、转角基准值θ_ver0-ECU来实现自学习的对中标定功能，具体为：

当驾驶员按特定的组合条件进行操作后，将启动ECU对中程序，使U_S0-ECU＝U_S0；

当驾驶员按特定的组合条件进行操作后，将启动ECU对中程序，使PWM_T_0-ECU＝PWM_T₀；

当驾驶员按特定的组合条件进行操作后，将启动ECU对中程序，使θ_ver0-ECU＝θ_ver0。

具体如下：

1.组合条件判断模块设计

组合条件判断模块的主要作用是根据输入的特定组合条件，判断其是否成立，并输出是否启动ECU对中程序模块的控制指令TRUE或FALSE。它的决策机制是组合条件成立或不成立，在同一时刻，只能有其一。

组合条件的设计原则是：在驾驶员不刻意的情况下，几乎不可能完成该组合条件，以免出现误操作，而在指导操作的情况下，又较容易完成。本次所设计的组合条件为2组各3次点火操作(不局限于此，还有更多的组合方式)，其名称、符号参见下表。

如图4所示，组合条件成立(IGcon＝TRUE)是在多次点火操作时，以持续时间间隔Δt_K(k＝1、2、3、4、5)为判断条件，除了第三次点火至第四次点火的间隔时间Δt₃，要满足3s≤Δt₃≤6s外，其它的间隔时间Δt_k，要满足Δt_k≤3s。所有点火操作满足要求后，则组合条件成立(IGcon＝TRUE)，而转入对中程序，会有均匀的指示灯闪烁，提示组合条件已成立；在操作过程中，若有一次或多次点火(超时等)失败，则组合条件不成立(IGcon＝FALSE)，指示灯也不闪烁，需重新操作。

组合条件表达式：

IGcon＝AND(Δt₁≤3s，Δt₂≤3s，3s≤Δt₃≤6s，Δt4≤3s，Δt₅≤3s)………(1)

ECU对中程序模块是根据组合条件判断模块所输出的组合条件已经成立(IGcon＝TRUE)，自动触发对中程序进行传感器相应信号的中点采样，并对ECU内扭矩或转角信号处理模块中的中点基准值进行更新，即可完成对中标定。

2.ECU对中程序模块设计

ECU对中程序模块的主要作用是根据组合条件判断模块所输出组合条件已成立(IGcon＝TRUE)，自动触发ECU对中程序模块进行传感器相应信号的中点采样，并对ECU内扭矩或转角信号处理模块中的中点基准值进行更新，自动完成对中标定。

如图5所示，若组合条件IGcon＝TRUE成立，ECU对中程序模块即刻启动，延迟1s后每0.5s采样一次当前时刻的扭矩信号中点U_S0或PWM_T₀实际值，以及转角信号中点θ_ver0实际值，并计算采样的平均值。在最后一次采样后，延迟1s将符合要求的采样中点平均值，输出给信号处理模块，分别使U_S0-ECU＝U_S0或PWM_T_0-ECU＝PWM_T₀以及θ_ver0-ECU＝θ_ver0。

在采样过程中，指示灯每0.5s闪烁一次，并保持均匀的频率闪烁至结束，表示成功地标定了中点；采样期间若出现IG＝OFF或V≠0km/h等情况，指示灯则以0.2s一次的频率闪烁并持续5s后结束，表示中点标定失败。在对中程序启动后，采样过程中应满足的条件表达式如下：

AND(IG＝ON，V＝0，t-t_ON-6≥1s)＝TRUE…………………………………………(2)

当采样中点平均值结果符合要求时，转入信号处理模块使中点基准值进行更新，此时指示灯结束闪烁，表示成功地标定了中点；反之，当采样中点平均值结果不符合要求时，ECU对中程序模块拒绝输出采样中点平均值或信号处理模块拒绝更新当前中点基准值，此时指示灯以持续长亮5s的方式，表示采样中点平均值超标，拒绝对中标定。

当传感器为扭矩模拟量电压信号U_S输出时，采样中点平均值应符合的条件表达式如下：

2.2v≤U_S0≤2.7v……………………………………………………………………(3)

当传感器为扭矩数字量占空比信号PWM_T输出时，采样中点平均值应符合的条件表达式如下：

45％≤PWM_T₀≤55％………………………………………………………………(4)

综上所述，本发明通过在ECU中设计了组合条件判断模块和ECU对中程序模块，当驾驶员按规定操作步骤，做出满足组合条件要求的操作，由ECU自动识别驾驶员要对中标定的意图，并触发ECU对中程序模块启动，对当前传感器中点信号采样后进行自我学习和统计，将新的中点信号值，置换到ECU程序内的基准值，从而实现电动助力转向系统自学习的对中功能。

Claims (2)

1.一种具有扭矩转角自学习对中功能的电动助力转向系统，其特征在于，当驾驶员做出特定的点火次序组合条件下，触发ECU对中程序模块启动，采集传感器对应信号并自动进行对中标定，从而实现电动助力转向系统具有扭矩转角自学习的对中标定能力；包括以下步骤：

步骤100，所述驾驶员做出特定的点火次序组合条件，触发ECU对中程序模块启动，包括：

能对点火次序操作进行识别的组合条件判断模块，该模块是根据输入的特定组合条件，判断其是否成立，并输出是否启动ECU对中程序模块的控制指令TRUE或FALSE；所述点火次序组合条件表达式如下：

IGcon＝AND(Δt₁≤3s，Δt₂≤3s，3s≤Δt₃≤6s，Δt4≤3s，Δt₅≤3s)……………(1)

其中，IGcon表示组合条件，IGcon＝TRUE表示组合条件成立，IGcon＝FALSE表示组合条件不成立；

组合条件成立是在多次点火操作时，以持续时间间隔Δt_K，k＝1、2、3、4、5，为判断条件，除了第三次点火至第四次点火的间隔时间Δt₃，要满足3s≤Δt₃≤6s外，其它的间隔时间Δt_k，要满足Δt_k≤3s；所有点火操作满足要求后，则组合条件成立，而转入对中程序，会有均匀的指示灯闪烁，提示组合条件已成立；在操作过程中，若有一次或多次点火失败，则组合条件不成立，指示灯也不闪烁，需重新操作；

步骤200，所述采集传感器对应信号并自动进行对中标定，包括步骤201至步骤203：

步骤201，ECU对中程序模块是根据组合条件判断模块所输出的组合条件已经成立，自动触发对中程序进行传感器相应信号的中点采样；

步骤202，采样中点平均值结果符合要求时，ECU内中点基准值方可进行更新，否则拒绝更新；具体如下：

在采样过程中，指示灯每0.5s闪烁一次，并保持均匀的频率闪烁至结束，表示成功地标定了中点；采样期间若出现IG＝OFF或V≠0km/h情况，指示灯则以0.2s一次的频率闪烁并持续5s后结束，表示中点标定失败；在对中程序启动后，采样过程中应满足的条件表达式如下：

AND(IG＝ON，V＝0，t-t_ON-6≥1s)＝TRUE…………………………………………(2)

其中，IG表示点火信号，V表示车速，t_ON-6表示第六次点火信号ON的起点时刻；

当采样中点平均值结果符合要求时，转入信号处理模块使中点基准值进行更新，此时指示灯结束闪烁，表示成功地标定了中点；反之，当采样中点平均值结果不符合要求时，ECU对中程序模块拒绝输出采样中点平均值或信号处理模块拒绝更新当前中点基准值，此时指示灯以持续长亮5s的方式，表示采样中点平均值超标，拒绝对中标定；

当传感器为扭矩模拟量电压信号U_S输出时，采样中点平均值应符合的条件表达式如下：

2.2v≤U_S0≤2.7v……………………………………………………………………(3)

其中，U_S0表示扭矩电压信号中点；

当传感器为扭矩数字量占空比信号PWM_T输出时，采样中点平均值应符合的条件表达式如下：

45％≤PWM_T₀≤55％………………………………………………………………(4)

其中，PWM_T₀表示扭矩占空比信号中点；

步骤203，对中程序进行传感器相应信号的中点采样后，并对ECU内扭矩或转角信号处理模块中的中点基准值进行更新，即可完成对中标定；根据输出信号类型，通过ECU修正其程序内的扭矩基准值U_S0-ECU、PWM_T_0-ECU或转角基准值θ_ver0-ECU来实现自学习的对中标定功能：

当传感器为扭矩模拟量电压信号U_S输出时：无论当前传感器扭矩电压信号中点U_S0是否发生了偏移，只要ECU内电压扭矩基准点U_{S0_ECU}与传感器扭矩电压信号中点U_S0一致，就实现了传感器扭矩信号对中标定；在ECU中设置一个扭矩模拟量电压信号的ECU对中程序模块，当驾驶员按特定的点火次序组合条件进行操作后，将启动对中程序，使U_S0-ECU＝U_S0；

当传感器为扭矩数字量占空比信号PWM_T输出时：无论当前传感器扭矩占空比信号中点PWM_T₀是否发生了偏移，只要ECU内PWM扭矩基准点PWM_T_0-ECU与传感器扭矩占空比信号中点PWM_T₀一致，就实现了传感器扭矩信号对中标定；在ECU中设置一个扭矩数字量占空比信号的ECU对中程序模块，当驾驶员按特定的点火次序组合条件进行操作后，将启动对中程序，使PWM_T_0-ECU＝PWM_T₀；

当传感器为主转角占空比信号PWM_P和副转角占空比信号PWM_S输出时，其中，PWM_P和PWM_S是数字量转角传感器所输出：当方向盘转动，传感器主转角占空比信号PWM_P和副转角占空比信号PWM_S按规律进行组合，就代表了传感器的自身转角θ_ver；当确认整车处于转向中间位置时，ECU就将当前传感器主转角占空比信号中点PWM_P₀、副转角占空比信号中点PWM_S₀和传感器的自身转角中点θ_ver0进行保存，并使ECU内转角基准点θ_ver0-ECU与传感器的自身转角中点θ_ver0一致，即实现了转角信号对中标定；在ECU中设置一个转角数字量占空比信号的ECU对中程序模块，当驾驶员按特定的点火次序组合条件进行操作后，将启动对中程序，使θ_ver0-ECU＝θ_ver0。

2.根据权利要求1所述的一种具有扭矩转角自学习对中功能的电动助力转向系统，其特征在于，在采样过程中，由指示灯以高和低的不同频率，分别提示对中标定是否成功，在对中程序启动后，采样过程中应满足的条件表达式为：AND(IG＝ON，V＝0，t-t_ON-6≥1s)＝TRUE。

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