CN107200061B - 无扭矩传感器的电动液压助力转向装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无扭矩传感器的电动液压助力转向装置及控制方法。本发明通过电机的转速来判断当前是否需要转向助力：当检测到电机转速下降且下降幅度超过预先设置的第一阈值时，判定当前需要助力转向，控制电机提高转速进行助力，能够在不使用扭力传感器的情况下控制现有的液压助力转向装置实现助力，降低了成本，提高了生产效率，充分利用了车内空间，提高了系统的稳定性和可靠性。并且，本发明还针对车辆低速行驶时方向盘较沉、高速时方向盘较轻的情况进行了进一步修正补偿，提高了驾驶的舒适性，以及方向盘的有效道路感知能力和合理的控制能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动液压助力转向装置，还涉及一种电动液压助力转向控制方法。
背景技术
随着汽车技术的发展，助力转向器已经广泛应用于各类汽车的转向装置中。早期的液压助力转向器需要发动机提供动力，发动机不启动就没有液压助力，后期逐渐演变为采用电动机为液压助力提供动力的方式。
现有的液压助力转向装置或控制方法中，均需要根据扭矩传感器来确定电动机的输出功率，其缺陷在于：(1)增加了助力转向器的设备成本，并需要为扭力传感器的安装预留位置，降低了生产效率；(2)所增加的扭矩传感器虽然提高了系统的响应速度，但同时也增加了系统的不稳定性，并且一旦扭矩传感器失效则整个系统将出现停滞。
发明内容
本发明提出了一种无扭矩传感器的电动液压助力转向装置及控制方法，其目的是：(1)降低成本；(2)提高生产效率；(3)充分利用车内空间；(4)提高助力系统的稳定性和可靠性。
本发明技术方案如下：
无扭矩传感器的电动液压助力转向装置，包括电机以及动力输入端与电机输出轴相连接的液压泵，所述液压泵通过转向阀连接有液压助力转向柱，所述电机为伺服电机，还包括与该伺服电机相连接的驱动器；所述驱动器内设有处理器与存储器，所述存储器内存储有转向控制程序，所述转向控制程序被处理器执行时通过电机的转速来判断当前是否需要转向助力：当检测到电机转速下降且下降幅度超过预先设置的第一阈值时，判定当前需要助力转向，控制电机提高转速进行助力。
本发明还公开了一种无扭矩传感器的电动液压助力转向控制方法：设置电机与作为液压助力动力源的液压泵相连接，所述液压泵通过转向阀连接有液压助力转向柱，所述电机为伺服电机，还设置驱动器与伺服电机相连接，所述助力转向控制方法由驱动器内存储的转向控制程序实现，所述转向控制程序通过电机的转速来判断当前是否需要转向助力：当检测到电机转速下降且下降幅度超过预先设置的第一阈值时，判定当前需要助力转向，控制电机提高转速进行助力。
作为上述方法的进一步改进：所述转向控制程序中预设有第一转速和第二转速，第一转速高于第二转速；当转向控制程序检测到需要助力转向时，先控制电机以第一转速运行，再控制电机以第二转速运行。
作为上述方法的进一步改进：当转向控制程序控制电机进行助力后，通过电机的转速来判断是否需要撤销助力：当检测到电机转速上升且上升幅度超过预先设置的第二阈值时，判定当前需要将助力撤销，控制电机降低转速撤销助力。
作为上述方法的进一步改进：若未发现需要撤销助力，则维持电机以现有速度运行。
作为上述方法的进一步改进：转向控制程序中预设转矩-转速关系表，该表中记载了电机所承受的负载的转矩Tload与第一转速、第二转速以及第三转速之间的对应关系，第一转速高于第二转速，第二转速高于第三转速；
当转向控制程序检测到需要助力转向时，先根据下式计算出Tload：
dω/dt＝(1/J)×(iq×kt-Tload-Kn)；
上式中，iq为电机q轴电流，kt为电机转矩系数，J为电机的负载转动惯量，dω/dt为电机角加速度，K为电机阻尼系数，n为电机转速；
然后查询所述的转矩-转速关系表确定第一转速、第二转速以及第三转速，先控制电机以第一转速运行，再控制电机以第二转速运行，当检测到电机转速上升且上升幅度超过预先设置的第二阈值时，判定当前需要将助力撤销，控制电机降低转速至第三转速。
作为上述方法的进一步改进：当判定当前需要助力转向时，检测到的电机转速下降幅度越大，则助力时电机所提高至的转速值越高。
相对于现有技术，本发明具有以下积极效果：(1)本发明通过在驱动器内植入专用的转速观测模块来判断转向需要，能够在不使用扭力传感器的情况下控制现有的液压助力转向装置实现助力，降低了成本，提高了生产效率，充分利用了车内空间，提高了系统的稳定性和可靠性；(2)驱动器直接实现对电机的控制，不再需要外接其它模拟量仪表和继电器等装置，消除了模拟量信号零位漂移引起的系统控制偏差，进一步提高了系统的稳定性和快速响应能力，并且更加便于实现设备的集中管理和控制；(3)驱动器自身具备过载、过电流、欠压，短路等故障指示等功能，进一步提高了系统的稳定性；(4)本发明通过检测转速来判断是否需要助力，在转向时，电机转速的跌落先于电流及其它可检测量值的变化，从而驱动器可第一时间采取助力措施，具有助力响应速度快的优点；(5)本发明还设有第二转速和第三转速，在助力后通过运行于次高速保持助力输出，并在确认助力需要撤销后主动将电机转速降至第三转速即低速，兼顾了助力的稳定性和功耗；(6)本发明还提供了一种通过计算电机负载转矩、再基于负载转矩通过查表法确定第一转速、第二转速及第三转速的控制方案，由于电机负载转矩与现有技术中扭矩传感器所测得的扭矩值之间存在明确的计算关系，本领域技术人员根据现有的助力方案中的电机转速参数值，通过简单地变换即可得到本方案中所需的转矩-转速表，充分利用已有的、经过验证的参数；(7)本发明还提供了一种根据电机转速的跌落幅度设定助力时第一转速的方案，针对车辆低速行驶时方向盘较沉、高速时方向盘较轻的情况进行了进一步修正补偿，提高了驾驶的舒适性，以及方向盘的有效道路感知能力和合理的控制能力。
附图说明
图1为本发明的控制流程图。
图2为转向时电机转速-时间关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
具体实施例一：
一种无扭矩传感器的电动液压助力转向装置，包括电机以及动力输入端与电机输出轴相连接的液压泵，所述液压泵通过转向阀连接有液压助力转向柱，所述电机为伺服电机，还包括与该伺服电机相连接的驱动器；所述驱动器内设有处理器与存储器，所述存储器内存储有转向控制程序，所述转向控制程序被处理器执行时通过电机的转速来判断当前是否需要转向助力：当检测到电机转速下降且下降幅度超过预先设置的第一阈值时，判定当前需要助力转向，控制电机提高转速进行助力。
如图1和2，上述转向装置的具体控制方法为：
将电机设置于转速控制模式。
车辆正常行驶时，液压油经过液压管路直接回到油箱，转向系统的左右腔室压力平衡，电机负载扭矩低且平稳，此时电机以低速运转。
当驾驶员打方向盘后，转向柱内的活塞发生位移，左右腔室之间出现压力差，而电机在低速运行，所能形成的助力很小，需要电机转速提升才能完成真正的助力。由于此时转向系统内的油路已经发生变化，液压油会反向挤压液压泵，电机的负载将瞬间增大并在瞬间引起电机转速跌落，此刻电机的电流还未出现响应，驱动器将在第一时间检测到电机转速跌落。当检测到电机转速下降且下降幅度超过预先设置的第一阈值时，判定当前需要助力，此时控制电机转速至高速，使转向得到助力。
电机以高速运行一段时间后，程序控制电机再以中速运行，并维持一定的时间，满足动力输出的要求。
然后，通过电机的转速来判断是否需要撤销助力：如果转向助力完成，液压油反向挤压液压泵的力将撤销，此时电机负载将减小，转速瞬间上升。因此，当驱动器检测到电机转速上升且上升幅度超过预先设置的第二阈值时，判定当前需要将助力撤销，控制电机降低转速至低速。若未发现需要撤销助力，则维持电机以现有速度运行，实现动力衔接。
上述的高速、中速和低速为出厂前通过多次实验所确定的预设值。
由于助力转向需要的液压油是通过转向控制阀来控制方向的，液压泵的转向是固定的，因此电机的转向在算法中仅仅是转向的代表符号，在单向以及正反向系统中均适用。
控制器自身具有电压以及电流传感器，具备对输入以及输出控制器的电压以及电流的检测能力，可以实时监控流入流出驱动器的变化情况，因此可以设定过载、过电流、欠压限定。另外根据驱动器对于各项监控数据的掌控，可以检测出驱动器是都具有短路等故障，并且可以通过LED灯等方式向外界提供驱动器当前的运行情况。
具体实施例二：
本实施例与具体实施例一的不同之处在于，所述的高速、中速及低速的具体值是通过计算所确定的：
制定转矩-转速关系表，该表中记载了电机所承受的负载的转矩Tload与第一转速、第二转速以及第三转速之间的对应关系，第一转速(即高速)高于第二转速(即中速)，第二转速高于第三转速(即低速)，通常对于某一固定车型，表中的所有第三转速相同。
由于电机负载转矩与现有技术中扭矩传感器所测得的扭矩值之间可通过传动比相互换算，因此本领域技术人员可参考现有的使用扭矩传感器实现助力的方案中的电机转速控制目标值，通过简单变换即可得到本方案中所需的转矩-转速表，充分利用已有的、经过验证的参数资源。
判定当前需要助力转向后，先根据下式计算出Tload：
dω/dt＝(1/J)×(iq×kt-Tload-Kn)；
上式中，iq为电机q轴电流，kt为电机转矩系数，J为电机的负载转动惯量，dω/dt为电机角加速度，K为电机阻尼系数，n为电机转速；上述数值均为驱动器可直接获取的量值或可预先通过实验确定的量值。
计算出Tload后，查询转矩-转速关系表，确定第一转速、第二转速以及第三转速，代替实施例一中的预设值。
本实施例中，充分了利用已有的调试数据成果，根据电机的实际负载对转速的目标值进行设定，有效地提升了助力效果。
具体实施例三：
本实施与具体实施例一和二的不同之处在于引入如下原则：当判定当前需要助力转向时，检测到的电机转速下降幅度越大，则助力时电机所提高至的转速值越高。
车速与车轮对转向系统的反向作用力之间存在密切联系，车辆低速行驶时方向盘较沉，高速时方向盘较轻，因此采用本发明的方案通过电机转速的下降幅度即可判断出当前车速较高或较低，继而通过引入上述原则即可在低速时提供较大的助力，在高速时提供较小的助力，尽可能地满足不同速度下助力转向力矩的非线性变化趋势，增加驾驶的舒适性，以及方向盘的有效道路感知能力和合理的控制能力。
上述原则可以是直接通过设定实施例二中的转矩-转速表来实现，也可以是在实施例一中预设的高、中、低速基础上，进一步进行修正，实现上述原则。
Claims (5)
1.无扭矩传感器的电动液压助力转向装置，包括电机以及动力输入端与电机输出轴相连接的液压泵，所述液压泵通过转向阀连接有液压助力转向柱，其特征在于：所述电机为伺服电机，还包括与该伺服电机相连接的驱动器；所述驱动器内设有处理器与存储器，所述存储器内存储有转向控制程序，所述转向控制程序被处理器执行时通过电机的转速来判断当前是否需要助力转向：当检测到电机转速下降且下降幅度超过预先设置的第一阈值时，判定当前需要助力转向，控制电机提高转速进行助力；
所述液压泵作为液压助力动力源；助力转向控制方法由驱动器内存储的转向控制程序实现；
转向控制程序中预设转矩-转速关系表，该表中记载了电机所承受的负载的转矩Tload与第一转速、第二转速以及第三转速之间的对应关系，第一转速高于第二转速，第二转速高于第三转速；
当转向控制程序检测到需要助力转向时，先根据下式计算出Tload：dω/dt＝(1/J)×(iq×kt-Tload-Kn)；
上式中，iq为电机q轴电流，kt为电机转矩系数，J为电机的负载转动惯量，dω/dt为电机角加速度，K为电机阻尼系数，n为电机转速；然后查询所述的转矩-转速关系表确定第一转速、第二转速以及第三转速，先控制电机以第一转速运行，再控制电机以第二转速运行，当检测到电机转速上升且上升幅度超过预先设置的第二阈值时，判定当前需要将助力撤销，控制电机降低转速至第三转速。
2.基于如权利要求1所述的转向装置的电动液压助力转向控制方法，其特征在于：所述转向控制程序中预设有第一转速和第二转速，第一转速高于第二转速；当转向控制程序检测到需要助力转向时，先控制电机以第一转速运行，再控制电机以第二转速运行。
3.如权利要求2所述的电动液压助力转向控制方法，其特征在于：当转向控制程序控制电机进行助力后，通过电机的转速来判断是否需要撤销助力：当检测到电机转速上升且上升幅度超过预先设置的第二阈值时，判定当前需要将助力撤销，控制电机降低转速撤销助力。
4.如权利要求3所述的电动液压助力转向控制方法，其特征在于：若未发现需要撤销助力，则维持电机以现有速度运行。
5.如权利要求2至4任一所述的电动液压助力转向控制方法，其特征在于：当判定当前需要助力转向时，检测到的电机转速下降幅度越大，则助力时电机所提高至的转速值越高。
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