CN107878557A - 一种汽车智能电动助力转向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能汽车技术领域，涉及一种汽车智能电动助力转向系统。所述的系统包括智能控制设备、电动助力转向控制器、角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器和转向执行机构，智能控制设备向电动助力转向控制器发送转向目标角度指令，电动助力转向控制器采集当前状态下汽车的转向角度、转向角速度、车速和车的横摆角速度，根据采集的上述信息，电动助力转向控制器执行位置闭环控制算法，根据该算法得出转向执行机构的转矩输出信息。由于本技术方案采用了位置闭环控制算法，所以，与现有技术相比该转向系统具有转向过程平稳，转向精度高，适应多种路况的优点。
Description
技术领域
本发明属于智能汽车技术领域，涉及一种汽车智能电动助力转向系统。
背景技术
目前，汽车保有量逐年递增，交通拥堵以及停车困难成为城市中的一个突出的社会问题。同时驾驶员驾驶技术的缺乏极易造成交通事故，因此对汽车智能驾驶技术的需求日益迫切。
近年来，汽车智能驾驶技术成为汽车电子技术领域的一个热点技术，国内外各大汽车厂商都在大力发展汽车智能驾驶技术。本发明所述的汽车智能电动助力转向系统主动转向技术是实现汽车智能驾驶的一个基础技术，目前在国内汽车厂商展示的智能驾驶技术中，其智能电动助力转向系统在主动转向控制过程中存在转动过程存在转向不平稳的缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题为：提供一种转向过程平稳，转向精度高，适应多种路况的汽车智能电动助力转向系统。
本发明的技术方案为：一种汽车智能电动助力转向系统，其特征在于，所述的系统包括智能控制设备、电动助力转向控制器、角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器和转向执行机构，智能控制设备向电动助力转向控制器发送转向目标角度指令，电动助力转向控制器采集当前状态下汽车的转向角度、转向角速度、车速和车的横摆角速度，根据采集的上述信息，电动助力转向控制器执行位置闭环控制算法，根据该算法得出转向执行机构的转矩输出信息。
优选地，电动助力转向控制器对智能控制设备发出的转向目标角度进行一阶延时滤波后，再执行位置闭环控制算法。
优选地，一阶延时滤波的延时时间为0ms～150ms。
优选地，位置闭环控制算法包括位置环、速度环和电流环，其特征在于，在位置环计算时对计算得出的转向目标角速度进行前馈补偿，前馈补偿公式为：
ua(t)为速度前馈补偿的转向目标角速度补偿输出，ea(t)为转向目标角度与方向盘当前角度的位置偏差，Ka为速度前馈补偿的比例系数，Kb为速度前馈补偿的微分系数。
优选地，位置闭环控制算法包括位置环、速度环和电流环，其特征在于，在速度环计算时对计算得出的目标转矩进行前馈补偿，前馈补偿公式为：
其中：ub(t)为转矩前馈补偿目标转矩补偿输出，eb(t)为转向目标角转向速度与方向盘当前转向速度的偏差，Kc为转矩补偿前馈的比例系数，Kd为转矩前馈补偿的微分系数。
优选地，根据车的横摆角速度，对位置闭环控制算法速度环中计算得出的目标转矩进行补偿，补偿公式为：
式中：Ia为横摆加速度补偿输出，r是横摆角速度反馈值，r0横摆角速度阈值，rmax为横摆角速度最大阈值，C(s)是对横摆角速度r反馈的超前补偿器，C(s)计算公式为：
式中：T为时间常数，KC为超前补偿器系数，n为时间常数T的系数。
优选地，所述的位置闭环控制算法包括位置环路、速度环路和电流环路，电流环路的计算速度大于速度环路，速度环路的计算速度大于位置环路，其特征在于，T1＝(20～28)T3,T2＝(10～20)T3,T1为位置环路执行时间，T2为速度环路执行时间，T3为电流环路执行时间。
优选地，智能控制设备、电动助力转向控制器、角度传感器、车速传感器和横摆角速度传感器之间通过CAN总线连接。
本发明的有益效果为：由于本技术方案采用了位置闭环控制算法，所以，与现有技术相比该转向系统具有转向过程平稳，转向精度高，适应多种路况的优点。
附图说明
图1为电动助力转向系统模块示意图
图2为电动助力转向系统通讯网络示意简图
图3为电动助力转向系统主动转向控制方法流程图
图4为电动助力转向系统主动转向控制方法的位置控制算法图
图5为位置闭环控制算法延时滤波效果示意图
图6为具体实施例转向效果示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明所述的方法作的实施过程作进一步的详细说明：
本发明所述的电动助力转向系统包括电子部分机械部分以及传感器部分；如图1所示，本发明所述的电动助力转向系统的电子部分101包含电动助力转向控制器102、智能控制设备103和通讯总线104；本发明所述的电动助力转向系统的机械部分111包含方向盘112以及转向执行机构113；本发明所述的电动助力转向系统的传感器部分121包含角度传感器122、车速传感器123和横摆角加速度传感器124。
本发明所述的智能驾驶设备103包括不仅限于用于智能驾驶的控制装置、移动客户端以及车载行车电脑设备。
本发明所述电动助力转向系统电动助力转向控制器102包括通讯模块、算法模块、电源模块、PWM模块、功率模块、检测模块。
本发明所述的电动助力转向控制器102的通讯模块用于收发CAN网络上的数据；
本发明所述的电动助力转向控制器102的算法模块用于执行位置闭环控制算法；
本发明所述的电动助力转向控制器102的电源模块用于给控制器和转向电机供电；
本发明所述的电动助力转向控制器102的PWM模块和功率模块用于改变转向电机的输入电流，调节转向电机的输出转矩；
本发明所述的电动助力转向控制器102的检测模块用于检测转向电机的电流。
本发明所述电动助力转向系统的执行机构113，包含转向电机，转向管柱，方向盘，万向节，齿轮齿条，转向拉杆，转向节臂，轮胎；
本发明所述的电动助力转向系统包含的角度传感器122测量方向盘当前的角度和角速度；对角度传感器要求角速度精度1度/秒，角速度范围要求0～1016度/秒；角度精度为0.1度，测量角度范围为-700度～700度；
本发明所述的电动助力转向系统包含的车速传感器123用于测量车辆当前的行驶速度，测量范围：0～298.98Km/h，精度要求：0.01Km/h；
本发明所述的电动助力转向系统包含的横摆角速度传感器124测量车辆当前的速度，测量范围0～100度/秒，测量精度要求：0.01度/秒；
本发明所述电动助力转向系统的通讯网络是在整车中广泛应用的CAN总线网络，如图2所示；本发明所述的电动助力转向系统的通讯网络由CAN总线206挂载智能控制设备201、电动助力转向控制器202、角度传感器203、车速传感器204、横摆角加速度传感器205构成。
结合图2、图3，本发明所述的电动助力转向系统主动转向控制方法的具体实现过程如下：
301，电动助力转向控制器202通过系统CAN总线206向智能控制设备201发送电动助力转向控制器202当前所处的状态；当智能控制设备201接收到电动助力转向器202当前所处状态为等待接收主动转向控制请求指令状态后，智能控制设备201向电动助力转向器202发送主动转向控制请求指令；
302，电动助力转向控制器202通过系统CAN总线206接收到智能控制设备201发送的主动转向控制请求指令后，由电动助力转向控制器202通讯模块执行校验算法，判断接收到的请求指令是否有效；
303，当电动助力转向控制器202判断接收到的请求指令有效后，执行状态切换算法，将电动助力转向控制器202当前所处的等待主动转向控制请求状态切换为主动转向状态，并将切换后电动助力转向控制器202所处的主动转向状态通过系统CAN总线206发送给智能控制设备201；
304，当智能控制设备201接收到电动助力转向控制器202为发送当前处于主动转向状态后，智能控制设备201通过CAN总线206向电动助力转向控制器202发送转向目标角度；电动助力转向控制器202通过系统CAN总线206接收智能设备201发送的转向目标角度、角度传感器203发送的方向盘当前角度和方向盘当前转向速度、车速传感器204发送的车辆当前车速及横摆角速度传感器205发送的横摆角速度；
305，电动助力转向控制器202的算法模块执行位置闭环控制算法；
306，电动助力转向控制器202依据305计算得出的给定转矩427调节PWM模块和功率模块控制转向执行机构转动的转向速度，转向执行机构在转向过程中快速且平稳到达电动助力转向控制器202接收的目标角度402；
307，电动助力转向控制器202控制转向执行机构转动到达转向目标角度时，电动助力转向控制器202通过执行位置控制算法控制转向执行机构停止转动，达到转向定位的效果；
308，电动助力转向控制器202重新获取下一个转向目标角度402数据，依次执行305、306、307；
309，电动助力转向控制器202接收到主动转向功能退出指令后退出主动转向功能。
结合图4，详细论述电动助力转向系统主动转向控制方法的具体实现过程中305位置闭环算法执行过程。
如图4所示：本发明所述的位置闭环控制算法由三部分构成：分别是位置环440、速度环441和电流环442。其中，位置环440包括位置控制器407、速度前馈406、转向目标角度404和系统当前角度432；速度环441包括速度控制器413、转矩前馈414、目标转速410和系统当前转速431；电流环442包括电流控制器426、目标转矩424和系统当前转矩430。
本发明所述的位置闭环控制算法对转向目标角度进行延时滤波处理，具体处理方法为：
电动助力转向控制器202接收智能控制设备发送的转向目标角度402后，接收到的转向目标角度402作为平滑滤波环节403的输入，电动助力转向控制器202算法模块执行一阶延时滤波算法，对转向目标角度402进行滤波处理后输出经过滤波算法处理后的转向目标角度404；
延时滤波公式为：
式(1)中：y(t)为滤波后输出，x(t)为滤波输入，T为时间常数。
滤波效果如图5所示，501为未经过一阶延时滤波处理的转向目标角度，502是经过一阶延时滤波处理后的转向目标角度，通过501与502对比可知：502相对于501存在滞后时间t(上升阶段延时时间t1、下降阶段延时时间为t0)。经过试验检测，延时时间的范围为0ms～150ms。
位置闭环控制算法使用延时滤波器对转向目标角度402进行滤波处理，可达到使转向电机的更为平滑的效果。
经过延时滤波处理后的转向目标角度404作为位置环的输入，与角度传感器429发送的方向盘当前角度432作差处理后输出方向盘位置偏差405，位置偏差405作为速度前馈环节406的输入，经过速度前馈环节406处理后输出前馈补偿速度408；同时位置偏差405作为位置控制器407的输入，经过位置控制器407调节后输出目标速度409；目标速度409与前馈补偿速度408作和处理后输出转向目标速度给定410。
本发明中所述的位置闭环控制算法采用的速度前馈环节的公式为；
式(2)中：ua(t)为速度前馈补偿输出408，ea(t)为位置偏差405，Ka为比例系数，Kb为微分系数。
本发明所述的位置闭环控制算法中采用速度前馈环节406在位置控制过程中进行速度前馈补偿，可缩短转向定位时间，提高转向定位的精度。
转向目标速度给定410作为速度环的输入，与角度传感器429输出的当前方向盘转向速度431做差处理后输出转向速度偏差412，转向速度偏差412作为速度控制器413的输入，经过速度控制器413的调节处理，输出目标转矩414；
转向目标速度给定410同时作为转矩前馈环节415的输入，经过转矩前馈环节415处理输出前馈补偿转矩416；
本发明中所述的位置闭环控制算法采用的转矩前馈环节公式为：
式(3)中：ub(t)为转矩前馈补偿输出416，eb(t)为速度偏差412，Kc为比例系数，Kd为微分系数。
本发明所述的位置闭环控制算法中采用转矩前馈环节415在位置控制过程中进行转矩前馈补偿，可缩短系统的响应时间。
本发明所述的位置闭环控制算法采用补偿环节包括惯性补偿、阻尼补偿、摩擦补偿、车速补偿和横摆角速度补偿。
发明所述的位置闭环控制算法中补偿环节的惯性补偿计算公式为：
式(4)中：IJ为惯性补偿输出，KJ为惯性补偿系数，ωM为转向电机的转速；
本发明所述的位置闭环控制算法中补偿环节的阻尼补偿计算公式为：
ID＝KD sgn(Ts)abs(ωM) (5)
式(5)中：ID为阻尼补偿输出，KD阻尼补偿系数，Ts方向盘转矩，ωM为转向电机转速。
本发明所述的位置闭环控制算法中补偿环节的摩擦补偿计算公式为：
IF＝KF.sgn(ωM) (6)
式(6)中：IF为摩擦补偿输出，KF摩擦补偿系数，ωM为转向电机转速。
本发明所述的位置闭环控制算法中补偿环节的车速补偿计算公式为：
Iv＝Kv.v (7)
式(7)中：Iv为车速补偿输出，Kv车速补偿系数，v为车速。
本发明所述的位置闭环控制算法中补偿环节的横摆角速度补偿计算公式为：
式(8)中：Ia为横摆加速度补偿输出，r是横摆角速度反馈值，r0横摆角速度阈值，rmax为横摆角速度最大阈值，C(s)是对横摆角速度r反馈的超前补偿器，C(s)计算公式为：
式(9)中：T为时间常数，KC为超前补偿器系数，n为时间常数T的系数。
本发明所述的位置闭环控制算法中补偿环节的惯性补偿和阻尼补偿与转向电机转速的转速以及转速变化率有关，因此在电机启动和停止阶段，惯性补偿所起的作用比阻尼补偿大；在平稳运行阶段，阻尼补偿起的作用比惯性补偿大。
本发明所述的位置闭环控制算法中补偿环节的横摆角速度补偿。将横摆角速度信号加入电动助力转向系统，可提高汽车极限工况下的稳定性。避免汽车行驶过程中，遇到突然大角度急转弯时，汽车横摆角速度过大，汽车出现甩尾和过度转向趋势从而引起汽车失控。
本发明所述的位置闭环控制算法中补偿环节具体实现过程为：
电动助力转向控制器202的算法模块依据当前车速、横摆角速度以及转向机构的机械参数进行惯性、补偿阻尼补偿、摩擦补偿、车速补偿和横摆角速度补偿。补偿环节418的输出为补偿转矩420。
本发明所述的位置闭环控制算法中转矩滤波环节421的输入419由补偿环节418的输出补偿转矩420、转矩前馈环节415的输出前馈补偿转矩416、速度控制器413调节后的输出计算转矩414相加构成；经过转矩滤波环节421和转矩限制环节423处理后输出电流回路的目标转矩424，目标转矩424具有转矩数值平滑、在系统规定的转矩范围内的特点。
本发明所述的位置闭环控制算法中电流控制器426的输入偏差转矩425由目标转矩424与电动助力转向控制器202检测模块检测的电流值经过转换后得到的反馈转矩430相减获得。偏差转矩425经过电流控制器426调节后，输出转向电机的给定转矩427。
本发明所述的位置闭环控制算法的三个环路在电动助力转向控制器202的算法模块中具有不同的执行速度。其中位于最内环的电流环路的执行速度最快，位于中间环节的速度环路的执行速度小于电流回路，位于最外环节的位置环路的执行速度小于速度环路。由试验数据得到：T1＝(20～28)T3,T2＝(10～20)T3,T1位置环路执行时间，T2速度环路执行时间，T3电流环路执行时间
实施例1
本实施例中电动助力转向系统主动转向控制方法的具体实现过程在上述描述中已经进行了详细的叙述，在此具体介绍电动助力转向系统主动转向控制方法中位置闭环控制算法中延时滤波环节403、速度前馈环节、转矩前馈环节、补偿环节中所选的具体参数和闭环位置控制算法具体的运算过程。
在延迟滤波环节403中，延迟时间设定为35ms。
在速度前馈环节中，比例系数Ka＝0.08，微分系数Kb＝0.02。
在转矩前馈环节中，比例系数Kc＝0.09，微分系数Kd＝0.03。
在补偿环节中惯性补偿系数KJ＝0.084，阻尼补偿系数KD＝0.03，摩擦补偿系数KF＝0.035，车速补偿系数Kv＝0.05，横摆加速度补偿中横摆角速度阈值r0＝0.03rad/s，横摆角速度最大值rmax＝0.4rad/s，时间常数T＝0.01s，超前补偿器系数KC＝12，时间常数系数n＝3.5。
位置闭环控制算法电流环路执行周期为0.5ms，速度环路执行周期为8ms，位置环路执行周期为12ms。
结合图2、图4、图6描述实施例1位置闭环控制算法具体实施过程为：电动助力转向控制器202处于主动转向状态后，电动助力转向控制器202接收到转向目标角度为400度，执行位置闭环控制算法。
转向目标角度402作为延迟滤波公式(1)的输入，由式(1)得出经延迟滤波处理后的转向目标角度404，延迟时间为35ms。
方向盘位置偏差405为转向目标角度404与方向盘当前角度432的偏差，方向盘位置偏差405作为速度前馈公式(2)的输入，依据实施例1中速度前馈环节的比例系数和微分系数，由式(2)得出前馈补偿速度408，位置偏差405，经位置控制器407调节后得出目标速度409。
目标速度409与前馈补偿速度408相加得出转向目标速度给定410。
转向速度偏差412为转向目标速度给定410与当前方向盘转向速度431的偏差，转向速度偏差412作为转矩前馈公式(3)的输入，依据实施例1中转矩前馈环节的比例系数和微分系数，由式(3)得出前馈补偿转矩415。转向速度偏差412经过速度控制器413调节后得到目标转矩414；
依据实施例1中补偿环节中的具体参数，由式(4)、式(5)、式(6)和式(7)得到补偿转矩420；
转矩滤波环节421的输入转矩419由补偿转矩420、前馈补偿转矩416和目标转矩414相加构成；
电流回路的目标转矩424由输入转矩419经过转矩滤波环节421和转矩限制环节423处理后得出。
偏差转矩425为目标转矩424与反馈转矩430的偏差。偏差转矩425经过电流控制器426调节后，输出转向电机的给定转矩427，从而控制电机转动。
在实施例1中，位置闭环控制算法的电流环路执行周期为0.5ms，速度环路执行周期为8ms，位置环路执行周期为12ms。
实施例1的试验结果如图6所示，其中，601为实施例1中转向过程曲线，603为实施例1中转向到达转向目标角度后的稳态误差。
实施例2
本实施例中速度前馈环节、转矩前馈环节和补偿环节中所选的具体参数与实施例1相同，与实施例1所选参数不同的有：
在延迟滤波环节403中，延迟时间设定为45ms。
位置闭环控制算法电流环路执行周期为0.5ms，速度环路执行周期为5ms，位置环路执行周期为4ms。
实施例2位置闭环控制算法具体实施过程与实施例1相同，在此不再描述参数相同的环节，对所选参数的不同的环节进行简单描述。
实施例2中转向目标角度为400度，转向目标角度402作为延迟滤波公式(1)的输入，由式(1)得出经延迟滤波处理后的转向目标角度404，延迟时间为45ms。
实施例2中位置闭环控制算法电流环路执行周期为0.5ms，速度环路执行周期为5ms，位置环路执行周期为4ms。
实施例2的试验结果如图6所示，其中，602为实施例2中转向过程曲线，604为实施例2中转向到达转向目标角度后的稳态误差。
通过对比实施例1的转向曲线601与实施例2中的转向曲线602、实施例1的转向稳态误差与实施例2的转向稳态误差，可得出实施例1相对于实施例2具有主动转向控制精度高，转向过程平稳的优点。
本发明提出的一种适用于电动助力转向系统的主动转向控制方法同时具有适应多种路况的优点。
Claims (8)
1.一种汽车智能电动助力转向系统，其特征在于，所述的系统包括智能控制设备、电动助力转向控制器、角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器和转向执行机构，智能控制设备向电动助力转向控制器发送转向目标角度指令，电动助力转向控制器采集当前状态下汽车的转向角度、转向角速度、车速和车的横摆角速度，根据采集的上述信息，电动助力转向控制器执行位置闭环控制算法，根据该算法得出转向执行机构的转矩输出信息。
2.根据权利要求1所述的一种汽车智能电动助力转向系统，其特征在于，电动助力转向控制器对智能控制设备发出的转向目标角度进行一阶延时滤波后，再执行位置闭环控制算法。
3.根据权利要求2所述的一种汽车智能电动助力转向系统，其特征在于，一阶延时滤波的延时时间为0ms～150ms。
4.根据权利要求1所述的一种汽车智能电动助力转向系统，位置闭环控制算法包括位置环、速度环和电流环，其特征在于，在位置环计算时对计算得出的转向目标角速度进行前馈补偿，前馈补偿公式为：
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ua(t)为速度前馈补偿的转向目标角速度补偿输出，ea(t)为转向目标角度与方向盘当前角度的位置偏差，Ka为速度前馈补偿的比例系数，Kb为速度前馈补偿的微分系数。
5.根据权利要求1所述的一种汽车智能电动助力转向系统，位置闭环控制算法包括位置环、速度环和电流环，其特征在于，在速度环计算时对计算得出的目标转矩进行前馈补偿，前馈补偿公式为：
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其中：ub(t)为转矩前馈补偿目标转矩补偿输出，eb(t)为转向目标角转向速度与方向盘当前转向速度的偏差，Kc为转矩补偿前馈的比例系数，Kd为转矩前馈补偿的微分系数。
6.根据权利要求1所述的一种汽车智能电动助力转向系统，其特征在于，根据车的横摆角速度，对位置闭环控制算法速度环中计算得出的目标转矩进行补偿，补偿公式为：
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式中：Ia为横摆加速度补偿输出，r是横摆角速度反馈值，r0横摆角速度阈值，rmax为横摆角速度最大阈值，C(s)是对横摆角速度r反馈的超前补偿器，C(s)计算公式为：
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式中：T为时间常数，KC为超前补偿器系数，n为时间常数T的系数。
7.根据权利要求1所述的一种汽车智能电动助力转向系统，所述的位置闭环控制算法包括位置环路、速度环路和电流环路，电流环路的计算速度大于速度环路，速度环路的计算速度大于位置环路，其特征在于，T1＝(20～28)T3,T2＝(10～20)T3,T1为位置环路执行时间，T2为速度环路执行时间，T3为电流环路执行时间。
8.根据权利要求1所述的一种汽车智能电动助力转向系统，其特征为：智能控制设备、电动助力转向控制器、角度传感器、车速传感器和横摆角速度传感器之间通过CAN总线连接。
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