CN108516012A - 基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，它是对车速和转角等参数进行综合判断和运算，决策所形成的理想回正角速度模型，基于该模型，使方向盘在回正过程中的实际转角速度,以理想回正角速度为目标进行实时跟踪控制，既兼顾了实际转角位置又兼顾了实际转角速度，而使EPS系统具有主动回正的行为能力，以适宜的转角速度将方向盘带回左右转向的中间位置。同时，本发明通过对Hella扭矩转角传感器信号进行算法设计，在方向盘实际转角超限等特殊情况下，仍能计算出可靠地表征车辆实际转角的信号，供EPS系统主动回正功能及其它相关功能所应用。

Description

基于理想角速度模型而实现主动回正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，涉及有刷电动助力转向系统(简称EPS)，尤其涉及一种基于理想角速度模型而实现主动回正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Ts和转角信号θs；车速传感器用于检测汽车行驶速度并输出车速信号V；电子控制单元是EPS系统实现各种控制功能的核心，根据Ts、θs、V等信号进行综合运算处理，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。

现代汽车配装EPS系统已非常普及，可使驾驶员操纵转向轻便，能及时准确地执行转向操纵指令。但是，配装EPS系统后，车辆在低速行驶时，由于转向装置摩擦力矩的影响，会出现方向盘无法回到中间位置的情况，而中高速时又容易出现回正超调的现象，并在转向中间位置频繁摆振，这些都降低了车辆的行驶安全性。传统的解决方法是通过EPS系统识别方向盘松手时所处的转角位置，再通过ECU综合计算获得能够回正到中间位置时应由EPS系统提供的回正动能，并在回正全过程中根据实时转角信号θs，适当分配回正力矩(或ECU回正电流)而进行开环控制，该方法会因车辆状态或路面状况的不同，即使在相同车速、松手转角的条件下，其效果仍会出现回正不足或超调现象；另一种传统的解决方法是EPS系统以中间位置的零角度为控制目标，对实时转角信号θs进行检测并反馈，实施ECU回正电流的PID闭环控制，该方法在标准车辆和路面情况下，通过调校PID参数，可很好地实现车辆的回正性能，但是，若车辆状态或路面状况发生变化，则会出现回正过程中的方向盘转角速度，或过快或过慢的现象，从而加重了驾驶员的紧张程度。

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基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，是按车速V和转角θs等参数所形成的理想回正角速度模型，使方向盘在回正过程中的实际转角速度ωs以理想回正角速度ωs-r为目标进行实时跟踪控制，既兼顾了实际转角位置θs又兼顾了实际转角速度ωs，而使EPS系统具有主动回正的行为能力，以适宜的转角速度将方向盘带回左右转向的中间位置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所设计开发的EPS系统，为实现以上目的，主要是对ECU进行回正控制策略和算法的设计开发，就需要有可靠的转角信号θs来源。因此，在技术方案中，以应用德国Hella非接触式扭矩转角传感器(不局限于此，也可采用类同的传感器)来进行相关设计开发说明。

首先，Hella非接触式扭矩转角传感器的输出是PWM占空比信号，需所设计开发的ECU根据接收到的PWM_P和PWM_S信号进行组合计算，而获得能可靠地表征车辆实际转角的信号θs。当方向盘处于中间位置时(即整车车轮处于直线行驶位置时)，由ECU计算得Hella传感器当前零位时的游标角度θ’_ver0(即ECU记忆角度θ’_ver0，并完成对Hella传感器的绝对角度零点标定)，此后再转动方向盘，则Hella传感器的游标算法输出角度(即游标算法绝对角度)θ_ver，可由公式θ_ver＝θ’_ver-θ’_ver0计算获得，但该公式需考虑右转θ’_ver值由正变负的情况，还需考虑左转θ’_ver值由负变正的情况，才能获得Hella传感器游标角度θ’_ver有效范围±740°内且准确的游标算法输出角度θ_ver，同样θ_ver也可获得有效范围为±740°；当方向盘转向圈数超出±2.05圈(±740°)之外，则ECU计算所获得的游标算法输出角度θ_ver并不可信，需根据PWM_P信号独立累积计算获得Hella传感器的跟随算法输出角度(即跟随算法绝对角度)θsr来替代；由ECU计算所获得的θ_ver和θsr，再依据适当的判别条件和对应的计算公式，方能获得可靠地表征车辆实际转角的信号θs。

为实现EPS系统主动回正功能的基本效果，需满足的基本条件是当回正结束时方向盘应处于中间位置附近，既不能有较大的残留角(通常方向盘残留角应小于15°)而出现回正不足的现象，也不能出现越过中间位置而超调的现象，即回正结束时方向盘所处的转角位置应满足：0°≤θs≤15°。在本发明中，为使EPS系统的主动回正功能具有更适宜的控制效果，还需满足在回正过程中的方向盘回转速度适中的条件，不应过快或过慢而引起驾驶员过渡紧张等心理压力，通常在稳定回转区段的角速度为200～350deg/s，并在转角θs＝(120°～180°)→(0°～15°)回正过程段的角速度为(200～350)→0deg/s平顺递减。

据此，基本思路是由车速V和转角θs而确定符合上述要求的理想回正角速度模型：ωs-r＝f(θs，V)，以理想回正角速度ωs-r作为控制目标，并对转角速度信号ωs进行实时检测及反馈，实施ECU回正电流Ir-out的PI闭环控制，即可使EPS系统具有更适宜的回正控制效果。同时，为准确地判断EPS系统何时启动或结束回正功能，需在ECU中设定合理的判断条件，避免在车辆直线行驶中与驾驶员的微调转向动作而抢舵，以及在回正过程中途，驾驶员要重新执行转向操作时，EPS系统能平顺地将回正状态切换至转向助力状态。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过ECU对游标角度θ’_ver合理的匹配计算，当方向盘在左方向或右方向的较大转角位置时，传感器游标角度将产生变号，而此时ECU仍能获得准确的游标算法输出角度θ_ver，以便作为传感器跟随算法输出转角信号θsr的实时校正基准。

2、本发明通过ECU对游标算法输出角度θ_ver适当的判别和计算，当方向盘转向圈数超出±2.05圈(±740°)后，再结合跟随算法输出角度θsr，ECU仍能获得可靠的方向盘实际转角信号θs，为主动回正、主动阻尼、齿条末端保护等功能的实现，提供准确的转角信号。

3、本发明通过对理想回正角速度模型ωs-r的设计，使EPS系统在回正过程中，按PI电流闭环控制，以达到实际角速度ωs跟踪理想回正角速度模型ωs-r而回转，使回正角速度适中，避免过快或过慢而引起驾驶员过渡紧张等心理压力。

4、本发明通过引入转角θs与理想模型角速度ωs-r的关联设计，使EPS系统在回正过程结束段，当转角θs趋于中间位置达0～15°时，将理想回正角速度ωs-r预设到接近于零速，即可使实际转角速度ωs跟随理想回正角速度ωs-r停止于方向盘的中间位置附近，残留角较小。

5、本发明通过引入转向手力Ts与回正电流Ir-out的关联设计，使EPS系统在回正过程中途，当驾驶员要重新执行转向操作时，EPS系统能平顺地将回正状态切换至转向助力状态。

6、本发明通过引入转角θs、转角速度ωs、转向手力Ts、车速V等参数进行关联设计，使主动回正功能在开启或关闭的切换过程中，不影响驾驶员的转向操纵手感，适用于各种有刷电动助力转向系统。

附图说明：

本发明共有附图17张，其中：

图1为本发明的Hella传感器角度信号组合工作原理和绝对角度标定的示意图。

图2为本发明的Hella传感器±740°范围内游标角度简化示意图。

图3为本发明的ECU对整车绝对角度零点标定后的Hella游标算法输出角度示意图I。

图4为本发明的ECU对整车绝对角度零点标定后的Hella游标算法输出角度示意图II。

图5为本发明的EPS系统主动回正控制的工作原理简图。

图6为本发明的EPS系统主动回正功能的控制模块逻辑框图。

图7为本发明的基本回正电流Ir-b与车速V关系曲线示意图

图8为本发明的理想回正角速度模型|θs|-ωs-r曲线结构示意图。

图9为本发明的回正起始段角速度模型计算所采用的θ”-ω”虚拟曲线。

图10为本发明的θs-r0＝360、ωs-r0＝50时回正起始段角速度模型|θs|-ω”s-r曲线示意图。

图11为本发明的Vr2车速下回正过程段|θs|-ω's-rx基准模型角速度曲线。

图12为本发明的回正过程段修正系数K'与车速V关系曲线。

图13为本发明的V＝20km/h时回正过程段的理想角速度模型|θs|-ω's-r曲线。

图14为本发明的V＝20、θs-r0＝360、ωs-r0＝50回正全过程理想角速度模型|θs|-ωs-r曲线。

图15为本发明的θs-r0＝360、ωs-r0＝50时各车速下回正全过程理想模型|θs|-ωs-r曲线。

图16为本发明的平顺系数Kr与转向手力|Ts|关系曲线示意图。

图17为本发明的V＝20、θs-r0＝360、ωs-r0＝50时理想模型的回正历程曲线。

图中所涉及的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：

在本发明中规定，所有说明、图形及表达式中的转向手力、转角、转角速度等，以方向盘右转方向为各物理量的正方向，其值为正，而以左转方向为各物理量的负方向，其值为负。一、车辆实际转角信号的算法设计

Hella传感器输出的是PWM占空比信号，主角度信号为PWM_P(循环周期为40°)，副角度信号为PWM_S(循环周期为296°)，随着方向盘转动可按如图1所示规律改变其组合数值，再由ECU计算得Hella传感器游标角度θ’_ver(范围：±740°)。例如：PWM_P＝50％和PWM_S＝50％组合，代表θ’_ver＝0°,再如：PWM_P＝59.38％和PWM_S＝16.81％组合，代表θ’_ver＝165°，由此可知，当方向盘转动在如图1所示的任意PWM_P和PWM_S的组合数值点上，即可代表在±740°范围内唯一的游标角度θ’_ver。

为方便以下说明，将Hella传感器游标角度θ’_ver的工作示意，转化为如图2所示形式。

为了使Hella传感器游标角度θ’_ver能与整车方向盘转角进行关联对应，需对整车直线行驶时方向盘所处的中间位置标定为零点(即整车绝对角度零点)，此时Hella传感器游标角度θ’_ver定义为Hella游标角度标定零点，代号为θ’_ver0。例如：当在θ’_ver＝165°时，对整车绝对角度零点进行标定(如图1所示，PWM_P＝59.38％和PWM_S＝16.81％组合，即θ’_ver0＝165°)，如图3所示，由ECU记忆该标定零点θ’_ver0＝165°，并根据相应公式计算可得Hella游标算法输出角度θ_ver，其基本公式为θ_ver＝θ’_ver-θ’_ver0，此时由θ’_ver转化为θ_ver的角度数值，与整车方向盘转角即可关联对应。但在±740°范围内的基本公式θ_ver＝θ’_ver-θ’_ver0，并不能准确地计算出θ_ver数值，例如：在如图3所示的标定零点θ’_ver0＝165°下，当整车方向盘右转600°时，则θ’_ver＝-715°，由基本公式θ_ver＝θ’_ver-θ’_ver0得θ_ver＝-880°(代表左转880°)，该计算结果与实际方向盘右转600°不吻合，因此可推断：右转θ’_ver值越过+740°点由正变负的情况或左转θ’_ver值越过-740°点由负变正的情况，其基本公式θ_ver＝θ’_ver-θ’_ver0不能涵盖所有转角情况。根据以上的描述并经修正的Hella游标算法输出角度θ_ver表达式如下：

在表达式(1)中，仍存在当θ'_ver-θ'_ver0＝740°或θ'_ver-θ'_ver0＝-740°时，无法判别是左转向还是右转向而产生的θ_ver值。为兼顾在θ_ver＝740°或θ_ver＝-740°点上及其附近点的计算结果可靠，应设定适当的安全角度，因此在表达式(1)中需增加补充条件如下：

当-700°≤θ_ver≤700°时有效，否则无效.....................................................(2)

依据表达式(1)和(2)组合，确保了整车转向角度在±θ_max＝±700°范围内，Hella游标算法输出角度θ_ver组合表达式所计算的结果是可靠的，适用于标准型乘用车转向系统的转角检测(通常乘用车方向盘圈数小于±1.6圈＝±576°)。

根据技术方案所述，当改装型乘用车，其方向盘转向圈数超出1.944圈(±θ_max＝±700°)，甚至超出±2.05圈(±θ_max＝±740°)之外时，则ECU计算所获得的游标算法输出角度θ_ver并不可信。例如：在如图4所示的标定零点θ’_ver0＝165°下，当整车方向盘右转900°时，则θ’_ver＝-415°，由表达式(1)计算得θ_ver＝-580°，该角度数值与整车方向盘右转900°不吻合，因此推断：当方向盘转向角度在740°～1480°或-740°～-1480°范围内，表达式(1)计算结果不可靠。据此，需以方向盘最大转向角度θ_max为基础，增加补充条件而缩小有效角度的检测范围，才能使θ_ver的计算结果可靠，其补充条件的表达式如下(设计时仅采用表达式中的其中一条)：

整车在任何转向条件下，都需要检测出当前的方向盘转角θs，以便为主动回正、主动阻尼、齿条末端保护等功能的实现，提供准确的转角信号。但据以上分析，Hella游标算法输出角度θ_ver在较大转向角度时并不可靠，因此需采用PWM_P信号独立累积计算，获得Hella传感器的跟随算法输出角度θsr来替代θ_ver输出。其工作原理是由ECU定时获取θver，并根据上述表达式(1)、(2)、(3)规则，将当前有效的且可信的θver确定为Hella跟随算法输出角度的基准θsr0(此时PWM_P＝PWM_P0将被以下式(4)和(5)中应用)，依此再按PWM_P信号步进变化率进行累加或累减，其跟随算法输出角度θsr的表达式如下：

其中，表达式(4)中PWM_P_n-PWM_P_n-1应满足以下表达式(5)所要求的补充条件。

综上，方向盘实际转角θs采用Hella传感器的跟随算法输出角度θsr是可靠的，只是在EPS系统运行中，其跟随算法输出角度的基准θsr0是由Hella游标算法输出角度θ_ver定时更新获得的，可能存在一段时间内θ_ver输出无效，而使基准θsr0不能及时校正更新，仍执行前次基准θsr0的现象，会引起少许θsr的输出误差，但其误差精度仍可满足EPS系统使用要求。

二、主动回正功能的设计开发

主动回正功能是EPS系统在ECU内按符合车辆回正规律要求的策略和算法进行编程，当运行该软件程序时，即可使EPS系统具有主动回正的行为能力，以适宜的转角速度将方向盘带回转向中间位置。如图5所示，主动回正控制的工作原理是ECU根据采集到的转向手力信号Ts、车速信号V、方向盘转角信号θs等，由ECU主动回正功能模块进行综合判断和运算，决策出理想的回正角速度模型，基于该模型对ECU输出电流实施闭环控制，并叠加其它功能模块的输出电流，汇总后参入主电流环PI进行控制，来驱动电机运转并带动减速机构输出回正扭矩和转角。主动回正功能模块由回正判断模块和回正控制模块组成。

1.回正判断模块的设计

回正判断模块的主要作用是根据输入信号及规定参数进行综合判断，输出主动回正功能是否工作的成立条件，包括二种输出：开启条件成立和关闭条件成立。它的决策机制是开启条件和关闭条件在同一时刻，只能有其中一个条件成立。

EPS系统主动回正功能的开启和关闭，是由设计建立的判断模块进行决策，决策所需的输入条件与方向盘转角θs、转向手力Ts、车速V等相关，同时需对应设定判定界限值。其中，方向盘转角θs的正值|θs|判定界限包括：回正开启角度θsr2、强迫回正结束的角度θsr1；转向手力Ts的正值|Ts|判定界限包括：死区扭矩(正值，在已知基本助力特性模块中获得)T1、回正判断的增量扭矩ΔTsr；车速V判定界限值仅包括：回正功能启动的最低车速Vr1。

方向盘转角θs是决定主动回正功能是否开启的关键因素之一。在车辆直线行驶中，为避免与驾驶员的微调动作而抢舵，应设定回正开启角度θsr2，当|θs|≥θsr2时，才能开启主动回正功能，否则不开启，而当开启之后既使|θs|<θsr2，也不会影响回正功能的执行，因此开启条件成立的必要条件之一是|θs|≥θsr2，但关闭条件成立与否，与其无关；车辆在回正过程中，具有转角位置θs与角速度ωs异号的基本特征(同号时则代表了转向过程)，因此开启条件成立的必要条件之一是θs×ωs≤0，关闭条件成立的充分条件之一是θs×ωs>0；在主动回正功能执行的过程中并接近中位时，根据所设定的强迫回正结束角度θsr1，当|θs|<θsr1时主动回正功能结束，否则继续执行，而当主动回正功能未开启，既使|θs|≥θsr1，也不会开启回正功能，因此关闭条件成立的充分条件之一是|θs|<θsr1，但开启条件成立与否，与其无关。建议设定θsr1＝θs-r1+(0～5)deg、θsr2＝60～90deg。

转向手力Ts也是决定主动回正功能是否开启的关键因素之一。当驾驶员执行转向操作时，通常转向手力较大，只有在转向手力较小时，才具备了轻抚或松开方向盘而回正的操作意图，因此采用了死区扭矩T1来表征完全松开方向盘的手力值，同时设定了表征轻抚方向盘而回正的手力增量值ΔTsr，故开启条件成立的必要条件之一是|Ts|≤T1+ΔTsr，关闭条件成立的充分条件之一是|Ts|>T1+ΔTsr；当驾驶员转向后保舵一段时间，再有意识地回转时(此时是转向动作)，转向手力Ts必将进入开启条件成立的|Ts|≤T1+ΔTsr区域，也被EPS系统识别为主动回正功能开启了(该功能的作用转矩也与驾驶员回转动作一致)，因此以手力Ts是否进入反向区域为判定依据，能快速识别出驾驶员意图并结束主动回正功能，故开启条件成立的必要条件之一是θs×Ts≥0，关闭条件成立的充分条件之一是θs×Ts<0。通常T1范围是0.5～2.0N.m，建议设定ΔTsr＝0.5～1.5N.m。

车速V是决定主动回正功能是否开启的直接因素。在车速极低时，转向后松开方向盘，应保持当前方向盘的转角位置不变，不宜开启主动回正功能，因此开启条件成立的必要条件之一是V≥Vr1，关闭条件成立的充分条件之一是V<Vr1。建议设定Vr1＝1～3km/h。

归纳回正判断模块输出条件成立的算法如下表：

判断条件	表达式
		开启条件成立	AND(|θs|≥θsr2，θs×ωs≤0，θs×Ts≥0，|Ts|≤T1+ΔTsr，V≥Vr1)
关闭条件成立	OR(|θs|<θsr1，θs×ωs>0，θs×Ts<0，|Ts|>T1+ΔTsr，V<Vr1)

按以上所述，当开启条件成立时，触发主动回正功能开启，之后既使开启条件不再成立，EPS系统仍保持主动回正功能的执行状态，直至关闭条件成立时，将不再保持并切换状态；当关闭条件成立时，主动回正功能被关闭，之后既使关闭条件不再成立，EPS系统仍保持主动回正功能的不执行状态，直至开启条件成立时，将不再保持并切换状态。如此循环递推。2.回正控制模块的设计

回正控制模块的主要作用是根据回正判断模块输出的开启成立条件，触发该模块自动计算理想回正角速度模型，以理想回正角速度ωs-r作为控制目标，实施ECU回正输出电流Ir-out的PI闭环控制，并使Ir-out参入主电流环进行综合控制。

回正控制模块由基本回正、理想角速度模型、平顺系数等运算子模块组成，需要输入的条件包括：方向盘转角θs、转向手力Ts、车速V，同时还需设定对应的匹配参数。当回正控制模块接收到回正判断模块所输出开启条件成立的指令后，按图6所示的逻辑关系，执行主动回正控制。

1)基本回正运算子模块设计

基本回正运算子模块主要作用是在回正过程中根据车速情况来提供一个基本回正电流，以便在转向系统回正的初始阶段具有一定的启动力矩。设计原则：当车速较低时，基本回正电流较大，当车速较高时，基本回正电流较小。

基本回正电流曲线V-Ir-b的形成，需匹配参数包括：回正功能启动的最低车速Vr1、回正功能的基准车速(基准回正模型车速)Vr2、最大基本回正电流Ir-b1、最小基本回正电流Ir-b2；如图7所示，曲线V-Ir-b是通过Vr1车速点(Vr1，Ir-b1)和Vr2车速点(Vr2，Ir-b2)的平滑曲线，利用两点间所设置的标定系数(或称基本回正电流的平滑曲率调节系数)ar进行调节。描述该曲线的表达式为：

式中，ar为标定参数，ar1、ar2是根据已知配置参数而计算获得的参数，其表达式如下：

建议基本回正电流Ir-b的相关参数匹配如下表：

为方便ECU编程，建议在设计中形成可供查表用的V与Ir-b插值表如下：

V(km/h)	V<3	3	4	5	6	7	8	10	12	15	20	25	30	40	50	50<V
																	Ir-b(A)	0.00	3.00	2.69	2.43	2.21	2.02	1.86	1.59	1.38	1.13	0.84	0.64	0.50	0.50	0.50	0.50

2)理想角速度模型运算子模块设计

理想角速度模型运算子模块的主要作用是根据车速V和转角θs而计算得角速度模型|θs|-ωs-r曲线，代表了回正全过程的理想角速度模型，它是由回正起始段和回正过程段组合而成。a)回正起始段的理想角速度模型设计

如图8所示，回正起始段的理想角速度模型设计原则：当回正功能启动后，根据此刻方向盘所处的转角位置和已有的回正起始点角速度为基础，按先快加速再渐缓加速，使角速度既能快速递增又能与回正过程段平滑交接。

快速且平滑的回正起始段角速度模型曲线|θs|-ω”s-r的形成，需匹配参数包括：起始段模型启动角速度ω”s-r1、起始段模型特征角速度ω”s-r2、回正起始段虚拟转角范围Δθ”s-r；同时由ECU检测并记忆的参数包括：回正起始点实际角度θs-r0和回正起始点实际角速度ωs-r0，它们都将参入模型曲线的形成。其中参数ω”s-r1是在回正功能启动且方向盘处于静止状态时，为防止模型目标角速度与实际角速度差值长时间保持为零，使闭环PI无法控制，故需要有不为零的目标角速度来激励PI控制，建议ω”s-r1＝30～60deg/s；参数ω”s-r2是以零角速度为虚拟起点，在经历Δθ”s-r角度范围后，达到能被大多数驾驶员所接受的回正角速度(在模型中还应叠加已有的回正起始点实际角速度ωs-r0)，建议ω”s-r2＝250～350deg/s、Δθ”s-r＝90～120deg。

为方便ECU编程，在模型设计中应形成可供查表用的插值表(参见“序号三”中的对应表)，需采用θ”-ω”虚拟曲线来进行设计。如图9所示，虚拟曲线θ”-ω”是通过原点(0，0)和角速度特征点(Δθ”s-r，ω”s-r2)的平滑曲线，利用两点间所设置的标定系数(或称回正起始段角速度模型的平滑曲率调节系数)Cr进行调节，使θ”-ω”虚拟曲线按先快加速再渐缓加速的规律。描述该曲线的表达式为：

式中，Cr为标定参数，Cr1、Cr2是根据已知配置参数而计算获得的参数，其表达式如下：

如图9所示，虚拟曲线θ”-ω”清晰地表达了随虚拟转角θ”而虚拟角速度ω”的变化规律，按下列表达式(10)进行镜像及平移的转化，即可获得特性规律一致的回正起始段角速度模型|θs|-ω”s-r曲线，如图10所示。实现起始段模型角速度既能快速递增又能与回正过程段平滑交接。

b)回正过程段的理想角速度模型设计

如图8所示，回正过程段的理想角速度模型设计原则：由回正起始段进入回正过程段后，角速度按先缓后快地减速，使方向盘在远离转向中位时能维持较快的回转速度，当接近转向中位时，较快地减速到接近于零速。它是由基准角速度模型与回正修正系数模型而合成。

基准角速度模型设计(转角与回正角速度的关系)

基准角速度模型设计，就是在基准车速Vr2下，求解所期望的转角与角速度对应关系，其关系曲线|θs|-ω's-rx的形成，需匹配参数包括：回正结束点模型转角θs-r1、回正过程段基准模型转角θs-r2、回正结束点基准模型角速度ω's-rx1、回正过程段基准模型特征角速度ω's-rx2。其中θs-r1参数是在回正功能结束时的方向盘所处的转角位置上，为了防止车辆中高速行驶时，由于惯性而出现回正超调，通常需设定一定的安全裕量，建议范围：θs-r1＝5～15deg；同时对应转角θs-r1的角速度ω's-rx1参数，代表了在基准车速Vr2下期望的结束点角速度，为防止回正PI闭环控制的跟踪时间过长，通常在结束点上仍需设定较小的角速度存在，建议范围：ω's-rx1＝10～20deg/s；在基准车速Vr2下的回正过程段内，模型的基准转角点θs-r2与基准角速度ω's-rx2对应，该组数值是基于能被大多数驾驶员所接受的回正角速度，建议θs-r2＝120～180deg、ω's-rx2＝250～350deg/s。

如图11所示，曲线|θs|-ω's-rx是通过θs-r1角度点(θs-r1，ω's-rx1)和θs-r2角度点(θs-r2，ω's-rx2)的平滑曲线，利用两点间所设置的标定系数(或称基准角速度模型的平滑曲率调节系数)br进行调节。描述该曲线的表达式为：

式中，br为标定参数，br1、br2是根据已知配置参数而计算获得的参数，其表达式如下：

在基准角速度模型设计中，为方便ECU编程，依据表达式(11)和(12)，应形成可供查表用的|θs|-ω's-rx插值表，参见“序号三”中的对应表。

回正修正系数的模型设计(车速与回正修正系数的关系)

回正修正系数K'是对基准角速度模型随车速V进行修正，使在基准车速Vr2下所获得期望的|θs|-ω's-rx曲线与车速V产生关联，以便生成理想的回正过程段角速度模型。其关系曲线V-K'的形成，需匹配参数包括：回正功能启动的最低车速Vr1、回正功能的基准车速(基准回正模型车速)Vr2、Vr1车速下回正修正系数K'1、Vr2车速下回正修正系数K'2，建议K'1＝0.7～0.9、K'2＝1.0。

如图12所示，曲线V-K'是通过Vr1车速点(Vr1，K'1)和Vr2车速点(Vr2，K'2)的平滑曲线，利用两点间所设置的标定系数(或称回正修正系数模型的平滑曲率调节系数)Wr进行调节。描述该曲线的表达式为：

式中，Wr为标定参数，Wr1、Wr2是根据已知配置参数而计算获得的参数，其表达式如下：

在回正修正系数的模型设计中，为方便ECU编程，依据表达式(13)和(14)，应形成可供查表用的V-K'插值表，参见“序号三”中的对应表。

回正过程段的理想角速度模型设计

回正过程段的理想角速度模型是由基准角速度模型与回正修正系数模型按下列表达式(15)进行合成，可得如图13所示的回正过程段理想角速度模型|θs|-ω's-r曲线(例如：当V＝20km/h时)。

ω'_s-r＝K'ω'_s-rx..........................................................................................(15)

c)回正全过程的理想角速度模型设计

回正全过程的理想角速度模型是由回正起始段和回正过程段按下列表达式(16)进行合成，可得各车速下的回正全过程理想角速度模型|θs|-ωs-r曲线族(例如：当θs-r0＝360deg、ωs-r0＝50deg/s时)，如图15所示。

ω_s-r＝Min(ω'_s-r，ω"_s-r)..............................................................................(16)

3)平顺系数运算子模块设计

如图6所示，平顺系数Kr是根据转向手力|Ts|的变化，主要对回正输出电流Ir进行渐变调整，同时也对基本回正电流Ir-b以及PI控制系数Kp、KI进行渐变调整，使回正控制模块的输出电流Ir-out随转向手力|Ts|平顺地增大或减小。

如图16所示，平顺系数Kr与转向手力|Ts|关系曲线的形成，需匹配参数包括：死区扭矩(正值，在已知基本助力特性模块中获得)T1、回正判断的增量扭矩ΔTsr。当主动回正功能开启时，转向手力|Ts|由大变小，在T1≤|Ts|≤T1+ΔTsr期间Kr由0增至1，使电流Ir-out由0％输出增至全额100％输出；反之，当回正中途切换至转向助力状态时，转向手力|Ts|由小变大而Kr由1减至0，使电流Ir-out由全额100％输出减至0％输出，实现EPS系统能平顺地将回正状态切换至转向助力状态。描述平顺系数Kr与转向手力|Ts|的关系表达式如下：

以上回正控制模块设计的成功与否，将决定了EPS系统回正性能的优劣程度，是本发明中的关键部分。以下对回正控制模块设计中的理想角速度模型进行仿真验证，以便确定合理的参数匹配范围，并对回正历程曲线进行评价。

三、理想角速度模型仿真运行结果

首先设定车辆在V＝20km/h车速下行驶，右转向至θs-r0＝360deg时保舵一段时间，驾驶员松开方向盘后，触发EPS系统的回正功能启动，在回正启动时刻，由于轮胎回弹等因素已使方向盘具有ωs-r0＝50deg/s回正起始点实际角速度。同时设定回正控制模块中的PI闭环控制能很好地按理想回正角速度模型进行目标跟踪，再按以下过程及参数设定来实施仿真运行的结果分析。

1.回正起始段的参数匹配结果

仿真运行中，回正起始段的参数匹配如下表：

参数匹配后，形成ECU编程用的θ”与ω”插值表如下：

按以上参数匹配设定后，可得如图9所示的回正起始段角速度模型计算所采用的θ”-ω”虚拟曲线，并在θs-r0＝360deg、ωs-r0＝50deg/s时，按表达式(10)进行镜像及平移的转化，绘制成如图10所示的回正起始段角速度模型|θs|-ω”s-r理想曲线。

2.回正过程段的参数匹配结果

1)Vr2车速下回正过程段基准角速度模型|θs|与ω's-rx的参数匹配结果

仿真运行中，回正过程段基准模型的参数匹配如下表：

参数匹配后，形成ECU编程用的|θs|与ω's-rx插值表如下：

按以上参数匹配设定后，在Vr2车速下，可得如图11所示的回正过程段|θs|-ω's-rx基准模型角速度曲线。

2)回正过程段修正系数K'与V的参数匹配结果

仿真运行中，回正修正系数K'的相关参数匹配如下表：

参数匹配后，形成ECU编程用的V与K'插值表如下：

按以上参数匹配设定后，得如图12所示的回正过程段修正系数K'与车速V关系曲线。

3)回正过程段综合参数匹配结果：当V＝20km/h时，由基准角速度模型|θs|与ω's-rx曲线和修正系数K'与车速V关系曲线，按公式(15)进行合成，可得如图13所示的回正过程段理想角速度模型|θs|-ω's-r曲线。

3.回正全过程(回正起始段+回正过程段)匹配结果

由回正过程中的起始段角速度模型|θs|-ω”s-r理想曲线(当θs-r0＝360deg、ωs-r0＝50deg/s时)和回正过程段的理想角速度模型|θs|-ω's-r曲线(当V＝20km/h时)，按公式(16)进行合成，可获得如图14所示的回正全过程理想角速度模型|θs|-ωs-r曲线。依据如图14所示的理想角速度模型|θs|-ωs-r，执行PI闭环目标跟踪控制，即可实现满足设计要求的回正历程曲线，如图17所示。

综上所述，本发明通过对Hella扭矩转角传感器PWM_P和PWM_S信号在ECU中的算法设计，当方向盘实际转角超限情况下，使ECU仍能计算出可靠地表征车辆实际转角的信号θs，供EPS系统主动回正功能及其它相关功能所应用。本发明通过在ECU中的主动回正功能模块对方向盘转角信号θs、转向手力信号Ts、车速信号V等进行综合判断和运算，决策出理想的回正角速度模型，基于该模型，ECU对回正过程中的实际转角速度，以理想回正角速度为目标进行实时跟踪控制，既兼顾了实际转角位置又兼顾了实际转角速度，使EPS系统具有主动回正的行为能力，以适宜的转角速度将方向盘带回左右转向的中间位置。

Claims (15)

1.一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，按车速V和转角θs参数所形成的理想回正角速度模型，使方向盘在回正过程中的实际转角速度ωs以理想回正角速度ωs-r为目标进行实时跟踪控制，既兼顾了实际转角位置θs又兼顾了实际转角速度ωs，使EPS系统具有主动回正的行为能力，以适宜的转角速度将方向盘带回左右转向的中间位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，应用德国Hella非接触式扭矩转角传感器，并通过ECU对Hella传感器游标角度θ’_ver进行绝对角度零点标定为θ’_ver0，以及匹配计算方法，获得Hella游标算法输出角度θ_ver，此时由θ’_ver转化为θ_ver的角度数值，与方向盘实际转角θs即可关联对应，其表达式为：

在表达式(Q-1)中，仍存在当θ′_ver-θ′_ver0＝740°或θ′_ver-θ′_ver0＝-740°时，无法判别是左转向还是右转向而产生的θ_ver值；为兼顾在θ_ver＝740°或θ_ver＝-740°点上及其附近点的计算结果可靠，应设定适当的安全角度，因此在表达式(Q-1)中需增加补充条件为：

当-700°≤θ_ver≤700°时有效，否则无效………………………….…….…….…(Q-2)。

3.根据权利要求2所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，Hella游标算法输出角度θ_ver的表达式(Q-1)和(Q-2)组合，在大角度等特殊情况下，其计算结果并不可靠，还需根据方向盘最大转向角度θ_max为基础，增加补充条件而缩小有效角度的检测范围，才能使θ_ver的计算结果可靠，其补充条件的表达式如下：

4.根据权利要求2、3所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，任何转向条件下，都需要检测出当前的方向盘转角θs，而可靠的Hella游标算法输出角度θ_ver被缩小了有效检测范围，因此需根据PWM_P信号独立累积计算，获得Hella传感器的跟随算法输出角度θsr来替代θ_ver输出并被θs采用，跟随算法输出角度θsr是由ECU定时获取θver，并根据上述表达式(Q-1)、(Q-2)、(Q-3)规则，将当前有效的且可信的θver确定为Hella跟随算法输出角度的基准θsr0(此时PWM_P＝PWM_P0将被以下式Q-4和Q-5中应用)，依此再按PWM_P信号步进变化率进行累加或累减，其θsr的表达式为：

其中，表达式(Q-4)中PWM_P_n-PWM_P_n-1应满足以下表达式(Q-5)所要求的补充条件：

5.根据权利要求1所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，能自动决策EPS系统主动回正功能是否开启或关闭的判断模块，回正判断模块要设置二种判断条件：开启条件和关闭条件，此二种条件在同一时刻，只能有其中一个条件成立：

当开启条件成立时，触发主动回正功能开启，之后既使开启条件不再成立，EPS系统仍保持主动回正功能的执行状态，直至关闭条件成立时，将不再保持并切换状态；

当关闭条件成立时，主动回正功能被关闭，之后既使关闭条件不再成立，EPS系统仍保持主动回正功能的不执行状态，直至开启条件成立时，将不再保持并切换状态；

如此循环递推，其表达式为：AND(|θs|≥θsr2，θs×ωs≤0，θs×Ts≥0，|Ts|≤T1+ΔTsr，V≥Vr1)，表示开启条件成立，主动回正功能开启并保持；OR(|θs|<θsr1，θs×ωs>0，θs×Ts<0，|Ts|>T1+ΔTsr，V<Vr1)，表示关闭条件成立，主动回正功能被关闭并保持。

6.根据权利要求1、5所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，回正控制模块，该模块是根据回正判断模块所输出的开启成立条件，触发该模块自动计算理想回正角速度模型，以理想回正角速度ωs-r作为控制目标，实施ECU回正输出电流Ir-out的PI闭环控制，并使Ir-out参入主电流环进行综合控制。回正控制模块由基本回正、理想角速度模型、平顺系数等运算子模块组成，需要输入的条件包括：方向盘转角θs、转向手力Ts、车速V，同时还需设定对应的匹配参数。

7.根据权利要求6所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，基本回正运算子模块曲线的形成，该曲线将通过(Vr1，Ir-b1)和(Vr2，Ir-b2)两个匹配特征点，并利用两点间所设置的标定系数(或称基本回正电流的平滑曲率调节系数)ar进行调节。描述该曲线的表达式为：

式中，ar为标定参数，ar1、ar2是根据已知配置参数而计算获得的参数，其表达式如下：

8.根据权利要求6所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，回正全过程理想角速度模型运算子模块曲线|θs|-ωs-r的形成，该曲线是根据车速V和转角θs而计算得角速度模型|θs|-ωs-r曲线，代表了回正全过程的理想角速度模型，它是由回正起始段和回正过程段组合而成。

9.根据权利要求8所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，快速且平滑的回正起始段角速度模型曲线|θs|-ω”s-r的形成，为方便ECU编程，在模型设计中形成可供查表用的插值表，采用了θ”-ω”虚拟曲线来进行设计，该虚拟曲线将通过(0，0)和(Δθ”s-r，ω”s-r2)两个匹配特征点，并利用两点间所设置的标定系数或称回正起始段角速度模型的平滑曲率调节系数Cr进行调节。描述该曲线的表达式为：

式中，Cr为标定参数，Cr1、Cr2是根据已知配置参数而计算获得的参数，其表达式如下：

按下列表达式(Q-10)进行镜像及平移的转化，即可获得与虚拟曲线特性规律一致的回正起始段角速度模型|θs|-ω”s-r曲线，实现起始段模型角速度既能快速递增又能与回正过程段平滑交接。描述镜像及平移转化的表达式为：

10.根据权利要求8所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，回正过程段的理想角速度模型曲线|θs|-ω's-r的形成，它是由基准角速度模型曲线与回正修正系数模型曲线而合成。

11.根据权利要求10所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，基准角速度模型曲线|θs|-ω's-rx的形成，该曲线将通过(θs-r1，ω's-rx1)和(θs-r2，ω's-rx2)两个匹配特征点，并利用两点间所设置的标定系数或称基准角速度模型的平滑曲率调节系数br进行调节，描述该曲线的表达式为：

式中，br为标定参数，br1、br2是根据已知配置参数而计算获得的参数，其表达式如下：

12.根据权利要求10所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，回正修正系数模型曲线V-K'的形成，该曲线将通过(Vr1，K'1)和(Vr2，K'2)两个匹配特征点，并利用两点间所设置的标定系数或称回正修正系数模型的平滑曲率调节系数Wr进行调节，描述该曲线的表达式为：

式中，Wr为标定参数，Wr1、Wr2是根据已知配置参数而计算获得的参数，其表达式如下：

13.根据权利要求10、11、12所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，回正过程段的理想角速度模型曲线|θs|-ω's-r的形成，由基准角速度模型曲线与回正修正系数模型曲线而合成，其表达式为：

ω′_s-r＝K'ω′_s-rx....................................................................................(Q-15)。

14.根据权利要求8、9、10所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，回正全过程理想角速度模型运算子模块曲线|θs|-ωs-r的形成，由回正起始段角速度模型曲线与回正过程段理想角速度模型曲线而合成，其表达式为：

ω_s-r＝Min(ω′_s-r，ω"_s-r)...................................................................(Q-16)。

15.根据权利要求6所述的一种基于理想角速度模型而实现主动回正功能的电动助力转向系统，其特征在于，平顺系数运算子模块曲线|Ts|-Kr的形成，该曲线是通过(T1，1)和(T1+ΔTsr，0)两个匹配特征点的线性曲线，描述平顺系数Kr与转向手力|Ts|的关系表达式如下：