CN108909396B - 汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置及工作方法 - Google Patents

汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置及工作方法。所述装置包括数据采集模块、A/D转换模块、电控单元、执行器；所述执行器包括步进电机和助力电机；数据采集模块与A/D转换模块、电控单元顺次连接，电控单元再与步进电机和助力电机通信连接。本发明将电动助力转向系统与主动悬架系统结合起来进行集成控制,则可以更好地解决它们之间的相互干扰。同时,精简了系统配置,在系统间实现信息共享,充分利用有限的传感器与控制器资源,提高系统可靠性和降低系统成本。

Description

汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置及工作方法
技术领域
本发明属于一种汽车控制技术领域，特别是涉及一种汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置及工作方法。
背景技术
汽车作为一个复杂的整体，在其行驶过程中，各个子系统间会有一定的相互影响和相互制约，而各控制子系统一般仅是针对提高车辆某一项性能指标设计，所以整车综合性能取决于各个子系统之间的协调作用。另外一方面电子产品在汽车上的应用逐渐增多,电子线路的布局问题也开始出现,因为线路的复杂不仅会带来制造成本的增加,也会引起整车重量的增加。
基于以上两点原因,为了获得更优的整车综合性能，避免多个控制系统单独控制引起的相互干扰，有必要将车辆主动悬架系统和电动助力转向系进行集成控制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置，所述装置包括数据采集模块、A/D转换模块、电控单元、执行器；所述执行器包括步进电机和助力电机；数据采集模块与A/D转换模块、电控单元顺次连接，电控单元再与步进电机和助力电机通信连接。
所述数据采集模块包括加速度传感器、扭矩传感器、速度传感器、霍尔电流传感器，分别用于采集汽车加速度、扭矩力矩、车速、助力电机工作电流。
所述电控单元用于利用传感器所采集的信息计算悬架控制力、转向力矩，分别用于控制步进电机、助力电机。
进一步的，所述电控单元的工作流程为：
步骤一：预先建立理想状态下的控制模型；
所述控制模型以簧上质量作为控制模型的输入，其动力学方程为：
Figure BDA0001712989330000021
其中
Figure BDA0001712989330000022
式中:ms为车身质量；xsr为:理想模型车体的位移；ks为悬挂的刚度；CS为粘滞阻尼系数；xu为车轮的位移；cc为阻尼器的阻尼；
Figure BDA0001712989330000023
为实际模型的车体的速度；
Figure BDA0001712989330000024
为实际模型的车轮的速度。步骤二：使系统簧上质量运动跟踪理想模型的簧上质量运动，定义误差为：
e＝[x1-xr1 x2-xr2]T；
式中:x1,x2为实际模型的非簧载质量的位移和簧载质量的位移；xr1,xr2为参考模型的非簧载质量的位移和簧载质量的位移；e为误差。
步骤三：建立状态方程。
状态方程为：
Figure BDA0001712989330000025
其中,
Figure BDA0001712989330000026
Figure BDA0001712989330000027
为跟踪误差的一阶导数。
步骤四：取滑模面s。
s＝c e1+e2。
其中:c＝[c1 c2 ··· cn-1 1]，c为滑模变参数；e1＝e，
Figure BDA0001712989330000031
步骤五：计算得到,
Figure BDA0001712989330000032
取等速趋滑模面控制律为：
Figure BDA0001712989330000033
其中,ξ为常数，表示系统的运动点趋近切换面s＝0的速率；sgn(s)为符号函数。
步骤六：计算得到悬架控制力及转向系统的力矩。
其中：悬架控制力的计算公式为：
fd＝-kse1+(m1c1-cc)e2+c0xr2+msεsgn(s)
式中:fd为悬架控制力。
转向系统的力矩的计算公式为：
Tm＝kii。
式中：Tm为电机输出转矩；ki为电机转矩系数；i为电机电流。
上述汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置的工作方法包括如下步骤：
步骤一：初始化；
步骤二：各个传感器采集数据；
步骤三：电控单元读取各个传感器采集的数据。
步骤四：电控单元利用读取的数据计算转向系统的力矩、悬架控制力。
步骤五：电控单元将计算所得转向系统的力矩、悬架控制力作为控制信号，分别输入到步进电机、助力电机。
进一步的，步骤一之后，还包括利用看门狗定时器判断装置是否异常的步骤，如果异常，则不再进行后续步骤。
进一步的，步骤五中，电控单元利用场效应管驱动电路向助力电机输出控制信号。
进一步的，步骤五中，电控单元利用脉冲信号控制步进电机。本发明的有益效果为：
本发明将电动助力转向系统与主动悬架系统结合起来进行集成控制,则可以更好地解决它们之间的相互干扰。同时,精简了系统配置,在系统间实现信息共享,充分利用有限的传感器与控制器资源,提高系统可靠性和降低系统成本。
附图说明
图1为本发明所述装置的示意图。
图2为主动悬架与电控助力转向集成控制的原理框图。
具体实施方式
本发明提供了汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置。如图1所示，所述装置包括数据采集模块、A/D转换模块、电控单元、执行器。所述执行器包括步进电机、助力电机。数据采集模块与A/D转换模块、电控单元顺次连接，电控单元再与步进电机和助力电机通信连接。
所述数据采集模块包括加速度传感器、扭矩传感器、霍尔电流传感器。所述霍尔电流传感器设置在主动悬架的固定平台上，用于行星齿轮减速机构组成的转向轴助力式的电动助力转向系统，进行检测助力电机工作电流。扭矩传感器位于转向系统下方，以获得转向盘操纵力大小和方向，并把它们转换成电压值，传送到控制单元。霍尔电流传感器用于检测助力电机工作电流。
所述步进电机通过带动可调阻尼主动悬架减振器阀芯的转动,使控制阀具有不同位置状态：关闭、小孔、大孔，即通过改变液体流速的大小，调节减振器的阻尼，进而使得主动悬架减振器具有硬、中、软三种工作状态。
所述电控单元用于利用传感器所采集的信息计算悬架控制力、转向力矩，分别用于控制步进电机、助力电机。电控单元内运行有控制本装置的程序。本发明利用滑模变控制算法，下面结合图2进行详细说明。
步骤一：预先建立理想状态下的控制模型。
所述控制模型以簧上质量作为控制模型的输入，其动力学方程为：
Figure BDA0001712989330000051
其中
Figure BDA0001712989330000052
式中:ms为车身质量；xsr为:理想模型车体的位移；ks为悬挂的刚度；CS为粘滞阻尼系数；xu为车轮的位移；cc为阻尼器的阻尼；
Figure BDA0001712989330000053
为实际模型的车体的速度；
Figure BDA0001712989330000054
为实际模型的车轮的速度；步骤二：使系统簧上质量运动跟踪理想模型的簧上质量运动，定义误差为：
e＝[x1-xr1 x2-xr2]T。
式中:x1,x2为实际模型的非簧载质量的位移和簧载质量的位移；xr1,xr2为参考模型的非簧载质量的位移和簧载质量的位移；e为误差。
步骤三：建立状态方程。
状态方程为：
Figure BDA0001712989330000061
其中,
Figure BDA0001712989330000062
Figure BDA0001712989330000063
为跟踪误差的一阶导数。
步骤四：取滑模面s：
s＝c e1+e2。
其中:c＝[c1 c2 ··· cn-1 1]，c为滑模变参数；e1＝e，
Figure BDA0001712989330000064
步骤五：计算得到,
Figure BDA0001712989330000065
取等速趋滑模面控制律为：
Figure BDA0001712989330000066
其中,ξ为常数，表示系统的运动点趋近切换面s＝0的速率；sgn(s)为符号函数。
步骤六：计算得到悬架控制力及转向系统的力矩。
其中：悬架控制力的计算公式为：
fd＝-kse1+(m1c1-cc)e2+c0xr2+msεsgn(s)
式中:fd为悬架控制力。
转向系统的力矩的计算公式为：
Tm＝kii。
式中：Tm为电机输出转矩；ki为电机转矩系数；i为电机电流。
如图2所示，可以看到通过通过上述算法，实现了同时控制主动悬架和转向系统。在控制的过程中，还会有其它一些控制信息。其中，w(t)为系统输入的路面白噪声；θ(h)为转向盘转角。输出的信息中
Figure BDA0001712989330000071
为车身质心垂直加速度；ψ为车身侧倾角；wr为车身横摆角速度。
对于系统模型的控制采用状态反馈方法，不确定部分采用RBF网络状态进行线性反馈补偿器。基于上述分别控制的方法对该控制装置的精确模型，实现外部扰动及参数变化等不确定性的鲁棒性控制。
下面对本装置整体的工作流程进行说明。
步骤一：初始化。
优选的，传感器采集数据的目的是为了检测外部信号以判断系统是否异常，外部信号主要指车辆各部件的工作状态的相关信息。这些外部信息通过通信，检测以及监视电路进行微机中处理。采集的数据包括车速信号，加速度信号，扭矩信号以及电机电流信号。
优选的，本步骤初始化后，根据看门狗定时器判断装置是否异常。如果异常，则断开熔电器，并不再进行后续步骤。
步骤二：各个传感器开始采集数据。
步骤三：电控单元读取各个传感器采集的数据。
步骤四：电控单元利用读取的数据计算转向系统的力矩、悬架控制力。
电控单元内计算过程如前所述，不再赘述。
步骤五：电控单元将计算所得转向系统的力矩、悬架控制力作为控制信号，分别输入到步进电机、助力电机。
电控单元利用场效应管驱动电路向助力电机输出控制信号，以确定目标电流的大小和助力方向，从而驱动助力电机达到助力的效果。并利用脉冲信号控制步进电机，从而调节悬架的阻尼力。

Claims (5)

1.汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置，其特征在于，所述装置包括数据采集模块、A/D转换模块、电控单元、执行器；所述执行器包括步进电机和助力电机；数据采集模块与A/D转换模块、电控单元顺次连接，电控单元再与步进电机和助力电机通信连接；
所述数据采集模块包括加速度传感器、扭矩传感器、速度传感器、霍尔电流传感器，分别用于采集汽车加速度、扭矩力矩、车速、助力电机工作电流；
所述电控单元用于利用传感器所采集的信息计算悬架控制力、转向力矩，分别用于控制步进电机、助力电机；
所述电控单元的工作流程为：
步骤一：预先建立理想状态下的控制模型；
所述控制模型以簧上质量作为控制模型的输入，其动力学方程为：
Figure FDA0002488982050000011
其中
Figure FDA0002488982050000012
式中:ms为车身质量；xsr为:理想模型车体的位移；ks为悬挂的刚度；CS为粘滞阻尼系数；xu为车轮的位移；cc为阻尼器的阻尼；
Figure FDA0002488982050000013
为实际模型的车体的速度；
Figure FDA0002488982050000014
为实际模型的车轮的速度；
步骤二：使系统簧上质量运动跟踪理想模型的簧上质量运动，定义误差为：
e＝[x1-xr1 x2-xr2]T；
式中:x1,x2为实际模型的非簧载质量的位移和簧载质量的位移；xr1,xr2为参考模型的非簧载质量的位移和簧载质量的位移；e为误差；
步骤三：建立状态方程；
状态方程为：
Figure FDA0002488982050000021
其中,
Figure FDA0002488982050000022
Figure FDA0002488982050000023
为跟踪误差的一阶导数；
步骤四：取滑模面s：
s＝c e1+e2；
其中:c＝[c1 c2…cn-1 1]，c为滑模变参数；e1＝e，
Figure FDA0002488982050000024
步骤五：计算得到,
Figure FDA0002488982050000025
取等速趋滑模面控制律为：
Figure FDA0002488982050000026
其中,ξ为常数，表示系统的运动点趋近切换面s＝0的速率；sgn(s)为符号函数；
步骤六：计算得到悬架控制力及转向系统的力矩；
其中：悬架控制力的计算公式为：
fd＝-kse1+(msc1-cc)e2+c0xr2+msεsgn(s)
式中:fd为悬架控制力；
转向系统的力矩的计算公式为：
Tm＝kii；
式中：Tm为电机输出转矩；ki为电机转矩系数；i为电机电流。
2.一种如权利要求1所述的汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：初始化，各个传感器采集数据；
步骤二：电控单元读取各个传感器采集的数据；
步骤三：电控单元利用读取的数据计算转向系统的力矩、悬架控制力；
步骤四：电控单元将计算所得转向系统的力矩、悬架控制力作为控制信号，分别输入到步进电机、助力电机。
3.如权利要求2所述的汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置的工作方法，其特征在于，还包括根据看门狗定时器判断装置是否异常的步骤。
4.如权利要求2所述的汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置的工作方法，其特征在于，步骤三中，电控单元利用场效应管驱动电路向助力电机输出控制信号。
5.如权利要求2所述的汽车主动悬架与电动助力转向系集成控制装置的工作方法，其特征在于，步骤三中，电控单元利用脉冲信号控制步进电机。
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