CN110001766B - 一种复合电源eps故障模式下的助力特性曲线设计方法 - Google Patents

一种复合电源eps故障模式下的助力特性曲线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，确定复合电源EPS正常工作模式下的助力特性曲线，分别获得故障模式下方向盘最大输入力矩T'Hmax，以及正常工作模式下电机电量消耗最大值Qmax，将超级电容剩余电能QSC与电机电量消耗最大值Qmax进行对比，确定助力特性曲线的电容系数KSC；根据所获得的故障模式下的参数，将原助力特性曲线的驾驶员转向输入力矩TH(横坐标)整体向右平移，平移量为T'H＝T'Hmax‑THmax，再将平移后助力特性曲线的电机目标助力电流I乘以电容系数KSC，最终得到故障模式下的助力特性曲线的函数，本发明根据故障时超级电容的剩余电量对正常工作模式下的助力特性曲线进行针对性的下调，在保证驾驶员能够安全操作的前提下，有效的延长了EPS的可工作时长，提升了车辆行驶安全性。

Description

一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法
技术领域
本发明属于汽车转向系统，尤其涉及一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法。
背景技术
智能化与节能化是现代科技的发展趋势，也是汽车行业中人们重点关注的研发方向。作为车辆的重要组成部分，转向系统的发展也遵循着这个趋势，从最初的液压助力转向系统到电控液压助力转向系统，直到现在的电动助力转向系统。与传统转向系统相比，电动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)具有安全、节能、环保等突出优点，在乘用车上得到了广泛的应用。对于重型商用车而言，较大的前轴载荷导致转向需求功率较高，整车电源无法提供如此高的功率，因而限制了EPS在重型商用车领域的应用。
超级电容作为一种新型的电源，具有可大电流快速放电、动态性能好、循环效率高、控制简单、绿色环保等优点，为诸多行业中功率限制问题提供了新的解题思路，因此有学者将超级电容并联在整车电源端构成复合电源EPS，共同为转向系统提供能源，从而将EPS应用于重型商用车。
由超级电容和整车电源构成的复合电源EPS，与传统的EPS相比，一方面系统的工作电流较高，对电子元器件的电流冲击较大；另一方面系统的结构更为复杂，对控制器的稳定性要求较高，上述两种因素都会导致系统故障率的上升。因此，如何提高复合电源EPS的容错性，保证其在大功率工况下的稳定性与安全性，是将复合电源EPS应用于商用车之前急需解决的一个问题。
发明内容
本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，使得复合电源EPS在整车电源发生故障的情况下，仍然可以在超级电容单独供电的模式下工作一段时间，使驾驶员能够正确的操纵车辆靠边停车，从而提升行驶安全性。同时，变化的助力特性也能使驾驶员从操作手感上更快的感知到系统的故障，从而更早的规避危险。
本发明所采用的技术方案如下：
一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，包括以下步骤：
步骤1，复合电源EPS正常工作模式下，根据开始助力时的方向盘输入转矩TH0、方向盘最大输入转矩THmax、最大助力电流Imax和助力特性曲线梯度K(v)，确定正常工作模式下的助力特性曲线；
步骤2，采集n个不同驾驶员在紧急工况下主观可以接受的方向盘的转向操纵力矩的最大值，分别记为THi，其中i代表第i个驾驶员，获得故障模式下方向盘最大输入力矩T'Hmax的计算公式为：
Figure BDA0001997569220000021
步骤3，统计车辆在不同初始速度vj下单次安全靠边停车过程中的方向盘操纵力矩TH(vj,t)，由方向盘操纵力矩TH(vj,t)计算出不同初始速度下电机助力电流I(vj,t)，根据电机助力电流计算出对应初始速度停车过程中助力电机消耗的电量Qj，选取电机电量消耗最大值Qmax；
步骤4，将超级电容剩余电能QSC与电机电量消耗最大值Qmax进行对比，确定助力特性曲线的电容系数KSC；
步骤5，以复合电源EPS正常工作模式下的助力特性曲线为基础，进行故障模式下的助力特性曲线的设计。
步骤5.1，将原助力特性曲线的驾驶员转向输入力矩TH(横坐标)整体向右平移，平移量为T'H＝T'Hmax-THmax；开始助力时的方向盘输入转矩变成TH0+T'H，方向盘最大输入转矩变成THmax+T'H；
步骤5.2，将平移后助力特性曲线的电机目标助力电流I乘以电容系数KSC；
步骤5.3，得到故障模式下的助力特性曲线的函数为：
Figure BDA0001997569220000022
进一步，所述正常工作模式下的助力特性曲线表示为：
Figure BDA0001997569220000031
进一步，所述电机助力电流I(vj,t)的计算方法为：将方向盘操纵力矩TH(vj,t)代入正常工作模式下的助力特性曲线I(TH)中，计算不同车速下电机助力电流I(vj,t)；
进一步，所述助力电机消耗的电量Qj的计算方法为：将不同车速下电机助力电流I(vj,t)对时间积分，获得不同初始速度下安全靠边停车过程中助力电机消耗的电量Qj＝∫I(vj,t)dt；
进一步，所述超级电容剩余电能QSC的计算方法为：
Figure BDA0001997569220000032
其中，C为超级电容的本征容量，U为超级电容的端电压，Umin为超级电容电压的最低值。
进一步，所述助力特性曲线的电容系数KSC表示为：KSC＝QSC/Qmax。
本发明的有益效果：
本发明对整车电源故障时超级电容单独供电模式下的助力特性曲线进行了改进设计，根据故障时超级电容的剩余电量对正常工作模式下的助力特性曲线进行针对性的下调，在保证驾驶员能够安全操作的前提下，有效的延长了EPS的可工作时长，提升了车辆行驶安全性。
附图说明
图1为复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法流程图；
图2为复合电源EPS正常工作模式下的助力特性曲线图；
图3为复合电源EPS故障模式下助力特性曲线的改进示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提出的一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法过程如图1所示，具体步骤如下：
步骤1，复合电源EPS正常工作模式下，确定正常工作模式下的助力特性曲线；具体过程如下：
步骤1.1，确定助力电机开始助力时的方向盘输入转矩TH0，TH0较小会导致电机在受到高频路面不平的反馈时频繁启停，影响电机寿命；TH0过大会导致助力电机介入较晚，影响操作手感，通常根据转向系统结构参数和驾驶员操作手感选取TH0的值。在本实施中，选取TH0的值为0.5N.m。
步骤1.2，确定方向盘最大输入转矩THmax，THmax主要影响汽车的转向轻便性，在原地转向工况下方向盘等效转向阻力矩TR的值最大，方向盘输入力矩TH也在此时最快达到最大。通常根据转向操纵手感和汽车安全法规选定THmax的值。在本实施中，选取THmax的值为10N.m。
步骤1.3，确定最大助力电流Imax，原地转向工况下方向盘等效转向阻力矩TR的值最大，通过测力方向盘可测取其最大值记为TRmax，此时需要的助力电流的值也最大，由此可得Imax的计算公式如下：
Imax＝(TRmax-THmax)/Km (1)
其中，Km为电机的电磁转矩系数，为电机的性能参数。
步骤1.4，确定助力特性曲线梯度K(v)，选取直线型助力特性曲线，测取不同速度v下助力特性曲线梯度K(v)的值，测取方法为：安排多个驾驶员驾驶车辆在不同速度v下进行转弯工况的行驶，保持转弯时侧向加速度不超过0.3g，测取并记录驾驶员认为舒适的转向助力的值，与原地转向助力值曲线进行对比，就得到相应速度v下助力特性曲线梯度K(v)的值，对特征车速点处K(v)进行曲线拟合，就得到助力特性曲线梯度K(v)的函数曲线。在本实施中，选取试验车速分别为10km/h、20km/h、30km/h……80km/h。
步骤1.5，得到助力特性曲线图如图2所示，助力特性曲线图函数表达式如下：
Figure BDA0001997569220000041
步骤2，选取n个不同性别不同年龄的驾驶员，统计驾驶员在紧急工况下操纵方向盘的转向操纵力矩的值，得到不同驾驶员在紧急工况下主观可以接受的方向盘的转向操纵力矩的最大值，分别记为THi，其中i代表第i个驾驶员，故障模式下方向盘最大输入力矩T'Hmax的计算公式为：
Figure BDA0001997569220000042
步骤3，计算电机电量消耗最大值Qmax，具体过程如下：
步骤3.1，在不同的初始速度vj下，用测力方向盘记录车辆以该车速正常行驶到安全靠边停车过程中，方向盘输入力矩随时间的变化数据TH(vj,t)，其中j代表j个不同的初始速度；
步骤3.2，将不同的初始速度vj下对应的方向盘输入力矩随时间的变化数据TH(vj,t)代入正常工作模式下的助力特性曲线I(TH)，得到电机助力电流随时间的变化数据I(vj,t)；
步骤3.3，将电机助力电流I(vj,t)对时间积分，得到不同初始速度v下安全靠边停车过程中助力电机消耗的电量Qj，计算公式如下：
Qj＝∫I(vj,t)dt (4)
再选取电机电量消耗的电量Qj中最高的一次停车过程作为研究对象，记其消耗的电量为Qmax。
步骤4，将超级电容剩余电能QSC与电机电量消耗最大值Qmax进行对比，确定助力特性曲线的电容系数KSC；其中，超级电容剩余电能QSC的计算方法为：
Figure BDA0001997569220000051
助力特性曲线的电容系数KSC表示为：
KSC＝QSC/Qmax (6)
其中，C为超级电容的本征容量，U为超级电容的端电压，Umin为超级电容电压的最低值。
步骤5，以复合电源EPS正常工作模式下的助力特性曲线为基础，进行故障模式下的助力特性曲线的设计。
步骤5.1，将原助力特性曲线的横坐标(驾驶员转向输入力矩TH)整体向右平移，平移量为T'H＝T'Hmax-THmax；开始助力时的方向盘输入转矩变成TH0+T'H，方向盘最大输入转矩变成THmax+T'H，延迟电机助力介入的同时提高驾驶员的操纵力矩，最大程度的利用驾驶员手力。
步骤5.2，将平移后助力特性曲线的电机目标助力电流乘以电容系数KSC，充分的利用超级电容的剩余能量。
步骤5.3，获得故障模式下的助力特性曲线如图3所示，故障模式下的助力特性曲线的函数为：
Figure BDA0001997569220000061
为了更清楚的解释本发明所要保护的技术，以下结合本发明的工作过程做进一步的解释。
第1步，对复合电源EPS故障模式进行判定，判定方法为：
通过电压传感器检测整车电源连接助力电机端的电压值Udc，与整车电源的额定电压Udc0进行对比，当Udc<<Udc0时，即判定整车电源发生故障，此时转向控制器控制复合电压EPS工作在超级电容单独供电模式；
第2步，执行故障模式下的助力特性曲线，过程如下：
测定超级电容端电压U的值，并由此确定助力特性曲线的电容系数KSC；
采集当前方向盘的转矩信号TH传送到控制器，控制器根据方向盘转矩信号TH和电容系数KSC，查询故障模式下的助力特性曲线I'(TH)，确定助力电机目标电流的值；
DC-DC控制器根据助力电机目标电流的值，控制超级电容输送相应的电流至助力电机，推动转向助力电机工作。
通过对整车电源故障时超级电容单独供电模式下的助力特性曲线进行了改进设计，根据故障时超级电容的剩余电量对正常工作模式下的助力特性曲线进行针对性的下调，在保证驾驶员能够安全操作的前提下，有效的延长了EPS的可工作时长，提升了车辆行驶安全性。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，复合电源EPS正常工作模式下，根据开始助力时的方向盘输入转矩TH0、方向盘最大输入转矩THmax、最大助力电流Imax和助力特性曲线梯度K(v)，确定正常工作模式下的助力特性曲线；
步骤2，采集n个不同驾驶员在紧急工况下主观可以接受的方向盘的转向操纵力矩的最大值，分别记为THi，其中i代表第i个驾驶员，获得故障模式下方向盘最大输入力矩T'Hmax的计算公式为：
Figure FDA0002814298900000011
步骤3，统计车辆在不同初始速度vj下单次安全靠边停车过程中的方向盘操纵力矩TH(vj,t)，由方向盘操纵力矩TH(vj,t)计算出不同初始速度下电机助力电流I(vj,t)，根据电机助力电流计算出对应初始速度停车过程中助力电机消耗的电量Qj，选取电机电量消耗最大值Qmax；
步骤4，将超级电容剩余电能QSC与电机电量消耗最大值Qmax进行对比，确定助力特性曲线的电容系数KSC；
步骤5，以复合电源EPS正常工作模式下的助力特性曲线为基础，进行故障模式下的助力特性曲线的设计；
步骤5.1，将正常工作模式下的助力特性曲线的驾驶员转向输入力矩TH整体向右平移，平移量为T'H＝T'Hmax-THmax；开始助力时的方向盘输入转矩变成TH0+T'H，方向盘最大输入转矩变成THmax+T'H；
步骤5.2，将平移后助力特性曲线的电机目标助力电流I乘以电容系数KSC；
步骤5.3，得到故障模式下的助力特性曲线的函数为：
Figure FDA0002814298900000021
2.根据权利要求1所述的一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，其特征在于，所述正常工作模式下的助力特性曲线的函数为：
Figure FDA0002814298900000022
3.根据权利要求1所述的一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，其特征在于，所述电机助力电流I(vj,t)的计算方法为：将方向盘操纵力矩TH(vj,t)代入正常工作模式下的助力特性曲线I(TH)中，计算不同车速下电机助力电流I(vj,t)。
4.根据权利要求1所述的一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，其特征在于，所述助力电机消耗的电量Qj的计算方法为：将不同车速下电机助力电流I(vj,t)对时间积分，获得不同初始速度下安全靠边停车过程中助力电机消耗的电量Qj＝∫I(vj,t)dt。
5.根据权利要求1所述的一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，其特征在于，所述超级电容剩余电能QSC的计算方法为：
Figure FDA0002814298900000023
其中，C为超级电容的本征容量，U为超级电容的端电压，Umin为超级电容电压的最低值。
6.根据权利要求1所述的一种复合电源EPS故障模式下的助力特性曲线设计方法，其特征在于，所述助力特性曲线的电容系数KSC表示为：KSC＝QSC/Qmax。
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