CN110104056B - 一种电液复合转向系统的助力控制装置与控制方法 - Google Patents

一种电液复合转向系统的助力控制装置与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电液复合转向系统的助力控制装置与控制方法，其中电液复合转向系统提供的助力分别由电动助力模块与电动液压助力模块提供，所述助力控制装置采用结合转向盘转角梯度及转矩的综合路感强度评价方法，根据车辆转向盘转角与转矩信号、车速信号、车辆侧向加速度信号得到驾驶员理想转向盘转矩，利用电动助力响应准确且快速的特点，由电动助力模块提供额外的补偿力矩进行追踪，解决了电液复合系统转向路感一致性问题，实现驾驶员理想转向路感需求。

Description

一种电液复合转向系统的助力控制装置与控制方法
技术领域
本发明属于汽车助力转向系统控制技术领域，具体指代一种电液复合转向系统的助力控制装置与控制方法。
背景技术
助力转向系统是保证汽车行驶安全的关键部分，其能够降低驾驶员操纵力，改善驾驶舒适性。目前国内外采用的液压助力转向系统具有输出力矩大，衰减振动，可靠安全等特点，但其存在助力无法随速可调，高速时发飘，能耗较大，且存在助力响应迟滞的问题；电动助力转向系统具有响应迅速、助力随速可调、能提供较好的路感等特点，但受汽车本身蓄电池电压等电气特性限制，往往难以满足大型客车低速时对于转向系统性能的需求。
传统的助力转向系统的助力通常由事先确定的助力特性决定，控制器根据传感器测得的转向盘转矩信号和车速信号，输出电机控制电流，实现转向助力。但其方法由于助力曲线固定，助力调整不易，不能充分满足驾驶员路感需求。
电液复合转向系统包括电动助力模块和液压助力模块两组执行机构，电动助力模块的响应时间少于液压助力模块，从而可能在助力比例动态调整的过程中系统总输出助力的变化率不一致，使得驾驶员转向感觉不一致；另一方面，不合理的双执行机构协调控制可能导致系统总输出功率冗余，造成不必要的转向系统能量消耗。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电液复合转向系统的助力控制装置与控制方法，以解决现有技术中助力转向系统不能完全提供驾驶员满意的驾驶路感，及电液复合转向系统中转向感觉不一致的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种电液复合转向系统的助力控制装置，包括：驾驶员理想转矩计算模块、助力计算模块、助力分配模块、助力补偿模块、电流控制模块、电流检测模块、电动助力控制器及电动液压助力控制器；
所述驾驶员理想转矩计算模块的输入端与传感器模块相连；根据传感器模块输入的车速信号，转向盘转角与转矩信号及侧向加速度信号计算得到驾驶员理想转矩，并传输给助力补偿模块；
所述助力计算模块根据车辆当前状况信息与驾驶员输入，依照助力特性曲线得到基础助力信号，将其传输给助力分配模块中；
所述助力分配模块将基础助力根据预先设置的车速-助力比例曲线分配为基础电动助力值与基础电动液压助力值，并传输给电流控制模块；
所述电流控制模块根据基础电动助力值与基础电动液压助力值大小分别计算电动液压助力电机与电动助力电机转速，并输出电动助力电机与电动液压助力电机基础电流值给电动助力控制器与电动液压助力控制器；
所述助力补偿模块根据驾驶员理想转矩计算模块输入的驾驶员理想转矩信号与传感器模块输入的转向盘转矩信号的差值计算得到电动助力电机补偿电流信号；
所述电流检测模块将电动助力模块、电动液压助力模块中电机的控制电流真实值反馈至电动助力控制器与电动液压助力控制器中。
优选地，所述传感器模块包括车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、侧向加速度传感器。
优选地，所述驾驶员理想转矩计算模块根据驾驶员操作转向盘单位负荷，建立驾驶员转向综合路感强度；根据驾驶员最佳路感与车辆响应的关系得到驾驶员理想转矩，根据车辆状态对驾驶员理想转矩进行修正。
优选地，所述驾驶员转向综合路感强度为：
Figure GDA0002920889360000021
式中，E为转向盘操作负荷；ay为车辆侧向加速度；SAG为转向转角梯度；Msw为转向盘力矩；δsw转向盘转角；mf为前轮载荷；mr为后轮载荷；Caf为前轮侧偏刚度；Car为后轮侧偏刚度；Vx为车辆纵向速度；L为轴距；i为转向系角传动比。
优选地，所述根据驾驶员最佳路感与车辆响应的关系为
Figure GDA0002920889360000022
得到驾驶员理想转矩：
Figure GDA0002920889360000023
式中：
Figure GDA0002920889360000024
为转向盘理想力矩；A为lgb3-lgb1-lgb2；b为影响系数；k为幂系数；理想转向盘力矩参数A、k1、k2、k3根据驾驶员偏好力矩试验数据拟合得到。
优选地，根据车辆状态对驾驶员理想转矩进行修正为：
由左、右侧车轮载荷转移产生的轮胎刚度变化对SAG值进行修正：
Figure GDA0002920889360000025
Figure GDA0002920889360000026
式中：Fzfl、Fzfr分别为左、右前轮载荷；B为车辆轮距；mf为前轴载荷；hg为车轮质心高度；g为重力加速度；
Figure GDA0002920889360000031
α为轮胎侧偏角；μ为地面附着系数；Ca为轮胎侧偏刚度；Fz为轮胎垂直载荷。
优选地，所述助力控制装置中电动助力控制器与电动液压助力控制器采用滑模控制原理设计，采用的助力电机电流反馈控制的方法，根据电流控制模块由目标助力值确定的目标电流值和助力电机实际的电流参考值之间的差值进行反馈控制：
由无刷直流电机平衡方程得到：
Figure GDA0002920889360000032
设滑模面函数为：s＝e＝Ir-I
选取指数趋近率为：
Figure GDA0002920889360000033
得电机电压控制率为：
Figure GDA0002920889360000034
利用饱和函数代替原来的符号函数
Figure GDA0002920889360000035
在保证鲁棒性的前提下，减缓抖振；
式中：q(t)为系统外加干扰；θm为电机转角；R为电机电枢电阻；I为电机电流；L为电机电感；Ir为电机参考电流；k、ε为调整参数；Δ为边界层厚度。
本发明的一种电液复合转向系统的助力控制方法，包括步骤如下：
1)通过转向盘向电液复合转向系统输入目标转角；
2)根据传感器模块所获得的车速信号，转向盘转矩信号及转向盘转角信号得到基础助力值；
3)根据预先设置的车速-助力比例曲线将基础助力值分配为基础电动助力值与基础电动液压助力值；
4)根据基础电动助力值与基础电动液压助力值大小计算电动液压助力电机与电动助力电机转速，并输出助力电机电流控制信号；
5)根据驾驶员理想转矩与实际转矩的差值得到电动助力补偿电流，与电流控制模块得到的基础电流值相加输入到电动助力控制器中；
6)根据目标电流值与电动助力电机及电动液压助力电机实际电流值的差值对两助力电机进行反馈控制，使电动助力模块与电动液压助力模块输出目标助力值至机械转向模块中。
本发明的有益效果：
本发明利用驾驶员转向综合路感强度评价函数，计算得到理想驾驶员转向盘转矩并进行控制追踪，能够实现驾驶员理想转向路感，同时可通过调节参数，适应不同人群的偏好转矩。
本发明利用电动助力响应速度快且控制准确的特点，采用助力补偿的控制策略，消除电动液压助力响应滞后的影响，保证了驾驶员转向路感一致性。
附图说明
图1为本发明装置的原理框图。
图2为电液复合转向系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种电液复合转向系统的助力控制装置，包括：驾驶员理想转矩计算模块、助力计算模块、助力分配模块、助力补偿模块、电流控制模块、电流检测模块、电动助力控制器及电动液压助力控制器。
所述驾驶员理想转矩计算模块的输入端与传感器模块相连；根据传感器模块输入的车速信号，转向盘转角与转矩信号及侧向加速度信号计算得到驾驶员理想转矩，并传输给助力补偿模块；
所述助力计算模块根据车辆当前状况信息与驾驶员输入，依照助力特性曲线得到基础助力信号，将其传输给助力分配模块中。
所述助力分配模块将基础助力根据预先设置的车速-助力比例曲线分配为基础液压助力值与基础电动助力值，并传输给电流控制模块；
所述电流控制模块根据基础电动助力值与基础电动液压助力值大小分别计算电动液压助力电机与电动助力电机转速，并输出电动助力电机与电动液压助力电机基础电流值给电动助力控制器与电动液压助力控制器；
所述助力补偿模块根据驾驶员理想转矩计算模块输入的驾驶员理想转矩信号与传感器模块输入的转向盘转矩信号的差值计算得到电动助力电机补偿电流信号；
所述电流检测模块将电动助力模块、电动液压助力模块中电机的控制电流真实值反馈至电动助力控制器与电动液压助力控制器中。
参照图2所示，本发明的控制装置(ECU)应用于电液复合转向系统中，该系统还包含：机械转向模块，电动助力模块，电动液压助力模块和传感器模块。
机械转向模块包括：方向盘1、转向柱2、齿轮齿条机构10、转向横拉杆9及车轮8，各部分顺序连接；
电动助力模块包括：电动助力电机6和蜗轮蜗杆减速机构7；电动助力电机6通过涡轮蜗杆减速机构7输出助力至转向柱2上；
电动液压助力模块包括转向动力缸11、储油罐12、电动液压助力电机13、液压泵14、溢流阀15、，转阀16；电动液压助力电机13直接驱动液压泵14，溢流阀15与液压泵14并联，在液压管路压力过高时打开，使得液压油回流到储油罐12中；转阀16由于转向盘转动导致进入转向动力缸11两侧的油液压力不同产生助力，并输出至转向横拉杆9上；
传感器模块包括车速传感器4、侧向加速度传感器5、转向盘转矩传感器17、转向盘转角传感器18。
控制装置(ECU)3根据传感器模块输入的驾驶员操作信号与车辆状态信号计算得到目标助力值，并通过对电动助力模块中电动助力电机6与电动液压助力模块中电动液压助力电机13的控制实现目标助力值。
驾驶员通过转向盘1输入转向力矩，通过转向柱2、齿轮齿条机构10、转向横拉杆9将力矩传递至车轮8，电动助力模块输出助力至转向柱2，电动液压助力模块输出助力至转向横拉杆9上，实现系统助力转向。
其中，驾驶员理想转矩计算模块具体表现为：
根据驾驶员操作转向盘单位负荷，建立驾驶员转向综合路感强度；所述驾驶员转向综合路感强度为：
Figure GDA0002920889360000051
式中，E为转向盘操作负荷；ay为车辆侧向加速度；SAG为转向转角梯度；Msw为转向盘力矩；δsw转向盘转角；mf为前轮载荷；mr为后轮载荷；Caf为前轮侧偏刚度；Car为后轮侧偏刚度；Vx为车辆纵向速度；L为轴距；i为转向系角传动比。
根据驾驶员最佳路感与车辆响应的关系为
Figure GDA0002920889360000052
得到驾驶员理想转矩：
Figure GDA0002920889360000053
式中：
Figure GDA0002920889360000054
为转向盘理想力矩；A为lgb3-lgb1-lgb2；b为影响系数；k为幂系数；理想转向盘力矩参数A、k1、k2、k3根据驾驶员偏好力矩试验数据拟合得到。
根据车辆状态对驾驶员理想转矩进行修正为：
由左、右侧车轮载荷转移产生的轮胎刚度变化对SAG值进行修正：
Figure GDA0002920889360000055
Figure GDA0002920889360000061
式中：Fzfl、Fzfr分别为左、右前轮载荷；B为车辆轮距；mf为前轴载荷；hg为车轮质心高度；g为重力加速度；
Figure GDA0002920889360000062
α为轮胎侧偏角；μ为地面附着系数；Ca为轮胎侧偏刚度；Fz为轮胎垂直载荷；。
所述助力控制装置中电动助力控制器与电动液压助力控制器采用滑模控制原理设计，采用的助力电机电流反馈控制的方法，根据电流控制模块由目标助力值确定的目标电流值和助力电机实际的电流参考值之间的差值进行反馈控制：
由无刷直流电机平衡方程得到：
Figure GDA0002920889360000063
设滑模面函数为：s＝e＝Ir-I
选取指数趋近率为：
Figure GDA0002920889360000064
得电机电压控制率为：
Figure GDA0002920889360000065
利用饱和函数代替原来的符号函数
Figure GDA0002920889360000066
在保证鲁棒性的前提下，减缓抖振；
式中：q(t)为系统外加干扰；θm为电机转角；R为电机电枢电阻；I为电机电流；L为电机电感；Ir为电机参考电流；k、ε为调整参数；Δ为边界层厚度。
本发明的一种电液复合转向系统的助力控制方法，包括步骤如下：
1)通过转向盘向电液复合转向系统输入目标转角；
2)根据传感器模块所获得的车速信号，转向盘转矩信号及转向盘转角信号得到基础助力值；
3)根据预先设置的车速-助力比例曲线将基础助力值分配为基础电动助力值与基础电动液压助力值；
4)根据基础电动助力值与基础电动液压助力值大小计算电动液压助力电机与电动助力电机转速，并输出助力电机电流控制信号；
5)根据驾驶员理想转矩与实际转矩的差值得到电动助力补偿电流，与电流控制模块得到的基础电流值相加输入到电动助力控制器中；
6)根据目标电流值与电动助力电机及电动液压助力电机实际电流值的差值对两助力电机进行反馈控制，使电动助力模块与电动液压助力模块输出目标助力值至机械转向模块中。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电液复合转向系统的助力控制装置，其特征在于，包括：驾驶员理想转矩计算模块、助力计算模块、助力分配模块、助力补偿模块、电流控制模块、电流检测模块、电动助力控制器及电动液压助力控制器；
所述驾驶员理想转矩计算模块的输入端与传感器模块相连；根据传感器模块输入的车速信号，转向盘转角与转矩信号及侧向加速度信号计算得到驾驶员理想转矩，并传输给助力补偿模块；
所述助力计算模块根据车辆当前状况信息与驾驶员输入，依照助力特性曲线得到基础助力信号，将其传输给助力分配模块中；
所述助力分配模块将基础助力根据预先设置的车速-助力比例曲线分配为基础电动助力值与基础电动液压助力值，并传输给电流控制模块；
所述电流控制模块根据基础电动助力值与基础电动液压助力值大小分别计算电动液压助力电机与电动助力电机转速，并输出电动助力电机与电动液压助力电机基础电流值给电动助力控制器与电动液压助力控制器；
所述助力补偿模块根据驾驶员理想转矩计算模块输入的驾驶员理想转矩信号与传感器模块输入的转向盘转矩信号的差值计算得到电动助力电机补偿电流信号；
所述电流检测模块将电动助力模块、电动液压助力模块中电机的控制电流真实值反馈至电动助力控制器与电动液压助力控制器中。
2.根据权利要求1所述的电液复合转向系统的助力控制装置，其特征在于，所述传感器模块包括车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、侧向加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的电液复合转向系统的助力控制装置，其特征在于，所述驾驶员理想转矩计算模块根据驾驶员操作转向盘单位负荷，建立驾驶员转向综合路感强度；根据驾驶员最佳路感与车辆响应的关系得到驾驶员理想转矩，根据车辆状态对驾驶员理想转矩进行修正。
4.根据权利要求3所述的电液复合转向系统的助力控制装置，其特征在于，所述驾驶员转向综合路感强度为：
Figure FDA0002976118520000011
式中，E为转向盘操作负荷；ay为车辆侧向加速度；SAG为转向转角梯度；Msw为转向盘力矩；δsw转向盘转角；mf为前轮载荷；mr为后轮载荷；Caf为前轮侧偏刚度；Car为后轮侧偏刚度；Vx为车辆纵向速度；L为轴距；i为转向系角传动比。
5.根据权利要求4所述的电液复合转向系统的助力控制装置，其特征在于，根据驾驶员最佳路感与车辆响应的关系
Figure FDA0002976118520000021
得到驾驶员理想转矩：
Figure FDA0002976118520000022
式中：
Figure FDA0002976118520000023
为转向盘理想力矩；A为lgb3-lgb1-lgb2；b为影响系数；k为幂系数；理想转向盘力矩参数A、k1、k2、k3根据驾驶员偏好力矩试验数据拟合得到。
6.根据权利要求4所述的电液复合转向系统的助力控制装置，其特征在于，所述根据车辆状态对驾驶员理想转矩进行修正为：
由左、右侧车轮载荷转移产生的轮胎刚度变化对SAG值进行修正：
Figure FDA0002976118520000024
Figure FDA0002976118520000025
式中：Fzfl、Fzfr分别为左、右前轮载荷；B为车辆轮距；mf为前轴载荷；hg为车轮质心高度；g为重力加速度；
Figure FDA0002976118520000026
α为轮胎侧偏角；μ为地面附着系数；Ca为轮胎侧偏刚度；Fz为轮胎垂直载荷。
7.根据权利要求1所述的电液复合转向系统的助力控制装置，其特征在于，所述助力控制装置中电动助力控制器与电动液压助力控制器采用滑模控制原理设计，采用的助力电机电流反馈控制的方法，根据电流控制模块由目标助力值确定的目标电流值和助力电机实际的电流参考值之间的差值进行反馈控制：
由无刷直流电机平衡方程得到：
Figure FDA0002976118520000027
设滑模面函数为：s＝e＝Ir-I
选取指数趋近率为：
Figure FDA0002976118520000028
得电机电压控制率为：
Figure FDA0002976118520000029
利用饱和函数代替原来的符号函数
Figure FDA00029761185200000210
在保证鲁棒性的前提下，减缓抖振；
式中：q(t)为系统外加干扰；θm为电机转角；R为电机电枢电阻；I为电机电流；L为电机电感；Ir为电机参考电流；k、ε为调整参数；Δ为边界层厚度。
8.一种电液复合转向系统的助力控制方法，基于上述权利要求1至7中任意一项的装置，其特征在于，包括步骤如下：
1)通过转向盘向电液复合转向系统输入目标转角；
2)根据传感器模块所获得的车速信号，转向盘转矩信号及转向盘转角信号得到基础助力值；
3)根据预先设置的车速-助力比例曲线将基础助力值分配为基础电动助力值与基础电动液压助力值；
4)根据基础电动助力值与基础电动液压助力值大小计算电动液压助力电机与电动助力电机转速，并输出助力电机电流控制信号；
5)根据驾驶员理想转矩与实际转矩的差值得到电动助力补偿电流，与电流控制模块得到的基础电流值相加输入到电动助力控制器中；
6)根据目标电流值与电动助力电机及电动液压助力电机实际电流值的差值对两助力电机进行反馈控制，使电动助力模块与电动液压助力模块输出目标助力值至机械转向模块中。
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