CN110723200A - 一种转向回正及中间位置控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转向回正及中间位置控制系统及其控制方法，通过转向集成控制器的回正判断模块判断车辆是否处于转向回正或是中间位置控制工况；时变滑模控制模块使质心侧偏角估计值与期望的质心侧偏角的相趋近，从而计算出回正工况时的回正补偿力矩；转向集成控制模块根据方向盘转角θ₂和阈值Thres1之间的大小比较后选择采用EPS回正或者采用差动助力回正。若处于方向盘中间位置控制工况，根据方向盘中间位置转向角θ₃与阈值Thres2之间的大小比较后，选择采用EPS回正或者采用差动助力回正，本发明能够提高分布式驱动汽车差动助力转向回正时稳定性和精确性以及处于方向盘中间位置的控制精准性。

Description

一种转向回正及中间位置控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及车辆转向控制技术领域，尤其是基于差动转向与EPS系统的转向回正及中间位置控制方法。

背景技术

随着全球汽车保有量的逐渐增加，化石燃料的消耗也随之增加，这也意味着能源短缺和环境污染的问题将日趋严峻，面对能源与环境的双重压力，发展新能源汽车，特别是电动汽车对于缓解能源危机、降低环境污染，具有极其紧迫的现实意义。当前，我国已将新能源汽车列入国家的发展规划，研究和探索节能、环保和安全的电动汽车成为实现我国新能源汽车战略需求和可持续发展的重要方向。随着驱动电机、电控技术的日趋成熟，分布式驱动电动汽车具有四轮独立可控、响应快，输出转矩精确，易于实现驱动、制动、转向、以及包括行驶舒适性控制及其集成控制等优点，成为探索车辆最优动力学性能的理想载体。

分布式驱动汽车差动助力转向是根据左右转向轮的驱动力矩差，产生转向力矩驱动车辆转向。差动助力转向回正是通过控制左右驱动轮产生回正力矩差，从而控制车辆回正。然而增加的轮毂电机增大了转向时的惯量，使得转向回正性能区别于传统汽车，在低速回正工况下，回正力矩不足以克服轮胎与地面的摩擦力使方向盘回归中间位置；在高速回正工况下，方向盘快速回正，但是由于轮毂电机质量较大，回正时的惯性使得方向盘存在超调和振荡的现象。

由于转向轮之间没有传统转向系统机械结构的连接固定，因此差动转向系统的转向准确性较大程度的依赖轮毂电机位置、状态的测量和估计精度，但是由于车辆存在状态参数的识别误差以及电机转矩的响应误差导致车辆在小范围转动时存在较大的转角误差，这使得车辆在高速行驶的工况下存在较大的安全隐患。

现有技术中提出的一种分布式驱动电动汽车的差动助力转向控制系统，利用左右前轮的差动助力提供转向力矩，但是未考虑车辆的回正控制不足导致的回正不足或者回正超调的现象。

发明内容

考虑到分布式驱动汽车驱动轮质量高转向惯性大，在其回正工况下容易出现高速时回正超调和抖振以及低速时回正不足的工况，在转向中心区域存在由于传感器测量误差，数值处理误差等原因导致的中心区域控制精度差等问题，本发明提供了一种基于差动转向与EPS系统的转向回正及中间位置控制方法，通过差动助力转向结合传统EPS转向系统，提高分布式驱动汽车耦合转向系统回正时稳定性和精确性以及处于方向盘中间位置的控制精准性。

一种转向回正及中间位置控制系统，包括转向集成控制器，转向集成控制器包括回正判断模块、时变滑模控制模块、转向集成控制模块，所述回正判断模块的输入端分别连接车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和侧向加速度传感器；回正判断模块的输出连接时变滑模控制模块的输入，时变滑模控制模块的输出连接转向集成控制模块的输入，转向集成控制模块的输出分别连接轮毂电机控制器和EPS控制器的输入，轮毂电机控制器还分别连接左前轮轮毂电机和右前轮轮毂电机，EPS控制器还连接助力电机；

一种转向回正及中间位置控制方法，包括以下步骤：

步骤1，判断车辆是否处于转向回正或是中间位置控制工况；

步骤2，回正控制的过程为：则计算出质心侧偏角的估计值，利用时变滑模控制模块使估计值与期望的质心侧偏角的相趋近，从而计算出回正工况时的回正补偿力矩；

步骤3，设定回正时的方向盘转角θ₂的阈值为Thres1，若方向盘转角θ₂≤Thres1采用EPS回正，反之，采用差动助力回正。

步骤4，方向盘中间位置控制过程为：设定判断方向盘中间位置转向角θ₃的阈值Thres2，若转向角θ₃≤Thres2且侧向加速度小于0.3g，说明方向盘处于中间位置转向，根据车速和驾驶员的路感要求计算期望转向力矩，EPS控制器根据期望的转向力矩实现中间位置控制；当方向盘转角θ₃＞Thres2时，转向集成控制器将判断方向盘转角超出中心位置从而驱动差动转向控制车辆转向执行指令。

进一步，转向回正工况的判断过程为：

步骤1.1，若方向盘所受力矩T_d≤Thres3，认为驾驶员对方向盘释放，方向盘具有回正的趋势；

步骤1.2，若方向盘转速ω≥Thres4且方向盘转角θ₁≥Thres5说明车辆已处于回正的初始阶段；

步骤1.3，若车速V满足0≤V≤Thres6，表明车辆处于回正时的合理车速范围。

步骤1.4，若满足步骤1.1-1.3中参数范围，当持续时间Timer≥Thres7，说明方向盘转角值和作用在方向盘上的转矩值持续了一定的时间，回正判断标志Flag_return＝1时，可认定该车辆处于转向回正工况。反之其中任意条件不满足可认为车辆不处于回正工况。

进一步，转向回正控制的具体过程为：

步骤2.1，将前轮转角分别输入车辆模型，车辆模型输出转向盘转矩、车速、质心侧偏角期望值、轮胎垂向力和纵向力；

步骤2.2，根据输入的转向盘转矩和车速获得基本回正力矩；

步骤2.3，将前轮转角、轮胎垂向力和纵向力分别输入观测器获得质心侧偏角估计值；

步骤2.4，将质心侧偏角估计值与质心侧偏角期望值的偏差量作为时变滑模控制器的输入量，从而计算出回正工况时控制稳定的回正补偿力矩。

本发明的有益效果：

1、本发明基于分布式驱动汽车差动助力转向的基础上，增加了传统的EPS转向系统，提出了时变滑模控制策略。利用差动助力转矩响应快、稳定性高、转矩范围广的优势以及EPS转向系统控制精度高的特点。

2、本发明结合时变滑模控制策略，实时跟踪理想的质心侧偏角，解决了分布式驱动汽车高速回正时出现的超调和抖振以及低速时回正不足的问题，提高了耦合转向系统回正时的稳定性和精准性。

3、耦合转向系统在方向盘中间位置小范围转向时，利用EPS取代差动助力转向，满足了驾驶员在转向中间位置时对路感和操控精准性的要求。

附图说明

图1是转向回正及中间位置控制系统框图；

图2是转向回正及中间位置控制方法中转向回正控制框图；

图3是转向回正及中间位置控制方法流程图；

图4是车辆回正判别流程图。

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。

如图1所示，本发明所设计的一种基于差动转向与EPS的转向回正及中间位置控制控制系统，包括转向集成控制器，转向集成控制器包括回正判断模块、时变滑模控制模块、转向集成控制模块，回正判断模块的输入端分别连接车速传感器、转向盘转角传感器、侧向加速度传感器、转向盘转矩传感器；回正判断模块的输出连接时变滑模控制模块的输入，时变滑模控制模块的输出连接转向集成控制模块的输入，转向集成控制模块的输出分别连接轮毂电机控制器和EPS控制器的输入，轮毂电机控制器还分别连接左前轮轮毂电机和右前轮轮毂电机，EPS控制器还连接助力电机；

如图3，本发明所设计的一种转向回正及中间位置控制系统及其控制方法，包括以下步骤：

步骤1，回正判断模块判断车辆是否处于转向回正工况或是中间位置控制工况；其中，如图4转向回正工况的判断过程为：

步骤1.1，设定方向盘力矩T_d的阈值Thres3，若T_d≤Thres3说明驾驶员对方向盘释放，方向盘具有回正的趋势；

步骤1.2，分别设定方向盘转角θ和方向盘转速ω的阈值Thres5和Thres4，若ω≥Thres4且θ≥Thres5说明车辆已处于回正的初始阶段；

步骤1.3，设定车速V的阈值Thres6，若0≤V≤Thres6，说明表明车辆处于回正时的合理车速范围。

步骤1.4，若方向盘力矩T_d、方向盘转角θ、方向盘转速ω和车辆行驶速度V距满足上式，且当持续时间Timer≥Thres7，Thres7为持续时间的阈值，说明以及方向盘转角值和作用在方向盘上的转矩值持续了一定的时间，回正判断标志Flag_return＝1时，可认定该车辆处于转向回正工况。反之其中任意条件不满足可认为车辆不处于回正工况。

步骤2，如图2转向回正控制的具体过程为：

步骤2.1，将前轮转角分别输入车辆模型，车辆模型输出转向盘转矩、车速、质心侧偏角期望值、轮胎垂向力和纵向力；

步骤2.2，根据转向盘转矩和车速获得基本回正力矩；

步骤2.3，将前轮转角、轮胎垂向力和纵向力分别输入观测器获得质心侧偏角估计值；质心侧偏角与路面附着系数的估计值计算方法如下：

本发明中采用UKF观测器，因此利用欧拉离散法将车辆模型和轮胎模型中的连续变量离散化，得到一个离散系统，完成对系统模型的离散化处理，通用的离散状态空间模型如下：

x(k+1)＝g(x(k),u(k),ξ(k))+w(k) (1)

y(k+1)＝h(x(k),u(k),ξ(k))+v(k) (2)

其中，x(k+1)、y(k+1)为x(k)的下一个状态，x(k)为状态向量；u(k)为输入向量；ξ(k)为未知参数；y(k)为观测向量；w(k)为服从N(0,Q)分布的过程噪声；v(k)为服从N(0,R)分布的量测噪声。

将状态x(k)和参数ξ(k)作为一个新变量z(k)＝(x(k),ξ(k))^T，则新的状态空间方程为：

其中，n(k+1)为与参数ξ(k)具有相同维数的噪声向量。

其中状态向量x(k)包含车速u、横摆角速度_r、质心侧偏角β。则x(k)＝(u,r,β)，参数ξ为路面附着系数μ，则z(k)＝(u,r,β,μ)^T。

状态向量u,r,β通过车辆动力学模型得到，观测向量y(k)包含纵向加速度a_x、侧向加速度a_y和横摆角速度r，则y(k)＝(a_x,a_y,r)^T。

输入向量为左前轮转角δ_fl和右前轮转角δ_fr，则u(k)＝(δ_fl,δ_fr)，通过上述方程可求得质心侧偏角β以及路面附着系数μ。

步骤2.4，将质心侧偏角估计值与质心侧偏角期望值的偏差量作为时变滑模控制器的输入量，从而计算出回正工况时控制稳定的回正补偿力矩。具体过程如下：

本发明变滑模控制器的时变滑模控制算法是强迫滑动面趋向状态误差，使其状态误差其更快地减少为零，主动缩短了滑模控制的到达阶段，而不是等待状态误差到达滑动面。从而提高该转向系统的回正性能，增强系统稳定性。具体的计算方法如下：考察以下形式的车辆状态方程：

x⁽ⁿ⁾＝f(x,t)+g(x,t)u+d(t) (4)

y＝x (5)

其中，

表示状态向量，u(t)是控制输入信号即回正力矩，d(t)是系统不确定和外部干扰，f(x,t)和g(x,t)是决定系统特征的非线性函数。

定义系统的跟踪误差为：

其中，为给定目标轨迹，e为系统的跟踪误差，x为车辆状态方程x⁽ⁿ⁾。取切换函数形式如下：

其中，C＝[c₁,c₂,...,c_n-1,1]^T，c_i，i＝1,2,...,n-1，满足霍尔维兹多项式，F(t)为一附加项，F(t)满足以下三个条件：

(a)

(b)t→∞时，F(t)→0；

(c)F(t)具有一阶导数。

条件(a)保证了系统在初始时刻就处于滑模面上；条件(b)保证了系统的渐进稳定性；条件(c)保证了滑模运动的存在性。

根据以上三个条件可将F(t)设计为：

F(t)＝s(0)e^-kt (8)

其中，s(0)为初始时刻的切换函数s(t)。

时变滑模变结构控制系统需要将系统的状态稳定可靠的保持在滑动模态上，满足滑模存在条件和达到条件

可将全局滑模变结构设计为：

u＝u_eq+u_sw (9)

其中，u_eq为滑模控制的等效部分，u_sw是为了补偿系统的不确定性，非线性等而加入的不连续控制部分。

根据滑模控制等效条件

和系统的确定部分x⁽ⁿ⁾＝f(x,t)+g(x,t)u，可推出系统的等效控制部分。

取

得：

由上式可求得等效控制：

为了满足滑模到达条件

η>0，必须采用切换控制：

可得全局滑模控制如下：

稳定性证明：取Lyapunov函数为：

求V的一阶导数可得：

将公式(13)代入公式(15)得：

综上所述，系统在控制律u的作用下，能够满足滑模控制的存在性和可达性，由滑模切换函数及其满足的条件可得：s(0)＝0，即系统在初始状态就出在滑模面上，消除了趋近运动阶段，确保了系统的全局鲁棒性。同时，由于滑模面的常系数c₁,c₂,...,c_n-1满足霍尔维兹多项式，所以系统在滑模面上的运动是渐进稳定的，系统的跟踪误差渐进收敛到零。该控制方法的应用可以实时改善分布式驱动汽车的回正性能，提高了车辆回正的稳定性。

步骤3，设定回正角θ₂的阈值Thres1，若回正角θ₂≤Thres1采用EPS助力回正，反之，采用差动助力回正；具体控制过程为：将回正补偿力矩与基本回正力矩叠加后通过转向集成控制模块控制EPS助力电机和轮毂电机，从而控制车辆回正。解决分布式驱动汽车转向回正存在的低速时回正力矩不足以及高速时回正存在的超调和振荡的现象。

步骤4，方向盘中间位置控制过程为：设定判断方向盘处于中间转向角θ₃的阈值Thres2，若转向角θ₃≤Thres2且侧向加速度小于0.3g，说明方向盘处于中间位置转向，则根据车速和驾驶员的路感要求计算期望转向力矩，EPS控制器根据转向力矩实现中间位置控制；当转向角θ₃＞Thres2，转向集成控制器将判断转向超出中心位置并通过轮毂电机控制器驱动左前轮轮毂电机和右前轮轮毂电机实现差动助力。

综上所述，本申请利用差动助力转向装置以及EPS转向系统的相互配合，充分利用差动助力转向力矩范围大的特点配合EPS转向系统存在机械联结且控制精度高的特点来达到控制耦合转向车辆在回正时的操控稳定性和精准性，同时准确控制转向盘中间位置转向执行操作，满足驾驶员在转向中间位置时对路感和操控精准性的要求。

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 (7)

1.一种转向回正及中间位置控制系统，其中特征在于，包括转向集成控制器，转向集成控制器包括回正判断模块、时变滑模控制模块、转向集成控制模块，所述回正判断模块的输入端分别连接车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和侧向加速度传感器；回正判断模块的输出连接时变滑模控制模块的输入，时变滑模控制模块的输出连接转向集成控制模块的输入，转向集成控制模块的输出分别连接轮毂电机控制器和EPS控制器的输入，轮毂电机控制器还分别连接左前轮轮毂电机和右前轮轮毂电机，EPS控制器还连接助力电机。

2.一种基于权利要求1所述的转向回正及中间位置控制系统得控制方法，其特征在于，判断车辆是否处于转向回正或是中间位置控制工况；若处于转向回正工况则利用时变滑模控制模块使质心侧偏角的估计值与期望的质心侧偏角的相趋近，从而计算出回正工况时的回正补偿力矩；设定回正时的方向盘转角θ₂的阈值为Thres1，根据方向盘转角θ₂和Thres1之间的大小比较后选择采用EPS回正或者采用差动助力回正；

若车辆不处于回正控制工况，根据方向盘转向角θ₃与阈值Thres2之间的大小比较后选择采用EPS控制转向或者采用差动助力控制转向。

3.根据权利要求2所述的一种转向回正及中间位置控制方法，其特征在于，转向回正工况的判断过程为：

步骤1.1，设定方向盘力矩T_d的阈值Thres3，若方向盘所受力矩T_d≤Thres3，认为驾驶员对方向盘释放，方向盘具有回正的趋势；

步骤1.2，分别设定方向盘转角θ₁和方向盘转速ω的阈值Thres5和Thres4，若方向盘转速|ω|≥Thres4且方向盘转角|θ₁|≥Thres5说明车辆已处于回正的初始阶段；

步骤1.3，设定车速V的阈值Thres6，若车速V满足0≤V≤Thres6，表明车辆处于回正时的合理车速范围。

步骤1.4，若满足步骤1.1-1.3中参数范围，当持续时间Timer≥Thres7，Thres7为持续时间的阈值，说明方向盘转角值和作用在方向盘上的转矩值持续了一定的时间，回正判断标志Flag_return＝1时，可认定该车辆处于转向回正工况；反之其中任意条件不满足可认为车辆不处于回正工况。

4.根据权利要求3所述的一种转向回正及中间位置控制方法，其特征在于，转向回正控制的具体过程为：

步骤2.1，将前轮转角分别输入车辆模型，车辆模型输出转向盘转矩、车速、质心侧偏角期望值、轮胎垂向力和纵向力；

步骤2.2，根据输入的转向盘转矩和车速获得基本回正力矩；

步骤2.3，将前轮转角、轮胎垂向力和纵向力分别输入观测器获得质心侧偏角估计值；

步骤2.4，将质心侧偏角估计值与质心侧偏角期望值的偏差量作为时变滑模控制器的输入量，从而计算出回正工况时控制稳定的回正补偿力矩。

5.根据权利要求2所述的一种转向回正及中间位置控制方法，其特征在于，若方向盘转角θ₂≤Thres1采用EPS回正，反之，采用差动助力回正。

6.根据权利要求2所述的一种转向回正及中间位置控制方法，其特征在于，所述中间位置控制工况的判断依据为：设定判断方向盘中间位置转向角θ₃的阈值Thres2，若转向角θ₃≤Thres2且侧向加速度小于0.3g，说明方向盘处于中间位置转向。

7.根据权利要求2所述的一种转向回正及中间位置控制方法，其特征在于，若θ₃≤Thres2时，根据车速和驾驶员的路感要求计算期望转向力矩，EPS控制器根据期望的转向力矩实现中间位置控制；当方向盘转角θ₃＞Thres2时，转向集成控制器将判断方向盘转角超出中心位置从而驱动差动转向控制车辆转向执行指令。

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