CN111301514A - 电动助力转向系统的转向控制方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种电动助力转向系统的转向控制方法和设备，该方法可以包括：由控制器设置包括设在方向盘和齿条之间的反作用力设备的虚拟转向模型；由该控制器导出用于该虚拟转向模型的状态方程，该状态方程将方向盘、反作用力设备和齿条的动量表示为状态方程的状态变量；由该控制器通过该状态方程的数值积分来确定作用于该反作用力设备中的目标转向扭矩；以及由该控制器反馈控制该电动助力转向系统的转向电机控制量，以使得该电动助力转向系统的转向扭矩与该目标转向扭矩一致。

Description

电动助力转向系统的转向控制方法和设备
技术领域
本发明涉及电动助力转向系统的转向控制方法和设备，其中，使用虚拟转向模型对转向系统的特性进行多种改变，以预测转向性能，从而提高转向控制技术的开发效率。
背景技术
对于现有的开环电动助力转向(MDPS)控制，可以通过分配硬件的方式来改变性能，并且需要重复进行调谐来获得期望的目标转向性能。
然而，可以通过闭环反馈控制来克服开环控制的问题。
也就是说，根据查表法进行的反馈控制生成并反馈控制目标转向扭矩作为待控制对象，并且对其进行反馈，从而与开环控制相比提高控制鲁棒性和调谐效率。
然而，对于反馈控制，在映射出反馈控制器的初始阶段，难以预测控制逻辑性能。因而，需要提高开发效率的方法。
在本发明的该背景技术部分中公开的信息仅用于增强对本发明的整体背景的理解，并且可不被视为承认或任何形式地暗示该信息构成对于本领域技术人员而言已知的现有技术。
发明内容
本发明的各方面旨在提供电动助力转向系统的转向控制方法和设备，其中，使用虚拟转向模型对转向系统的特性进行多种改变以预测转向性能，从而提高转向控制技术的开发效率。
根据本发明的各个方面，提供了一种电动助力转向系统的转向控制方法和设备，该转向控制方法包括：由控制器设置包括设在方向盘和齿条之间的反作用力设备的虚拟转向模型；由控制器导出用于虚拟转向模型的状态方程，该状态方程将方向盘、反作用力设备和齿条的动量表示为状态方程的状态变量；由控制器通过状态方程的数值积分来确定作用于该反作用力设备中的目标转向扭矩；以及由控制器对电动助力转向系统的转向电机控制量进行反馈控制，以使得电动助力转向系统的转向扭矩与目标转向扭矩一致。
在虚拟转向模型中，转向角速度和齿条力可以被用作该虚拟转向模型的输入变量；方向盘的惯性、作为反作用力设备的扭杆的刚性、扭杆阻尼器、柱摩擦力、小齿轮半径和齿条的重量可以被用作虚拟转向模型的系统特征参数；并且由虚拟转向模型的输入变量与虚拟转向模型的系统特征参数之间的关系确定的目标转向扭矩可以被用作虚拟转向模型的输出变量。
可通过使用键合图导出虚拟转向模型的状态方程。
可通过将扭杆的扭转位移、齿条动量、方向盘动量和齿条位移设置为状态方程的状态变量来导出状态方程。
目标转向扭矩可以由以下等式确定：
Figure BDA0002055798250000021
Tq_ref：目标转向扭矩
Kt：扭杆的刚性
q5：扭杆的扭转位移
Bt：扭杆阻尼器的阻尼常数
Figure BDA0002055798250000031
扭杆的扭转位移的微分值。
辅助增益可以乘以目标转向扭矩，并且可以根据等式所示的辅助增益来改变目标转向扭矩。
这里，0<辅助增益(Ka)≤1。
可通过改变虚拟转向模型的系统特征参数中的至少一个来改变目标转向扭矩。
本发明的转向控制设备可以包括：设置部，设置具有设在方向盘和齿条之间的反作用力设备的虚拟转向模型；确定部，在导出虚拟转向模型的所述状态方程之后，通过状态方程的数值积分来确定作用于反作用力设备中的目标转向扭矩，该状态方程将方向盘、反作用力设备和齿条的动量表示为状态方程的状态变量；以及反馈控制器，对转向电机控制量进行反馈控制，以使得转向扭矩与目标转向扭矩一致。
根据本发明的示例性实施方式，基于虚拟转向模型(VM)，通过上述设备来确定目标转向扭矩(Tq_ref)以解决问题，由此预测转向性能以提高转向控制技术的开发效率，并且对转向系统的特征进行多种改变以产生各种类型的转向感，从而提高了调谐效率。
此外，当本发明应用于在方向盘和转向齿轮箱之间没有机械连接结构的SBW系统时，本发明允许SBW系统产生转向反作用力和转向感，好似是SBW系统具有在方向盘和转向齿轮箱中间有机械连接结构的机械转向系统。
本发明的方法和设备所具有其他的特征和优势，其通过结合于此的附图和下面的详细描述将变得显而易见，或者在附图和下面的详细描述中被更加详细地阐述，下面的详细描述连同服务器一起用来解释本发明的一些原理。
附图说明
图1是示出了根据本发明的示例性实施方式的转向控制设备的构造的框图；
图2是示出了根据本发明示例性实施方式的转向控制过程的流程的流程图；
图3是示出了根据本发明示例性实施方式的目标转向扭矩根据辅助增益而变化的实验结果的曲线图；
图4是示出了根据本发明示例性实施方式的目标转向扭矩根据扭杆的刚性而变化的实验结果的曲线图；
图5是示出了根据本发明示例性实施方式的齿条力信息中包含的频率信号的大小和相位的曲线图；以及
图6是示出了在本发明示例性实施方式中噪声随着齿条的重量而减小的实验结果的曲线图。
可理解为，附图不一定按比例绘制，呈现了例证本发明的基本原理的各种特征的微略简化的表示。如在此公开的本发明的具体设计特征(例如，包括具体尺寸、方位、位置以及形状)将部分地由具体预期应用和使用环境确定。
在附图中，贯穿附图的一些图，附图标记指的是本发明的相同或等同的部件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各个实施方式，其实施方式在附图中示出并且描述如下。尽管本发明将与本发明的示例性实施方式相结合描述本发明，但是将理解，本说明并不旨在将本发明限制为那些示例性实施方式。另一方面，本发明旨在不仅涵盖示本发明的示例性实施方式，而且涵盖包含在由所附权利要求限定的本发明的实质和范围内的各种可替代物、修改、等同物以及其他实施方式。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。
适用于本发明的示例性实施方式的电动助力转向系统可以是电动助力转向系统，该动力转向系统通过使用电动机来产生或支持转向力，并且该转向系统可以是电动机驱动的动力转向(MDPS)系统或线控转向(SBW)系统。
同时，本发明涉及一种转向控制方法，该转向控制方法被配置为将目标转向扭矩(Tq_ref)应用于转向系统以对其进行各种改变，该转向控制方法包括：设置虚拟转向模型，导出用于虚拟转向模型的状态方程，通过使用状态方程确定目标转向扭矩，并将电动助力转向系统的转向电机控制量进行反馈控制，以使转向扭矩与目标转向扭矩一致。
为了详细描述本发明，参照图1和图2，首先，在该设置中，控制器(CLR)设置具有设在方向盘1和齿条5之间的反作用力设备的虚拟转向模型(VM)。这里，反作用力设备可以是扭杆3，并且控制器可以设置具有设在方向盘1和齿条5之间的连接有扭杆3的虚拟转向模型(VM)。
接下来，在导出时，控制器(CLR)导出虚拟转向模型(VM)的状态方程，该状态方程将方向盘1、反作用力设备和齿条5的动量表示为状态方程的状态变量。
接下来，在确定时，控制器(CLR)通过状态方程的数值积分确定在反作用力设备中操作的目标转向扭矩(Tq_ref)。
接下来，在反馈控制时，控制器(CLR)对转向电机控制量进行反馈控制，以使转向扭矩与目标转向扭矩(Tq_ref)一致。
也就是说，根据本发明的示例性实施方式，基于虚拟转向模型(VM)来确定目标转向扭矩(Tq_ref)，由此预测转向性能以提高转向控制技术的开发效率，并且转向系统的特征进行多种改变以产生各种类型的转向感，从而提高了调谐效率。
此外，当本发明应用于在方向盘1和转向齿轮箱之间没有机械连接结构的SBW系统时，本发明允许SBW系统产生转向反作用力和转向感，就像SBW系统也具有类似于机械连接结构的机械转向系统。
此外，参考图1，为了描述根据本发明的示例性实施方式的虚拟转向模型(VM)，在虚拟转向模型(VM)中，转向角速度(Wsw)和齿条力(Frack)可以用作虚拟转向模型的输入变量；方向盘1的惯性、用作反作用力设备的扭杆的刚性(Kt)、扭杆阻尼器的阻尼常数(Bt)、扭杆的转速(Wc)、驾驶员转向扭矩(T_in)、扭杆下部的柱摩擦力(Tfric_c)、扭杆上部的柱摩擦力(Tfric_sw)、小齿轮半径(Rp)和齿条的重量(Mr)可以用作虚拟转向模型的系统特征参数用作虚拟转向模型的输出变量；并且由虚拟转向模型的输入变量与虚拟转向模型的系统特征参数之间的关系确定的目标转向扭矩(Tq_ref)可以被用作虚拟转向模型的输出变量。
也就是说，可以通过使用虚拟转向模型的两个输入变量、六个参数以及虚拟转向模型的一个输出变量来设置虚拟转向模型(VM)。
同时，可以通过使用键合图针对虚拟转向模型(VM)导出状态方程，并且可以将键合图表示为以下示例。
Figure BDA0002055798250000071
wsw：转向角速度
Frack：齿条力
Jsw：方向盘的惯性
Kt：扭杆刚性
Bt：扭杆阻尼器
Tfric_c：扭杆下部的柱摩擦力
Rp：小齿轮半径
Mr：齿条的重量
此外，键合图用于导出状态方程，并且可以通过将扭杆的扭转位移q5、齿条动量P10、方向盘动量P2和齿条位移q13设置为状态变量来导出状态方程。状态方程的示例可以如下所述表达。
Figure BDA0002055798250000081
q5：扭杆的扭转位移
P10：齿条动量
P2：方向盘动量
q13：齿条位移
此外，根据本发明的示例性实施方式，如上所述，通过状态方程的数值积分来确定在扭杆3中运行的目标转向扭矩(Tq_ref)，并且该目标转向扭矩(Tq_ref)可以由以下等式(1)确定。
Figure BDA0002055798250000091
Tq_ref：目标转向扭矩
Kt：扭杆刚性
q5：扭杆的扭转位移
Bt：扭杆阻尼器
Figure BDA0002055798250000092
扭杆的扭转位移的微分值。
同时，根据本发明的示例性实施方式，辅助增益(Ka)乘以由等式确定的目标转向扭矩(Tq_ref)，并且该目标转向扭矩(Tq_ref)可以随辅助增益(Ka)而改变。等式(2)可以如下所示。
Figure BDA0002055798250000093
这里，0<辅助增益(Ka)≤1。
也就是说，当由等式(1)确定的目标转向扭矩(Tq_ref)的值过高时，可以通过应用辅助增益(Ka)来减小目标转向扭矩(Tq_ref)。
但是，如图3所示，在应用辅助增益(Ka)期间，可与辅助增益(Ka)的大小成比例地确定目标转向扭矩(Tq_ref)，并且当辅助增益(Ka)增加时，目标转向扭矩(Tq_ref)增加。
此外，本发明可以被配置为通过修改虚拟转向模型的系统特征参数中的至少任一个来允许改变目标转向扭矩(Tq_ref)。
也就是说，图4是示出目标转向扭矩(Tq_ref)根据扭杆的刚性(Kt)而变化的实验结果的曲线图。当扭杆的刚性(Kt)增加时，目标转向扭矩(Tq_ref)增加。
此外，图5是示出包括在齿条力信息中的频率信号的大小和相位的曲线图，并且识别为可以限制包括在齿条力信息中的高频信号。
也就是说，可以根据目标转向扭矩(Tq_ref)映射出频域，由此可以抑制外部噪声。
例如，惯性随着齿条5的重量的增加而增加，因此，由于能量吸收(滤波效应)，噪声可能降低。这可以通过实验结果来验证，即噪声根据图6中的齿条的重量(Mr)而降低。
因此，根据本发明的示例性实施方式，通过系统参数的特性，例如扭杆的刚性(Kt)和齿条的重量(Mr)，产生各种类型的转向感，由此可以预测转向性能，从而提高了转向控制技术的开发效率和调谐效率。
同时，根据本发明示例性实施方式的电动助力转向系统的转向控制设备可以包括设置部10，确定部20和反馈控制器30。
如图1所示，首先，设置部10设置并存储具有设在方向盘1和齿条5之间的反作用力设备的虚拟转向模型(VM)。
此外，在导出虚拟转向模型(VM)的状态方程之后，确定部20通过状态方程的数值积分确定在反作用力设备中运行的目标转向扭矩(Tq_ref)，该状态方程将方向盘1、反作用力设备和齿条5的动量作为状态方程的状态变量。
此外，反馈控制器30对转向电机控制量进行反馈控制，以使转向扭矩与目标转向扭矩(Tq_ref)一致。
同时，图2是示出了使用图1的转向控制设备时转向控制处理过程的流程的流程图。为了描述转向控制过程的流程，参照图2，首先，在S10处，设置包括方向盘1、齿条5和扭杆3的虚拟转向模型(VM)。
接下来，在S20处，为虚拟转向模型(VM)生成键合图，并且使用键合图来导出状态方程。在S30处，通过将扭杆的扭转位移q5、齿条动量P10、方向盘动量P2和齿条位移q13设置为的状态方程的状态变量来导出状态方程。
接下来，在S40处，通过状态方程的数值积分来确定在扭杆3中运行的目标转向扭矩(Tq_ref)。
接下来，在S50处，对电动助力转向系统40的转向电机控制量进行反馈控制，以使得由扭矩传感器测量的转向扭矩与目标转向扭矩(Tq_ref)一致。
如上所述，根据本发明的示例性实施方式，基于虚拟转向模型(VM)来确定目标转向扭矩(Tq_ref)，由此预测转向性能以提高转向控制技术的开发效率，并且可以对转向系统的特征进行多种改变以产生各种类型的转向感，从而提高了调谐效率。
此外，当本发明应用于在方向盘1和转向齿轮箱之间没有机械连接结构的SBW系统时，本发明允许SBW系统产生转向反作用力和转向感，好似是SBW系统具有在方向盘1和转向齿轮箱中间有机械连接结构的机械转向系统。
为了便于说明和所附权利要求的准确定义，术语“上部”、“下部”、“内”、“外”、“向上”、“向下”、“上部”、“下部”、“向上地”、“向下地”“前面”、“后面”、“后”、“里面”、“外面”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“内”、“外”、“向前”和“向后”用于参考图中所显示的特征的位置描述示例性实施方式的这些特征。
已出于示出和描述的目的呈现了本发明的具体示例性实施方式的以上描述。以上描述并非旨在是详尽的或者将本发明限于公开的精确形式，并且显而易见，根据上述教导，许多修改和变化是可能的。选出并描述了示例性实施方式是为了解释本发明的某些原理及其实际应用，以使本领域的其他技术人员能够制造和利用本发明的各种示例性实施方式及其各种替代和修改。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (18)

1.一种电动助力转向系统的转向控制方法，所述转向控制方法包括以下步骤：
由控制器设置包括设置在方向盘和齿条齿轮之间的反作用力设备的虚拟转向模型；
由所述控制器导出用于所述虚拟转向模型的状态方程，所述状态方程将所述方向盘、所述反作用力设备和所述齿条齿轮的动量表示为所述状态方程的状态变量；
由所述控制器通过所述状态方程的数值积分来确定作用于所述反作用力设备中的目标转向扭矩；并且
由所述控制器对所述电动助力转向系统的转向电机控制量进行反馈控制，以使得所述电动助力转向系统的转向扭矩与所述目标转向扭矩一致。
2.根据权利要求1所述的转向控制方法，其中，在所述虚拟转向模型中，
转向角速度和齿条力被用作所述虚拟转向模型的输入变量；
方向盘的惯性、所述反作用力设备的刚性、所述反作用力设备的阻尼常数、所述反作用力设备的柱摩擦力、小齿轮半径以及所述齿条齿轮的重量被用作所述虚拟转向模型的系统特征参数；以及
通过所述虚拟转向模型的所述输入变量与所述虚拟转向模型的所述系统特征参数的关系确定的所述目标转向扭矩被用作所述虚拟转向模型的输出变量。
3.根据权利要求2所述的转向控制方法，其中，所述反作用力设备是扭杆，所述反作用力设备的阻尼常数是所述扭杆的阻尼常数，并且所述反作用力设备的柱摩擦力是所述扭杆的柱摩擦力。
4.根据权利要求3所述的转向控制方法，其中，所述目标转向扭矩由等式
Figure FDA0002055798240000021
确定：
Tq_ref：目标转向扭矩
Kt：扭杆的刚性
q5：扭杆的扭转位移
Bt：扭杆阻尼器的阻尼常数
Figure FDA0002055798240000022
扭杆的扭转位移的微分值。
5.根据权利要求3所述的转向控制方法，其中，通过使用键合图来导出所述虚拟转向模型的所述状态方程。
6.根据权利要求3所述的转向控制方法，其中，通过将所述扭杆的扭转位移、齿条齿轮动量、方向盘动量和齿条齿轮位移设置为所述状态方程的状态变量来导出所述状态方程。
7.根据权利要求3所述的转向控制方法，其中，所述目标转向扭矩由等式
Figure FDA0002055798240000023
确定：
Tq_ref：目标转向扭矩
Ka：辅助增益
Kt：扭杆的刚性
q5：扭杆的扭转位移
Bt：扭杆阻尼器的阻尼常数
Figure FDA0002055798240000031
扭杆的扭转位移的微分值。
8.根据权利要求7所述的转向控制方法，其中，所述目标转向扭矩能够根据大于零且小于或等于1的所述辅助增益而改变。
9.根据权利要求2所述的转向控制方法，其中，能够通过改变所述虚拟转向模型的至少一个所述系统特征参数来改变所述目标转向扭矩。
10.一种电动助力转向系统的转向控制设备，所述转向控制设备包括：
设置部，设置虚拟转向模型，所述虚拟转向模型包括设置在方向盘和齿条齿轮之间的反作用力设备；
确定部，在导出所述虚拟转向模型的状态方程之后，通过所述状态方程的数值积分来确定作用于所述反作用力设备中的目标转向扭矩，所述状态方程将所述方向盘、所述反作用力设备和所述齿条齿轮的动量表示为所述状态方程的状态变量；以及
反馈控制器，将转向电机控制量反馈控制到电动助力转向系统，以使得所述电动助力转向系统的转向扭矩与所述目标转向扭矩相一致。
11.根据权利要求10所述的转向控制设备，其中，在所述虚拟转向模型中，
转向角速度和齿条力被用作所述虚拟转向模型的输入变量；
方向盘的惯性、所述反作用力设备的刚性、所述反作用力设备的阻尼常数、所述反作用力设备的柱摩擦力、小齿轮半径以及所述齿条齿轮的重量被用作所述虚拟转向模型的系统特征参数；以及
由所述虚拟转向模型的输入变量与所述虚拟转向模型的系统特征参数的关系确定的所述目标转向扭矩被用作所述虚拟转向模型的输出变量。
12.根据权利要求11所述的转向控制设备，其中，所述反作用力设备是扭杆，所述反作用力设备的阻尼常数是所述扭杆的阻尼常数，并且所述反作用力设备的柱摩擦力是所述扭杆的柱摩擦力。
13.根据权利要求12所述的转向控制设备，其中，所述目标转向扭矩由等式
Figure FDA0002055798240000041
确定：
Tq_ref：目标转向扭矩
Kt：扭杆的刚性
q5：扭杆的扭转位移
Bt：扭杆阻尼器的阻尼常数
Figure FDA0002055798240000042
扭杆的扭转位移的微分值。
14.根据权利要求12所述的转向控制设备，其中，通过使用键合图来导出所述虚拟转向模型的所述状态方程。
15.根据权利要求12所述的转向控制设备，其中，通过将所述扭杆的扭转位移、齿条齿轮动量、方向盘动量和齿条齿轮位移设置为所述状态方程的状态变量来导出所述状态方程。
16.根据权利要求12所述的转向控制设备，其中，所述目标转向扭矩由等式
Figure FDA0002055798240000043
确定：
Tq_ref：目标转向扭矩
Ka：辅助增益
Kt：扭杆的刚性
q5：扭杆的扭转位移
Bt：扭杆阻尼器的阻尼常数
Figure FDA0002055798240000051
扭杆的扭转位移的微分值。
17.根据权利要求16所述的转向控制设备，其中，能够根据大于零且小于或等于1的所述辅助增益来改变所述目标转向扭矩。
18.根据权利要求12所述的转向控制设备，其中，能够通过改变所述虚拟转向模型的至少一个所述系统特征参数来改变所述目标转向扭矩。
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