CN111361633A - 用于商用车的具备多种驾驶模式选择的电动助力转向系统 - Google Patents
用于商用车的具备多种驾驶模式选择的电动助力转向系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于商用车的具备多种驾驶模式选择的电动助力转向系统。针对轻/微型商用汽车在不同行驶路面等环境中,会表现出或轻或重的不舒适的转向手感,特别是在空载和满载两种情况下,车辆的转向负载阻力差异较大,而本发明提供了多种驾驶模式,以适应这些差异,驾驶员可选择出适宜的转向操纵手力,以及可满足不同驾驶者的不同驾驶喜好。本发明设计开发了以不同额定转向手力为目标的多种助力电流特性曲线,来对应不同驾驶模式,将其预设到基本助力模块中;当驾驶员在驻车状态下,以不同的连续点火开关次序组合的方式或独立设置的档位旋钮等,做出了对应的驾驶模式切换指令后,将触发ECU启动驾驶模式选择,来调用所期望的助力电流特性曲线。
Description
技术领域
本发明属于汽车技术领域,涉及商用车的电动助力转向系统,尤其涉及转向操纵手力可选的多种驾驶模式的电动助力转向系统。
背景技术
目前,微卡、微面、电动物流车、轻卡等微/轻型商用汽车,配装电动助力转向系统(简称EPS)已经非常普及,该系统可使驾驶员操纵转向轻便,能及时准确地执行转向操纵指令,并能正确地反馈路面信息,让驾驶员及时掌握车辆的行驶状态,以便判断并作出适宜的转向操作指令。EPS系统主要由扭矩转角传感器、电子控制单元(简称ECU)、转向助力电机(简称EPS电机)、蜗轮蜗杆减速机构等组成。当转向时,ECU根据方向盘转矩及转角、车速、电机的端电压和电流等信号,进行汽车的转向状态判断,然后发出控制指令来驱动EPS电机,使电机按方向盘转动的速度和方向产生所需要的助力转矩或阻尼转矩,并通过蜗轮蜗杆减速机构放大后,再通过机械转向器推动车轮转向,从而协助驾驶员进行转向操作,同时也通过EPS系统在转向过程中,将路面信息等经手感反馈给驾驶员,其中关键评价指标为转向操纵手力。
当EPS系统在轻/微型商用汽车上完成助力特性等标定之后,对应的转向操纵手力在相同的路况及载重等条件下,其表现基本一致并一成不变,依此固化ECU程序即可批量生产。当该款车型投放市场,无论驾驶者是谁,不可选择地仅一种对应手力特性,无法适应驾驶者的不同手力需求,如此需求不能被满足,甚至会影响车辆销售;同时,轻/微型商用汽车在不同行驶路面等环境中,会表现出或轻或重的不舒适的转向手感,特别是在空载和满载两种情况下,车辆的转向负载阻力差异较大,无法用一种转向手力特性进行兼顾,而目前EPS系统也无法给驾驶者提供可选择机会,无法自主地重新设定所期望的转向手力。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题,本发明要设计开发以不同额定转向手力为目标的多种助力电流特性曲线,以及触发不同特性曲线的切换方法,来实现EPS系统具备多种转向手力特性,可供新车型调校标定、批产车辆下线调校、路况及载重差异、驾驶者喜好等情况下,来选择适宜的转向操纵手力下的驾驶模式。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
转向操纵手力与EPS系统助力特性有对应关系,系统助力大则需求手力较小,反之系统助力小则需求手力较大。同时,EPS系统助力特性与ECU所输出的助力电流特性是等效的,因此对ECU助力电流特性的多种选择,即可实现EPS系统对转向操纵手力可选的多种驾驶模式。助力电流特性曲线设计,需以额定转向手力为目标,首先要设计多种额定转向手力特性曲线,依此再设计多种助力电流特性曲线与其对应。
进一步地,预设好的多种助力电流特性曲线,以不同的连续点火开关次序组合的方式或独立设置的档位旋钮等来触发切换。当驾驶员在驻车状态下,做出了对应的驾驶模式切换指令后,将触发ECU启动驾驶模式选择模块,执行对应的助力电流特性,并使EPS系统保持该助力电流特性,直至ECU接收到新的驾驶模式切换指令时,将更新助力电流特性。
预设好的多种助力电流特性曲线,是以不同额定转向手力为目标的,且每一组曲线中的额定转向手力是随车速变化的,描述该曲线的数学表达式为:
在式(Q-1)中,T2-b、T2-c、Vb、Vc为经验参数,并在标定过程中调校修正,w为手力随速增益系数,其调节范围:w=-0.015~0.050(w≠0),并在标定过程中可随动调节、修正,w1、w2是根据已知匹配参数而自动计算所得的参数,其表达式如下:
所述变死区扭矩为:让死区扭矩随车速进行变化,使车辆高速行驶时,以较大的转向手力,方能进入助力区段,因此可保持高速转向时具有稳重的手感,不发飘且路感明显,同时在高速需紧急避障时,略增加1-2N.m的转向手力后,EPS系统仍具有足够的助力能力,描述该曲线的数学表达式为:
在式(Q-3)中,T1-1、T1-6、V1、V6为经验参数,并在标定过程中调校修正,f为死区随速增益系数,其调节范围:f=0.001~0.200,并在标定过程中可随动调节、修正,f1、f2是根据已知匹配参数而自动计算所得的参数,其表达式如下:
进一步地,所述驾驶模式选择模块,当外部驾驶模式切换指令发出后,由该模块利用了ECU具有断电延时的能力,并根据输入特定的连续点火开关次序组合条件,判断其是否成立,确认对应的驾驶模式,并向基本助力Ib模块输出与驾驶模式对应的指令序号。
进一步地,特定的连续点火开关次序组合条件,为2组点火开关操作,第1组为驾驶模式选择的引导操作,均为4次开关组合;第2组为驾驶模式的序号操作,其次数与驾驶模式的序号对应。
进一步地,第1组的引导操作和第2组的序号操作是连续的,其中引导操作条件成立(IGcon=TRUE)是在多次点火操作时,以持续时间间隔Δtk-1(k=1、2、3、4、5)为判断条件,除了第4次点火至第5次点火的间隔时间Δt4及ΔtON-4,要满足4s≤ΔtON-4<6s和4s<Δt4≤6s外,其它的间隔时间Δtk-1,要满足Δtk-1≤1s;以上点火操作满足要求后,则引导操作条件成立(IGcon=TRUE),再连续地转入驾驶模式的序号操作,与所期望选择的驾驶模式对应,除第5次ON档开启(k=5)仅需满足ΔtON-5>2s,之后则需满足Δtk-1(k=6、7、8…)≤1s的条件,且仍要满足ΔtON-k>2s,方能产生有效的序号,并向基本助力Ib模块输出指令序号;其中点火开关操作的对应信号名称、符号等参见下表:
进一步地,驾驶模式指令序号n算法的代码示意如下:
本发明的有益效果如下:
1、本发明通过预设的多种助力电流特性曲线的驾驶模式,可使新车型调校过程中,有更多机会逼近其新车型期望的转向性能。依此为基础,再经简单的匹配标定,即可完成标准型的转向性能,可较大幅度地缩短调校周期。
2、本发明通过预设的多种助力电流特性曲线的驾驶模式,可应对车辆自身的差异,在车辆下线调校时,选择适宜的驾驶模式,来消除这些差异,以便保持出厂车辆的转向手力一致性。推荐车辆下线时,操作驾驶模式的切换方式,采取档位旋钮方式或仪表方式较为恰当。
3、本发明通过预设的多种助力电流特性曲线的驾驶模式,可满足驾驶员自身的驾驶喜好,为其提供多种选择机会,如:Ⅰ级手力型、Ⅱ级手力型、Ⅲ级手力型、Ⅳ级手力型、Ⅴ级手力型等,分别对应:轻手力型、舒适型、标准型、沉稳型、重手力型及更多类型等。
4、本发明通过预设的多种助力电流特性曲线的驾驶模式,驾驶员可根据车辆在空载或满载,以及在不同行驶路面等环境中,选择期望的驾驶模式,以应对转向负载阻力差异较大所产生不舒适的转向手感。
5、本发明在助力电流特性曲线中,采取了变死区扭矩设计观念,使死区扭矩随车速变化而进行关联设计,并在车辆高速行驶时,以较大的转向手力,方能进入助力区段,因此可保持高速转向时具有稳重的手感,不发飘且路感明显,同时在高速需紧急避障时,略增加1-2N.m的转向手力后,EPS系统仍具有足够的助力能力。
6、本发明利用ECU具有断电延时能力,提供了其中一种驾驶模式切换的方法是:以不同的连续点火开关次序组合的方式来触发驾驶模式切换,无需增加特殊装置,简单易学,方便驾驶员选择操作。
附图说明:
本发明共有附图12张,其中:
图1为本发明的EPS系统实体结构图
图2为本发明的EPS系统主要组成部分及转向系统连接关系示意图。
图3为本发明的EPS系统工作原理示意框图。
图4为本发明的简化后EPS系统基本助力工作原理示意框图(至EPS电机输出扭矩止)。
图5为本发明的EPS系统基本助力特性和基本助力电流特性的曲线结构图。
图6为本发明的额定转向手力和死区扭矩在助力电流特性曲线中随速变化规律示意图。
图7为本发明的多种驾驶模式所对应的额定转向手力特性曲线示意图。
图8为本发明的多种驾驶模式所对应的死区扭矩特性曲线示意图。
图9为本发明的多种驾驶模式所对应的V车速下基本助力电流特性曲线示意图。
图10为本发明的多种驾驶模式选择的控制逻辑关系示意框图。
图11为本发明的点火开关次序组合方式的驾驶模式选择操作流程图(III级手力型示例)。
图12为本发明的多种驾驶模式选择后指示灯闪烁提示的过程示意图。
图中:SW—方向盘,A1—EPS方向杆,A2—EPS扭矩转角传感器,A3—EPS输入轴,A4—EPS蜗轮,A5—EPS蜗杆,A6—EPS电机,A7—EPS控制器(简称ECU),A8—EPS输出轴,A9—EPS下轴(或称转向传动轴),B1—转向器输入轴,B2—机械循环球式转向器,B3—转向器摇臂;①—无助力区或电流死区,②—助力变化区或电流变化区,③—助力不变区或称饱和区,④—饱和助力或饱和电流,⑤—饱和拐点,⑥—额定点。
图中物理参数定义:
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细地描述:
如图1所示,EPS系统由A1~A9等零部件,以及信号线束、电源线束、接插件等组成。
如图2所示,EPS方向杆(A1)上端与方向盘(SW)连接,其下端与EPS输入轴(A3)连接,EPS扭矩转角传感器(A2)焊接固定在EPS输入轴(A3)上,EPS输入轴(A3)再通过扭杆与EPS输出轴(A8)连接,带双十字轴万向联轴器的EPS下轴(A9)上端与EPS输出轴(A8)连接,其下端与转向器输入轴(B1)连接;EPS控制器(A7)通过车速信号V线束、点火开关信号IG线束及电源线束等与整车连接,通过扭矩信号Ts线束和转角信号θs线束与扭矩转角传感器(A2)连接,并通过加载电压u线束与EPS电机(A6)连接,EPS电机(A6)经联轴节及减振垫等与EPS蜗杆(A5)连接,EPS蜗杆(A5)与EPS蜗轮(A4)啮合传动,EPS蜗轮(A4)过盈压入到EPS输出轴(A8)上并固定。
如图3所示,EPS系统工作原理是当驾驶员转动方向盘(SW)时,ECU(A7)从EPS系统的扭矩转角传感器(A2)中获得转向手力信号Ts和方向盘转角信号θs,以及从汽车的车速传感器中获得车速信号V,经ECU(A7)综合运算处理后,获得目标电流IΣ,再以目标电流IΣ所对应PWM占空比形式向EPS电机(A6)加载电压u,并驱动EPS电机(A6)运转且输出扭矩Tm,经蜗轮(A4)和蜗杆(A5)减速机构放大而输出助力扭矩Ta,当叠加转向手力Th后,使EPS系统获得所需求的总输出扭矩Tc=Ta+Th,将其传递给循环球式转向器(B2)进行二级放大,再经摇臂(B3)输出力矩TM,即可推动车轮转向;在以上控制过程中,ECU(A7)对电机(A6)电流要实时检测,获得EPS电机(A6)实际电流Im,与目标电流IΣ进行对比求差e,并进行PI闭环控制来修正EPS电机(A6)的加载电压u,来调节实际电流Im,使其跟踪目标电流IΣ,实现EPS系统的助力等功能,减轻驾驶员的转向操纵手力。
按技术方案所述,对ECU助力电流特性的多种选择,即可实现EPS系统对转向操纵手力可选的多种驾驶模式。在ECU中的基本助力Ib是存储预设好的多种助力电流特性曲线的功能模块,为表述方便,将图3的EPS系统工作原理等效简化为图4所示,仅体现了基本助力Ib的关联环节。
EPS系统助力电流Ib(等效于助力Ta)特性曲线是指在汽车转向过程中,由转向手力Th所形成的电流曲线(等效于助力曲线),要求在感应车速的同时,每条曲线自身又能感应高、低手力Th输入区域的变化,其曲线结构如图5所示。在本说明书中,以右侧区域转向的曲线形式来概括表达,而左侧区域的曲线在设计要求上是以原点完全对称的。
现代驾驶员对汽车转向手感等性能要求越来越高,一个好的EPS系统应该具有较好的自适应能力,应该尽可能的去适应驾驶员的驾驶习惯,能够将好的路感和轻便性进行实时调节,这就要求EPS系统具有在低速时转向轻便,而高速时转向沉稳等特点。
如图6所示,车速V1<V2<V3,不同车速下的车辆额定转向阻力矩M与EPS系统额定电流Iv是对应等效的,而每条对应车速V的助力电流特性曲线,又各自对应了额定转向手力T2,且T2-1<T2-2<T2-3,据此有如下等效对应关系:V1≌M1≌Iv1≌T2-1、V2≌M2≌Iv2≌T2-2、V3≌M3≌Iv3≌T2-3,按图6所示的额定转向手力T2随车速变化规律,就体现出了低速时转向轻便,而高速时转向沉稳等特点。
如图6所示,死区扭矩T1随车速V进行变化,且有T1-1<T1-2<T1-3,该变化体现了低速时死区扭矩的设定值较小,有利于助力电流Ib迅速越过死区进入较高电流区域,使转向操作轻便;在高速时死区扭矩的设定值较大,有利于助力电流Ib升值减缓,使高速转向不发飘且增强路感,同时也避免了直行期间由于高速路面不平颠簸,使转向在死区与助力区间反复切替而产生方向盘振动,该随速变化的死区设计,也使高速时的中位指向性更清晰。
综上所述,为更接近驾驶员期望的转向手感等性能要求,仍需对相关转向性能参数进行标定,以满足车辆购买群体的标准型转向手感。其相关标定参数包括,s—助力随速衰减系数、f—死区随速增益系数、w—手力随速增益系数、m—随转向手力变化的增益系数,还包括相关经验参数,需在标定过程中进行调校修正,这些参数所对应的特性表达式如下:
额定电流设计目标曲线表达式:
在式(1)中,Iv1、Iv6、V1、V6为经验参数,并在标定过程中调校修正;s为助力随速衰减系数,其调节范围:s=0.000~0.500,并在标定过程中可随动调节、修正;m1、m2是根据已知匹配参数而自动计算所得的参数,其表达式如下:
死区扭矩设计目标曲线表达式:
在式(3)中,T1-1、T1-6、V1、V6为经验参数,并在标定过程中调校修正;f为死区随速增益系数,其调节范围:f=0.001~0.200,并在标定过程中可随动调节、修正;f1、f2是根据已知匹配参数而自动计算所得的参数,其表达式如下:
额定转向手力设计目标曲线表达式:
在式(5)中,T2-b、T2-c、Vb、Vc为经验参数,并在标定过程中调校修正;w为手力随速增益系数,其调节范围:w=-0.015~0.050(w≠0),并在标定过程中可随动调节、修正。w1、w2是根据已知匹配参数而自动计算所得的参数,其表达式如下:
饱和电流设计表达式:
在式(7)中,Imax、Va、T3为经验参数,并在标定过程中调校修正;a、b、c是根据已知匹配参数及相关表达式已得的参数而自动计算所得,其表达式如下:
在式(8)中,m是随转向手力变化的增益系数,为标定参数(调节范围:m=-100.0~0.0)。
助力电流特性曲线初始值表达式:
基本助力电流特性曲线终值表达式:
Ib=Min{IT,IX}…..……………………..…………………………..….…….………(10)
多种驾驶模式选择是对额定手力T2和死区扭矩T1进行适当调整后,所对应的基本助力电流Ib特性曲线。通常在标准型转向手力基础上变化15~25%时,驾驶员即可体验出不同转向手感,据此推荐设定以下对应关系(不局限于此对应关系):
按上表Ⅰ~Ⅳ级设定的参数,额定转向手力T2设计目标曲线的对比关系如图7所示,死区扭矩T1设计目标曲线的对比关系如图8所示,以及据此所形成的对应V车速下助力电流Ib特性曲线的对比关系如图9所示。
按技术方案所述,预设好的多种助力电流特性曲线,以不同的连续点火开关次序组合的方式或独立设置的档位旋钮等来触发切换。如图10所示,当外部驾驶模式切换指令发出时,须经ECU驾驶模式选择模块,以确定所期望的助力电流特性曲线代号,来调用基本助力Ib模块中的曲线数据;两种切换指令的方式,具备其一,即可操作并完成驾驶模式的选择。在本说明书中,以连续点火开关次序组合的方式进行详细描述如下:
驾驶模式选择模块的主要作用是利用ECU具有断电延时的能力,并根据输入特定的连续点火开关次序组合条件,判断其是否成立,并确认对应的驾驶模式,如:Ⅰ级手力型、Ⅱ级手力型、Ⅲ级手力型、Ⅳ级手力型、Ⅴ级手力型等,并向基本助力Ib模块输出指令序号。它的决策机制是组合条件成立或不成立,在同一时刻,只能有其一,若成立后,即可输出对应驾驶模式的指令序号。
组合条件的设计原则是:在驾驶员不刻意的情况下,几乎不可能完成该组合条件,以免出现误操作,而在指导操作的情况下,又较容易完成。本发明所设计的组合条件为2组点火操作,第1组为驾驶模式选择的引导操作(引导操作条件,代号:IGcon),均为4次开关组合;第2组为驾驶模式的序号操作,其次数与驾驶模式的序号对应,如下表举例示意(此操作组合不局限于此,还有更多的组合方式):
驾驶模式 | Ⅰ级手力型 | Ⅱ级手力型 | Ⅲ级手力型 | Ⅳ级手力型 | Ⅴ级手力型 | n级手力型 |
组合条件 | 4+1 | 4+2 | 4+3 | 4+4 | 4+5 | 4+n |
点火开关操作,所对应的信号名称、符号等参见下表:
如图11所示,第1组的引导操作和第2组的序号操作是连续的。其中引导操作条件成立(IGcon=TRUE)是在多次点火开关操作时,以持续时间间隔Δtk-1(k=1、2、3、4、5)为判断条件,除了第4次点火至第5次点火的间隔时间Δt4及ΔtON-4,要满足4s≤ΔtON-4<6s和4s<Δt4≤6s外,其它的间隔时间Δtk-1,要满足Δtk-1≤1s。
引导操作条件成立与否的表达式:
以上点火操作满足要求后,则引导操作条件成立(IGcon=TRUE),再连续地转入驾驶模式的序号操作,与所期望选择的驾驶模式对应。除第5次ON档开启(k=5)仅需满足ΔtON-5>2s,之后则需满足Δtk-1(k=6、7、8…)≤1s的条件,且仍要满足ΔtON-k>2s,方能产生有效的序号,并向基本助力Ib模块输出指令序号。
指令序号表达式:
如图11所示,凡在OFF档停留5s以上,三个单元需清空,再启动点火开关首次至ON档后,需将引导单元j和序号单元n初始值设置为零,IGcon单元初始标记为FALSE;首次ON档时刻点,其相关初始值设定为:tON-(k-1)=tON-k=tOFF-g=0。
驾驶模式指令序号n算法的伪代码示意如下:
当有效的指令序号发出后,需在V=0km/h的情况下,方可从基本助力Ib模块中选择出所期望的驾驶模式所对应的助力电流特性曲线,同时还需指示灯进行提示,以便确认所选择的助力电流曲线序号。指示灯共分5组闪烁,每组以指令序号n次进行闪烁,组与组的间隔时间为1s,组内均按每0.5s闪烁一次,并保持均匀的闪烁频率,5组总时长为(2.5n+3)s。当驾驶模式选择的操作不成功时,指示灯处于熄灭状态,但仍可在OFF档位停留5s以上,再重新操作。
综上所述,本发明在ECU中设计了驾驶模式选择模块和多种助力电流特性曲线,当驾驶员按规定操作步骤,做出满足条件要求的操作,由ECU自动识别出驾驶员要进行驾驶模式选择的意图,并由驾驶模式选择模块发出对应的指令序号,来调用基本助力Ib模块的曲线数据,实现多种驾驶模式可选的目的。
Claims (7)
1.一种用于商用车的具备多种驾驶模式选择的电动助力转向系统,其特征在于,在ECU中的基本助力Ib功能模块中,存储了预设好的多种助力电流特性曲线数据,其数据按驾驶员能明显体验出转向操纵手力及手感差异的曲线来表达,是以不同额定转向手力为目标的多种助力电流特性曲线,该曲线采取了变死区扭矩和驾驶模式选择模块,当外部驾驶模式切换指令发出后,经ECU驾驶模式选择模块判断,并确定所期望的驾驶模式指令序号,来调用基本助力Ib模块中的助力电流特性曲线,从而实现多种驾驶模式可选择。
3.根据权利要求1所述的一种用于商用车的具备多种驾驶模式选择的电动助力转向系统,其特征在于,所述变死区扭矩为:让死区扭矩随车速进行变化,使车辆高速行驶时,以较大的转向手力,方能进入助力区段,因此可保持高速转向时具有稳重的手感,不发飘且路感明显,同时在高速需紧急避障时,略增加1-2N.m的转向手力后,EPS系统仍具有足够的助力能力,描述该曲线的数学表达式为:
在式(Q-3)中,T1-1、T1-6、V1、V6为经验参数,并在标定过程中调校修正,f为死区随速增益系数,其调节范围:f=0.001~0.200,并在标定过程中可随动调节、修正,f1、f2是根据已知匹配参数而自动计算所得的参数,其表达式如下:
4.根据权利要求1所述的一种用于商用车的具备多种驾驶模式选择的电动助力转向系统,其特征在于,所述驾驶模式选择模块,当外部驾驶模式切换指令发出后,由该模块利用了ECU具有断电延时的能力,并根据输入特定的连续点火开关次序组合条件,判断其是否成立,确认对应的驾驶模式,并向基本助力Ib模块输出与驾驶模式对应的指令序号。
5.根据权利要求4所述的一种用于商用车的具备多种驾驶模式选择的电动助力转向系统,其特征在于,特定的连续点火开关次序组合条件,为2组点火开关操作,第1组为驾驶模式选择的引导操作,均为4次开关组合;第2组为驾驶模式的序号操作,其次数与驾驶模式的序号对应。
6.根据权利要求5所述的一种用于商用车的具备多种驾驶模式选择的电动助力转向系统,其特征在于,第1组的引导操作和第2组的序号操作是连续的,其中引导操作条件成立(IGcon=TRUE)是在多次点火操作时,以持续时间间隔Δtk-1(k=1、2、3、4、5)为判断条件,除了第4次点火至第5次点火的间隔时间Δt4及ΔtON-4,要满足4s≤ΔtON-4<6s和4s<Δt4≤6s外,其它的间隔时间Δtk-1,要满足Δtk-1≤1s;以上点火操作满足要求后,则引导操作条件成立(IGcon=TRUE),再连续地转入驾驶模式的序号操作,与所期望选择的驾驶模式对应,除第5次ON档开启(k=5)仅需满足ΔtON-5>2s,之后则需满足Δtk-1(k=6、7、8…)≤1s的条件,且仍要满足ΔtON-k>2s,方能产生有效的序号,并向基本助力Ib模块输出指令序号;其中点火开关操作的对应信号名称、符号等参见下表:
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