CN111688796A - 一种基于相对位置角度的主动回正控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动助力转向系统基于相对位置角度的主动回正控制方法，步骤是：1）获取量程扩展后的方向盘相对位置角度S_Ar；2）获取方向盘绝对位置角度零点S_Aa0；3）获取方向盘绝对位置角度S_Aa；4）回正电流计算；回正电流计算完成后，控制器驱动电机产生主动回正力矩，使方向盘回到中间位置。该方法无需额外增加角度传感器，无成本增加，利用现有的扭矩传感器内附带的相对位置角度信号，通过计算得到方向盘绝对位置角度信息，再结合车速信号、扭矩信号等车辆状态信息进行主动回正控制。

Description

一种基于相对位置角度的主动回正控制方法

技术领域

本发明涉及汽车转向系统领域，涉及电动助力转向系统，尤其涉及一种基于相对位置角度的主动回正控制方法。

背景技术

电动助力转向系统，一种由电动机提供动力的动力转向系统，主要有电动机、减速机构、扭矩传感器、控制单元、转向器等构成。电动助力转向系统相对于传统的液压助力转向系统具有能耗低、优越的转向操控性、结构简单、易装配、免维护等优点，同时，还可实现传统液压助力转向无法实现的功能，比如主动回正、自动泊车、自动驾驶等功能。

近年来随着电动助力转向系统技术的成熟，越来越多的汽车生产产商开始配备电动助力转向系统，对于电动助力转向系统要求也越来越高，由最初的转向助力功能发展到主动回正、自动泊车、自动驾驶等。

车辆本身通常都具备一定的回正力，车辆行驶中，回正力时刻指向方向盘中间位置方向，当车辆转弯结束后，回正力使方向盘自动回到中间位置，。但车辆自身回正力往往不足以使方向盘完全回正，所以需要电动助力转向系统输出一点的回正力矩帮助方向盘完全回正，电动助力转向系统的这种功能称为主动回正功能。

主动回正功能的实现，需要获取方向盘绝对位置角度信息，现有技术通常做法是增加一个可测量方向盘全转动范围的角度传感器，来获取方向盘绝对位置角度信息。但是，增角度传感器也使成本提高，对成本敏感的低端车型无法应用，而往往是此类车型自身回正能力较差更需要主动回正功能，所以一种不增加成本实现主动回正功能的电动助力转向系统将更具竞争力。

发明内容

本发明提供了一种电动助力转向系统基于相对位置角度的主动回正控制方法，无需额外增加角度传感器，无成本增加，利用现有的扭矩传感器内附带的相对位置角度信号，通过计算得到方向盘绝对位置角度信息，再结合车速信号、扭矩信号等车辆状态信息进行主动回正控制。

为了解决上述问题，本发明采取的技术方案如下：基于由电动机、扭矩传感器、输入轴、输出轴、扭杆、减速机构、控制单元构成的电动助力转向系统，如图1。

再通过相对位置角度信号获取及处理模块、方向盘绝对位置角度零点获取模块、方向盘绝对位置角度获取模块、回正电流计算模块，实现主动回正功能。

电动助力转向系统上电后，控制器检测相对位置角度信号并对其进行处理，通过方向盘绝对位置角度零点获取模块、方向盘绝对位置角度获取模块得到方向盘绝对位置角度，利用方向盘绝对位置角度，进行主动回正控制，如图2。

相对位置角度信号获取，通过扭矩传感器获取方向盘相对位置角度，扭矩传感器的扭矩检测原理为，分别检测输入轴和输出轴的角度，计算两个角度的差值，再乘以扭杆角刚度值，得到扭矩信号，如图3。

可见，扭矩检测的过程中产生了两个无用的过程参数，两个相对位置角度信号，输入轴角度和输出轴角度，输入轴即为方向盘角度、输出轴角度加上两个角度差值等于方向盘角度，两个角度信号完全相同，本发明选取其中任意一个做说明。

将任意一个角度信号引出至控制器，见图4，即得到了一个表示方向盘相对位置的角度信号，用A_r表示。该角度由于缺少零点，所以称之为相对位置角度信号。A_r信号为检测范围为r度的周期信号，r远远小于方向盘全转动范围，方向盘输入角度为正弦时，A_r信号特性见图5，其可为模拟电压、PWM、数字信号等形式。

信号处理，A_r信号为量程为r度的周期性信号，无法测量方向盘转动全行程，需要对其测量范围进行扩展，扩展后可测量无限角度范围，方法如下：

S_Ar＝r*N₁+A_r

S_Ar表示量程扩展后的方向盘相对位置角度；N₁表示A_r的周期号，设定上电时刻为第0号周期，上电时设置N₁＝0，计算A_r当前采样点值与前一采样点值的差值K₁，当K₁值小于设定值时，N₁自增1，当N₁值大于设定值时，N₁自减1，该设定值为与r值接近的数值。

S_Ar、N₁、A_r关系见图6。

方向盘绝对位置角度零点获取模块，方向盘绝对位置角度零点表示车辆直行时方向盘所处位置，用S_Aa0表示。S_Aa0的获取具有两种方式，下线标定获取或自动获取，下线标定方式具有更高的优先级，执行过下线标定后不再进行自动获取。控制器判断是否进行过下线标定，S_Aa0是否已经获取，当未被标定过，且S_Aa0未获取，当自动获取条件满足时，进行自动获取零点；当进行下线标定时，对S_Aa0重新赋值。绝对位置角度零点获取流程见图7。

下线标定，整车下线时将车辆调整至直线行驶状态，进行零点标定操作，控制器读取并保存当前A_r值A_r0，S_Aa0＝A_r0。

自动获取，自动判断车辆行驶状态V_ST，当判断车辆为直行状态时，控制器读取并保存当前A_r值A_r0，S_Aa0＝A_r0。

车辆行驶状态的判断方法，当车速V_S大于设定值，转向输入扭矩S_Ti绝对值小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，上述条件全部满足后，其保持时间大于设定值，判定车辆为直行状态。

方向盘绝对位置角度获取模块，方向盘绝对位置角度S_Aa，当成功获取绝对位置零点S_Aa0成功获取的同时，可以计算出方向盘绝对位置角度S_Aa，计算过程如下：

S_Aa＝r*N₂+A_r-S_Aa0

S_Aa表示方向盘绝对位置角度；N₂表示A_r的周期号，S_Aa0所在周期为第0号周期，计算A_r当前采样点值与前一采样点值的差值K₂，当K₂值小于设定值时，N₂自增1，当K₂值大于设定值时，N₂自减1。该设定值为与r值接近的数值。

S_Aa、N₂、A_r关系见图8。

当车辆电源关闭后，N₂值将丢失，每次启动后需要重新获取N₂值。

N₂值通过以下两种方式获取：

通过车辆行驶状态获取N₂值，当车速V_S大于设定值，转向输入扭矩S_Ti绝对值小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，上述条件全部满足后，其保持时间大于设定值，此时认为车辆处于直线行驶状态，当A_r＝S_Ar0时，设置N₂＝0。

通过方向盘极限位置获取N₂值，方向盘左极限位置角度S_Aal，方向盘右极限位置角度S_Aam，当判断方向盘转至左极限位置S_Aal，且当A_r＝A_rl时，设置N₂＝N_2l，当判断方向盘转至右极限位置S_Aam，且当A_r＝A_rm时，设置N₂＝N_2m。

A_rl、A_rm和N_2l、N_2m分别为方向盘处于左、右极限位置时，A_r和N₂对应值，可根据方向盘满行程角度范围进行预先设置或自动学习。

左极限位置判断方法，方向盘输入扭矩S_Ti小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，目标电机电流值I大于设定值，此时认为方向盘处于左侧极限位置。

右极限位置判断方法，方向盘输入扭矩S_Ti大于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，目标助力电流值I大于设定值，此时认为方向盘处于右侧极限位置。

A_rl、A_rm和N_2l、N_2m自动学习方法，当A_rl、A_rm和N_2l、N_2m未被设置时，当判断方向盘处于左或右极限位置时，令A_rl、A_rm和N_2l、N_2m分别等于当前A_r和N₂对应值并存储。

回正电流计算模块，回正电流I_R为与S_Aa、车速相关的函数，其特性于车辆转向性能标定时设置于控制器内，当方向盘绝对位置角度S_Aa成功获取后，控制器按照预先设定的回正电流I_R与车速V_S、方向盘绝对位置角度S_Aa的对应关系计算回正电流值I_R，车速V_S越大I_R越小，S_Aa绝对值越大I_R越大。回正电流计算完成后，控制器驱动电机产生主动回正力矩，使方向盘回到中间位置。当方向盘绝对位置角度S_Aa成功获取前，控制器关闭主动回正功能，回正电流为零。

本发明的有益效果为：电动助力转向系统基于相对位置角度的主动回正控制方法，无需额外增加角度传感器，无成本增加，利用现有的扭矩传感器内附带的相对位置角度信号，通过计算得到方向盘绝对位置角度信息，再结合车速信号、扭矩信号等车辆状态信息进行主动回正控制。

附图说明

图1是系统构成图。

图2是控制方法流程图。

图3扭矩传感器原理。

图4方向盘相对位置角度信号获取方式。

图5方向盘相对位置角度信号特性。

图6S_Ar特性。

图7绝对位置角度零点获取流程。

图8S_Aa方向盘绝对位置角度特性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解释说明。

基于相对位置角度的主动回正控制方法的系统是由电动机、扭矩传感器、输入轴、输出轴、扭杆、减速机构、控制单元构成的电动助力转向系统，如图1。

再通过相对位置角度信号获取及处理模块、方向盘绝对位置角度零点获取模块、方向盘绝对位置角度获取模块、回正电流计算模块，实现主动回正功能。

电动助力转向系统上电后，控制器检测相对位置角度信号并对其进行处理，通过方向盘绝对位置角度零点获取模块、方向盘绝对位置角度获取模块得到方向盘绝对位置角度，利用方向盘绝对位置角度，进行主动回正控制，如图2。

相对位置角度信号获取，通过扭矩传感器获取方向盘相对位置角度，扭矩传感器的扭矩检测原理为，分别检测输入轴和输出轴的角度，计算两个角度的差值，再乘以扭杆角刚度值，得到扭矩信号，如图3。

可见，扭矩检测的过程中产生了两个无用的过程参数，两个相对位置角度信号，输入轴角度和输出轴角度，输入轴即为方向盘角度、输出轴角度加上两个角度差值等于方向盘角度，两个角度信号完全相同，本发明选取其中任意一个做说明。

将任意一个角度信号引出至控制器，见图4，即得到了一个表示方向盘相对位置的角度信号，用A_r表示。该角度由于缺少零点，所以称之为相对位置角度信号。A_r信号为检测范围为r度的周期信号，r远远小于方向盘全转动范围，方向盘输入角度为正弦时，A_r信号特性见图5，其可为模拟电压、PWM、数字信号等形式。

信号处理，A_r信号为量程为r度的周期性信号，无法测量方向盘转动全行程，需要对其测量范围进行扩展，扩展后可测量无限角度范围，方法如下：

S_Ar＝r*N₁+A_r

S_Ar表示量程扩展后的方向盘相对位置角度；N₁表示A_r的周期号，设定上电时刻为第0号周期，上电时设置N₁＝0，计算A_r当前采样点值与前一采样点值的差值K₁，当K₁值小于设定值时，N₁自增1，当N₁值大于设定值时，N₁自减1，该设定值为与r值接近的数值。

S_Ar、N₁、A_r关系见图6。

方向盘绝对位置角度零点获取模块，方向盘绝对位置角度零点表示车辆直行时方向盘所处位置，用S_Aa0表示。S_Aa0的获取具有两种方式，下线标定获取或自动获取，下线标定方式具有更高的优先级，执行过下线标定后不再进行自动获取。控制器判断是否进行过下线标定，S_Aa0是否已经获取，当未被标定过，且S_Aa0未获取，当自动获取条件满足时，进行自动获取零点；当进行下线标定时，对S_Aa0重新赋值。绝对位置角度零点获取流程见图7。

下线标定，整车下线时将车辆调整至直线行驶状态，进行零点标定操作，控制器读取并保存当前A_r值A_r0，S_Aa0＝A_r0。

自动获取，自动判断车辆行驶状态V_ST，当判断车辆为直行状态时，控制器读取并保存当前A_r值A_r0，S_Aa0＝A_r0。

车辆行驶状态的判断方法，当车速V_S大于设定值，转向输入扭矩S_Ti绝对值小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，上述条件全部满足后，其保持时间大于设定值，判定车辆为直行状态。

方向盘绝对位置角度获取模块，方向盘绝对位置角度S_Aa，当成功获取绝对位置零点S_Aa0成功获取的同时，可以计算出方向盘绝对位置角度S_Aa，计算过程如下：

S_Aa＝r*N₂+A_r-S_Aa0

S_Aa表示方向盘绝对位置角度；N₂表示A_r的周期号，S_Aa0所在周期为第0号周期，计算A_r当前采样点值与前一采样点值的差值K₂，当K₂值小于设定值时，N₂自增1，当K₂值大于设定值时，N₂自减1。该设定值为与r值接近的数值。

S_Aa、N₂、A_r关系见图8。

当车辆电源关闭后，N₂值将丢失，每次启动后需要重新获取N₂值。

N₂值通过以下两种方式获取：

通过车辆行驶状态获取N₂值，当车速V_S大于设定值，转向输入扭矩S_Ti绝对值小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，上述条件全部满足后，其保持时间大于设定值，此时认为车辆处于直线行驶状态，当A_r＝S_Ar0时，设置N₂＝0。

通过方向盘极限位置获取N₂值，方向盘左极限位置角度S_Aal，方向盘右极限位置角度S_Aam，当判断方向盘转至左极限位置S_Aal，且当A_r＝A_rl时，设置N₂＝N_2l，当判断方向盘转至右极限位置S_Aam，且当A_r＝A_rm时，设置N₂＝N_2m。

A_rl、A_rm和N_2l、N_2m分别为方向盘处于左、右极限位置时，A_r和N₂对应值，可根据方向盘满行程角度范围进行预先设置或自动学习。

左极限位置判断方法，方向盘输入扭矩S_Ti小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，目标电机电流值I大于设定值，此时认为方向盘处于左侧极限位置。

右极限位置判断方法，方向盘输入扭矩S_Ti大于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，目标助力电流值I大于设定值，此时认为方向盘处于右侧极限位置。

A_rl、A_rm和N_2l、N_2m自动学习方法，当A_rl、A_rm和N_2l、N_2m未被设置时，当判断方向盘处于左或右极限位置时，令A_rl、A_rm和N_2l、N_2m分别等于当前A_r和N₂对应值并存储。

回正电流计算模块，回正电流I_R为与S_Aa、车速相关的函数，其特性于车辆转向性能标定时设置于控制器内，当方向盘绝对位置角度S_Aa成功获取后，控制器按照预先设定的回正电流I_R与车速V_S、方向盘绝对位置角度S_Aa的对应关系计算回正电流值I_R，车速V_S越大I_R越小，S_Aa绝对值越大I_R越大。回正电流计算完成后，控制器驱动电机产生主动回正力矩，使方向盘回到中间位置。当方向盘绝对位置角度S_Aa成功获取前，控制器关闭主动回正功能，回正电流为零。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于相对位置角度的主动回正控制方法，其特征在于，

1）获取量程扩展后的方向盘相对位置角度S_Ar：将扭矩检测的过程中产生的角度信号引出至控制器，得到了一个表示方向盘相对位置的角度信号A_r，A_r信号为检测范围为r度的周期信号，对其测量范围进行扩展，扩展方法为：

S_Ar=r*N₁+A_r

S_Ar表示量程扩展后的方向盘相对位置角度；N₁表示A_r的周期号，设定上电时刻为第０号周期，上电时设置N₁=0，计算A_r当前采样点值与前一采样点值的差值K₁，当K₁值小于设定值时，N₁自增1，当N₁值大于设定值时，N₁自减1，该设定值为与r值接近的数值；

2）获取方向盘绝对位置角度零点S_Aa0： S_Aa0的获取具有两种方式，下线标定获取或自动获取，下线标定方式具有更高的优先级，执行过下线标定后不再进行自动获取；控制器判断是否进行过下线标定，S_Aa0是否已经获取，当未被标定过，且S_Aa0未获取，当自动获取条件满足时，进行自动获取零点；当进行下线标定时，对S_Aa0重新赋值；所述下线标定为：整车下线时将车辆调整至直线行驶状态，进行零点标定操作，控制器读取并保存当前A_r值A_r0，S_Aa0=A_r0；所述自动获取为：自动判断车辆行驶状态V_ST，当判断车辆为直行状态时，控制器读取并保存当前A_r值A_r0，S_Aa0=A_r0；

3）获取方向盘绝对位置角度S_Aa：当成功获取绝对位置零点S_Aa0成功获取的同时，可以计算出方向盘绝对位置角度S_Aa，计算过程如下：

S_Aa=r*N₂+A_r-S_Aa0

S_Aa表示方向盘绝对位置角度；N₂表示A_r的周期号，S_Aa0所在周期为第０号周期，计算A_r当前采样点值与前一采样点值的差值K₂，当K₂值小于设定值时，N₂自增1，当K₂值大于设定值时，N₂自减1，该设定值为与r值接近的数值；

4）回正电流计算：回正电流I_R为与S_Aa、车速相关的函数，其特性于车辆转向性能标定时设置于控制器内，当方向盘绝对位置角度S_Aa成功获取后，控制器按照预先设定的回正电流I_R与车速V_S、方向盘绝对位置角度S_Aa的对应关系计算回正电流值I_R，车速V_S越大I_R越小，S_Aa绝对值越大I_R越大；

5）回正电流计算完成后，控制器驱动电机产生主动回正力矩，使方向盘回到中间位置，当方向盘绝对位置角度S_Aa成功获取前，控制器关闭主动回正功能，回正电流为零。

2.根据权利要求1所述的基于相对位置角度的主动回正控制方法，其特征在于，车辆行驶状态的判断方法，当车速V_S大于设定值，转向输入扭矩S_Ti绝对值小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，上述条件全部满足后，其保持时间大于设定值，判定车辆为直行状态。

3.根据权利要求1所述的基于相对位置角度的主动回正控制方法，其特征在于，通过车辆行驶状态获取N₂值，当车速V_S大于设定值，转向输入扭矩S_Ti绝对值小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，上述条件全部满足后，其保持时间大于设定值，此时认为车辆处于直线行驶状态，当A_r= S_Ar0时，设置N₂=0。

4.根据权利要求1所述的基于相对位置角度的主动回正控制方法，其特征在于，通过方向盘极限位置获取N₂值，方向盘左极限位置角度S_Aal，方向盘右极限位置角度S_Aam，当判断方向盘转至左极限位置S_Aal，且当A_r=A_rl时，设置N₂=N_2l，当判断方向盘转至右极限位置S_Aam，且当A_r=A_rm时，设置N₂=N_2m，A_rl、A_rm和N_2l、N_2m分别为方向盘处于左、右极限位置时，A_r和N₂对应值，可根据方向盘满行程角度范围进行预先设置或自动学习。

5.根据权利要求4所述的基于相对位置角度的主动回正控制方法，其特征在于，A_rl、A_rm和N_2l、N_2m自动学习方法，当A_rl、A_rm和N_2l、N_2m未被设置时，当判断方向盘处于左或右极限位置时，令A_rl、A_rm和N_2l、N_2m分别等于当前A_r和N₂对应值并存储。

6.根据权利要求4所述的基于相对位置角度的主动回正控制方法，其特征在于，左极限位置判断方法，方向盘输入扭矩S_Ti小于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，目标电机电流值I大于设定值，此时认为方向盘处于左侧极限位置；

右极限位置判断方法，方向盘输入扭矩S_Ti大于设定值，S_Ar变化率绝对值小于设定值，目标助力电流值I大于设定值，此时认为方向盘处于右侧极限位置。

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