CN112270040A - 一种基于主动容错的c-eps控制策略硬件在环仿真开发平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于主动容错的C‑EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，包括硬件装置、dSPACE实时仿真系统和上位机；通过硬件装置中伺服电机作为转向阻力加载装置，结合汽车二自由度模型和前悬架参数在上位机中建立转向阻力矩模型；采用dSPACE实时仿真系统采集C‑EPS系统中转角传感器的转向盘转角信号、转矩传感器的转向盘转矩信号、助力电机的电流信号以及伺服电机驱动器的转速和转角信号，将上述C‑EPS系统的运行参数传输至上位机中，通过转向阻力矩模型得到转向总阻力矩，实时模拟C‑EPS系统的运行仿真工况，并在上位机中建立C‑EPS系统控制策略，实现硬件在环仿真试验。本发明可以有效提高C‑EPS系统控制策略的仿真精度和开发效率，降低了开发成本。

Description

一种基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台
技术领域
本发明涉及汽车自动驾驶技术领域，特别是一种基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台。
背景技术
随着电子制造业的发展和新能源车型产销量的不断提升，电动助力转向系统(Electronic Power Steering，EPS)除了不断占据传统汽车的转向系统外，由于生产成本的降低，也在众多新能源车型中逐渐普及。特别是助力电机和控制器布置在驾驶室中的管柱式电动助力转向系统(Column Type Electronic Power Steering，C-EPS)，其体积小、集成度高、防护要求低，可以适配各类无助力或液压助力转向车型，二次开发灵活度高，因此C-EPS的市场占有率不断提高。在C-EPS系统设计过程中，助力电机适配、控制策略的设计和优化往往占用大量的时间、精力和研发投入；在其标定调试过程中，主要验证助力效果，容易受到测量环境和主观感受的影响。硬件在环仿真平台则将系统工作所需的硬件嵌入仿真中，节省复杂的硬件建模过程,能够提供被测系统真实的反馈，因此通过硬件在环仿真开发平台试验研究可以验证助力曲线,检验助力效果，提高C-EPS的开发效率，降低开发成本。但是，现有的电动助力系统性能测试装置还是不能在一定程度上代替实车试验，同时欠缺精确加载转向阻力的问题，导致仿真实验效果不佳，精度较低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台。本发明可以有效提高C-EPS系统控制策略的仿真精度和开发效率，降低了开发成本。
本发明的技术方案：一种基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：包括硬件装置、dSPACE实时仿真系统和上位机；
所述硬件装置包括台架，台架上设有具有C-EPS系统的转向管，转向管的上端连接有转向盘，转向管的下端经联轴器连接有行星齿轮减速器；所述行星齿轮减速器的下端连接有伺服电机，伺服电机连接有伺服电机驱动器；所述C-EPS系统包括设置在转向管的转角传感器、转矩传感器和涡轮蜗杆减速器；所述涡轮蜗杆减速器连接有助力电机，助力电机连接有助力电机驱动器；所述助力电机和助力电机驱动器之间设有电流传感器；
通过伺服电机作为转向阻力加载装置，结合汽车二自由度模型和前悬架参数在上位机中建立转向阻力矩模型；
采用dSPACE实时仿真系统采集C-EPS系统中转角传感器的转向盘转角信号、转矩传感器的转向盘转矩信号、助力电机的电流信号以及伺服电机驱动器的转速和转角信号，将上述C-EPS系统的运行参数传输至上位机中，通过转向阻力矩模型得到转向总阻力矩，实时模拟C-EPS系统的运行仿真工况，并在上位机中建立基于主动容错的C-EPS系统控制策略，实现硬件在环仿真试验。
上述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，所述转向阻力矩模型为转向总阻力矩TR，包括轮胎与地面的摩擦阻力TR1，前轴抬升的重力回正力矩TR2，侧向力回正力矩TR3以及悬架和转向系内部摩擦力矩TR4；
所述的轮胎与地面的摩擦阻力TR1在原地转向时最大，随着车速的增加迅速降低，公式如下：
Figure BDA0002739444370000021
式中：K为速度系数，当车速为0时取1，随车速增加而线性减小，车速达到10km/h时降至0；f为附着系数，取0.7；G为前轴满载载荷；p为车轮胎压；
所述的前轴抬升的重力回正力矩TR2由转向轮主销内倾角产生的回正力矩和主销偏移距产生的回正力矩组成，计算如下：
Figure BDA0002739444370000031
式中：η1为转向系逆效率，取值0.65；δin为内转向轮转角；δout为外转向轮转角；γ为前轮主销内倾角，取0.19rad；s1为为轮心点至主销轴线的水平距离；s2为主销偏移距；
根据二自由度车辆模型和前后轮侧偏角，作用在转向轮上的侧向力和车轮拖距产生的侧向力回正力矩TR3计算如下：
Figure BDA0002739444370000032
式中：ωr为车辆横摆角速度；β为车辆心侧偏角，u为车辆行驶车速；θc为转向盘转角；σ为前轮主销后倾角，取0.11rad；
悬架和转向系内部摩擦阻力矩TR4与转向角速度方向相反，转向回正阻力矩与转向角度相反，因此转向总阻力矩TR计算如下：
Figure BDA0002739444370000033
式中：η2为转向系正效率，取0.75。
前述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，模拟C-EPS系统的运行仿真工况具体如下：
以转向管柱的芯轴作为参考对象，建立其动力学方程和动态电路方程：
Figure BDA0002739444370000041
式中：Tm为助力电机输出转矩；Jm为助力电机转动惯量；Jc为转向管转动惯量；Bm为助力电机阻尼；Th为转向盘输入转矩；L为助力电机电枢电感；ia为助力电机电枢电流；Ud为助力电机电枢电压；R为助力电机电枢电阻；Kb为反电势系数；Ke为电磁转矩常数；θc为转向盘转角；
Figure BDA0002739444370000043
转向盘转速，
Figure BDA0002739444370000044
为转向盘的角加速度；
Figure BDA0002739444370000045
为电机电枢电流的一阶导数，；j为蜗轮蜗杆减速器减速比；
助力电机驱动器用一阶滞后环节传递函数表示：
Figure BDA0002739444370000042
式中：Ks为触发整流环节放大系数，取值1.2；Ts为整流电路平均失控时间，取值0.1s；S为拉普拉斯变换中的复频域；
根据转向管柱的芯轴作为参考对象建立的其动力学方程和动态电路方程以及一阶滞后环节传递函数，得到C-EPS系统的运行仿真。
前述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，所述C-EPS系统控制策略包括信号处理模块、运行监测模块、CAN模块和控制模式切换模块；所述控制模块切换模块中设有助力模式、回正模式和故障模式；
将转向盘转矩信号、转向盘转角信号、助力电机的电流信号输入至信号处理模块中进行处理，然后与CAN模块的车速模拟信号一同进入运行监测模块，实现C-EPS系统的开机自检、运行监测和故障报错；若出现故障，运行监测模块输出故障码至CAN模块，并下发故障信号，使得控制模块切换模块切换到故障模式；若各部分功能正常，则根据C-EPS系统运行状态在助力模块和回正模块之间自动切换。
前述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，所述的助力模式和回正模式的切换根据转向盘转速和转向盘转角的乘积进行判断：
Figure BDA0002739444370000051
若转向盘转速和转向盘转角的乘积大于等于0，则为助力模式；反之则为回正模式，助力模式和回正模式均采用PID控制器来控制助力电机。
前述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，在助力模式中，采用直线型转向助力曲线建立转向助力曲线族，每条助力曲线的助力力矩Ta和转向输入转矩Th的函数关系为：
Figure BDA0002739444370000052
式中：ui为助力曲线族中每条助力曲线的车速；Tmax(ui)为每条助力曲线的最大助力值；ki为速度感应系数；
每条助力曲线之间的目标助力转矩采用线性插值法确定，计算如下：
Figure BDA0002739444370000061
式中：u为车速；
前述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，助力模式中，PID控制器的Kp、Ki、Kd为自变量，优化范围0-300，遗传代数为100代，选择用时间乘绝对误差积分作为性能评价指标：
Figure BDA0002739444370000062
式中：ITAE时间乘绝对误差积分；
完成100代遗传后，得到ITAE的极小值以及Kp、Ki、Kd值，实现PID控制器的准确控制。
前述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，在助力模式中，转角传感器、电流传感器和转矩传感器的故障描述如下：
yif＝yi+(Δmi-1)yi+α；
式中：yif为传感器实际输出值；yi为真实值；α为传感器卡死值；Δm为传感器故障增益，当Δm为1，α为0时，传感器无故障；
Figure BDA0002739444370000063
yf＝y+fs；
式中:i＝1，2，3时，分别代表转角传感器、电流传感器和转矩传感器；yf为带故障的传感器的系统状态输出信号；y为原系统状态输出；fs为传感器的错误偏差值的输出；
以转向管柱的芯轴、助力电机以及助力电机电路作为参考对象，建立转向系动力学模型：
Figure BDA0002739444370000071
Figure BDA0002739444370000072
Figure BDA0002739444370000073
式中：Th为转向输入转矩；Bc为管柱阻尼；
Figure BDA0002739444370000075
转向盘转速；Kc为管柱刚度；θc为转向盘转角；θm为电机转动轴的转角；Jc为转向管转动惯量；N为蜗轮蜗杆减速器减速比；
Figure BDA0002739444370000076
为转向盘的角加速度；Kt为助力电机电磁转矩系数；Im为助力电机电枢电流；Jm为助力电机转动惯量；
Figure BDA0002739444370000077
为电机转动轴的转角的一阶导数，即电机转动轴的角速度；
Figure BDA0002739444370000078
为电机转动轴的转角的二阶导数，即电机转动轴的角加速度；Bm为助力电机阻尼；Jeq为转向系等效至小齿轮转动惯量；Beq为转向系等效至小齿轮阻尼；TR为转向总阻力距矩；
Figure BDA0002739444370000079
为助力电机电枢电流的一阶导数；ud为电枢端电压；Kd为电机反电动势系数；
状态空间表达式为：
Figure BDA0002739444370000074
y＝C0x；
Figure BDA0002739444370000081
Figure BDA0002739444370000082
Figure BDA0002739444370000083
w＝[Th TR]T；
利用转角传感器、电流传感器和转矩传感器的故障描述以及转向系动力学模型得到带有传感器故障的转向数学模型：
Figure BDA0002739444370000085
y＝C0x+Fsfs；
其中Fs为故障矢量：
Figure BDA0002739444370000084
前述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，在故障模式中，将传感器的错误偏差值fs作为系统状态，建立对未知输入转向输入转矩Th和转向总阻力矩TR不敏感的未知输入观测器，根据C-EPS系统输入ud，将带故障的传感器信号yf进行估计和解耦，得到传感器的错误偏差值fs的估计值，并进行信号重构，将传感器恢复至无故障状态,因此，基于转向系状态空间表达式建立扩展矩阵，得到带故障的转向系数学模型：
Figure BDA0002739444370000091
Figure BDA0002739444370000092
其中：
Figure BDA0002739444370000093
C＝[C0 Fs]。
前述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，所述的未知输入观测器如下:
Figure BDA0002739444370000094
Figure BDA0002739444370000095
式中：
Figure BDA0002739444370000096
为未知输入观测器状态向量的一阶导数，即状态向量的变化率；
Figure BDA0002739444370000097
为系统状态的估计向量；Z为状态向量；F、T、k和H为系统解耦故障所设置矩阵。
与现有技术相比，本发明搭建了C-EPC系统的仿真试验的硬件装置，利用伺服电机作为转向阻力加载装置，再将汽车二自由度模型和前悬架参数相结合，在上位机中建立转向阻力矩模型，然后通过dSPACE实时仿真系统采集C-EPS系统的运行参数，通过转向阻力矩模型得到转向总阻力矩，实时模拟C-EPS系统的运行仿真工况，并建立C-EPS系统控制策略实现硬件在环仿真试验。本发明采用伺服电机产生不同的转向助力矩模拟实际转向各类工况，具有结构紧凑、响应速度快和精度高的优点。本发明的硬件装置具有稳定性好，噪声低的优点。本发明可以有效提高C-EPS系统控制策略的仿真精度和开发效率，能够快速的对C-EPS系统控制策略进行验证，较好地模拟各工况下的转向阻力矩，同时还能对C-EPS系统运行参数进行实时监测与反馈，及时发现C-EPS系统在软、硬件上的不足之处，为加快C-EPS系统的ECU产业化进程奠定了基础。此外，本发明的C-EPC系统还具体优化了在助力模式和故障模式的两种不同工况仿真前景，从而适合小型乘用车、小型货车的C-EPS系统的开发需求，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明示意图；
图2是转向动作时的转向总阻力矩值图；
图3是回正动作时的转向总阻力矩值图；
图4是C-EPS系统的运行仿真图；
图5是C-EPS系统控制策略图；
图6是转向助力曲线族图；
图7是助力电机电流阶跃响应曲线图；
图8是电流跟随试验结果图；
图9是5km/h工况下转向助力轻便性试验结果图；
图10是20km/h工况下转向助力轻便性试验结果图；
图11是60km/h工况下转向助力轻便性试验结果图；
图12是C-EPS系统的传感器容错控制结构图；
图13是未知输入观测器结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：一种基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，如图1所示，包括硬件装置、dSPACE实时仿真系统和上位机；dSPACE实时仿真系统由DS1006处理器板、DS2202 HILI/O接口板组成，DS1006处理器板完成实时模型中的算法运算，DS2202接口板测量和产生需要的信号，二者通过PHS++总线连接；DS1006处理器板搭载64位的AMDOpteron作为主处理器，其中集成了一个256MB的本地存储器用于运行实时模型，一个128MB的全局存储器用于与上位机进行数据交换，可以应用于快速控制原型(RCP)与硬件在环(HIL)，能够处理诸如动力系统和虚拟车辆等复杂的、大型的、对处理性能要求极高的模型。DS2202 HIL I/O接口板提供了16路差分A/D采集通道、24路PWM测量输入通道、20路D/A输出通道、9路PWM输出通道、16路数字输出通道。dSPACE实时仿真系统的上位机安装应用软件dSPACE ControlDesk 5.6、CarSim 2016.2以及MATLAB R2016a，用于管理dSPACE实时仿真系统，对控制策略与硬件驱动模块进行编译。
所述硬件装置包括台架，台架上设有具有C-EPS系统的转向管，转向管的上端连接有转向盘，转向管的下端经联轴器连接有行星齿轮减速器；所述行星齿轮减速器的下端连接有伺服电机，伺服电机连接有伺服电机驱动器；所述C-EPS系统包括设置在转向管的转角传感器、转矩传感器和涡轮蜗杆减速器；所述涡轮蜗杆减速器连接有助力电机，助力电机连接有助力电机驱动器；所述助力电机和助力电机驱动器之间设有电流传感器；
该C-EPS系统的基本参数以及对应的整车参数如下：
参数 数值 参数 数值
整车质量m(kg) 1200 转向系传动比i<sub>s</sub> 16.41
轴距l(mm) 2700 C-EPS减速器减速比j 16.5
质心位置a(mm) 1255.5 C-EPS电机额定功率P(W) 180
车轮静力半径r(mm) 307 C-EPS电机额定电流I(A) 15
车轮胎压p(Mpa) 0.3 C-EPS电机额定电压U(V) 12
表1
本实施例中选用的伺服电机和行星齿轮减速器参数如下：
参数 数值 参数 数值
伺服电机额定输出功率P<sub>s</sub>(kw) 0.75 伺服电机转矩参数K<sub>s</sub>(N·m/A) 0.57
伺服电机额定转矩T<sub>s</sub>(Nm) 2.39 伺服电机转动惯量J<sub>s</sub>(kg·m<sup>2</sup>) 2.03×10<sup>-4</sup>
伺服电机峰值转矩T<sub>smax</sub>(Nm) 7.16 行星齿轮减速器减速比i<sub>p</sub> 16
伺服电机额定电流I<sub>s</sub>(A) 4.8 行星齿轮减速器满载效率η<sub>p</sub> 94％
伺服电机额定转速N(rpm) 3000 行星齿轮减速器转动惯量J<sub>p</sub>/(kg·m<sup>2</sup>) 0.5×10<sup>-4</sup>
表2
通过伺服电机作为转向阻力加载装置，结合汽车二自由度模型和前悬架参数在上位机中建立转向阻力矩模型；该阻力加载装置的最大模拟工况，可根据汽车原地转向阻力经验公式计算：
Figure BDA0002739444370000121
式中：f为附着系数，取0.7；G为前轴满载载荷；is0为转向系总传动比，取值为15-20；计算可得转向阻力加载装置最大可模拟前轴载荷约21KN的原地转向阻力，基本满足包括小型乘用车、小型货车的C-EPS系统的开发需求。
所述转向阻力矩模型为转向总阻力矩TR，包括轮胎与地面的摩擦阻力TR1，前轴抬升的重力回正力矩TR2，侧向力回正力矩TR3以及悬架和转向系内部摩擦力矩TR4；
所述的轮胎与地面的摩擦阻力TR1在原地转向时最大，随着车速的增加迅速降低，公式如下：
Figure BDA0002739444370000122
式中：K为速度系数，当车速为0时取1，随车速增加而线性减小，车速达到10km/h时降至0；f为附着系数，取0.7；G为前轴满载载荷；p为车轮胎压；
所述的前轴抬升的重力回正力矩TR2由转向轮主销内倾角产生的回正力矩和主销偏移距产生的回正力矩组成，计算如下：
Figure BDA0002739444370000131
式中：η1为转向系逆效率，取值0.65；δin为内转向轮转角；δout为外转向轮转角；γ为前轮主销内倾角，取0.19rad；s1为为轮心点至主销轴线的水平距离，取值为89.96mm；S2为主销偏移距,取值为29.14mm；
根据二自由度车辆模型和前后轮侧偏角，作用在转向轮上的侧向力和车轮拖距产生的侧向力回正力矩TR3计算如下：
Figure BDA0002739444370000132
式中：ωr为车辆横摆角速度；β为车辆心侧偏角，u为车辆行驶车速；θc为转向盘转角；σ为前轮主销后倾角，取0.11rad；
悬架和转向系内部摩擦阻力矩TR4(TR4一般取经验值，主要与轮上载荷、拉杆球头和减振器等相关。本实施例中的C-EPS悬架和转向系内部摩擦阻力矩取值30N/m)与转向角速度方向相反，转向回正阻力矩与转向角度相反，因此转向总阻力矩TR计算如下：
Figure BDA0002739444370000133
式中：η2为转向系正效率，取0.75.
驾驶员进行转向动作时(
Figure BDA0002739444370000134
转向盘转速和转角方向一致)的转向总阻力矩值如图2所示：转向摩擦阻力矩和转向回正力矩方向相同，阻碍驾驶员转向，当车速小于10km/h时，转向摩擦阻力矩在转向总阻力矩中占比较大，并随着车速的升高而下降；当车速大于10km/h时，转向回正力矩在转向总阻力矩中占比较大，并随着车速的升高以及转向盘转角的增加而增大。
驾驶员进行转向回正动作时(
Figure BDA0002739444370000142
转向盘转速和转角方向相反)的转向总阻力矩值如图3所示：转向摩擦阻力矩与转向盘角速度方向相反，阻碍转向盘回正，转向回正力矩与转向盘转角方向相反，转向有一定自动回正，当车速小于10km/h时，转向摩擦阻力矩占比较大，转向盘无法回正到位，需要驾驶员手动回正；当车速处于20～40km/h时，转向盘能够自动回正，但由于转向盘在转角较小时回正力矩较小，因此转向盘无法完全回正到位；当车速大于40km/h时，转向盘能够完全回正，并且回正性能随着车速升高和转向盘转角增加而增强。
采用dSPACE实时仿真系统采集C-EPS系统中转角传感器的转向盘转角信号、转矩传感器的转向盘转矩信号、助力电机的电流信号以及伺服电机驱动器的转速和转角信号，将上述C-EPS系统的运行参数传输至上位机中，通过转向阻力矩模型得到转向总阻力矩，实时模拟C-EPS系统的运行仿真工况，并在上位机中利用MATLAB/Simulink建立C-EPS系统控制策略，根据转向手感的主观评价以及系统运行状态同时不断调整和完整，完成对基于硬件在环仿真的C-EPS系统控制策略开发和优化，实现硬件在环仿真试验。
模拟C-EPS系统的运行仿真工况具体如下：
以转向管柱的芯轴作为参考对象，建立其动力学方程和动态电路方程：
Figure BDA0002739444370000141
式中：Tm为助力电机输出转矩；Jm为助力电机转动惯量,取0.0005kg·m2；Jc为转向管转动惯量，取0.18kg·m2；Bm为助力电机阻尼，取0.0035N·m·rad；Th为转向盘输入转矩；L为助力电机电枢电感，取280μH；ia为助力电机电枢电流；Ud为助力电机电枢电压；R为助力电机电枢电阻，取0.4Ω；Kb为反电势系数，取0.107V·s·rad；Ke为电磁转矩常数，取0.107N·m/A；θc为转向盘转角；
Figure BDA0002739444370000152
转向盘转速，
Figure BDA0002739444370000153
为转向盘的角加速度；
Figure BDA0002739444370000154
为电机电枢电流的一阶导数；j为蜗轮蜗杆减速器减速比；
助力电机驱动器用一阶滞后环节传递函数表示：
Figure BDA0002739444370000151
式中：Ks为触发整流环节放大系数，取值1.2；Ts为整流电路平均失控时间，取值0.1s；S为拉普拉斯变换中的复频域(s域)；
根据转向管柱的芯轴作为参考对象，建立的其动力学方程和动态电路方程以及一阶滞后环节传递函数，得到如图4所示的C-EPS系统的运行仿真。
由于C-EPS系统控制策略需要保证低速时车辆转向的轻便灵活及回正性能，高速时车辆转向稳定可靠及抑制回正超调，本实施例中，如图5所示，所述C-EPS系统控制策略包括信号处理模块、运行监测模块、CAN模块和控制模式切换模块；所述控制模块切换模块中设有助力模式、回正模式和故障模式；
将转向盘转矩信号、转向盘转角信号、助力电机的电流信号输入至信号处理模块中进行处理，然后与CAN模块的车速模拟信号一同进入运行监测模块，实现C-EPS系统的开机自检、运行监测和故障报错；若出现故障，运行监测模块输出故障码至CAN模块，并下发故障信号，使得控制模块切换模块切换到故障模式，从而根据不同的故障类型和故障严重度，实现C-EPS系统的恒功率、降功率运行或者停机，以提高C-EPS系统的安全性；若各部分功能正常，则根据C-EPS系统运行状态在助力模块和回正模块之间自动切换。
所述的助力模式和回正模式的切换根据转向盘转速和转向盘转角的乘积进行判断：
Figure BDA0002739444370000161
若转向盘转速和转向盘转角的乘积大于等于0，则为助力模式；反之则为回正模式，助力模式和回正模式均采用PID控制器来控制助力电机。
在助力模式中，采用直线型转向助力曲线建立如图6所示的转向助力曲线族，从图6中可以看出，在一定车速下，理想的转向盘输入力矩随着车速的增大而增大。在低速工况下，C-EPS系统提供较大的助力力矩，并随着车速的升高，助力力矩下降，当车速达到80km/h及以上时，助力电机不再输出助力力矩，助力力矩的大小与电机工作电流正相关，因此每条助力曲线的助力力矩Ta和转向输入转矩Th的函数关系为：
Figure BDA0002739444370000162
式中：ui为助力曲线族中每条助力曲线的车速；Tmax(ui)为每条助力曲线的最大助力值；ki为速度感应系数；
每条助力曲线之间的目标助力转矩采用线性插值法确定，计算如下：
Figure BDA0002739444370000163
式中：u为车速。
助力模式中，PID控制器的Kp、Ki、Kd为自变量，优化范围0-300，遗传代数为100代，选择用时间乘绝对误差积分作为性能评价指标：
Figure BDA0002739444370000171
式中：ITAE时间乘绝对误差积分；
完成100代遗传后，得到ITAE的极小值为0.0353706，Kp、Ki、Kd值分别为122.7393、299.8516、11.9047，并得到如图7所示的助力电机电流阶跃响应曲线，优化后助力力矩阶跃响应反应时间为0.01s，稳态值为6.1A，稳定时间为3.8s，超调量为0.5％，表明优化后的PID控制器参数取得了良好的控制效果。
在得到基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台后，使用Controldesk作为数据采集和试验控制的人机交互界面。Controldesk提供了控制、监视和自动化实验等功能，支持MATLAB/Simulink生成代码并导入dSPACE实时仿真系统。选取电流跟随试验、转向助力轻便性试验作为C-EPS系统性能测试的主要试验项目。
电流跟随试验
如图8所示的电流跟随试验，设定车速为10km/h，2s时阶跃转向输入转矩为3N·m，助力电机实际电流跟随目标电流立即达到4.5A峰值，经过3s的不规则波动后，电流迅速减小为0A。从试验数据中可以发现，助力电机实际电流相对目标电流有约0.05秒的滞后，主要是建立动力学方程和动态电路方程时，未考虑传感器信号的滞后性，导致实际试验时电机电流的滞后；当电流达到峰值时，目标电流和电机实际电流具有明显的波动，实际转向手感具有轻微的齿轮啮合感，可能的原因是助力电机在低速运转情况下发生电流值摄动，从而导致助力力矩的波动，但是上述状况均是轻微情况，从效果来说均与实际结果无太大差异，表明本发明具有良好的仿真精度。
转向助力轻便性试验
为验证本发明的效果，转向盘以正反180°为一个转动周期，分别在5km/h、20km/h与60km/h的工况下进行转向助力轻便性试验，得到如图9-图11所示转向盘输入力矩和转向盘转角关系图。从图9可以看出，无C-EPS系统时，5km/h工况下转向输入力矩约为11N·m，低速下转向阻力矩主要为摩擦阻力矩，转向盘需要施加转向力矩手动回正，有C-EPS系统时，转向输入力矩约为2N·m，且实现不施加转向力矩，转向盘自动回正；从图11可以看出，无C-EPS系统时，20km/h工况下转向输入力矩约为4-6N·m,随转向盘转角增加而增加，转向阻力矩中转向回正力矩占比升高，但由于转向摩擦阻力矩的存在，需要施加1N·m左右转向力矩进行转向盘回正，有C-EPS系统时，转向输入力矩约为3N·m，转向盘可自动回正；从图11可以看出，无C-EPS系统时，60km/h工况下转向输入力矩随转向盘转角增加而增大，约为5-9N·m，转向阻力矩主要由转向回正力矩组成，回正力矩大小约为0-2N·m，随转向盘转角减小而减小，有C-EPS系统时，转向输入力矩大小为4-6N·m，随转向盘转角增加而增加。通过图9-11对比发现，C-EPS系统能够实现转向输入力矩随速增加，有利于高速状态下的行驶稳定性以及行车安全性。
实施例2：本实施例的前半步骤与实施例1中一致，但是在C-EPS系统控制策略中将控制模式切换模块切换成故障模式。
在故障模式中，转角传感器、电流传感器和转矩传感器的故障描述如下：
yif＝yi+(Δmi-1)yi+α；
式中：yif为传感器实际输出值；yi为真实值；α为传感器卡死值；Δm为传感器故障增益，当Δm为1，α为0时，传感器无故障；
Figure BDA0002739444370000191
yf＝y+fs；
式中:i＝1，2，3时，分别代表转角传感器、电流传感器和转矩传感器；yf为带故障的传感器信号；y为带故障的传感器的系统状态输出；fs为传感器的错误偏差值；
以转向管柱的芯轴、助力电机以及助力电机电路作为参考对象，建立转向系动力学模型：
Figure BDA0002739444370000192
Figure BDA0002739444370000193
Figure BDA0002739444370000194
式中：Th为转向输入转矩；Bc为管柱阻尼，取值为0.35N·m·s/rad；
Figure BDA0002739444370000195
转向盘转速；Kc为管柱刚度，取值为6800N·m/rad；θc为转向盘转角；θm为电机转动轴的转角；Jc为转向管转动惯量，取值为0.029kg·m2；N为蜗轮蜗杆减速器减速比，取值为16.5；
Figure BDA0002739444370000196
为转向盘的角加速度；Kt为助力电机电磁转矩系数，取值为0.054；Im为助力电机电枢电流；Jm为助力电机转动惯量，取值为0.00045kg·m2；
Figure BDA0002739444370000197
为电机转动轴的转角的一阶导数(电机转动轴的角速度)；
Figure BDA0002739444370000198
为电机转动轴的转角的二阶导数(电机转动轴的角加速度)；Bm为助力电机阻尼，取值为0.0035N·m·s/rad；Jeq为转向系等效至小齿轮转动惯量，取值为0.0026kg·m2；Beq为转向系等效至小齿轮阻尼，取值为32.58N·m·s/rad；TR为转向总阻力矩；
Figure BDA0002739444370000206
为助力电机电枢电流的一阶导数；ud为电枢端电压；Kb为电机反电动势系数，取值为0.054；
状态空间表达式为：
Figure BDA0002739444370000201
y＝C0x；
Figure BDA0002739444370000202
Figure BDA0002739444370000203
Figure BDA0002739444370000204
w＝[Th TR]T；
利用转角传感器、电流传感器和转矩传感器的故障描述以及转向系动力学模型得到带有传感器故障的转向数学模型：
Figure BDA0002739444370000205
y＝C0x+Fsfs；
其中Fs为故障矢量：
Figure BDA0002739444370000211
如图12所示，C-EPS系统的传感器容错控制基于未知输入观测器和传感器信号重构模块组成，既将传感器的错误偏差值fs作为系统状态，建立对未知输入转向输入转矩Th、转向总阻力矩和TR不敏感的未知输入观测器，根据C-EPS系统输入ud，将带故障的传感器信号yf进行估计和解耦，得到传感器的错误偏差值fs的估计值
Figure BDA0002739444370000217
并由传感器信号重构模块进行信号重构，重构后的传感器信号为
Figure BDA0002739444370000218
将传感器恢复至无故障状态,因此，基于转向系状态空间表达式建立扩展矩阵，得到带故障的转向系数学模型：
Figure BDA0002739444370000212
Figure BDA0002739444370000213
其中：
Figure BDA0002739444370000214
C＝[C0 Fs]。
所述的未知输入观测器如下，结构如图13所示：
Figure BDA0002739444370000215
Figure BDA0002739444370000216
式中：
Figure BDA0002739444370000219
为系统状态的估计向量；Z为状态向量；F、T、k和H为系统解耦故障所设置矩阵。
未知输入观测器存在的充要条件为：
1、rank(CG)＝rank(G)，C＝[C0 Fs]，
Figure BDA0002739444370000221
2、(C，A1)可观，其中：A1＝A-G[(CG)TCG]-1(CG)TCA；
未知输入观测器具有估计误差：
Figure BDA0002739444370000222
为使估计误差e(t)能够渐进收敛至0，未知输入观测器能够准确估计转向系的状态，需要满足下列条件：
(HC-I)G＝0、T＝HC-I、F＝A-HCA-K＝K1C、K2＝FH和F＜0；
上述条件中的各矩阵均为未知输入观测器中的系数矩阵；
对于C-EPS系统扩展矩阵模型的未知输入观测器，其主要的求解步骤为：
1、r1＝rank(CG)＝rank(G)＝5；
2、计算观测器系数矩阵H、T和A1；
H＝G[(CG)TCG]-1(CG)T
T＝HC-I；
解得：
Figure BDA0002739444370000223
Figure BDA0002739444370000231
3、检测(C，A1)的能观性，
Figure BDA0002739444370000232
C-EPS系统不完全能观，需做能观性分解，存在非奇异矩阵P，有：
Figure BDA0002739444370000233
CP-1＝[C* 0]；
Figure BDA0002739444370000234
为对矩阵PA1P-1进行分块，A11大小为5×5，A12大小为5×3，A21大小为3×5；
Figure BDA0002739444370000235
其中,C-EPS系统分块A11完全能观；
且式中，
Figure BDA0002739444370000236
Figure BDA0002739444370000237
为对矩阵Kp的分块，
Figure BDA0002739444370000238
大小为5×5，
Figure BDA0002739444370000239
大小为5×3
4、选取适当5个特征值，对
Figure BDA00027394443700002310
进行极点配置，解得
Figure BDA00027394443700002311
Figure BDA00027394443700002312
可取任意适当维数的矩阵，其取值不会对F的稳定性产生影响，因此解得K1：
Figure BDA0002739444370000241
Figure BDA0002739444370000242
5、求解F与K：
F＝A-HCA-K＝K1C；
K＝K1+K2＝K1+FH；
Figure BDA0002739444370000243
Figure BDA0002739444370000244
以上，完成未知输入观测器的设计。
综上所述，本发明可以有效提高C-EPS系统控制策略的仿真精度和开发效率，能够快速的对C-EPS系统控制策略进行验证，较好地模拟各工况下的转向阻力矩，同时还能对C-EPS系统运行参数进行实时监测与反馈，及时发现C-EPS系统在软、硬件上的不足之处，为加快C-EPS系统的ECU产业化进程奠定了基础。

Claims (10)

1.一种基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：包括硬件装置、dSPACE实时仿真系统和上位机；
所述硬件装置包括台架，台架上设有具有C-EPS系统的转向管，转向管的上端连接有转向盘，转向管的下端经联轴器连接有行星齿轮减速器；所述行星齿轮减速器的下端连接有伺服电机，伺服电机连接有伺服电机驱动器；所述C-EPS系统包括设置在转向管的转角传感器、转矩传感器和涡轮蜗杆减速器；所述涡轮蜗杆减速器连接有助力电机，助力电机连接有助力电机驱动器；所述助力电机和助力电机驱动器之间设有电流传感器；
通过伺服电机作为转向阻力加载装置，结合汽车二自由度模型和前悬架参数在上位机中建立转向阻力矩模型；
采用dSPACE实时仿真系统采集C-EPS系统中转角传感器的转向盘转角信号、转矩传感器的转向盘转矩信号、助力电机的电流信号以及伺服电机驱动器的转速和转角信号，将上述C-EPS系统的运行参数传输至上位机中，通过转向阻力矩模型得到转向总阻力矩，实时模拟C-EPS系统的运行仿真工况，并在上位机中建立基于主动容错的C-EPS系统控制策略，实现硬件在环仿真试验。
2.根据权利要求1所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：所述转向阻力矩模型为转向总阻力矩TR，包括轮胎与地面的摩擦阻力TR1，前轴抬升的重力回正力矩TR2，侧向力回正力矩TR3以及悬架和转向系内部摩擦力矩TR4；
所述的轮胎与地面的摩擦阻力TR1在原地转向时最大，随着车速的增加迅速降低，公式如下：
Figure FDA0002739444360000021
式中：K为速度系数，当车速为0时取1，随车速增加而线性减小，车速达到10km/h时降至0；f为附着系数，取0.7；G为前轴满载载荷；p为车轮胎压；
所述的前轴抬升的重力回正力矩TR2由转向轮主销内倾角产生的回正力矩和主销偏移距产生的回正力矩组成，计算如下：
Figure FDA0002739444360000022
式中：η1为转向系逆效率，取值0.65；δin为内转向轮转角；δout为外转向轮转角；γ为前轮主销内倾角，取0.19rad；s1为为轮心点至主销轴线的水平距离；s2为主销偏移距；
根据二自由度车辆模型和前后轮侧偏角，作用在转向轮上的侧向力和车轮拖距产生的侧向力回正力矩TR3计算如下：
Figure FDA0002739444360000023
式中：ωr为车辆横摆角速度；β为车辆心侧偏角，u为车辆行驶车速；θc为转向盘转角；σ为前轮主销后倾角，取0.11rad；
悬架和转向系内部摩擦阻力矩TR4与转向角速度方向相反，转向回正阻力矩与转向角度相反，因此转向总阻力矩TR计算如下：
Figure FDA0002739444360000031
式中：η2为转向系正效率，取0.75。
3.根据权利要求1所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：模拟C-EPS系统的运行仿真工况具体如下：
以转向管的柱芯轴作为参考对象，建立其动力学方程和动态电路方程：
Figure FDA0002739444360000032
式中：Tm为助力电机输出转矩；Jm为助力电机转动惯量；Jc为转向管转动惯量；Bm为助力电机阻尼；Th为转向盘输入转矩；L为助力电机电枢电感；ia为助力电机电枢电流；Ud为助力电机电枢电压；R为助力电机电枢电阻；Kb为反电势系数；Ke为电磁转矩常数；θc为转向盘转角；
Figure FDA0002739444360000033
转向盘转速，
Figure FDA0002739444360000034
为转向盘的角加速度；
Figure FDA0002739444360000035
为电机电枢电流的一阶导数，；j为蜗轮蜗杆减速器减速比；
助力电机驱动器用一阶滞后环节传递函数表示：
Figure FDA0002739444360000041
式中：Ks为触发整流环节放大系数，取值1.2；Ts为整流电路平均失控时间，取值0.1s；S为拉普拉斯变换中的复频域；
根据转向管柱的芯轴作为参考对象建立的其动力学方程和动态电路方程以及一阶滞后环节传递函数，得到C-EPS系统的运行仿真。
4.根据权利要求1所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：所述C-EPS系统控制策略包括信号处理模块、运行监测模块、CAN模块和控制模式切换模块；所述控制模块切换模块中设有助力模式、回正模式和故障模式；
将转向盘转矩信号、转向盘转角信号、助力电机的电流信号输入至信号处理模块中进行处理，然后与CAN模块的车速模拟信号一同进入运行监测模块，实现C-EPS系统的开机自检、运行监测和故障报错；若出现故障，运行监测模块输出故障码至CAN模块，并下发故障信号，使得控制模块切换模块切换到故障模式；若各部分功能正常，则根据C-EPS系统运行状态在助力模块和回正模块之间自动切换。
5.根据权利要求4所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：所述的助力模式和回正模式的切换根据转向盘转速和转向盘转角的乘积进行判断：
Figure FDA0002739444360000042
若转向盘转速和转向盘转角的乘积大于等于0，则为助力模式；反之则为回正模式，助力模式和回正模式均采用PID控制器来控制助力电机。
6.根据权利要求5所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：在助力模式中，采用直线型转向助力曲线建立转向助力曲线族，每条助力曲线的助力力矩Ta和转向输入转矩Th的函数关系为：
Figure FDA0002739444360000051
式中：ui为助力曲线族中每条助力曲线的车速；Tmax(ui)为每条助力曲线的最大助力值；ki为速度感应系数；
每条助力曲线之间的目标助力转矩采用线性插值法确定，计算如下：
Figure FDA0002739444360000052
式中：u为车速。
7.根据权利要求5所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：助力模式中，PID控制器的Kp、Ki、Kd为自变量，优化范围0-300，遗传代数为100代，选择用时间乘绝对误差积分作为性能评价指标：
Figure FDA0002739444360000053
式中：ITAE时间乘绝对误差积分；
完成100代遗传后，得到ITAE的极小值以及Kp、Ki、Kd值，实现PID控制器的准确控制。
8.根据权利要求4所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：在助力模式中，转角传感器、电流传感器和转矩传感器的故障描述如下：
yif＝yi+(Δmi-1)yi+α；
式中：yif为传感器实际输出值；yi为真实值；α为传感器卡死值；Δm为传感器故障增益，当Δm为1，α为0时，传感器无故障；
Figure FDA0002739444360000061
yf＝y+fs；
式中：i＝1，2，3时，分别代表转角传感器、电流传感器和转矩传感器；yf为带故障的传感器的系统状态输出信号；y为原系统状态输出；fs为传感器的错误偏差值的输出；
以转向管柱的芯轴、助力电机以及助力电机电路作为参考对象，建立转向系动力学模型：
Figure FDA0002739444360000062
Figure FDA0002739444360000063
Figure FDA0002739444360000071
式中：Th为转向输入转矩；8c为管柱阻尼；
Figure FDA0002739444360000072
转向盘转速；Kc为管柱刚度；θc为转向盘转角；θm为电机转动轴的转角；Jc为转向管转动惯量；N为蜗轮蜗杆减速器减速比；
Figure FDA0002739444360000078
为转向盘的角加速度；Kt为助力电机电磁转矩系数；Im为助力电机电枢电流；Jm为助力电机转动惯量；
Figure FDA0002739444360000073
为电机转动轴的转角的一阶导数，即电机转动轴的角速度；
Figure FDA0002739444360000074
为电机转动轴的转角的二阶导数，即电机转动轴的角加速度；Bm为助力电机阻尼；Jeq为转向系等效至小齿轮转动惯量；Beq为转向系等效至小齿轮阻尼；TR为转向总阻力矩；
Figure FDA0002739444360000075
为助力电机电枢电流的一阶导数；ud为电枢端电压；Kb为电机反电动势系数；
状态空间表达式为：
Figure FDA0002739444360000076
y＝C0x；
Figure FDA0002739444360000077
Figure FDA0002739444360000081
Figure FDA0002739444360000082
w＝[Th TR]T；
利用转角传感器、电流传感器和转矩传感器的故障描述以及转向系动力学模型得到带有传感器故障的转向数学模型：
Figure FDA0002739444360000083
y＝C0x+Fsfs；
其中Fs为故障矢量：
Figure FDA0002739444360000084
9.根据权利要求8所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：在故障模式中，将传感器的错误偏差值fs作为系统状态，建立对未知输入转向输入转矩Th和转向总阻力矩TR不敏感的未知输入观测器，根据C-EPS系统输入ud，将带故障的传感器信号yf进行估计和解耦，得到传感器的错误偏差值fs的估计值，并进行信号重构，将传感器恢复至无故障状态，因此，基于转向系状态空间表达式建立扩展矩阵，得到带故障的转向系数学模型：
Figure FDA0002739444360000091
Figure FDA0002739444360000092
其中：
Figure FDA0002739444360000093
C＝[C0 Fs]。
10.根据权利要求9所述的基于主动容错的C-EPS控制策略硬件在环仿真开发平台，其特征在于：所述的未知输入观测器如下：
Figure FDA0002739444360000094
Figure FDA0002739444360000095
式中：
Figure FDA0002739444360000096
为未知输入观测器状态向量的一阶导数，即状态向量的变化率；
Figure FDA0002739444360000097
为系统状态的估计向量；z为状态向量；F、T、k和H为系统系统解耦故障所设置矩阵。
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