CN114261442B - 一种线控转向系统复合位置控制方法 - Google Patents

一种线控转向系统复合位置控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线控转向系统复合位置控制方法，将电动助力线控转向系统的位置控制调节器划分为第1位置调节器和第2位置调节器，引入可靠的电机转子位置信号参与位置控制的算法，可以有效降低由检测元件精度引起的稳态出差，大大提高了位置控制的精度；其次，改进第1位置调节器控制算法，由传统的闭环反馈PI调节改为闭环反馈+开环前馈控制，引入角度信号的一阶导数，即转速作为前馈信号补偿转速调节器给定，补偿速度误差，有效改善了转向系统的动态性能，提高了响应的快速性。

Description

一种线控转向系统复合位置控制方法
技术领域
本发明属于汽车技术领域，特别是涉及一种线控转向系统复合位置控制方法。
背景技术
EPS线控系统是智能驾驶汽车在底盘执行端的重要部件，主要是按车辆决策层的位置控制指令实现汽车转向角度的精确控制，由于智能驾驶系统的转向角度指令是实时变化的，在不同的路况下，EPS转向执行器都必须能够快速、准确地按车辆的位置控制指令进行动作。现有EPS的转向位置控制功能主要采用转向角度-扭矩双闭环控制，或者转向角度-转速-扭矩三闭环控制，控制的目标角度是转向器输入轴的角度（即转向角度）。
现有的控制方式在稳态控制性能和动态控制性能上都存在以下不足：
位置控制系统稳态运行时，应保证转向角度最大程度的与转向角度指令相同，即系统稳定精度要求很高，产生角度误差越小越好。由于转向角度传感器精度引起的检测精度、转向系统产生的原理误差和系统的扰动误差等原因，EPS转向位置控制的稳态精度通常难以达到要求；当前主流的EPS转向位置控制系统是在速度/电流（转矩）双闭环基础上增加位置调节器，组成三闭环随动系统。该设计一般由内环到外环进行等效环节设计，为保证等效传递函数成立，外环截止频率远低于内环截止频率，作为外环的位置（角度）环截止频率设计降低会直接影响系统动态性能：快速性降低，抗扰动性能差超调增加，EPS转向位置控制系统要求转向角度在转向器空载到满载运行时快速、无/小超调跟随转向角度指令。因此常规的闭环反馈控制标定复杂，难以满足系统的快速性无超调设计要求。
为此我们提出了一种线控转向系统复合位置控制方法解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种线控转向系统复合位置控制方法，避免了现有的汽车控制方式在稳态控制性能和动态控制性能上都存在不足的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种线控转向系统复合位置控制方法，包括以下步骤：
S1、结合转向角度传感器信号和转子位置传感器的位置信号设计第1位置调节器和第2位置调节器。
S2、第1位置调节器根据MCU接收的转向角度指令和采集的转向角度传感器数据进行闭环调节得到
Figure 100002_DEST_PATH_978802DEST_PATH_IMAGE001
；第1位置调节器根据以2ms为周期实时计算转向角度一阶导数
Figure 100002_DEST_PATH_223838DEST_PATH_IMAGE002
。
S3、第1位置调节器闭环调节
Figure 755051DEST_PATH_978802DEST_PATH_IMAGE001
输出消除静态误差,以
Figure 278437DEST_PATH_223838DEST_PATH_IMAGE002
作为转速给定补偿，两者相加作为第1位置调节器输出
Figure DEST_PATH_39544DEST_PATH_IMAGE003
。
S4、第2位置调节器在转向系统的转向角度接近目标位置时，根据转向角度与转向电机转子位置映射表获取转向电机的目标位置
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
。
S5、第2位置调节器根据转向电机的目标位置
Figure 708281DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
和电机转子位置传感器采集的角度数据
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE005
进行PI调节，调节器输出作为转速环的第2位置调节器输出
Figure DEST_PATH_871923DEST_PATH_IMAGE006
，所述第1位置调节器输出
Figure 684327DEST_PATH_39544DEST_PATH_IMAGE003
和第2位置调节器调输出
Figure 959451DEST_PATH_871923DEST_PATH_IMAGE006
乘以各自所占权重
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE008
，相加得出转速调节器的参考给定
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
，两个所述调节器输出所占权重分别为：
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
，
所述
Figure 399659DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE010
第1调节器输出权重与角度和负载转矩的映射关系，θ目标角度，
Figure 469247DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
第1调节器输出权重，T L 电机负载转矩 ；
所述
Figure 198168DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
第2调节器输出权重与目标电机位置角度和负载转矩的映射关系，θ目标角度，
Figure 276983DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE008
第2调节器输出权重，T L 电机负载转矩 ；
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 682555DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
转速环总给定
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE035
转速环给定1
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE037
转速环给定2
Figure 447064DEST_PATH_39544DEST_PATH_IMAGE003
第1位置调节器输出
Figure 953132DEST_PATH_871923DEST_PATH_IMAGE006
第2位置调节器输出。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S5中映射表根据EPS系统的减速机构减速比、等效转动惯量、摩擦系数、阻尼系数、齿轮半径参数进行标定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S5中转子位置传感器采用霍尔芯片输出数字信号，检测的转子机械角度精度高于0.01。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中转向系统的MCU采集转向电机的两路转子位置信号，并与转向角度传感器的数据进行三路信号校验，确认转子位置信号数据。
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
1、本发明通过将电动助力转向（EPS）的位置控制调节器分为第1位置调节器和第2位置调节器，并且引入可靠的电机转子位置信号参与位置控制的算法，可以有效降低由检测元件精度引起的稳态出差，大大提高了位置控制的精度。
2、本发明通过改进第1位置调节器控制算法，由传统的闭环反馈PI调节改为闭环反馈+开环前馈控制，引入角度信号的一阶导数转速作为前馈信号补偿转速调节器给定，补偿速度误差，有效改善了转向系统的动态性能，提高了响应的快速性。
附图说明
图1为本发明的基于EPS系统的方向盘转角位置控制框图；
图2为本发明的第1位置调节器框图；
图3为本发明的实施例2原理框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段；创作特征；达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料；试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1-图3所示的一种线控转向系统复合位置控制方法，包括以下步骤：
S1、结合转向角度传感器信号和转子位置传感器的位置信号设计第1位置调节器和第2位置调节器。
S2、第1位置调节器根据MCU接收的转向角度指令和采集的转向角度传感器数据进行闭环调节得到
Figure DEST_PATH_436505DEST_PATH_IMAGE001
；第1位置调节器根据以2ms为周期实时计算转向角度一阶导数
Figure DEST_PATH_150383DEST_PATH_IMAGE002
。
S3、第1位置调节器闭环调节
Figure 903770DEST_PATH_436505DEST_PATH_IMAGE001
输出消除静态误差,以
Figure 786275DEST_PATH_150383DEST_PATH_IMAGE002
作为转速给定补偿，两者相加作为第1位置调节器输出
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
。
S4、第2位置调节器在转向系统的转向角度接近目标位置时，根据转向角度与转向电机转子位置映射表获取转向电机的目标位置
Figure 935497DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
。
S5、第2位置调节器根据转向电机的目标位置
Figure 878045DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
和电机转子位置传感器采集的角度数据
Figure 315980DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE005
进行PI调节，调节器输出作为转速环的第2位置调节器输出
Figure 100002_DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE006
。
实施例1
所述位置控制环的控制方法包括以下步骤：
A1、结合转向角度传感器信号和转子位置传感器的角度信号，将位置调节器分为第1位置调节器和第2位置调节器；
A2、第1位置调节器按照目标转角指令和转向角度传感器的差值进行比例积分调节输出第1位置调节器输出
Figure 471018DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
，乘以第1位置调节器输出权重
Figure 943587DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
，得到第1目标转速
Figure 57037DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE035
；第2位置调节器按照目标转角指令转换的目标电机转子位置和电机转子位置调节输出第2位置调节器输出
Figure 982267DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE006
，乘以第2位置调节器输出权重
Figure 206575DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE008
，得到第2目标转速
Figure 299931DEST_PATH_IMAGE034
，两者叠加为转速调节器的目标转速输入
Figure 475829DEST_PATH_IMAGE035
；
A3、根据公式，
Figure 698868DEST_PATH_IMAGE036
。
Figure 189444DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 473795DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
且反向相关：
当
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE025
时，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE027
；当
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE028
时，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE030
；当
Figure 515231DEST_PATH_IMAGE049
时，
Figure 281193DEST_PATH_IMAGE051
，α和β可进行工程标定，
当转向角度进入到小角度（
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE033
）范围内，位置控制全部交由转子角度进行闭环调节；
A4、转向角度和电机转子角度的映射关系与电机拖动的负载、转向系统的转动方向相关，根据转向角度传感器数据、电机转子位置数据、减速机构减速比、系统转动惯量、阻尼系数摩擦系数等进行标定。
实施例2
所述闭环反馈+开环前馈控制方法包括以下计算步骤：
B1、建立电动转向系统位置控制数学模型，位置控制模式下转向角度与电机力矩的等效方程如下
Figure DEST_PATH_IMAGE056
将等式
Figure 556743DEST_PATH_IMAGE057
求导并带入等式
Figure 904460DEST_PATH_IMAGE058
转换为一阶系统，得到公式
Figure 672695DEST_PATH_IMAGE059
；
Figure 758201DEST_PATH_IMAGE060
为等效转动惯量、
Figure 233176DEST_PATH_IMAGE061
为等效阻尼系统、
Figure 542672DEST_PATH_IMAGE062
为等效摩擦力矩、
Figure 1466DEST_PATH_IMAGE063
为电机电磁转矩、
Figure 359504DEST_PATH_IMAGE064
为当前角度、
Figure 283727DEST_PATH_IMAGE065
为当前转速、
Figure 265590DEST_PATH_IMAGE066
为减速机构减速比、
Figure 710215DEST_PATH_IMAGE067
为齿轮半径、
Figure 435726DEST_PATH_IMAGE068
为齿轮齿条摩擦力；
B2、定义系统状态：
Figure 383828DEST_PATH_IMAGE069
；系统输入
Figure 739854DEST_PATH_IMAGE070
；系统输出
Figure 953667DEST_PATH_IMAGE071
；
B3、设计控制器，令系统输出
Figure 924946DEST_PATH_IMAGE072
跟踪目标给定
Figure 494599DEST_PATH_IMAGE073
当系统处于稳态时定义
Figure 316799DEST_PATH_IMAGE074
，假设系统稳定，满足稳态条件，则有
Figure 971902DEST_PATH_IMAGE075
，根据公式
Figure 537750DEST_PATH_IMAGE057
则有：
Figure 961910DEST_PATH_IMAGE076
；
B4、引入动态前馈控制给定
Figure 158274DEST_PATH_IMAGE077
，改进位置调节器的动态性能，将系统输入
Figure 97411DEST_PATH_IMAGE078
，代入公式
Figure 398774DEST_PATH_IMAGE057
，有：
Figure 677439DEST_PATH_IMAGE079
按照期望设计，令
Figure 857754DEST_PATH_IMAGE080
，那么：
Figure 720405DEST_PATH_IMAGE081
B5、引入反馈量
Figure 332783DEST_PATH_IMAGE082
，实现调节器的小偏差调节；
将系统输入
Figure 26808DEST_PATH_IMAGE083
代入公式
Figure 66439DEST_PATH_IMAGE057
得出：
Figure 422246DEST_PATH_IMAGE084
此时系统跟踪误差为：
Figure 635053DEST_PATH_IMAGE085
Figure 386846DEST_PATH_IMAGE086
构造李雅普诺夫函数：
Figure 597378DEST_PATH_IMAGE087
，求导并代入
Figure 496939DEST_PATH_IMAGE088
，其中：
Figure 185540DEST_PATH_IMAGE089
Figure 57419DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure 502437DEST_PATH_IMAGE091
（PI调节器）
整理后可得出
Figure 328441DEST_PATH_IMAGE092
，系统满足渐进稳定条件。
转向控制器采集电机的转子位置数据，并根据转子角度的变化计算转向电机的转速，转子位置数据每200us更新一次，转速1ms更新一次，转速调节器接收位置调节器的输出作为目标转速，通过计算目标转速和电机实际转速的偏差进行误差反馈控制。
转矩控制部分采用FOC（磁场定向空间矢量控制）及闭环PI调节：D轴磁场电流的目标给定通过电机标定查表获取，Q轴电流与PMSM永磁同步电机的电磁转矩具有比例关系(
Figure 584848DEST_PATH_IMAGE093
—电磁转矩系数)，转速调节器的调节输出作为Q轴转矩目标电流给定，转向控制器采集电流传感器获取转向电机的三相电流和转子位置数据并进行数学运算得到实际的D/Q轴反馈电流。
电流调节器进行闭环电流控制输出D/Q轴电压驱动转向电机提供转向功能。
实施例3
将本发明所提出的位置调节器设计方案应用于无人驾驶电动助力转向系统转向角位置控制的台架测试效果，360°正弦响应和小角度10°阶跃响应。
以上显示和描述了本发明的基本原理；主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种线控转向系统复合位置控制方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、结合转向角度传感器信号和转子位置传感器的位置信号设计第1位置调节器和第2位置调节器；
S2、第1位置调节器根据MCU接收的转向角度指令和采集的转向角度传感器数据进行闭环调节得到
Figure DEST_PATH_978802DEST_PATH_IMAGE001
；第1位置调节器根据以2ms为周期实时计算转向角度一阶导数
Figure DEST_PATH_223838DEST_PATH_IMAGE002
；
S3、第1位置调节器闭环调节
Figure 789852DEST_PATH_978802DEST_PATH_IMAGE001
输出消除静态误差,以
Figure 706993DEST_PATH_223838DEST_PATH_IMAGE002
作为转速给定补偿，两者相加作为第1位置调节器输出
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
；
S4、第2位置调节器在转向系统的转向角度接近目标位置时，根据转向角度与转向电机转子位置映射表获取转向电机的目标位置
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
；
S5、第2位置调节器根据转向电机的目标位置
Figure 221151DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
和电机转子位置传感器采集的角度数据
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE005
进行PI调节，调节器输出作为转速环的第2位置调节器输出
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE006
，所述第1位置调节器输出
Figure 616360DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
和第2位置调节器调输出
Figure 227470DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE006
乘以各自所占权重
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE008
，相加得出转速调节器的参考给定
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
，两个所述调节器输出所占权重分别为：
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
，
所述
Figure 784353DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE010
第1调节器输出权重与角度和负载转矩的映射关系，θ目标角度，
Figure 51386DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
第1调节器输出权重，T L 电机负载转矩 ；
所述
Figure 250287DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
第2调节器输出权重与目标电机位置角度和负载转矩的映射关系，θ目标角度，
Figure 919165DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE008
第2调节器输出权重，T L 电机负载转矩 ；
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 242628DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
转速环总给定
Figure DEST_PATH_IMAGE035
转速环给定1
Figure DEST_PATH_IMAGE037
转速环给定2
Figure 709267DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
第1位置调节器输出
Figure 463596DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE006
第2位置调节器输出。
2.根据权利要求1所述的一种线控转向系统复合位置控制方法，其特征在于：所述步骤S5中映射表根据EPS系统的减速机构减速比、等效转动惯量、摩擦系数、阻尼系数、齿轮半径参数进行标定。
3.根据权利要求1所述的一种线控转向系统复合位置控制方法，其特征在于：所述步骤S5中转子位置传感器采用霍尔芯片输出数字信号，检测的转子机械角度精度高于0.01。
4.根据权利要求1所述的一种线控转向系统复合位置控制方法，其特征在于：所述步骤S1中转向系统的MCU采集转向电机的两路转子位置信号，并与转向角度传感器的数据进行三路信号校验，确认转子位置信号数据。
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