CN116767342B - 一种eps系统换向凸点消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种EPS系统换向凸点消除方法，通过手力数据识别出驾驶员在方向盘中间位置开始的换向动作，启动电压补偿过程，加大EPS出力，抵消从中间位置启动瞬间的大负载，使得启动瞬间的手力跟轮胎转动起来后的手力衔接，并配合超前控制过程，对ECU采集到的驾驶员手力值进行数字微分处理，以预判手力变化值，计算超前电流补偿值叠加到助力曲线的输出上，进行相位超前控制，提高动态响应快速性，消除凸点问题，提升了EPS的操纵性能。
Description
技术领域
本发明属于机动车技术领域，IPC分类归属于B62D小类，尤其是涉及一种EPS系统换向凸点消除方法。
背景技术
作为电动汽车整车系统中必不可少的组成部分，转向系统是影响汽车操纵稳定性、行驶安全性、驾驶舒适性的关键部件，电动助力转向系统(electric power steering,EPS)的发展改善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶人员的负担。随着汽车性能的要求越来越高，对EPS系统的性能提出了更高的要求。经研究发现，由于驾驶员操作方向盘在方向盘中位连续来回小角度换向时，轮胎受到的阻力在不同角度不均匀，导致换向过程中EPS系统的负载不均匀，从中间位置启动瞬间负载力较大，需要EPS提供较大的力才能转动，当轮胎转动起来后，负载力突然变小，由于电机出力较大，此时手上突然感觉很轻，随后负载又恢复正常，手感又变重，整个过程感觉存在一个凸点，如附图1所示。凸点问题会影响驾驶员的驾驶手感，使人感觉到左右切换方向时手力变化不顺畅，因此，需要在EPS系统的设计和标定过程中将此问题解决。
目前常用的凸点问题解决方法是减小电机闭环控制过程的PI参数，虽然此方法能减弱凸点手感，但由于降低了电机控制的响应速度，使得EPS在快速转向时存在粘滞感。
发明内容
本发明针对EPS存在的换向凸点问题，对换向过程的手力数据进行解析，识别驾驶员的控制意图，对助力电机进行电压补偿，并配合超前控制过程，对手力信号进行数字微分处理，加快控制的响应速度，更好的消除凸点问题。具体为：
本发明通过手力数据识别出驾驶员在方向盘中间位置开始的换向动作，启动电压补偿过程，加大EPS出力，抵消从中间位置启动瞬间的大负载，使得启动瞬间的手力跟轮胎转动起来后的手力衔接，并配合超前控制过程，消除凸点问题。
所述电压补偿过程包括：
经换向动作识别方法识别出驾驶员换向动作，当mod=1或mod=-1时，需要对转向电机进行电压补偿。补偿原理如式1和式2所示，由Q轴目标电流、Q轴实际电流/>进行电流闭环调节，得到调节出的电压即Q轴补偿电压/>，将/>叠加到转向电机Q轴电流控制模块的输出电压/>上，得到合成后的电机电压/>，以加快电机电流响应速度，使EPS提供较大的力。其中：
式1，式中/>为比例系数，/>为积分系数，t为时间变量；
式2，式中/>为图2中转向电机Q轴电流控制模块的输出电压，/>为Q轴补偿电压，/>为合成后的电机电压。
当电机的实际电流达到预设值(此预设值通过实车标定时确定，调制该值直到手上没有凸点的感觉为止)时，开始退出电压补偿，停止PI调节过程，并按公式3对补偿电压进行周期性(比如：周期为200us)的自衰减，直至/>为0；
式3，式中T为周期，/>为衰减系数，为当前的补偿电压, />为上一个周期的补偿电压。
由于驾驶员操作方向盘的手力变化反应到EPS的传感器上存在几十毫秒的延时，使得控制过程滞后，因此本发明还配合有超前控制过程，对ECU采集到的驾驶员手力值进行数字微分处理，以预判手力变化值，根据式4计算超前电流补偿值，叠加到助力曲线的输出/>上，得到Q轴目标电流/>，进行相位超前控制，提高动态响应快速性。
式4，式中/>为超前电流补偿值，/>为ECU采集到的驾驶员手力值，/>为数字微分系数，由式5确定：
式5
式5中，n为电机转速，、/>、/>、/>分别为数字微分系数上限、数字微分系数下限、数字微分电机转速上限、数字微分电机转速下限，均通过实车标定确定。
解决凸点问题需要电压补偿和超前控制相配合使用，电压补偿的方法是识别出凸点后通过电压补偿区减弱凸点问题，超前控制的方法是预测手力，进行相位超前控制，以解决因为机械上的传动滞后造成的扭矩传感器检测到的手力值滞后，造成的整个系统控制上的滞后的问题。
经研究发现，驾驶员在中位左右换向时，手力值会经过由零变正的过程，或者由零变负的过程。因此，通过解析手力的过程数据，统计手力值持续为0的时间、持续大于正阈值或持续小于负阈值的时间，以及由零变为正或由零变为负的顺序，识别出驾驶员换向动作。
本发明提出了一种换向动作识别的具体方法：取第一手力阈值为手力在0附近的边界，手力值在±第一手力阈值范围内时认为手力为0，取一正的第二手力阈值为手力为正的边界，手力值大于正的第二手力阈值时认为手力为正，取负的第二手力阈值为手力为负的边界，手力值小于负的第二手力阈值时认为手力为负；所述第二手力阈值大于第一手力阈值；
指定一时间周期，以该时间周期为周期对手力值进行判断，先周期性统计手力值在±第一手力阈值以内的次数，若超过第一指定次数，则判定手力为0，mod=0；
当手力值为大于正的第二手力阈值且持续的次数大于第一指定次数，则判定为向右的换向动作，mod=1，此时启动电压补偿过程并配合超前控制过程，同时将手力为0 的次数和手力为正的次数清零；
当手力值为小于负的第二手力阈值且持续的次数大于第一指定次数，则判定为向左的换向动作，mod=-1，此时启动电压补偿过程超前控制过程，同时将手力为0 的次数和手力为负的次数清零；初始状态下，mod设置为0。
与原有的电动助力控制策略相比，本发明具有以下有益效果：引入方向盘手力数据和助力电机的电机转速，通过对手力解析，有效识别换向动作；增加电压补偿，加快电机电流响应速度，加大电机出力，消除凸点，消除驾驶员小角度换向向过程中的凸点，提升了EPS的操纵性能；电机实际电流达到预期值时，对补偿值进行自衰减，稳定退出补偿；利用手力数字微分，进行相位超前控制，提高动态响应快速性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有技术EPS系统换向过程中的凸点示意图，图中横轴为时间(ms)，纵轴为手力和电机Q轴电流的标幺值；
图2为本发明实施例提供的EPS系统的换向过程中的凸点消除方法控制框图；
图3为换向动作识别流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明或简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不应理解为对本发明的限制。
本发明出现的“多个”指的是两个以上（包含两个）。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，不应理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接。
本发明涉及到换向动作识别、电压补偿过程、超前控制过程，如图2中的框图①、框图②、框图③所示。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例基于NXP公司的S32K344为主MCU的EPS控制器进行了方法实现，转向电机采用三对极隐极式永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)，扭矩为4.5NM,额定转速为900r/min。
如附图2所示，在每个控制周期，EPS系统采集转向电机的三相电机电流ia、ib、ic、转子角度θr，经过坐标变换得到电机的D轴实际电流id，Q轴实际电流iq。EPS实时检测和计算负载转矩Tm和电机转速n，根据电机的T-n曲线得到D轴目标电流，由D轴目标电流/>和D轴实际电流id进行D轴电流控制，得到D轴电流控制模块的输出电压ud。
EPS控制器通过扭矩传感器采集驾驶员的手力值，通过CAN网络采集车速V，将手力值/>和车速V输入到助力曲线，得到随速助力电流值/>。对手力值/>进行数字微分处理，得到超前的电流补偿值/>，二者叠加/>得到目标电流，由目标电流/>和实际电流/>进行Q轴电流控制，得到Q轴电压/>（即式2中的转向电机Q轴电流控制模块的输出电压）；
按照图3对手力值进行数据解析，识别出换向动作，即换向动作识别模块给出mod=1或mod=-1时，电压补偿和自衰减模块启动（即启动电压补偿过程），利用式1进行电压补偿计算，在换向阶段对Q轴电流进行快速调节，得到Q轴补偿电压/>；具体的，在每个电机控制周期中根据Q轴目标电流/>与Q轴实际电流/>之间误差，进行PI调节(PI参数通过实际调试确定)，得到Q轴补偿电压/>；其中：
式1，式中/>为比例系数，/>为积分系数，t为时间变量；
式2，式中/>为图2中转向电机Q轴电流控制模块的输出电压，/>为Q轴补偿电压，/>为合成后的电机电压。
将Q轴补偿电压与Q轴电流控制模块的输出电压/>进行叠加得到合成后的电机电压/>(见式2)，由D轴电流控制模块的输出电压/>、合成后的电机电压/>、电机转子角度θr进行SVPWM控制，生成PWM波形以驱动三相逆变器动作输出三相电压，控制EPS转向电机工作，输出助力。
当电机Q轴实际电流达到设定值(通过实车标定确定)时，对Q轴补偿电压/>进行自衰减退出电压补偿。具体的，按照式3对Q轴补偿电压/>周期性的乘以衰减系数/>进行自衰减，直至接近0时，衰减完毕，退出电压补偿。具体的：
式3，式中T为周期，/>为衰减系数，为当前的补偿电压, />为上一个周期的补偿电压。
在本实施例的超前控制过程中，定义一个数组，数组大小为10,以200μs为周期进行一次计算。在每个周期，将数组中的后面的元素依次保存到前一个元素中，将最新的手力数据存入数组的最后一个元素中。然后应用逐差法将数组第6个元素的值减去第1个元素的值得到δ1 ，并乘以权重w1;将第7个元素的值减去第2个元素的值得到δ2，并乘以权重w2；以此类推，得到δ3、δ4、δ5。将他们乘以权重并相加得到/>，如下式所示：
，
其中 ，权重的大小通过实车标定获得。
依据式5得到数字微分系数，从而通过式4得到超前电流补偿值。具体的：
式4，式中/>为超前电流补偿值，/>为ECU采集到的驾驶员手力值，/>为数字微分系数，由式5确定：
式5，式中n为电机转速，/>、、/>、/>分别为数字微分系数上限、数字微分系数下限、数字微分电机转速上限、数字微分电机转速下限，均通过实车标定确定。
将与/>叠加得到Q轴目标电流/>。
本发明还提供了一种换向动作识别方法的具体实施例，参见图3所示：
本实施例中取±0.3Nm（第一手力阈值）为手力在0附近的边界，手力值在±0.3Nm时认为手力为0，取0.4Nm（正的第二手力阈值）为手力为正的边界，手力值大于0.4Nm时认为手力为正，取-0.4Nm（负的第二手力阈值）为手力为负的边界，手力值小于-0.4Nm时认为手力为负。第一手力阈值和第二手力阈值这两个判断阈值的数值点以及两者之间的间隔值大小可通过相应实车标定过程确定，不同车型的判断阈值不一定相同。另，设置第一、第二手力阈值这两个判断阈值以及两者之间的间隔值，目的是为了避免将非换向意图的手力波动误识别为换向动作，提高换向动作识别的准确性。基于此目的，对于处于两个判断阈值之间的手力值数据无需进行处理。
本实施例中以一指定的时间周期（200μs）为周期对手力值T1进行判断，先周期性统计手力值在±0.3Nm以内的数据（次数），若超过12次（第一指定次数），则认为手力为0，mod=0。在已经识别出手力为0的前提下，再判断手力变化为正或变化为负的换向动作；当手力值为大于0.4Nm且持续的次数大于12次，则认为驾驶员在向右换向，mod=1，此时需要进行电压补偿，同时将手力为0 的次数和手力为正的次数清零；当手力值为小于-0.4Nm且持续的次数大于12次，则认为驾驶员在向左换向，mod=-1，此时需要进行电压补偿，同时将手力为0 的次数和手力为负的次数清零；初始状态下，mod设置为0。
本发明所提出EPS系统换向凸点数据识别和消除方法应用于在齿条式助力转向系统(Rack-EPS, R-EPS)的控制策略中，根据驾驶员操控方向盘时的手力数据识别换向动作，对助力电机进行电流补偿，以加大电机出力，消除凸点问题，利用数字微分，进行相位超前控制，提高动态响应性，使得驾驶员在小角度换向过程中手力变化顺畅。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种EPS系统换向凸点消除方法，其特征在于，通过手力数据识别出驾驶员在方向盘中间位置开始的换向动作，启动电压补偿过程，并配合超前控制过程；
所述电压补偿过程包括：按式1由Q轴目标电流、Q轴实际电流/>进行电流闭环调节，进行PI调节得到Q轴补偿电压/>，按式2将/>叠加到转向电机Q轴电流控制模块的输出电压/>上，得到合成后的电机电压/>，其中：
式1，式中/>为比例系数，/>为积分系数，t为时间变量；
式2；
当电机的实际电流达到预设值时，开始退出电压补偿，停止PI调节过程，并对补偿电压/>进行周期性的自衰减，直至其为0；
所述超前控制过程包括：EPS控制器通过扭矩传感器采集驾驶员的手力值，通过CAN网络采集车速V，将手力值/>和车速V输入到助力曲线，得到随速助力电流值/>；对ECU采集到的手力值进行数字微分处理，按式4计算超前电流补偿值/>,叠加到助力曲线的输出/>上，得到Q轴目标电流/>，/>,进行相位超前控制；
式4，式中/>为超前电流补偿值，/>为ECU采集到的驾驶员手力值，为数字微分系数，由式5确定：
式5
式5中，n为电机转速，、/>、/>、/>分别为数字微分系数上限、数字微分系数下限、数字微分电机转速上限、数字微分电机转速下限，均通过实车标定确定。
2.根据权利要求1所述的一种EPS系统换向凸点消除方法，其特征在于，按式3对补偿电压进行周期性的自衰减，
式3，式中T为周期，/>为衰减系数，为当前的补偿电压, />为上一个周期的补偿电压。
3.根据权利要求1所述的一种EPS系统换向凸点消除方法，其特征在于，在超前控制过程中，定义一个数组，数组大小为等于10的整数,以大于等于200μs为周期进行一次计算，在每个周期，将数组中的后面的元素依次保存到前一个元素中，将最新的手力值T1存入数组的最后一个元素中；然后应用逐差法将数组第6个元素的值减去第1个元素的值得到δ1，并乘以权重w1；将第7个元素的值减去第2个元素的值得到δ2，并乘以权重w2；以此类推，得到δ3、δ4、δ5，再乘以权重并相加得到,按下式：
，
其中，权重的大小通过实车标定获得。
4.根据权利要求1所述的一种EPS系统换向凸点消除方法，其特征在于，换向动作识别的方法为：在大于0且小于等于0.3N的范围内取第一手力阈值，手力值在大于等于负的第一手力阈值且小于等于第一手力阈值范围内时认为手力为0，取正的第二手力阈值为手力为正的边界，手力值大于正的第二手力阈值时认为手力为正，取负的第二手力阈值为手力为负的边界，手力值小于负的第二手力阈值时认为手力为负；所述第二手力阈值大于第一手力阈值；
指定一时间周期，以该时间周期为周期对手力值进行判断，先周期性统计手力值在大于等于负的第一手力阈值且小于等于第一手力阈值以内的次数，若超过第一指定次数，则判定手力为0，mod=0；
当手力值为大于正的第二手力阈值且持续的次数大于第一指定次数，则判定为向右的换向动作，mod=1，此时启动电压补偿过程并配合超前控制过程，同时将手力为0 的次数和手力为正的次数清零；
当手力值为小于负的第二手力阈值且持续的次数大于第一指定次数，则判定为向左的换向动作，mod=-1，此时启动电压补偿过程并配合超前控制过程，同时将手力为0 的次数和手力为负的次数清零；初始状态下，mod设置为0。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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