CN1891552A - 具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

一种具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，包括由扭矩传感器、车速传感器、ECU、电机及减速机构组成的电动助力装置和由转向盘、转向轴、转向器、转向横拉杆、转向轮组成的转向装置，特点是，系统内增加转角传感器或位移传感器，用于检测偏离直线行驶的转向轴位置的转向轴转角信号，转向轴转角信号输入到ECU内增设的主动回正与阻尼控制模块中，与车速信号一起计算回正与阻尼控制力矩，在回正过程中使电机输出附加回正与阻尼控制力矩。本发明利用转向轴转角信号进行回正与阻尼控制，不受传感器形式及其安装位置的限制，适用于各种助力形式的电动助力转向系统，改善车辆在高、低速行驶工况下的回正性能，且不会影响驾驶员的操纵手感。

Description

具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统

技术领域

本发明专利涉及一种带主动回正与阻尼控制功能的电动助力转向系统(Electric PowerSteering System，简称EPS)。

背景技术

原有的电动助力转向系统主要由电动助力装置和转向装置组成，由图1所示，电动助力装置包括：扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元-ECU、电机及减速机构等，转向装置包括：转向盘、转向轴、转向器、转向横拉杆、转向轮等。由图3所示，扭矩传感器测出驾驶员施加在转向轴上的操纵力矩即转向盘力矩，车速传感器测出当前车辆的行驶速度，转向盘力矩信号经相位补偿后的信号与车速传感器车速信号传递给ECU；ECU根据内置的控制算法，计算出理想的助力力矩，得到电机目标电流经电机电流PID闭环调节，然后输出电流给电机；而电机产生的助力力矩经减速机构放大后作用在机械转向装置上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向运动。原有的电动助力转向系统的控制流程如图5所示。

原有的电动助力转向系统可以提高车辆的转向轻便性，但是系统的回正性能较差。在低速时，由于转向装置摩擦力矩的影响，会出现转向盘无法准确回到中间位置的现象；而在高速时，由于轮胎侧向力的增大以及系统阻尼的减小，会出现转向盘回正超调的现象。从而降低了车辆的行驶安全性。

为了提高车辆的回正性能，需要在原有电动助力转向系统的基础上增加一个转角传感器，该转角传感器可安装在转向轴上，主要用于测量转向盘转角的大小。有文献提出了一种转向盘转角PID闭环控制加转向盘力矩门槛值的回正与阻尼控制算法。根据该控制算法，为了改善系统的回正性能，有可能需要施加较大的回正力矩或阻尼力矩；但是，由于在施加回正力矩或阻尼力矩时，转向盘力矩的值都比较小(小于设定的门槛值，一般选为2Nm)，因此微小的力矩变化就可能影响到驾驶员的操纵手感。由此可以看出，该算法无法兼顾车辆的回正性能和驾驶员操纵手感之间的矛盾。

发明内容

本发明的目的是为了改善原有电动助力转向系统的回正性能，提供一种具有主动回正及阻尼控制功能的电动助力转向系统，该系统可以改善车辆在不同车速下的回正性能并能实现良好的操纵手感。

本发明的技术方案是：一种具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，包括由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元-ECU、电机及减速机构组成的电动助力装置和由转向盘、转向轴、转向器、转向横拉杆、转向轮组成的转向装置，所述的扭矩传感器安装于转向轴上用于检测操纵力矩，车速传感器向ECU提供车速信号，使ECU能根据不同行驶状况提供合适的电机电流；所述的电机与减速机构相连构成减速增扭的助力机构，助力机构安装于转向装置的转向轴或小齿轮轴或齿条构成多种助力形式的电动助力转向系统；ECU的输入信号为扭矩信号、车速信号，输出为电机电流用于驱动电机提供所需的助力力矩，ECU中主要有基本助力控制模块、补偿控制模块、电机电流控制模块、故障诊断与系统保护模块，ECU根据输入信号，通过各功能模块的计算并通过电机驱动电路输出所需的电机电流，其特点是，在所述的电动助力转向系统的电动助力装置内增加转角传感器或位移传感器，检测偏离直线行驶的转向轴位置的转向轴转角信号，在ECU内增加主动回正与阻尼控制模块，转向轴转角信号与车速信号一起输入到主动回正与阻尼控制模块，根据回正过程中开始回正时的回正势能与回正过程中转向系统的摩擦力矩所作功之差计算出回正与阻尼控制力矩，在回正过程中使电机输出附加回正与阻尼控制力矩。

所述的ECU的输入信号为扭矩信号、转角信号、车速信号，ECU中主要有基本助力控制模块、主动回正与阻尼控制模块、补偿控制模块、电机电流控制模块、故障诊断与系统保护模块功能模块构成，ECU根据输入信号，通过各功能模块的计算并通过电机驱动电路输出所需的电机电流。

本发明的有益效果是，本发明主要是利用转向轴转角信号进行回正与阻尼控制，不受传感器形式及其安装位置的限制，改善车辆在高、低速行驶工况下的回正性能，且不会影响驾驶员的操纵手感。

附图说明

图1是原有的电动助力转向系统构成图；

图2是本发明电动助力转向系统构成图；

图3是原有的电动助力转向系统控制原理框图；

图4是本发明电动助力转向系统控制原理框图；

图5是原有的电动助力转向系统控制流程图；

图6是本发明电动助力转向系统控制流程图；

图7是某一车速下理想化的转向盘力矩转角曲线；

图8是某一车速下回正控制时的转向盘力矩-转角曲线；

图9是某一车速下阻尼控制时的转向盘力矩-转角曲线；

图10是常值加力形式的主动回正补偿力矩示意图；

图11是线性加力形式的主动阻尼补偿力矩示意图；

图12是无主动回正控制和有主动回正控制时的转向盘转角和转向盘力矩的时间历程对比图；

图13是无主动阻尼控制和有主动阻尼控制时的转向盘转角和转向盘力矩的时间历程对比图；

图14是不同车速下的转向盘力矩转角曲线。

图7-图11中，k是某一车速下转向盘力矩-转角曲线的斜率，α_sr是某一车速下车辆开始回正时的转向盘转角，α_nr是某一车速下能使得车辆完全回正的转向盘转角，α为转向盘转角，Tr是主动回正补偿力矩，Td是主动阻尼补偿力矩。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例子作进一步的详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及相似变化，均应列入本发明的保护范围。

由图2、图4所示，一种具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，它包括由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元-ECU、电机及减速机构组成的电动助力装置和由转向盘、转向轴、转向器、转向横拉杆、转向轮组成的转向装置，所述的扭矩传感器安装于转向轴上用于检测操纵力矩，车速传感器向ECU提供车速信号，使ECU能根据不同行驶状况提供合适的电机电流；所述的电机与减速机构相连构成减速增扭的助力机构，助力机构安装于转向装置的转向轴或小齿轮轴或齿条上构成多种助力形式的电动助力转向系统；ECU的输入信号为扭矩信号、车速信号，输出为电机电流用于驱动电机提供所需的助力力矩，ECU中主要有基本助力控制模块、补偿控制模块、电机电流控制模块、故障诊断与系统保护模块，ECU根据输入信号，通过各功能模块的计算并通过电机驱动电路输出所需的电机电流，其特点是，在所述的电动助力转向系统的电动助力装置内增加转角传感器或位移传感器，检测偏离直线行驶的转向轴位置的转向轴转角信号，在ECU内增加主动回正与阻尼控制模块，转向轴转角信号与车速信号一起输入到主动回正与阻尼控制模块，根据回正过程中开始回正时的回正势能与回正过程中转向系统的摩擦力矩所作功之差计算出回正与阻尼控制力矩，在回正过程中使电机输出附加回正与阻尼控制力矩。

所述的ECU的输入信号为扭矩信号、转角信号、车速信号，图4所示，ECU中包括由基本助力控制模块、补偿控制模块(包括：稳定性补偿控制模块、动态性补偿控制模块和电机性能补偿控制模块)组成的助力控制模块、主动回正与阻尼控制模块、电机电流控制模块和故障诊断与系统保护模块等功能模块构成，ECU根据输入信号，通过各功能模块的计算并通过电机驱动电路输出所需的电机电流。

所述的回正与阻尼控制力矩的计算是根据回正过程中开始回正时的回正势能与回正过程中转向系统的摩擦力矩所作功之差计算即是在回正过程中(从开始回正到完成回正，即转向轴回到中间位置)开始回正时的回正势能(Pr)-回正过程中转向系统的摩擦力矩所作功(Wf)＝回正过程中主动回正与阻尼控制力矩所作功(W)的原则(即功能定理)来确定，即Pr-Wf＝W。

上述具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，如图2所示，当驾驶员转动转向盘时，转向传感器将检测到转向力矩和转向轴转角信号，并传送给ECU。ECU根据这两个信号，并结合车速信息，按照一定的控制算法，控制电动机产生相应的力矩来辅助驾驶员转动方向轮。

图4为本项发明EPS系统的控制原理框图。图6为控制流程图。助力控制(基本助力控制模块、补偿控制模块)根据转向盘力矩和车速信号计算得到助力力矩，主动回正与阻尼控制根据转向盘转角和车速信号计算得到回正或阻尼力矩。助力力矩+回正或阻尼力矩作为电机助力的目标力矩(或电流)信号输入到电机电流控制模块。电机电流控制模块通过电流闭环控制实现目标力矩(或电流)的跟随，向转向系统提供所需的助力力矩。

回正或阻尼力矩是基于上述功能定理计算获得。利用功能定理对车辆的转向过程进行分析，得出驾驶员的转向功转化为克服转向系统摩擦力矩的摩擦功和储存在轮胎中的回正势能两部分；而在回正的过程中，轮胎中的回正势能要克服转向系统的摩擦功，当回正势能小于摩擦功时，转向盘无法准确回到中间位置，需要施加额外的回正力矩才能使转向盘回到中间位置；而当回正势能大于摩擦功时，转向盘会出现回正超调的现象，即系统摩擦力矩所产生的阻尼不够，需要施加额外的阻尼力矩才能使转向盘回到中间位置时不超调或少超调。利用电机作为执行器，补偿回正势能和摩擦功之间的差值，使得车辆在高、低速工况下，均可实现转向盘准确、平稳的回正。

结合附图进一步描述本发明的具体实施过程：

1.在无助力条件下，对不同车速下进行转向盘角正弦输入试验，记录转向盘力矩-转角曲线。利用该曲线确定不同车速下的k值，见图7和图14所示。

2.在无助力条件下，对不同车速下，对不同转向盘转角位置进行撒手回正试验。如果车辆可以达到完全回正的状态，则该转向盘转角就是α_nr。

3.回正时刻的判别可以根据转向盘转角的绝对值的变化来判断。当转向盘转角的绝对值增大或保持不变时，车辆处于转向的过程中；当转向盘转角的绝对值减小时，车辆就处于回正的过程中。当转向盘转角的绝对值从增大或保持不变的状态转化为绝对值减小的状态时，就是车辆回正过程的开始；当转向盘转角的绝对值从减小的状态转化为绝对值增大或保持不变的状态时，就是车辆回正过程的结束。

4.根据3所述的判断回正过程的起止方法，确定车辆开始回正时的转向盘转角α_sr，在该车速下回正过程中电机所需补偿的功为 $W=\frac{1}{2}k\·({\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}})\·{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}.$

5.回正过程中的加力方式可以有多种形式。例如，在整个回正的过程中采用常值加力的方式(如图10所示)，则电机所需施加的力矩为 $T=\frac{W}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}}=\frac{1}{2}k\·({\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}});$ 如果在整个回正的过程中采用线性加力的方式(如图11所示)，则电机所需施加的力矩为 $T=\frac{2W}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}^2}\·\mathrm{\α}=\frac{k\·({\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{nr}})}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}}\·\mathrm{\α}.$ 两种加力方式所形成的回正与阻尼控制力矩(或称补偿力矩)最大值均小于等效的转向系统静摩擦力矩。

6.补偿力矩方向可以根据α_nr和α_sr的绝对值的大小关系来确定。当α_sr的绝对值大于α_nr的绝对值(如图9所示)，则应该施加阻尼补偿力矩，此时补偿力矩的方向和转向盘转角的方向相同；当α_sr的绝对值小于α_nr的绝对值(如图8所示)，则应该施加回正补偿力矩，此时补偿力矩的方向和转向盘转角的方向相反。

采用具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，在不同车速及侧向加速度条件下进行撒手回正试验，图12及图13的试验结果验证了本系统的有效性。当车速稳定在20km/h，侧向加速度稳定在2m/s²-4m/s²间的某个值，突然松开转向盘，回正过程中保持车速不变，图12所示为无主动回正及阻尼控制和有主动回正及阻尼控制时转向盘转角和转向盘力矩的时间历程对比，有主动回正及阻尼控制时的残留转向盘转角(松开转向盘3s时刻的转向盘转角)为12度，满足对系统残留转向盘转角小于25度的要求。车速为40km/h，车辆的侧向加速度为4.5m/s²时，突然松开转向盘，回正过程中保持车速不变，所进行的回正试验结果见图13，有主动回正及阻尼控制时的残留的转向盘转角为1度，并且抑制了原车辆在中高速时的回正超调现象。

Claims (5)

1.一种具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，包括由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元-ECU、电机及减速机构组成的电动助力装置和由转向盘、转向轴、转向器、转向横拉杆、转向轮组成的转向装置，所述的扭矩传感器安装于转向轴上用于检测操纵力矩，车速传感器向ECU提供车速信号，使ECU能根据不同行驶状况提供合适的电机电流；所述的电机与减速机构相连构成减速增扭的助力机构，助力机构安装于转向装置的转向轴或小齿轮轴或齿条上，构成多种助力形式的电动助力转向系统；ECU的输入信号为扭矩信号、车速信号，输出为电机电流用于驱动电机提供所需的助力力矩，ECU中主要有基本助力控制模块、补偿控制模块、电机电流控制模块、故障诊断与系统保护模块，ECU根据输入信号，通过各功能模块的计算并通过电机驱动电路输出所需的电机电流，其特征在于，在所述的电动助力转向系统的电动助力装置内增加转角传感器或位移传感器，检测偏离直线行驶的转向轴位置的转向轴转角信号，在ECU内增加主动回正与阻尼控制模块，转向轴转角信号与车速信号一起输入到主动回正与阻尼控制模块，根据回正过程中开始回正时的回正势能与回正过程中转向系统的摩擦力矩所作功之差计算出回正与阻尼控制力矩，在回正过程中使电机输出附加回正与阻尼控制力矩。

2.根据权利要求1所述的具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，其特征在于，所述的ECU的输入信号为扭矩信号、转角信号、车速信号，ECU中主要有基本助力控制模块、主动回正与阻尼控制模块、补偿控制模块、电机电流控制模块、故障诊断与系统保护模块功能模块构成，ECU根据输入信号，通过各功能模块的计算并通过电机驱动电路输出所需的电机电流。

3.根据权利要求1所述的具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，其特征在于，所述的回正过程中附加回正与阻尼控制力矩最大幅值小于等效的转向系统静摩擦力矩。

4.根据权利要求1所述的具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，其特征在于，所述的回正过程中的起始和终止时刻由转向盘转角的绝对值的变化来判断，当转向盘转角的绝对值增大或保持不变时，车辆处于转向的过程中；当转向盘转角的绝对值减小时，车辆就处于回正的过程中，当转向盘转角的绝对值从增大或保持不变的状态转化为绝对值减小的状态时，就是车辆回正过程的开始；当转向盘转角的绝对值从减小的状态转化为绝对值增大或保持不变的状态时，就是车辆回正过程的结束。

5.根据权利要求1所述的具有主动回正及阻尼控制的电动助力转向系统，其特征在于，所述的在回正过程中，当车速稳定在20km/h，侧向加速度稳定在2m/s²-4m/s²间的某个值时，突然松开转向盘，车速保持不变，松开转向盘3s时刻的转向盘转角小于25度。

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