具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的製作方法
2023-07-07 22:09:16
專利名稱：具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於汽車技術領域，涉及電動助力轉向系統，尤其是一種具有主動回正控 制功能的電動助力轉向系統(Electric Power Steering System，簡稱EPS)。
背景技術：
電動助力轉向系統包括機械轉向系統，扭矩傳感器，方向盤轉角傳感器，車速傳感 器，電子控制單元，轉向助力電機及其減速機構組成。其中，所述扭矩傳感器安裝於所述機 械轉向系統的轉向軸上以檢測駕駛員操縱力矩並輸出扭矩信號；車速傳感器用於檢測目前 車輛的行駛速度並輸出車速信號；方向盤轉角傳感器用於檢測轉向盤偏離直線行駛位置並 輸出角度信號；電子控制單元計算出需要給轉向助力電機提供的驅動電流值；轉向助力電 機可安裝在機械轉向軸或轉向器上，通過減速機構給駕駛員提供助力力矩。電子控制單元 包括基本助力控制模塊、電機電流控制模塊和故障診斷模塊。傳統的電動助力轉向控制系統可以提高車輛的轉向輕便性，但是，在低速行駛時， 由於轉向裝置摩擦力矩的影響，會出現轉向盤無法回到中間位置的情況，降低了車輛的行 駛安全性。
發明內容
本發明的目的是為了改善電動助力轉向系統的低速回正性能，提供一種具有主動 回正控制功能的電動助力轉向系統，該系統可以有效地確保電動助力轉向系統在低速下的 轉向回正性能，且不會影響駕駛員的操縱手感。為達到以上目的，本發明採用的技術方案是一種具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，包括機械轉向系統，扭矩傳感 器，方向盤轉角傳感器，車速傳感器，電子控制單元，轉向助力電機及其減速機構；其中，所 述扭矩傳感器安裝於所述機械轉向系統的轉向軸上以檢測駕駛員操縱力矩並輸出扭矩信 號；方向盤轉角傳感器用於檢測轉向盤偏離直線行駛位置並輸出角度信號；車速傳感器用 於檢測目前車輛的行駛速度並輸出車速信號；電子控制單元計算出需要給轉向助力電機提 供的驅動電流值；轉向助力電機可安裝在機械轉向軸或轉向器上，通過減速機構給駕駛員 提供助力力矩；所述電子控制單元包括力矩控制模塊、電機電流控制模塊和故障診斷模塊； 力矩控制模塊接受扭矩信號、車速信號和角度信號並向電機電流控制模塊輸出控制信號， 該力矩控制模塊包括基本助力控制模塊，主動回正控制模塊，阻尼控制模塊，其特徵在於， 所述的主動回正控制模塊包括回正判斷模塊和回正力矩計算模塊，回正判斷模塊根據接受 扭矩信號、車速信號和角度信號，判斷轉向盤是否處於回正狀態，如果處於回正狀態，則主 動回正控制模塊中的回正力矩計算模塊計算出適當的回正控制力矩給電機電流控制模塊， 並由電機電流控制模塊控制轉向助力電機輸出相應回正力矩。由於採用了以上技術方案，本發明的有益效果是通過利用方向盤轉角信號，扭矩 信號，以及車速信號進行回正控制，該方法適用於各種助力形式的電動助力轉向系統，改善
4車輛的回正性能，同時不會影響駕駛員的操縱手感。
圖1是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的力矩控制模塊原理圖。圖2是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的回正判斷模塊判 斷程序流程圖。圖3是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的以轉向盤迴正到 中間位置為控制目標的轉角閉環控制的回正力矩計算方法原理圖。圖4是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的以轉向盤迴正到 中間位置為控制目標的轉角閉環控制的回正力矩計算方法的20km/h車速下實車回正實驗 曲線。圖5是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤的 轉角閉環回正力矩計算方法中用到的理想轉向系統回正模型。圖6是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤的 轉角閉環回正力矩計算方法用到的理想轉向系統回正模型輸出的理想的轉向盤迴正轉 角-時間歷程。圖7是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤的 轉角閉環回正力矩計算方法原理圖。圖8是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤的 轉角閉環回正力矩計算方法的實車回正實驗曲線。(無回正控制和有回正控制時的轉向盤 轉角-時間歷程對比)圖9是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的回正判斷實驗驗 證曲線。圖10是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤的 轉角閉環回正力矩計算方法的實車回正實驗曲線。(10km/h和20km/h車速時，參考模型輸 出和實際轉角輸出)圖11是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤模 糊自適應控制的框圖。圖12是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤模 糊自適應控制方法的模糊自適應控制規律查詢表格。(輸入輸出變量經歸一化後在某個轉 角下的回正力矩的3維查詢表)圖13是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤模 糊自適應控制方法的實車回正實驗曲線。(無回正控制和有回正控制時的轉向盤轉角_時 間歷程對比)圖14是本發明的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統的基於模型跟蹤模 糊自適應控制方法的實車回正實驗曲線。(10km/h和20km/h車速時，參考模型輸出和實際 轉角輸出)
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，包括機械轉向系統，扭矩傳感器，方 向盤轉角傳感器，車速傳感器，電子控制單元，轉向助力電機及其減速機構組成。其中，扭矩 傳感器安裝於機械轉向系統的轉向軸上以檢測駕駛員操縱力矩並輸出扭矩信號；方向盤轉 角傳感器用於檢測轉向盤偏離直線行駛位置並輸出的角度信號；車速傳感器用於檢測目前 車輛的行駛速度並輸出車速信號；電子控制單元計算出需要給轉向助力電機提供的驅動電 流值；轉向助力電機可安裝在機械轉向軸或轉向器上，通過減速機構給駕駛員提供助力力 矩。電子控制單元包括力矩控制模塊、電機電流控制模塊和故障診斷模塊；力矩控制 模塊接受扭矩信號、車速信號和角度信號並向電機電流控制模塊輸出控制信號。參看圖1，該力矩控制模塊包括基本助力控制模塊，主動回正控制模塊，高速阻尼 控制模塊，三個控制模塊的輸入端與扭矩傳感器，方向盤轉角傳感器，車速傳感器連接，接 受扭矩信號、車速信號和角度信號，三個控制模塊的輸出端與電機電流控制模塊連接，向電 機電流控制模塊輸出控制信號。主動回正控制模塊包括回正判斷模塊和回正力矩計算模 塊，回正判斷模塊的輸入端與扭矩傳感器，方向盤轉角傳感器，車速傳感器連接，接受扭矩 信號、車速信號和角度信號，判斷轉向盤是否處於回正狀態，如果處於回正狀態，則回正判 斷模塊將信號反饋至主動回正控制模塊中的回正力矩計算模塊，回正力矩計算模塊計算出 適當的回正控制力矩，並由電機電流控制模塊控制轉向助力電機輸出相應回正力矩。本發 明利用方向盤轉角信號，扭矩信號，以及車速信號進行回正控制，適用於各種助力形式的電 動助力轉向系統，改善車輛的回正性能，同時不會影響駕駛員的操縱手感。回正判斷模塊根據方向盤轉角信號、方向盤轉速信號(可由方向盤轉角信號微分 得到，或者由電機轉速估算得到)、扭矩傳感器信號來判斷車輛是否處於回正狀態。回正判 斷模塊的設計是基於狀態機理論，通過將轉向回正操作分解為回正判斷，回正待命，回正開 始三種狀態，再通過方向盤轉角信號、方向盤轉速信號、扭矩傳感器信號來判斷當前是否需 要施加回正力矩。具體的判斷流程如圖2，判斷程序初始化，進入回正判斷狀態，這時禁止回正，若不 能滿足條件A，則跳出回正判斷程序，若能滿足條件A，則進入回正待命狀態。處於回正待命 狀態時，若滿足條件B，則進入回正開始狀態，而在回正開始狀態時，若滿足條件C，又返回 回正待命狀態。處於回正待命狀態時，滿足條件D，進入回正始能動作。若滿足條件E或者 不滿足條件C和D，返回回正判斷狀態。其中，A 轉角大於設定值1 ；B 轉角方向與轉速方向相反；C 操縱力矩大於設定值2 ；D 轉角方向與轉速方向相反且操縱力矩小於設定值2 ；E 轉角小於設定值3;回正判斷模塊決定了是否要施加回正力矩。本發明中回正力矩計算模塊的實現方式可以有以下兩種
一種是以轉向盤迴正到中間位置為控制目標的轉角閉環控制，以轉向盤迴正到中 間位置為控制目標的轉角閉環控制原理框圖，如圖3所示。該方式包含一個基本回正力矩 和一個積分環節，或者是帶有積分環節的控制系統校正環節。該基本回正力矩是一個隨轉 向盤角度信號變化的數值，且該數值由回正判斷模塊來控制是否輸出，即回正過程中基本 回正力矩為設置值，非回正過程中為0。本發明中，控制系統校正環節為一個比例-積分-微分(PID)控制環節，包括一 個比例環節(P)，一個積分環節(I)，一個微分環節(D)，在本發明中這三個環節是一個隨轉 向盤角度信號變化的數值，同樣由回正判斷模塊來使能，即，回正過程中比例_積分_微分 (PID)環節是起作用的，非回正過程中輸出為0。由於車輛在不同車速下具有不同的回正特 性，故在本發明中，基於比例-積分-微分(PID)控制的轉角閉環控制計算出來的回正力矩 與一個隨車速變化的速度感應係數相乘，在不同車速下，只需調整該速度感應係數，便可以 標定在不同車速下車輛的回正性能。圖4為以轉向盤迴正到中間位置為控制目標的轉角閉環控制回正力矩計算方法 的實車實驗曲線，其中，試驗車輛為裝配有電動助力轉向系統的某微型車，在車速為20km/h 時，方向盤打到180度左右進行撒手回正實驗，由方向盤轉角-時間歷程曲線可以看出，回 正最終殘留角在5度以內，結果說明回正控制改善了車輛低速時的回正性能。另外一種回正力矩計算方法是基於模型跟蹤的轉角跟蹤閉環控制方法。該方法 包含一個理想的轉向系統回正模型(參見圖5)，該理想模型的輸出為理想的轉向盤迴正轉 角_時間歷程，該理想模型假設電動助力轉向系統的摩擦阻力為0，通過在不同車速下設置 該理想轉向系統回正模型的設定值1轉向剛度和設定值2轉向阻尼，可以提供一個對於不 同車速的理想的回正過程。該模型輸出由回正判斷模塊來使能，即，在非回正過程中，該模 型的輸出角度為0。如果處於回正狀態，基於模型跟蹤的轉角跟蹤閉環回正力矩計算的其 中一個實施案例為根據理想的轉向系統回正模型的狀態與實際的轉向系統回正的狀態之 差，通過一個積分環節，或者是帶有積分環節的控制系統校正環節，在本發明中，該控制系 統校正環節為比例-積分-微分(PID)控制，計算出相應的回正控制力矩，在回正過程中使 電機輸出附加回正控制力矩。該比例-積分-微分(PID)環節由回正判斷模塊來使能，即， 回正過程中比例-積分-微分(PID)環節是起作用的，非回正過程中輸出為0。基於模型跟 蹤的轉角跟蹤閉環回正力矩計算方法的另外一個實施案例為如果處於回正狀態，則根據 理想的轉向系統回正模型的狀態與實際的轉向系統回正的狀態之差，狀態之差的變化以及 轉向盤轉角信號，通過模糊自適應控制規律，計算出相應的回正控制力矩，在回正過程中使 電機輸出附加回正控制力矩。所述的基於模型跟蹤的轉角跟蹤閉環回正力矩計算方法包含一個理想的轉向系 統回正模型，該理想模型和實際轉向系統的不同之處在於，其忽略了轉向系統的摩擦，即假 設摩擦力為0。轉向系統可以簡化為一個單自由度系統，如圖5所示，可將轉向盤，轉向柱， 轉向器和前輪轉動慣量全部等效轉化到轉向軸軸線上，記作Is ；將轉向柱，轉向器和主銷 等處的阻尼全部等效轉化到轉向柱軸線上，記為Cs ；將轉向柱，轉向器，轉向拉杆球頭等處 的摩擦力全部等效轉化到轉向柱軸線上，記為Fs ；轉向盤上作用有駕駛員的操縱力矩Th， 轉向盤轉角記為α ；假設轉向盤和前輪之間為剛性聯接，它們之間的運動符合傳動比所決 定的關係，轉向傳動比記為ns;前輪上作用有回正力矩Tw，前輪轉角記為δ ；描述該轉向系
7統動態特性的微分方程為
權利要求
一種具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，包括機械轉向系統，扭矩傳感器，方向盤轉角傳感器，車速傳感器，電子控制單元，轉向助力電機及其減速機構；其中，所述扭矩傳感器安裝於所述機械轉向系統的轉向軸上以檢測駕駛員操縱力矩並輸出扭矩信號；方向盤轉角傳感器用於檢測轉向盤偏離直線行駛位置並輸出的角度信號；車速傳感器用於檢測目前車輛的行駛速度並輸出車速信號；電子控制單元計算出需要給轉向助力電機提供的驅動電流值；轉向助力電機可安裝在機械轉向軸或轉向器上，通過減速機構給駕駛員提供助力力矩；所述電子控制單元包括力矩控制模塊、電機電流控制模塊和故障診斷模塊；力矩控制模塊接受扭矩信號、車速信號以及角度信號，該力矩控制模塊包括基本助力控制模塊，主動回正控制模塊，阻尼控制模塊，三個控制模塊的輸入端與扭矩傳感器，方向盤轉角傳感器，車速傳感器連接，接受扭矩信號、車速信號和角度信號，三個控制模塊的輸出端與電機電流控制模塊連接，向電機電流控制模塊輸出控制信號，其特徵在於，所述的主動回正控制模塊包括回正判斷模塊和回正力矩計算模塊，回正判斷模塊的輸入端與扭矩傳感器，方向盤轉角傳感器，車速傳感器連接，接受扭矩信號、車速信號和角度信號，判斷轉向盤是否處於回正狀態，如果處於回正狀態，則回正判斷模塊將信號發送給主動回正控制模塊中的回正力矩計算模塊，回正力矩計算模塊計算出適當的回正控制力矩，並由電機電流控制模塊控制轉向助力電機輸出相應回正力矩。本發明利用方向盤轉角信號，扭矩信號，以及車速信號進行回正控制，適用於各種助力形式的電動助力轉向系統，改善車輛的回正性能，同時不會影響駕駛員的操縱手感。
2.根據權利要求1所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述回正判斷模塊根據轉角信號、方向盤轉速信號、扭矩信號來判斷車輛是否處於回正狀 態。
3.根據權利要求2所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 主動回正控制模塊中的回正判斷模塊的設計是基於狀態機理論，通過將轉向回正操作分解 為回正判斷，回正待命，回正開始三種狀態，再通過轉角信號、方向盤轉速信號、扭矩信號來 判斷當前是否需要施加回正力矩。
4.根據權利要求2或3所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在 於，所述方向盤轉速信號可由轉角信號微分得到，或者由轉向助力電機轉速估算得到。
5.根據權利要求1所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 主動回正控制模塊所包含的回正力矩計算模塊根據當前的轉角信號，車速信號計算出回正 到轉向盤中間位置所需要的回正力矩。
6.根據權利要求5所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述的回正力矩計算模塊的一種控制方法為採用以轉向盤迴正到中間位置為控制目標的 轉角閉環控制。
7.根據權利要求5所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述的回正力矩計算模塊的另外一種控制方法為採用基於模型跟蹤控制方法的轉角跟蹤 閉環控制。
8.根據權利要求6所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述以轉向盤迴正到中間位置為控制目標的轉角閉環控制計算方法，包含一個基本回正力 矩，該基本回正力矩是一個常數，或是一個隨角度信號或者車速信號變化的數值，或是一個根據車輛運動狀態計算出的數值。
9.根據權利要求8所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述數值由所述的回正判斷模塊來使能，即，回正過程中基本回正力矩為設置值，非回正過 程中為O。
10.根據權利要求6所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述以轉向盤迴正到中間位置為控制目標的轉角閉環控制計算方法，至少包含一個積分環 節，或者是帶有積分環節的控制系統校正環節，且該積分環節或帶有積分環節的控制系統 校正環節由所述的回正判斷模塊來使能，即，回正過程中該環節是使能的，非回正過程中輸 出為0。
11.根據權利要求7所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述的基於模型跟蹤的轉角跟蹤閉環回正力矩計算方法，包含一個理想的轉向系統回正模 型，該理想的轉向系統回正模型的輸出為理想的轉向盤迴正轉角-時間歷程，該轉理想的 轉向系統回正模型假設電動助力轉向系統的摩擦阻力為0，通過在不同車速下設置該理想 轉向系統回正模型的設定值1和設定值2，可以提供一個對於不同車速的理想的回正過程； 所述理想的轉向系統回正模型輸出由所述的回正判斷模塊來使能，即，在非回正過程中，該 模型的輸出角度為0。
12.根據權利要求7所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述的基於模型跟蹤的轉角跟蹤閉環回正力矩計算方法的其中一種實現方式為如果處於 回正狀態，則根據理想的轉向系統回正模型的狀態與實際的轉向系統回正的狀態之差，通 過一個積分環節，或者是帶有積分環節的控制系統校正環節，計算出相應的回正控制力矩， 在回正過程中使電機輸出附加回正控制力矩；所述積分環節或帶有積分環節的控制系統校 正環節由所述的回正判斷模塊來使能，即，回正過程中該環節是起作用的，非回正過程中輸 出為0。
13.根據權利要求7所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 所述的基於模型跟蹤的轉角跟蹤閉環回正力矩計算方法的另外一種實現方式為如果處於 回正狀態，則根據理想的轉向系統回正模型的狀態與實際的轉向系統回正的狀態之差，狀 態之差的變化以及轉向盤轉角信號，通過模糊自適應控制規律，計算出相應的回正控制力 矩，在回正過程中使電機輸出附加回正控制力矩。
14.根據權利要求1所述的具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統，其特徵在於， 回正轉向盤殘留角度小於5度，同時不會影響駕駛員的操縱手感。
全文摘要
本發明是一種具有主動回正控制功能的電動助力轉向系統。該系統由傳統的機械轉向系統加裝扭矩傳感器，轉向盤轉角傳感器，車速傳感器，電子控制單元，轉向助力電機及其減速機構組成的。本發明所設計的具有主動回正控制的電動助力轉向系統將轉向盤的轉角信號、扭矩傳感器的扭矩信號以及車速傳感器的車速信號相結合，輸入到電子控制單元的主動回正控制模塊，判斷出轉向盤是否處於回正狀態，如果處於回正狀態，則計算出適當的回正控制力矩，並由電機輸出相應力矩。本發明利用轉角信號，扭矩信號，以及車速信號進行回正控制，適用於各種助力形式的電動助力轉向系統，改善車輛的回正性能，同時不會影響駕駛員的操縱手感。
文檔編號B62D113/00GK101934815SQ200910054150
公開日2011年1月5日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者劉慶, 張磊磊, 陳慧 申請人:上海羅冠電子有限公司