電動助力轉向控制裝置及其自適應相位補償方法與流程
2023-06-25 00:36:26 1
本發明涉及電動助力轉向系統的領域，特別是涉及一種電動助力轉向控制裝置及其自適應相位補償方法。
背景技術：
電動助力轉向(EPS)系統是在傳統的機械轉向系統的基礎上增加轉向傳感器(轉矩或者轉矩轉角一體式傳感器)、電子控制單元(ECU)和動力輔助裝置(即電機和減速器裝置)而成。由於取消了機械液壓轉向系統的油壓管路，通過電機驅動來提供輔助轉向助力，因此具有結構簡單的優點。另外，由於該系統根據駕駛員施加在轉向盤上的操縱轉矩和車速等信號，經過ECU計算電機所需提供的助力，因此一方面，電機只在必要時提供助力，可以節省燃油，另一方面，助力大小可以根據車速進行調節，進而獲得可變的轉向特性。正是由於上述優點，電動助力轉向系統正逐漸取代傳統的液壓助力轉向系統。
駕駛員在正常操縱時輸入的頻率範圍一般在5Hz以下，而來自路面的幹擾的頻率一般在20Hz左右。EPS控制的要求即為保證在駕駛員正常輸入的頻段內具有快速的響應性，而又能有效地抑制來自路面的幹擾。
但是，由於轉向系統的參數，尤其是輪胎的側向剛度，以及控制器的助力比(助力增益定義為助力轉矩與轉向盤轉矩的比值)隨著車速的變化而變化，即控制系統中控制對象的參數(同時意味著控制系統的帶寬)隨著車速的變化而變化，因此在單一工況下設計出的相位 補償器參數很難滿足全車速範圍內的EPS系統帶寬的需求。
技術實現要素：
本發明針對EPS系統帶寬隨車速變化而變化的問題，提出了一種電動助力轉向控制裝置，可使EPS系統無論在何種工況下都能保證最佳帶寬，既保證最佳的響應特性，又使抑制路面幹擾的效果達到最優。
為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供了一種電動助力轉向控制裝置，包括轉向盤、轉向傳感器、蝸輪蝸杆減速機構、轉向管柱、齒輪齒條轉向器、輪胎、ECU、助力電機和蓄電池電源，所述的轉向盤連接在轉向管柱的前端，所述的轉向傳感器設置在轉向管柱中，所述的蝸輪蝸杆減速機構設置在轉向管柱上並位於轉向傳感器的下方，所述的轉向管柱的後端連接在齒輪齒條轉向器中間位置，所述的輪胎分別設置在齒輪齒條轉向器的左右兩端，所述的ECU分別與轉向傳感器和電機連接，所述的助力電機連接在蝸輪蝸杆減速機構的一側邊，所述的蓄電池電源與ECU相連接，所述的ECU接收來自整車的車速信號、發動機轉速信號和點火信號；接收來自轉向傳感器的轉矩和轉角信號；接受來自助力電機反饋的電機轉角和電流信號，其中，所述的ECU包括補償模塊、基本助力模塊、回正控制模塊、阻尼控制模塊、累加器以及限制模塊，所述的基本助力模塊、回正控制模塊、阻尼控制模塊分別與累加器連接，所述的補償模塊與基本助力模塊連接，所述的累加器與限制模塊連接。
在本發明一個較佳實施例中，所述的轉向傳感器採用轉矩傳感器 或者轉矩轉角一體化傳感器。
在本發明一個較佳實施例中，所述的ECU輸出電機控制電壓給助力電機。
在本發明一個較佳實施例中，所述的轉向傳感器的轉矩和轉角信號包括轉向盤轉矩信號、轉向盤轉角信號和轉向盤轉速信號。
為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是：提供了一種電動助力轉向控制裝置的自適應相位補償方法，包括以下具體步驟：
a、轉向盤轉矩信號進入相位補償模塊，相位補償模塊輸出經過補償的轉矩信號，基本助力模塊接收經過補償的轉矩信號和車速信號，經過計算或查表基本助力模塊得出基本助力轉矩目標值，基本助力轉矩目標值進入累加器；
b、車速信號和轉向盤轉角信號進入回正控制模塊，經過計算或查表回正控制模塊得出回正助力轉矩目標值，回正助力轉矩目標值進入累加器；
c、車速信號和轉向盤轉速信號進入阻尼控制模塊，經過計算或查表阻尼控制模塊得出阻尼控制轉矩目標值，阻尼控制轉矩目標值進入累加器；
d、累加器對輸入的基本助力轉矩目標值、回正助力轉矩目標值和阻尼控制轉矩目標值進行處理，得到未受限制的助力轉矩目標值；
e、未受限制的助力轉矩目標值進入限制模塊，限制模塊輸出受限制的助力轉矩目標值。
本發明的有益效果是：本發明的電動助力轉向控制裝置及其自適應相位補償方法，具有結構簡單、節省燃油、可變的轉向特性等優點，可以使EPS在不同車速下都能獲得良好的動態響應特性，改善系統的手感，可使EPS系統無論在何種工況下都能保證最佳帶寬，既保證最佳的響應特性，又使抑制路面幹擾的效果達到最優。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中：
圖1是本發明一種電動助力轉向控制裝置的一較佳實施例的結構示意圖；
圖2是圖1中ECU的結構框圖；
圖3是基本助力模塊中核心助力曲線圖；
圖4是輪胎側向剛度相同而助力比變化時EPS系統的開環頻率特性圖；
圖5是助力比不變時，系統開環頻率特性與輪胎側向剛度的關係圖；
圖6是車速變化的相位補償，其頻率特性圖。
具體實施方式
下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯 然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本發明實施例包括：
一種電動助力轉向控制裝置，包括轉向盤101、轉向傳感器(轉矩傳感器或者轉矩轉角一體化傳感器)102、蝸輪蝸杆減速機構103、轉向管柱104、齒輪齒條轉向器105、輪胎106、ECU 116、助力電機114和蓄電池電源107，所述的轉向盤101連接在轉向管柱104的前端，所述的轉向傳感器102設置在轉向管柱104中，所述的蝸輪蝸杆減速機構105設置在轉向管柱104上並位於轉向傳感器102的下方，所述的轉向管柱104的後端連接在齒輪齒條轉向器105中間位置，所述的輪胎106分別設置在齒輪齒條轉向器105的左右兩端，所述的ECU 116分別與轉向傳感器102和助力電機114連接，所述的助力電機114連接在蝸輪蝸杆減速機構103的一側邊，所述的蓄電池電源107與ECU 116相連接。
ECU 116接收來自整車的車速信號108、發動機轉速信號109、點火信號110，接收來自轉向傳感器102的轉矩和轉角信號112，同時接受來自助力電機114反饋的電機轉角和電流信號113，根據ECU 116內部的控制原理，輸出電機控制電壓115，從而使助力電機114動作，提供助力轉矩。
如圖2所示，ECU 116包括補償模塊204、基本助力模塊206、回正控制模塊207、阻尼控制模塊208、累加器212以及限制模塊214， 所述的基本助力模塊206、回正控制模塊207、阻尼控制模塊208分別與累加器212連接，所述的補償模塊204與基本助力模塊206連接，所述的累加器212與限制模塊214連接。
其中，所述的轉向傳感器102的轉矩和轉角信號112包括轉向盤轉矩信號201、轉向盤轉角信號202和轉向盤轉速信號203。轉向盤轉速信號203可以由轉向盤轉角信號202進行微分得到，也可以從助力電機114位置傳感器獲得。
根據圖2所示，本發明還提供了一種電動助力轉向控制裝置的自適應相位補償方法，包括以下具體步驟：
a、轉向盤轉矩信號進入相位補償模塊，相位補償模塊輸出經過補償的轉矩信號，基本助力模塊接收經過補償的轉矩信號和車速信號，經過計算或查表基本助力模塊得出基本助力轉矩目標值，基本助力轉矩目標值進入累加器；
b、車速信號和轉向盤轉角信號進入回正控制模塊，經過計算或查表回正控制模塊得出回正助力轉矩目標值，回正助力轉矩目標值進入累加器；
c、車速信號和轉向盤轉速信號進入阻尼控制模塊，經過計算或查表阻尼控制模塊得出阻尼控制轉矩目標值，出阻尼控制轉矩目標值進入累加器；
d、累加器對輸入的基本助力轉矩目標值、回正助力轉矩目標值和阻尼控制轉矩目標值進行處理，得到未受限制的助力轉矩目標值；
e、未受限制的助力轉矩目標值進入限制模塊，限制模塊輸出受 限制的助力轉矩目標值。
限制模塊214根據ECU 116的溫度信息、蓄電池電壓信息等信息進行保護性限制，避免ECU 116工作在過溫、過壓、欠壓等不正常條件下，保護ECU的安全。
基本助力模塊206中核心為如圖3所示的助力曲線。為了獲得低速操縱的輕便性以及高速操縱的穩定性，助力曲線被設計成一簇隨車速變化的曲線族，曲線301為車速為零時的助力曲線，其助力比最大，基本助力轉矩目標值在輸入的轉向盤轉矩信號較小時便達到了最大輸出，基本助力轉矩達到最大值時的輸入轉矩通常設定在3～5Nm之間。曲線302為車速最高時的助力曲線，其助力比最小，可以獲得穩重的操縱手感。隨著車速的升高，助力曲線隨箭頭303變化，即車速升高，助力減小。
通常情況下，相位補償的設計時依據原地轉向時即車速為零時的助力曲線設計的。因為當原地轉向時助力比最大，即轉向系統的開環增益最大，極易導致系統的不穩定，引起方向盤的震蕩。
根據牛頓第二定律，可以列出EPS系統的微分方程：
轉向盤-管柱系統：
助力電機：
齒輪齒條轉向器：
其中，
扭矩傳感器輸出：
上述公式中，各個符號的含義和單位參見下表：
為了便於應用線性系統理論進行分析，做了以下合理假設：
1.忽略系統的摩擦；
2.假設助力曲線為線性的；
3.考慮到電機電氣特性的時間常數遠小於機械系統的時間常數，可認為Tm＝KaTs；
經以上假設，對式(1)～式(3)整理可得到EPS系統從轉向盤轉矩輸入Th到轉矩傳感器輸出Ts的開環傳遞函數：
式中，
從式(4)中可已看出，EPS系統的開環傳遞函數與轉向系統的參數有關，具體地說，與轉向盤的轉動慣量，轉向盤-管柱間的阻尼，齒條質量，齒條-齒條殼體之間的阻尼，助力電機轉動慣量，助力電機的阻尼，轉向小齒輪半徑，蝸輪蝸杆減速器速比，助力比和輪胎側向剛度有關。然而以上參數中，助力比和輪胎側向剛度是隨車速變化而變化的，因此，EPS系統開環傳遞函數的頻率特性受助力比和輪胎側向剛度的影響，換句話說，即EPS系統開環傳遞函數的頻率特性隨車速變化而變化。一般地，助力比隨車速升高而減小，輪胎側向剛度隨車速升高而增大。
根據式(4)，利用matlab可以繪製出輪胎側向剛度相同而助力比變化時EPS系統的開環頻率特性。曲線401是小助力比時的幅頻特性，曲線402是大助力比時的幅頻特性，箭頭403表示助力比減小時幅頻特性和相頻特性的變化方向。
從圖4中可以看出，隨著助力比的增大，EPS系統的帶寬減小，相角穩定裕度減小，所以原地時的大助力比容易造成系統的不穩定。
當保持助力比不變時，系統開環頻率特性與輪胎側向剛度的關係如下如所示，曲線501為側向剛度較小(對應低車速)時的幅頻特性，曲線502為側向剛度較大(對應高車速)時的幅頻特性，箭頭503表示輪胎側向剛度增大時幅頻特性和相頻特性變化的方向。
從圖5中可以看出，輪胎側向剛度對轉向系統的帶寬也有顯著的影響，隨著輪胎側向剛度的增大，系統帶寬增大。
通常情況下，相位補償器的參數是根據原地轉向時系統的開環頻率特性設計的。正是由於助力比和輪胎側向剛度的影響，造成了參數單一的相位補償器不能很好的滿足系統動態特性的要求。
因此，本專利發明了自適應相位補償器，用以解決上述問題。
從附圖4和附圖5中可以看出，輪胎側向剛度對系統開環幅頻特性的諧振峰的影響並不明顯，只對系統的帶寬有影響，而助力比則直接影響了諧振峰的頻率、幅值以及系統的帶寬。設計相位補償器的一個原則是儘可能地是轉向系統的帶寬保持在一個恆定的頻率範圍內且儘可能的大，儘可能的抑制諧振峰的峰值(諧振峰所處頻率與輪胎幹擾的頻率接近)。這樣可保證系統具有快速響應性的同時能抑制來自輪胎的幹擾。
具體實施時，可參照如下步驟：
1.設計一個一階超前補償器：依據附圖4的開環幅頻特性，確定諧振峰所處的頻段，所設計的相位超前補償器的相位補償頻率要能覆蓋整個諧振峰所處的頻段，另外其幅值應使諧振峰的峰值降到0dB以下；
2.按車速設計不同的滯後補償器，使每個車速下系統的帶寬保持在一個較高的範圍，推薦地，設計帶寬可設定為5～10Hz。
根據上述步驟可設計出隨車速變化的相位補償，其頻率特性如附圖6所示：
曲線601為車速為0時的相位補償器幅頻特性，曲線602為車速為180km/h時的相位補償幅頻特性，箭頭603為隨車速增大時相位補償器幅頻/相頻特性的變化方向。在具體實現時，可在ECU內存儲若干個車速下的相位補償器參數，其他車速時的相位補償器參數採用插值的方式獲得。
綜上所述，本發明的電動助力轉向控制裝置及其自適應相位補償方法，具有結構簡單、節省燃油、可變的轉向特性等優點，可以使EPS在不同車速下都能獲得良好的動態響應特性，改善系統的手感，可使EPS系統無論在何種工況下都能保證最佳帶寬，既保證最佳的響應特性，又使抑制路面幹擾的效果達到最優。
以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。