专利名称：具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统的制作方法
技术领域：
本发明属于汽车技术领域，涉及电动助力转向系统，尤其是一种具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统(Electric Power SteeringSystem，简称EPS)。
背景技术：
电动助力转向系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员操纵力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及操纵力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机可安装在转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩，且助力力矩大小可以由软件设置，在不同车速时设置不同的助力增益，即可以获得理想的转向手感。一般来讲，电子控制单元的主要控制功能模块包括力矩控制模块(包含有基本助力控制，主动回正控制，阻尼控制等)，电机电流控制模块和故障诊断模块。
传统的电动助力转向控制系统是通过在基本助力模块中添加力矩微分控制以达到抑制路面干扰的作用，使用传统的微分控制，需要在不同的车速下通过反复调试或者通过切换微分增益才能达到抑制路面干扰的目的，但较难在全车速范围内确保路感性能的要求，而且过程十分繁琐，需要设计人员具有相当的调试经验，十分耗时。
发明内容
本发明的目的是为了改善电动助力转向系统的路感特性，提供一种具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，该系统可以有效地确保电动助力转向系统在不同车速下的转向助力性能。
为达到以上目的，本发明的技术方案是一种具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，该系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员手上力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及手上力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机一般安装在转向轴上，或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；一般来讲，电子控制单元的主要控制功能模块包括力矩控制模块(包含有基本助力控制，主动回正控制，阻尼控制等)，电机电流控制模块和故障诊断模块。该发明的特点是对基本助力模块进行改进，设计了一种具有可变加权系数的线性组合控制器，该线性组合控制器使电动助力转向系统在任何工况下均可以获得所期望的转向助力性能，并可以保证电动助力转向系统在任何工况下的稳定性。
由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是在不需要改动现有的电动助力转向系统的硬件的前提下，通过控制算法的改变，保证了在不同的车速下电动助力转向系统的转向助力性能。
图1是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统原理图。
图2是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统所采用的线性参数变化控制方法(Linear Parametric Variety，简称LPV)原理图。
图3是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统模型示意图。
图4是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统LPV控制器设计原理图。
图5是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统的LPV控制器设计加权函数伯德图。(10Hz) 图6是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统的LPV闭环控制伯德图。(10Hz) 图7是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统的LPV控制器设计加权函数伯德图。(6Hz) 图8是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统的LPV闭环控制伯德图。(6Hz) 图9是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统的鲁棒控制器设计原理图。
图10是鲁棒控制理论原理图。
图11是本发明的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统的加入鲁棒控制器后闭环系统和原EPS系统伯德图。
具体实施例方式 以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员手上力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及手上力矩大小计算出需要给助力电机提供的驱动电流值；助力电机一般安装在转向轴上，或者转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；一般来讲，电子控制单元的主要控制功能模块包括力矩控制模块(包含有基本助力控制，主动回正控制，阻尼控制等)，电机电流控制模块和故障诊断模块。该发明的特点是对基本助力模块进行改进，设计了一种具有可变加权系数的线性组合控制器，该线性组合控制器使电动助力转向系统在任何工况下均可以获得所期望的转向助力性能，并可以保证电动助力转向系统在任何工况下的稳定性。
其线性组合控制器的加权方式可包括以下两种方式 一种是基于传递函数的状态空间表达式的加权，通过对状态矩阵的加权，来改变传递函数的特性。具体如下公式(I)表示 另外一种是基于传递函数的输出量的加权，具体如下公式(II)表示 K(s)＝k·K1(s)+(1-k)·K2(s)(II) 其中，上述公式(I)和(II)中
是传递函数的状态空间矩阵表达式，K(s)是传递函数的拉普拉斯变换表达式，k是可变加权系数，在本专利中，k可随车速等参数在线变化，其中k在0-1之间变化，K1(s)和K2(s)在为求解出的具有不同性能的控制器的拉普拉斯变换表达式。
其线性组合控制器的加权方式的第一种是基于传递函数的状态空间表达式的加权，该方式的一种求解方法是利用线性参数变化控制方法(Linear ParametricVariety，简称LPV)来设计控制系统。
线性参数变化控制方法(Linear Parametric Variety，简称LPV)是针对实际的被控对象的某些参数是随着时间变化且该参数可以在线测量的系统，比如在导弹控制系统的某些随飞行高度和速度而变化的物理参数，以及该专利所针对的电动助力转向系统中随车速而变化的助力增益。
这里首先考虑这样一个LPV系统 z＝C1(θ(t))x+D11(θ(t))w+D12(θ(t))u y＝C2(θ(t))x+D21(θ(t))w+D22(θ(t))u(1) 其中式(1)w，u是外部扰动输入信号和控制输入信号，z，y为控制输出信号和测量输出信号，x为状态变量。
其次，将该系统对象描述成多胞系统的形式，如式(2) 然后寻找一个形式如式(3)的LPV控制器 u＝Ck(θ(t))xk+Dk(θ(t))y(3) 并保证对于如图2所示的闭环系统达到二次H∞性能γ。
其中 w是外部扰动输入信号； u是控制输入信号； z为控制输出信号； y为测量输出信号； p(t)为可以在线测量的参数。
路感可以用回正力矩到驾驶员手上力矩的传递特性来表征。为了研究路感，将建立电动助力转向系统模型，齿条力加载机构模拟路面阻力；然后固定方向盘，这种情形与车辆行驶过程中驾驶员牢牢稳住方向盘的情况一致；经过模型简化，我们可以建立以齿条力为输入，扭矩传感器为输出的动力学方程，图3为简化后的电动助力转向系统模型。
根据图2可以写出电动助力转向系统的动力学方程 同样，忽略电机的输出轴刚度，故电机转角和小齿轮转角存在比例关系， θm＝G*θp(6) 齿条位移与小齿轮转角也有 θp＝Xr/rp(7) 电机助力的大小同样是由助力增益和扭矩传感器输出来决定的，由于方向盘固定，故θc＝0，即 Tcom＝Ka*Ts＝Ka*Ks*(-θp)(8) 其中 Jm是电机转动惯量， Mr是齿条质量， θc为转向管柱转角 θm为电机转角 Xr为齿条位移， Ks为扭矩传感器扭杆刚度 Cm为电机阻尼， Cr为齿条阻尼， rp是小齿轮半径， G为蜗轮蜗杆传动比， Ta为电机实际助力矩 Tcom目标指令助力力矩， θp为小齿轮转角。
利用LPV控制方法来设计改善路感的LPV控制器原理图如图4所示， 其中， Ka是助力增益， Ks为扭矩传感器扭杆刚度， Ta为电机实际助力矩， Tcom目标指令助力力矩， θp为小齿轮转角， Fr为EPS硬件在环仿真平台施加的齿条力， Ts为扭矩传感器输出， LPV Controller是我们要设计的鲁棒控制器。
根据设计目标，我们选取控制目标如下， 即齿条力Fr与手上力矩和电机助力力矩折算到齿条上的力的差值作为控制目标，如果D趋近于0，则齿条力Fr完全传递到方向盘上，如果D趋近于Fr，则说明，齿条力Fr完全被系统衰减，没有传递到方向盘上。所以，通过一个加权函数W(s)对控制目标D进行限定，就可以控制齿条力Fr到方向盘力矩的传递特性，从而改变电动助力转向系统的路感。
可以看出，控制目标D的表达式里面含有可变的助力增益Ka，在建立电动助力转向系统增广LPV系统时，助力增益Ka就是作为图2所述的可变在线可测量参数p(t)。
假设所选取的加权函数W(s)具有以下形式， 由于加权函数是一个传递函数，也具有动态特性，故系统需增加一个状态变量w1，所以评价输出Z＝D*W(s)可以写成以下形式 可以得到电动助力转向系统的LPV增广系统 z＝C1(Ka(t))x+D11(Ka(t))w+D12(Ka(t))u y＝C2(Ka(t))x+D21(Ka(t))w+D22(Ka(t))u(13) 其中 w＝Fr u＝Tcom z＝Z y＝Ts D12(Ka(t))＝0 C2(Ka(t))＝
D21(Ka(t))＝0 D22(Ka(t))＝0 可以看出，在LPV增广系统矩阵中，只有A(Ka(t))和C1(Ka(t))与助力增益Ka有关，由于我们在设计电动助力转向系统的过程中，一般选取助力增益Ka最大为20，在此，不妨假设Ka在区间
之间变化，所以该LPV系统就可以写成由两个多胞顶点的凸组合形式， 其中， 在选择好适当的加权函数W(s)后，利用MATLAB/SIMULINK中LMI工具箱中hinfgs命令来求解LPV控制器。
选择不同的加权函数可以得到不同控制性能的LPV控制器。
加权函数W(s)是用来限定控制目标D的，如果期望一定频率范围的齿条力Fr可以完全传递到方向盘力矩，也就是在该频率范围内D趋近于0，则可以设定在该频率范围内加权函数W(s)的增益为比较大的正值；如果期望一定频率范围的齿条力Fr无法传递到方向盘力矩，也就是在该频率范围内D趋近于Fr，则可以设定在该频率范围内加权函数W(s)的增益为0或者非常接近于0的正值。
对于来自路面的信息，只有10Hz以内频带范围与汽车运动状态有关，高于10Hz频率的路面信息大多都属于无用信息或者干扰信息，在此，我们选择加权函数W(s)为一个高通函数，在转折频率设定值1之前，加权函数W(s)的增益比较高，在高于转折频率设定值1段，W(s)的增益趋近于0。
当选择加权函数W(s)如图5所示，转折频率设定值1设置为10Hz，在LPV控制器作用下的从齿条力Fr到扭矩传感器输出Ts的闭环波德图如图6所示，可以看到，当助力增益Ka从0变化到20时，闭环系统对于10Hz以上的路面信息都进行了衰减，而保留了10Hz以内的对汽车运动状态相关的路面信息，即使在Ka＝0，也就是电动助力转向系统不提供转向助力时，EPS依然是工作的，以保持路感；而且，随着助力增益Ka的变大，闭环系统始终保持稳定。
当选择加权函数W(s)如图7所示，转折频率设定值1设置为6Hz，在LPV控制器作用下的从齿条力Fr到扭矩传感器输出Ts的闭环波德图如图8所示，可以看到，当助力增益Ka从0变化到20时，闭环系统对于6Hz以上的路面信息都进行了衰减，而且在助力增益Ka变大时，系统仍然保持稳定。
由于转折频率设定值1设置为10Hz为最佳选择，我们选择转折频率为6Hz的加权函数是为了证明，通过改变加权函数W(s)，就可以获得不同性能的LPV控制器。
其线性组合控制器的另外一种加权方式是基于传递函数的输出量的加权，该方式的一种求解方法可以为分别求解两个不同性能的控制器，对这两个控制器的输出量进行加权，加权得到的总的输出量作为整个控制系统的输出量。
本专利利用鲁棒控制理论分别去求解两个不同性能的控制器，针对抑制电机输出脉动的鲁棒控制器和针对路感的鲁棒控制器，设计的线性组合控制器的权函数是车速的函数，即随着车速的增加，路感鲁棒控制器的权重逐渐增加，抑制脉动的鲁棒控制器的权重逐渐降低。
下面是针对抑制电机输出脉动的鲁棒控制器的设计过程 EPS助力电机输出转矩脉动的频率范围是很宽的，本节通过利用基于H∞范数的鲁棒控制方法来设计可以抑制电机脉动的鲁棒控制器，以消除其对驾驶员操纵性的影响。抑制电机脉动的鲁棒控制器原理图如图9所示。
其中，Ta为电机实际助力矩，Tcom目标指令助力力矩，Tmd为电机转矩脉动，Ts为扭矩传感器输出，W1(s)是加权函数，Z是评价输出，Robust Controller是我们要设计的鲁棒控制器。
根据基于H∞范数的鲁棒控制方法，把上述控制原理图转换为图10所示的标准H∞控制问题。然后根据标准的H∞控制问题解法，求得这样一个鲁棒控制器K(s)，能够使得闭环系统内部稳定，并且从外部输入Tmd到Z的闭环传递函数的H∞最小或者满足次优解，即小于定值γ。
其中，G(s)为系统的增广矩阵，w是外部输入，在此为电机的转矩脉动，Z为评价输出，在此为Z＝Ts*W1(s)，y是系统输出，在此为转矩传感器输出Ts与助力增益Ka的乘积，u为控制输入，在此为目标指令助力力矩Tcom。
假设所选取的加权函数W1(s)具有以下形式， 由于加权函数是一个传递函数，也具有动态特性，故系统需增加一个状态变量n1，可以得到电动助力转向系统的增广矩阵如式(15)。在选定合适的加权函数W1(s)，即确定参数a，b，c之后，利用MATLAB中的鲁棒控制工具箱可以求得期望的鲁棒控制器。
z＝C1x+D11w+D12u y＝C2x+D21w+D22u(15) W1(s)的选择对鲁棒控制器的性能有直接关系，如果W1(s)为高通传递函数，那么频率范围高于其截止频率的扰动量会被大大衰减，不会传递到转向盘。一般行驶情况下，驾驶员的转向盘输入在1Hz以下，而电机脉动的频率一般高于1Hz，所以本专利设置W1(s)的转折频率设定值2为1Hz左右的高通传递函数。选定加权函数后，通过matlab解算得到的鲁棒控制器为三阶的传递函数K1(s)。
下面是针对路感的鲁棒控制器设计过程 由于路面输入与电机输出脉动为具有相同传递特性的系统输入，因此类似于抑制脉动鲁棒控制器的设计，首先得到相似的增广系统矩阵，然后选择满足路感要求的加权函数W2(S)，便可以求得期望的鲁棒控制器。
路面输入信息的频率范围是很宽的，但只有10Hz左右以内的路面信息反映车辆的运动状态，是驾驶员安全驾驶所需要的路感。如果W2(s)为高通函数，那么频率范围高于W2(s)截止频率的路面信息会被大大衰减，不会传递到转向盘。
本发明选取W2(s)为高通函数，设置转折频率设定值3为10Hz，以过滤掉频率范围大于10Hz左右的路面信息。利用MATLAB中的鲁棒控制工具箱可解得相应的鲁棒控制器K2(s)。
下面是控制器权函数的选择过程 当车辆行驶时，随着车速的升高对路感的要求逐渐提高，对抑制电机脉动的要求逐渐降低。因此可以设计控制器的权函数是车速的函数，即随着车速的增加，路感控制器的权重Q1逐渐增加，抑制脉动控制器的权重Q2逐渐降低。
本发明选定的权函数为 Q1＝V/40 Q2＝1-V/40 其中，V是车速。下面将设计好的鲁棒控制器连入EPS仿真系统中，并将其与未加控制器的原系统作比较。图11给出了在有控制器和原系统在不同车速下的Bode图的比较，其中以电机脉动及路面信息为系统输入，转矩传感器Ts为系统输出。
由图，车速在0Km/h时，对于原系统，1Hz以上的输入信息完全传递到转向盘上，而且在12Hz左右有一个共振点。这样电机的输出转矩脉动不能被抑制，影响了操纵舒适性。当原系统加上控制器后，此时鲁棒控制器以抑制电机输出脉动为主要控制目标，按照截止频率1Hz设计的抑制脉动控制器会将1Hz以上的电机脉动输入衰减掉，而且原系统中存在的共振点也得到了很好的抑制。
车速在40Km/h时，对于原系统，10Hz以上的路面扰动都会传递到转向盘，而且在11Hz左右有一个共振点，这个频率的路面无用信息会被放大传递到转向盘，大大影响了操纵舒适性；当加上控制器后，此时鲁棒控制器以路感的获得为主要控制目标，由图可知，按照截止频率10Hz设计的路感控制器将10Hz以上的路面扰动都得到了有效的衰减，而且共振点得到了很好的抑制； 车速在0-40Km/h之间时，此时的鲁棒控制器是兼顾路感和抑制脉动两个控制要求而取其平衡。这里取20Km/h车速的工况为例，由图11可以看出，其截止频率在2Hz左右上，与0车速时相比，对电机脉动抑制效果有所降低，而路感信息能够更多的被反馈给驾驶员。
上述的对两种实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，所述电动助力转向系统包括机械转向系统，扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成；其中，所述扭矩传感器安装于所述机械转向系统的转向轴上以检测驾驶员操纵力矩；电子控制单元根据当前的车辆行驶状况以及操纵力矩大小计算出需要给转向助力电机提供的驱动电流值；转向助力电机可安装在机械转向转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；所述电子控制单元包括力矩控制模块、电机电流控制模块和故障诊断模块；所述力矩控制模块包括基本助力控制模块，主动回正控制模块，阻尼控制模块，其特征在于，所述基本助力控制模块包含一使电动助力转向系统在任何工况下均可以获得所期望的转向助力性能，并可以保证电动助力转向系统在任何工况下的稳定性的具有可变加权系数的线性组合控制器。
2、根据权利要求1所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述具有可变加权系数的线性组合控制器的加权方式采用以下其一方式实现
(1)基于传递函数的状态空间表达式的加权，通过对状态矩阵的加权，来改变传递函数的特性；具体如下公式表示
(2)基于传递函数的输出量的加权，具体如下公式表示
K(s)＝k·K1(s)+(1-k)·K2(s)(II)
其中，
是传递函数的状态空间矩阵表达式，K(s)是传递函数的拉普拉斯变换表达式，k是可变加权系数，其中k在0-1之间变化。
3、根据权利要求2所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述基于传递函数的状态空间表达式的加权的求解方法是利用线性参数变化控制方法来计算的。
4、根据权利要求3所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述利用线性参数变化控制方法来计算是通过固定方向盘角度，利用齿条力到扭矩传感器输出的传递特性建立电动助力转向系统模型，把电动助力转向系统简化为单输入单输出模型。
5、根据权利要求4所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述建立电动助力转向系统模型，首先选取控制目标为
即齿条力Fr与转向操纵力矩和电机助力力矩折算到齿条上的力的差值作为控制目标，再通过一个加权函数W(s)对控制目标D进行限定，以控制齿条力Fr到方向盘力矩的传递特性，从而改变电动助力转向系统的路感。
6、根据权利要求5所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述加权函数W(s)的选择为转折频率之前增益在40dB-50dB，在高于转折频率段，增益趋近于0的传递函数，且转折频率可以根据对路感的要求设置为设定值1，以抑制来自于路面的频率大于设定值1的干扰信息。
7、根据权利要求2所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述基于传递函数的输出量的加权的求解方法为分别求解两个不同性能的控制器，对这两个控制器的输出量进行加权，加权得到的总的输出量作为整个控制系统的输出量。
8、根据权利要求7所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述求解两个不同性能的控制器为抑制电机输出脉动的鲁棒控制器和针对路感的鲁棒控制器；并且采用鲁棒控制理论，针对抑制电机输出脉动的鲁棒控制器和针对路感的鲁棒控制器，设计的线性组合控制器的权函数是车速的函数，即随着车速的增加，路感鲁棒控制器的权重逐渐增加，抑制脉动的鲁棒控制器的权重逐渐降低。
9、根据权利要求8所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述针对抑制电机输出脉动的鲁棒控制器选取的加权函数为截止频率为设定值2的高通传递函数，以使所述的抑制电机输出脉动的鲁棒控制器抑制频率高于设定值2的来自电机的脉动干扰。
10、根据权利要求8所述的具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统，其特征在于，所述针对路感的鲁棒控制器选取的加权函数为截止频率为设定值3的高通传递函数，以使针对路感的鲁棒控制器可抑制频率高于设定值3的来自路面的干扰。
全文摘要
本发明是一种具有可变加权系数线性组合控制器的电动助力转向系统。该系统由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的。本发明所设计的电动助力转向系统控制器可以根据在线测量的某一参数对控制器进行线性加权，以使得电动助力转向系统获得期望的最佳的转向性能。
文档编号B62D6/00GK101683867SQ20081020063
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者庆 刘, 慧 陈, 磊 杨 申请人:上海格尔汽车附件有限公司