专利名称：具有主动回正控制功能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，尤其是一种具有主动回正控 制功能的电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)。
背景技术：
电动助力转向系统包括机械转向系统，扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感 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并输出扭矩信号；车速传感器用于检测目前 车辆的行驶速度并输出车速信号；方向盘转角传感器用于检测转向盘偏离直线行驶位置并 输出角度信号；电子控制单元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轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩。电子控制单元 包括基本助力控制模块、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可以提高车辆的转向轻便性，但是，在低速行驶时， 由于转向装置摩擦力矩的影响，会出现转向盘无法回到中间位置的情况，降低了车辆的行 驶安全性。
发明内容
本发明的目的是为了改善电动助力转向系统的低速回正性能，提供一种具有主动 回正控制功能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低速下的 转向回正性能，且不会影响驾驶员的操纵手感。为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，包括机械转向系统，扭矩传感 器，方向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构；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并输出扭矩信 号；方向盘转角传感器用于检测转向盘偏离直线行驶位置并输出角度信号；车速传感器用 于检测目前车辆的行驶速度并输出车速信号；电子控制单元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； 力矩控制模块接受扭矩信号、车速信号和角度信号并向电机电流控制模块输出控制信号， 该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， 所述的主动回正控制模块包括回正判断模块和回正力矩计算模块，回正判断模块根据接受 扭矩信号、车速信号和角度信号，判断转向盘是否处于回正状态，如果处于回正状态，则主 动回正控制模块中的回正力矩计算模块计算出适当的回正控制力矩给电机电流控制模块， 并由电机电流控制模块控制转向助力电机输出相应回正力矩。由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是通过利用方向盘转角信号，扭矩 信号，以及车速信号进行回正控制，该方法适用于各种助力形式的电动助力转向系统，改善
4车辆的回正性能，同时不会影响驾驶员的操纵手感。
图1是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的力矩控制模块原理图。图2是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的回正判断模块判 断程序流程图。图3是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的以转向盘回正到 中间位置为控制目标的转角闭环控制的回正力矩计算方法原理图。图4是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的以转向盘回正到 中间位置为控制目标的转角闭环控制的回正力矩计算方法的20km/h车速下实车回正实验 曲线。图5是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的 转角闭环回正力矩计算方法中用到的理想转向系统回正模型。图6是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的 转角闭环回正力矩计算方法用到的理想转向系统回正模型输出的理想的转向盘回正转 角-时间历程。图7是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的 转角闭环回正力矩计算方法原理图。图8是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的 转角闭环回正力矩计算方法的实车回正实验曲线。(无回正控制和有回正控制时的转向盘 转角-时间历程对比)图9是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的回正判断实验验 证曲线。图10是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪的 转角闭环回正力矩计算方法的实车回正实验曲线。(10km/h和20km/h车速时，参考模型输 出和实际转角输出)图11是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪模 糊自适应控制的框图。图12是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪模 糊自适应控制方法的模糊自适应控制规律查询表格。(输入输出变量经归一化后在某个转 角下的回正力矩的3维查询表)图13是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪模 糊自适应控制方法的实车回正实验曲线。(无回正控制和有回正控制时的转向盘转角_时 间历程对比)图14是本发明的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统的基于模型跟踪模 糊自适应控制方法的实车回正实验曲线。(10km/h和20km/h车速时，参考模型输出和实际 转角输出)
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。具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，包括机械转向系统，扭矩传感器，方 向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成。其中，扭矩 传感器安装于机械转向系统的转向轴上以检测驾驶员操纵力矩并输出扭矩信号；方向盘转 角传感器用于检测转向盘偏离直线行驶位置并输出的角度信号；车速传感器用于检测目前 车辆的行驶速度并输出车速信号；电子控制单元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轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力 矩。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；力矩控制 模块接受扭矩信号、车速信号和角度信号并向电机电流控制模块输出控制信号。参看图1，该力矩控制模块包括基本助力控制模块，主动回正控制模块，高速阻尼 控制模块，三个控制模块的输入端与扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器连接，接 受扭矩信号、车速信号和角度信号，三个控制模块的输出端与电机电流控制模块连接，向电 机电流控制模块输出控制信号。主动回正控制模块包括回正判断模块和回正力矩计算模 块，回正判断模块的输入端与扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器连接，接受扭矩 信号、车速信号和角度信号，判断转向盘是否处于回正状态，如果处于回正状态，则回正判 断模块将信号反馈至主动回正控制模块中的回正力矩计算模块，回正力矩计算模块计算出 适当的回正控制力矩，并由电机电流控制模块控制转向助力电机输出相应回正力矩。本发 明利用方向盘转角信号，扭矩信号，以及车速信号进行回正控制，适用于各种助力形式的电 动助力转向系统，改善车辆的回正性能，同时不会影响驾驶员的操纵手感。回正判断模块根据方向盘转角信号、方向盘转速信号(可由方向盘转角信号微分 得到，或者由电机转速估算得到)、扭矩传感器信号来判断车辆是否处于回正状态。回正判 断模块的设计是基于状态机理论，通过将转向回正操作分解为回正判断，回正待命，回正开 始三种状态，再通过方向盘转角信号、方向盘转速信号、扭矩传感器信号来判断当前是否需 要施加回正力矩。具体的判断流程如图2，判断程序初始化，进入回正判断状态，这时禁止回正，若不 能满足条件A，则跳出回正判断程序，若能满足条件A，则进入回正待命状态。处于回正待命 状态时，若满足条件B，则进入回正开始状态，而在回正开始状态时，若满足条件C，又返回 回正待命状态。处于回正待命状态时，满足条件D，进入回正始能动作。若满足条件E或者 不满足条件C和D，返回回正判断状态。其中，A 转角大于设定值1 ；B 转角方向与转速方向相反；C 操纵力矩大于设定值2 ；D 转角方向与转速方向相反且操纵力矩小于设定值2 ；E 转角小于设定值3;回正判断模块决定了是否要施加回正力矩。本发明中回正力矩计算模块的实现方式可以有以下两种
一种是以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制，以转向盘回正到中 间位置为控制目标的转角闭环控制原理框图，如图3所示。该方式包含一个基本回正力矩 和一个积分环节，或者是带有积分环节的控制系统校正环节。该基本回正力矩是一个随转 向盘角度信号变化的数值，且该数值由回正判断模块来控制是否输出，即回正过程中基本 回正力矩为设置值，非回正过程中为0。本发明中，控制系统校正环节为一个比例-积分-微分(PID)控制环节，包括一 个比例环节(P)，一个积分环节(I)，一个微分环节(D)，在本发明中这三个环节是一个随转 向盘角度信号变化的数值，同样由回正判断模块来使能，即，回正过程中比例_积分_微分 (PID)环节是起作用的，非回正过程中输出为0。由于车辆在不同车速下具有不同的回正特 性，故在本发明中，基于比例-积分-微分(PID)控制的转角闭环控制计算出来的回正力矩 与一个随车速变化的速度感应系数相乘，在不同车速下，只需调整该速度感应系数，便可以 标定在不同车速下车辆的回正性能。图4为以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制回正力矩计算方法 的实车实验曲线，其中，试验车辆为装配有电动助力转向系统的某微型车，在车速为20km/h 时，方向盘打到180度左右进行撒手回正实验，由方向盘转角-时间历程曲线可以看出，回 正最终残留角在5度以内，结果说明回正控制改善了车辆低速时的回正性能。另外一种回正力矩计算方法是基于模型跟踪的转角跟踪闭环控制方法。该方法 包含一个理想的转向系统回正模型(参见图5)，该理想模型的输出为理想的转向盘回正转 角_时间历程，该理想模型假设电动助力转向系统的摩擦阻力为0，通过在不同车速下设置 该理想转向系统回正模型的设定值1转向刚度和设定值2转向阻尼，可以提供一个对于不 同车速的理想的回正过程。该模型输出由回正判断模块来使能，即，在非回正过程中，该模 型的输出角度为0。如果处于回正状态，基于模型跟踪的转角跟踪闭环回正力矩计算的其 中一个实施案例为根据理想的转向系统回正模型的状态与实际的转向系统回正的状态之 差，通过一个积分环节，或者是带有积分环节的控制系统校正环节，在本发明中，该控制系 统校正环节为比例-积分-微分(PID)控制，计算出相应的回正控制力矩，在回正过程中使 电机输出附加回正控制力矩。该比例-积分-微分(PID)环节由回正判断模块来使能，即， 回正过程中比例-积分-微分(PID)环节是起作用的，非回正过程中输出为0。基于模型跟 踪的转角跟踪闭环回正力矩计算方法的另外一个实施案例为如果处于回正状态，则根据 理想的转向系统回正模型的状态与实际的转向系统回正的状态之差，状态之差的变化以及 转向盘转角信号，通过模糊自适应控制规律，计算出相应的回正控制力矩，在回正过程中使 电机输出附加回正控制力矩。所述的基于模型跟踪的转角跟踪闭环回正力矩计算方法包含一个理想的转向系 统回正模型，该理想模型和实际转向系统的不同之处在于，其忽略了转向系统的摩擦，即假 设摩擦力为0。转向系统可以简化为一个单自由度系统，如图5所示，可将转向盘，转向柱， 转向器和前轮转动惯量全部等效转化到转向轴轴线上，记作Is ；将转向柱，转向器和主销 等处的阻尼全部等效转化到转向柱轴线上，记为Cs ；将转向柱，转向器，转向拉杆球头等处 的摩擦力全部等效转化到转向柱轴线上，记为Fs ；转向盘上作用有驾驶员的操纵力矩Th， 转向盘转角记为α ；假设转向盘和前轮之间为刚性联接，它们之间的运动符合传动比所决 定的关系，转向传动比记为ns;前轮上作用有回正力矩Tw，前轮转角记为δ ；描述该转向系
7统动态特性的微分方程为
权利要求
一种具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，包括机械转向系统，扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构；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并输出扭矩信号；方向盘转角传感器用于检测转向盘偏离直线行驶位置并输出的角度信号；车速传感器用于检测目前车辆的行驶速度并输出车速信号；电子控制单元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；力矩控制模块接受扭矩信号、车速信号以及角度信号，该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，三个控制模块的输入端与扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器连接，接受扭矩信号、车速信号和角度信号，三个控制模块的输出端与电机电流控制模块连接，向电机电流控制模块输出控制信号，其特征在于，所述的主动回正控制模块包括回正判断模块和回正力矩计算模块，回正判断模块的输入端与扭矩传感器，方向盘转角传感器，车速传感器连接，接受扭矩信号、车速信号和角度信号，判断转向盘是否处于回正状态，如果处于回正状态，则回正判断模块将信号发送给主动回正控制模块中的回正力矩计算模块，回正力矩计算模块计算出适当的回正控制力矩，并由电机电流控制模块控制转向助力电机输出相应回正力矩。本发明利用方向盘转角信号，扭矩信号，以及车速信号进行回正控制，适用于各种助力形式的电动助力转向系统，改善车辆的回正性能，同时不会影响驾驶员的操纵手感。
2.根据权利要求1所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述回正判断模块根据转角信号、方向盘转速信号、扭矩信号来判断车辆是否处于回正状 态。
3.根据权利要求2所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 主动回正控制模块中的回正判断模块的设计是基于状态机理论，通过将转向回正操作分解 为回正判断，回正待命，回正开始三种状态，再通过转角信号、方向盘转速信号、扭矩信号来 判断当前是否需要施加回正力矩。
4.根据权利要求2或3所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在 于，所述方向盘转速信号可由转角信号微分得到，或者由转向助力电机转速估算得到。
5.根据权利要求1所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 主动回正控制模块所包含的回正力矩计算模块根据当前的转角信号，车速信号计算出回正 到转向盘中间位置所需要的回正力矩。
6.根据权利要求5所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述的回正力矩计算模块的一种控制方法为采用以转向盘回正到中间位置为控制目标的 转角闭环控制。
7.根据权利要求5所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述的回正力矩计算模块的另外一种控制方法为采用基于模型跟踪控制方法的转角跟踪 闭环控制。
8.根据权利要求6所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制计算方法，包含一个基本回正力 矩，该基本回正力矩是一个常数，或是一个随角度信号或者车速信号变化的数值，或是一个根据车辆运动状态计算出的数值。
9.根据权利要求8所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述数值由所述的回正判断模块来使能，即，回正过程中基本回正力矩为设置值，非回正过 程中为O。
10.根据权利要求6所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述以转向盘回正到中间位置为控制目标的转角闭环控制计算方法，至少包含一个积分环 节，或者是带有积分环节的控制系统校正环节，且该积分环节或带有积分环节的控制系统 校正环节由所述的回正判断模块来使能，即，回正过程中该环节是使能的，非回正过程中输 出为0。
11.根据权利要求7所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述的基于模型跟踪的转角跟踪闭环回正力矩计算方法，包含一个理想的转向系统回正模 型，该理想的转向系统回正模型的输出为理想的转向盘回正转角-时间历程，该转理想的 转向系统回正模型假设电动助力转向系统的摩擦阻力为0，通过在不同车速下设置该理想 转向系统回正模型的设定值1和设定值2，可以提供一个对于不同车速的理想的回正过程； 所述理想的转向系统回正模型输出由所述的回正判断模块来使能，即，在非回正过程中，该 模型的输出角度为0。
12.根据权利要求7所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述的基于模型跟踪的转角跟踪闭环回正力矩计算方法的其中一种实现方式为如果处于 回正状态，则根据理想的转向系统回正模型的状态与实际的转向系统回正的状态之差，通 过一个积分环节，或者是带有积分环节的控制系统校正环节，计算出相应的回正控制力矩， 在回正过程中使电机输出附加回正控制力矩；所述积分环节或带有积分环节的控制系统校 正环节由所述的回正判断模块来使能，即，回正过程中该环节是起作用的，非回正过程中输 出为0。
13.根据权利要求7所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 所述的基于模型跟踪的转角跟踪闭环回正力矩计算方法的另外一种实现方式为如果处于 回正状态，则根据理想的转向系统回正模型的状态与实际的转向系统回正的状态之差，状 态之差的变化以及转向盘转角信号，通过模糊自适应控制规律，计算出相应的回正控制力 矩，在回正过程中使电机输出附加回正控制力矩。
14.根据权利要求1所述的具有主动回正控制功能的电动助力转向系统，其特征在于， 回正转向盘残留角度小于5度，同时不会影响驾驶员的操纵手感。
全文摘要
本发明是一种具有主动回正控制功能的电动助力转向系统。该系统由传统的机械转向系统加装扭矩传感器，转向盘转角传感器，车速传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的。本发明所设计的具有主动回正控制的电动助力转向系统将转向盘的转角信号、扭矩传感器的扭矩信号以及车速传感器的车速信号相结合，输入到电子控制单元的主动回正控制模块，判断出转向盘是否处于回正状态，如果处于回正状态，则计算出适当的回正控制力矩，并由电机输出相应力矩。本发明利用转角信号，扭矩信号，以及车速信号进行回正控制，适用于各种助力形式的电动助力转向系统，改善车辆的回正性能，同时不会影响驾驶员的操纵手感。
文档编号B62D113/00GK101934815SQ200910054150
公开日2011年1月5日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者刘庆, 张磊磊, 陈慧 申请人:上海罗冠电子有限公司