电动助力转向控制装置及其自适应相位补偿方法与流程

本发明涉及电动助力转向系统的领域，特别是涉及一种电动助力转向控制装置及其自适应相位补偿方法。

背景技术：

电动助力转向(EPS)系统是在传统的机械转向系统的基础上增加转向传感器(转矩或者转矩转角一体式传感器)、电子控制单元(ECU)和动力辅助装置(即电机和减速器装置)而成。由于取消了机械液压转向系统的油压管路，通过电机驱动来提供辅助转向助力，因此具有结构简单的优点。另外，由于该系统根据驾驶员施加在转向盘上的操纵转矩和车速等信号，经过ECU计算电机所需提供的助力，因此一方面，电机只在必要时提供助力，可以节省燃油，另一方面，助力大小可以根据车速进行调节，进而获得可变的转向特性。正是由于上述优点，电动助力转向系统正逐渐取代传统的液压助力转向系统。

驾驶员在正常操纵时输入的频率范围一般在5Hz以下，而来自路面的干扰的频率一般在20Hz左右。EPS控制的要求即为保证在驾驶员正常输入的频段内具有快速的响应性，而又能有效地抑制来自路面的干扰。

但是，由于转向系统的参数，尤其是轮胎的侧向刚度，以及控制器的助力比(助力增益定义为助力转矩与转向盘转矩的比值)随着车速的变化而变化，即控制系统中控制对象的参数(同时意味着控制系统的带宽)随着车速的变化而变化，因此在单一工况下设计出的相位 补偿器参数很难满足全车速范围内的EPS系统带宽的需求。

技术实现要素：

本发明针对EPS系统带宽随车速变化而变化的问题，提出了一种电动助力转向控制装置，可使EPS系统无论在何种工况下都能保证最佳带宽，既保证最佳的响应特性，又使抑制路面干扰的效果达到最优。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种电动助力转向控制装置，包括转向盘、转向传感器、蜗轮蜗杆减速机构、转向管柱、齿轮齿条转向器、轮胎、ECU、助力电机和蓄电池电源，所述的转向盘连接在转向管柱的前端，所述的转向传感器设置在转向管柱中，所述的蜗轮蜗杆减速机构设置在转向管柱上并位于转向传感器的下方，所述的转向管柱的后端连接在齿轮齿条转向器中间位置，所述的轮胎分别设置在齿轮齿条转向器的左右两端，所述的ECU分别与转向传感器和电机连接，所述的助力电机连接在蜗轮蜗杆减速机构的一侧边，所述的蓄电池电源与ECU相连接，所述的ECU接收来自整车的车速信号、发动机转速信号和点火信号；接收来自转向传感器的转矩和转角信号；接受来自助力电机反馈的电机转角和电流信号，其中，所述的ECU包括补偿模块、基本助力模块、回正控制模块、阻尼控制模块、累加器以及限制模块，所述的基本助力模块、回正控制模块、阻尼控制模块分别与累加器连接，所述的补偿模块与基本助力模块连接，所述的累加器与限制模块连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述的转向传感器采用转矩传感器 或者转矩转角一体化传感器。

在本发明一个较佳实施例中，所述的ECU输出电机控制电压给助力电机。

在本发明一个较佳实施例中，所述的转向传感器的转矩和转角信号包括转向盘转矩信号、转向盘转角信号和转向盘转速信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供了一种电动助力转向控制装置的自适应相位补偿方法，包括以下具体步骤：

a、转向盘转矩信号进入相位补偿模块，相位补偿模块输出经过补偿的转矩信号，基本助力模块接收经过补偿的转矩信号和车速信号，经过计算或查表基本助力模块得出基本助力转矩目标值，基本助力转矩目标值进入累加器；

b、车速信号和转向盘转角信号进入回正控制模块，经过计算或查表回正控制模块得出回正助力转矩目标值，回正助力转矩目标值进入累加器；

c、车速信号和转向盘转速信号进入阻尼控制模块，经过计算或查表阻尼控制模块得出阻尼控制转矩目标值，阻尼控制转矩目标值进入累加器；

d、累加器对输入的基本助力转矩目标值、回正助力转矩目标值和阻尼控制转矩目标值进行处理，得到未受限制的助力转矩目标值；

e、未受限制的助力转矩目标值进入限制模块，限制模块输出受限制的助力转矩目标值。

本发明的有益效果是：本发明的电动助力转向控制装置及其自适应相位补偿方法，具有结构简单、节省燃油、可变的转向特性等优点，可以使EPS在不同车速下都能获得良好的动态响应特性，改善系统的手感，可使EPS系统无论在何种工况下都能保证最佳带宽，既保证最佳的响应特性，又使抑制路面干扰的效果达到最优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明一种电动助力转向控制装置的一较佳实施例的结构示意图；

图2是图1中ECU的结构框图；

图3是基本助力模块中核心助力曲线图；

图4是轮胎侧向刚度相同而助力比变化时EPS系统的开环频率特性图；

图5是助力比不变时，系统开环频率特性与轮胎侧向刚度的关系图；

图6是车速变化的相位补偿，其频率特性图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例包括：

一种电动助力转向控制装置，包括转向盘101、转向传感器(转矩传感器或者转矩转角一体化传感器)102、蜗轮蜗杆减速机构103、转向管柱104、齿轮齿条转向器105、轮胎106、ECU 116、助力电机114和蓄电池电源107，所述的转向盘101连接在转向管柱104的前端，所述的转向传感器102设置在转向管柱104中，所述的蜗轮蜗杆减速机构105设置在转向管柱104上并位于转向传感器102的下方，所述的转向管柱104的后端连接在齿轮齿条转向器105中间位置，所述的轮胎106分别设置在齿轮齿条转向器105的左右两端，所述的ECU 116分别与转向传感器102和助力电机114连接，所述的助力电机114连接在蜗轮蜗杆减速机构103的一侧边，所述的蓄电池电源107与ECU 116相连接。

ECU 116接收来自整车的车速信号108、发动机转速信号109、点火信号110，接收来自转向传感器102的转矩和转角信号112，同时接受来自助力电机114反馈的电机转角和电流信号113，根据ECU 116内部的控制原理，输出电机控制电压115，从而使助力电机114动作，提供助力转矩。

如图2所示，ECU 116包括补偿模块204、基本助力模块206、回正控制模块207、阻尼控制模块208、累加器212以及限制模块214， 所述的基本助力模块206、回正控制模块207、阻尼控制模块208分别与累加器212连接，所述的补偿模块204与基本助力模块206连接，所述的累加器212与限制模块214连接。

其中，所述的转向传感器102的转矩和转角信号112包括转向盘转矩信号201、转向盘转角信号202和转向盘转速信号203。转向盘转速信号203可以由转向盘转角信号202进行微分得到，也可以从助力电机114位置传感器获得。

根据图2所示，本发明还提供了一种电动助力转向控制装置的自适应相位补偿方法，包括以下具体步骤：

a、转向盘转矩信号进入相位补偿模块，相位补偿模块输出经过补偿的转矩信号，基本助力模块接收经过补偿的转矩信号和车速信号，经过计算或查表基本助力模块得出基本助力转矩目标值，基本助力转矩目标值进入累加器；

b、车速信号和转向盘转角信号进入回正控制模块，经过计算或查表回正控制模块得出回正助力转矩目标值，回正助力转矩目标值进入累加器；

c、车速信号和转向盘转速信号进入阻尼控制模块，经过计算或查表阻尼控制模块得出阻尼控制转矩目标值，出阻尼控制转矩目标值进入累加器；

d、累加器对输入的基本助力转矩目标值、回正助力转矩目标值和阻尼控制转矩目标值进行处理，得到未受限制的助力转矩目标值；

e、未受限制的助力转矩目标值进入限制模块，限制模块输出受 限制的助力转矩目标值。

限制模块214根据ECU 116的温度信息、蓄电池电压信息等信息进行保护性限制，避免ECU 116工作在过温、过压、欠压等不正常条件下，保护ECU的安全。

基本助力模块206中核心为如图3所示的助力曲线。为了获得低速操纵的轻便性以及高速操纵的稳定性，助力曲线被设计成一簇随车速变化的曲线族，曲线301为车速为零时的助力曲线，其助力比最大，基本助力转矩目标值在输入的转向盘转矩信号较小时便达到了最大输出，基本助力转矩达到最大值时的输入转矩通常设定在3～5Nm之间。曲线302为车速最高时的助力曲线，其助力比最小，可以获得稳重的操纵手感。随着车速的升高，助力曲线随箭头303变化，即车速升高，助力减小。

通常情况下，相位补偿的设计时依据原地转向时即车速为零时的助力曲线设计的。因为当原地转向时助力比最大，即转向系统的开环增益最大，极易导致系统的不稳定，引起方向盘的震荡。

根据牛顿第二定律，可以列出EPS系统的微分方程：

转向盘-管柱系统：

助力电机：

齿轮齿条转向器：

其中，

扭矩传感器输出：

上述公式中，各个符号的含义和单位参见下表：

为了便于应用线性系统理论进行分析，做了以下合理假设：

1.忽略系统的摩擦；

2.假设助力曲线为线性的；

3.考虑到电机电气特性的时间常数远小于机械系统的时间常数，可认为T_m＝K_aT_s；

经以上假设，对式(1)～式(3)整理可得到EPS系统从转向盘转矩输入Th到转矩传感器输出Ts的开环传递函数：

式中，

从式(4)中可已看出，EPS系统的开环传递函数与转向系统的参数有关，具体地说，与转向盘的转动惯量，转向盘-管柱间的阻尼，齿条质量，齿条-齿条壳体之间的阻尼，助力电机转动惯量，助力电机的阻尼，转向小齿轮半径，蜗轮蜗杆减速器速比，助力比和轮胎侧向刚度有关。然而以上参数中，助力比和轮胎侧向刚度是随车速变化而变化的，因此，EPS系统开环传递函数的频率特性受助力比和轮胎侧向刚度的影响，换句话说，即EPS系统开环传递函数的频率特性随车速变化而变化。一般地，助力比随车速升高而减小，轮胎侧向刚度随车速升高而增大。

根据式(4)，利用matlab可以绘制出轮胎侧向刚度相同而助力比变化时EPS系统的开环频率特性。曲线401是小助力比时的幅频特性，曲线402是大助力比时的幅频特性，箭头403表示助力比减小时幅频特性和相频特性的变化方向。

从图4中可以看出，随着助力比的增大，EPS系统的带宽减小，相角稳定裕度减小，所以原地时的大助力比容易造成系统的不稳定。

当保持助力比不变时，系统开环频率特性与轮胎侧向刚度的关系如下如所示，曲线501为侧向刚度较小(对应低车速)时的幅频特性，曲线502为侧向刚度较大(对应高车速)时的幅频特性，箭头503表示轮胎侧向刚度增大时幅频特性和相频特性变化的方向。

从图5中可以看出，轮胎侧向刚度对转向系统的带宽也有显著的影响，随着轮胎侧向刚度的增大，系统带宽增大。

通常情况下，相位补偿器的参数是根据原地转向时系统的开环频率特性设计的。正是由于助力比和轮胎侧向刚度的影响，造成了参数单一的相位补偿器不能很好的满足系统动态特性的要求。

因此，本专利发明了自适应相位补偿器，用以解决上述问题。

从附图4和附图5中可以看出，轮胎侧向刚度对系统开环幅频特性的谐振峰的影响并不明显，只对系统的带宽有影响，而助力比则直接影响了谐振峰的频率、幅值以及系统的带宽。设计相位补偿器的一个原则是尽可能地是转向系统的带宽保持在一个恒定的频率范围内且尽可能的大，尽可能的抑制谐振峰的峰值(谐振峰所处频率与轮胎干扰的频率接近)。这样可保证系统具有快速响应性的同时能抑制来自轮胎的干扰。

具体实施时，可参照如下步骤：

1.设计一个一阶超前补偿器：依据附图4的开环幅频特性，确定谐振峰所处的频段，所设计的相位超前补偿器的相位补偿频率要能覆盖整个谐振峰所处的频段，另外其幅值应使谐振峰的峰值降到0dB以下；

2.按车速设计不同的滞后补偿器，使每个车速下系统的带宽保持在一个较高的范围，推荐地，设计带宽可设定为5～10Hz。

根据上述步骤可设计出随车速变化的相位补偿，其频率特性如附图6所示：

曲线601为车速为0时的相位补偿器幅频特性，曲线602为车速为180km/h时的相位补偿幅频特性，箭头603为随车速增大时相位补偿器幅频/相频特性的变化方向。在具体实现时，可在ECU内存储若干个车速下的相位补偿器参数，其他车速时的相位补偿器参数采用插值的方式获得。

综上所述，本发明的电动助力转向控制装置及其自适应相位补偿方法，具有结构简单、节省燃油、可变的转向特性等优点，可以使EPS在不同车速下都能获得良好的动态响应特性，改善系统的手感，可使EPS系统无论在何种工况下都能保证最佳带宽，既保证最佳的响应特性，又使抑制路面干扰的效果达到最优。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。