一种基于力矩信号的转向系统摩擦补偿方法与流程

本发明涉及电动助力转向系统摩擦补偿控制领域，对于无转角传感器或无方向盘中位信号的转向系统提供了一种摩擦补偿的优化方法。

背景技术：

电动助力转向系统（electricpowersteering，缩写eps）是驾驶员在操控方向盘转向过程中，按照预先设计的助力策略，控制电机输出目标力矩，实现转向过程中的原地工况、低车速工况的转向轻便性及高车速工况的系统稳定性。eps系统由机械及电子部件组成，附图1中，其中机械部件包括：轮胎p1、横拉杆p2、齿条p3、小齿轮p4、万向节p5、管柱p6、蜗轮蜗杆p7、扭杆p11、方向盘p12等部件，电子部分包括：电机p8、控制单元(ecu)p9、扭矩传感器p10和整车电信号及电源等部件组成。与传统转向相比，eps系统可以明显优化汽车的动态行驶性能和原地静态性能、改善了驾驶员的操控舒适性和转向安全性，同时会减少对环境的尾气污染等。特别是近年新能源汽车、电动汽车与自动驾驶汽车的发展迅速，eps更是必不可少的关键部件。

汽车在转向过程中，电机根据ecu控制算法产生辅助助力力矩，使驾驶员的操作更加轻便与舒适。在实际机械系统中，有多种因素会影响方向盘的中位回正性能，如轮胎、路面、系统惯量、阻尼、摩擦等因素，都会导致操纵特性变差、路感减弱、低车速时方向盘回正不足等现象。回正不足的主要原因有轮胎侧偏力不足、地面摩擦力、齿轮齿条逆向摩擦力、蜗轮蜗杆摩擦力等因素，所以电机提供必要的辅助助力外，还需要增加加相应的回正电流来进行摩擦力补偿，以便提高车辆的操纵稳定性能。

当前国内外主要采用增加转角传感器，根据读取的当前转角度数，施加回正电流来实现转角闭环，以达到提高回正性能的目的，这种方法安全可靠，但系统成本太高，而且对于方向盘转动角度较大（大于正反向990度）的系统，在当前批量市场上还没有专门的一体化转角传感器能满足大角度的转向系统。在日本及国内部分eps控制模块厂家为降低成本，也采用无转角传感器的回正策略，当前主要有二种量产方案：一是采用转角估算的方法来实现回正控制，首先估算电机转速，然后根据转速积分，得到转角，继而实现转角闭环，这种方法受限转速估算的精度及方向盘中位的判定，存在着角度不准确、中位偏差大的缺陷；二是在方向盘撒手时读取当前的力矩传感器数值，根据此数值的大小施加一定的回正电流，回正状态是根据转向扭矩来识别的，如果司机在车辆转向期间将方向盘左右方向略微转动，就会立即出现回正状态与转向状态之间的频繁切换，造成转向感觉不平顺。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于力矩信号的转向系统摩擦补偿方法，以优化方向盘回正性能，控制算法根据转向系统所必须的力矩传感器、车速信号，计算系统的静态摩擦及滑动摩擦补偿电流，使电机产生回正力矩，这种方法简单可靠，同时适用于低成本设计需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种基于力矩信号的转向系统摩擦补偿方法，包括以下具体步骤：

a、静态摩擦补偿电流计算，补偿电流以方向盘手上力矩为输入量，在方向盘的回正或撒手时，会读取当前车速及力矩传感器当前力矩值，当前车速经过低通滤波器进行滤波，根据此值会提供不同车速下的补偿电流查表，当前力矩值也经过另一低通滤波器去除纹波及高频抖动，然后经过力矩死区判定，将手上操作的一些细微波动屏蔽，经过力矩死区判定后的力矩值进行取绝对值，然后与滤波后的车速一起进行静态电流的查表，摩擦补偿的电流与力矩方向相反，因此需要提取力矩方向,将方向赋到静态补偿电流中，这样得出的补偿电流可以克服静态摩擦力，让方向盘产生回正的启动力矩；

b、滑动摩擦力补偿电流计算，在方向盘发生回正动作时，首先读取当前车速，将车速经过低通滤波器进行低通滤波，然后对不同车速下的滑动摩擦补偿系数进行查表，滑动摩擦力补偿的另一个输入参数是当前力矩值，根据算法计算周期计算力矩变化率，再经过变化率死区判定,得到力矩变化率值，对变化率进行取绝对值，以此值进行滑动摩擦补偿电流查表，根据车速补偿系数与滑动摩擦补偿查表电流相乘，再根据力矩变化率取得补偿方向，这样就能计算出最终施加的滑动摩擦补偿电流；

c、实际电流计算，实际电流包括摩擦补偿电流与助力电流，其中，摩擦补偿电流是根据滑动摩擦补偿电流与静态摩擦补偿电流相加摩擦补偿总电流，并进行摩擦补偿限制得到，最终输出的是实际电机目标电流，当绝对角度变大，也就是方向盘向两边打的时候，此时体现为助力电流，当回正或方向盘撒手时，此时体现为回正电流，补偿力矩与轮胎侧偏力矩之和要与总的摩擦力矩基本相等，如果大于摩擦力则会可能过度转向，要进行限制。

在本发明一个较佳实施例中，所述的静摩擦力补偿是根据手上力矩的大小进行补偿电流的设计，在实际的整车测试中，方向盘力矩与方向盘转角的对应关系是一个斜的平行四边形，随着角度的增大，转矩的绝对值也增大，根据此关系设定克服静态摩擦力的补偿电流。

在本发明一个较佳实施例中，所述的滑动摩擦力补偿是根据手上力矩的变化率进行补偿电流的设计，当方向盘向在换向瞬间或撒手时，控制策略会计算力矩值的变化率，根据此变化率施加滑动摩擦补偿电流，以使方向盘迅速、准确地回到中位。

在本发明一个较佳实施例中，所述的摩擦补偿限制的设计策略是：首先在配载状况下测量不同车速下的轮胎侧偏力与摩擦补偿电流，摩擦补偿电流与助力电流迭加为实际电流。

本发明的有益效果是：本发明的基于力矩信号的转向系统摩擦补偿方法，实用性强，应用广泛，在方向盘回正不足的情况下，会产生类似回弹感觉，驾驶员会感觉舒适、轻松，在整个算法当中，只采用力矩传感器与车速的实测值进行补偿算法，不会产生信号来源不可靠问题，因此可靠性高，算法中主要以查表为主，没有太多复杂运算，不会占用mcu太多资源，对平台依赖性低，程序移植方便。

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是电动助力转向系统的结构示意图；

图2是静态摩擦补偿电流控制策略；

图3是滑动摩擦补偿电流控制策略；

图4是电机目标电流计算。

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2-4所示，本发明实施例包括：

一种基于力矩信号的转向系统摩擦补偿方法，包括以下具体步骤：

a、静态摩擦补偿电流计算，补偿电流以方向盘手上力矩为输入量，在方向盘的回正或撒手时，会读取当前车速s1及力矩传感器当前力矩值s2，当前车速s1经过低通滤波器s3进行滤波，根据此值会提供不同车速下的补偿电流查表，当前力矩值s2也经过另一低通滤波器s4去除纹波及高频抖动，然后经过力矩死区s5判定，将手上操作的一些细微波动屏蔽，经过力矩死区s5判定后的力矩值进行取绝对值s6，然后与滤波后的车速一起进行静态电流的查表s8，摩擦补偿的电流与力矩方向相反，因此需要提取力矩方向s7,将方向赋到静态补偿电流中，这样得出的补偿电流可以克服静态摩擦力，让方向盘产生回正的启动力矩；

b、滑动摩擦力补偿电流计算，在方向盘发生回正动作时，首先读取当前车速k1，将当前车速k1经过低通滤波器k3进行低通滤波，然后对不同车速下的滑动摩擦补偿系数进行查表k8，滑动摩擦力补偿的另一个输入参数是当前力矩值k2，根据算法计算周期计算力矩变化率k4，再经过变化率死区k5判定,得到力矩变化率值，对变化率进行取绝对值k6，以此值进行滑动摩擦补偿电流查表k9，根据车速补偿系数与滑动摩擦补偿查表电流相乘，再根据力矩变化率取得补偿电流赋方向k10，这样就能计算出最终施加的滑动摩擦补偿电流k11；

c、实际电流计算，实际电流包括摩擦补偿电流与助力电流，其中，摩擦补偿电流是根据滑动摩擦补偿电流t1与静态摩擦补偿电流t2相加摩擦补偿总电流t4，并进行摩擦补偿限制t5得到，最终输出的是实际电机目标电流t6，当绝对角度变大，也就是方向盘向两边打的时候，此时体现为助力电流t3，当回正或方向盘撒手时，此时体现为回正电流，补偿力矩与轮胎侧偏力矩之和要与总的摩擦力矩基本相等，如果大于摩擦力则会可能过度转向，要进行限制。

本发明基于管柱型电动助力转向（c-eps），但也适用于单小齿轮或双小齿轮电动助力转向系统(p-eps)。在方向盘回正过程中，如果轮胎侧偏力不足或系统摩擦力较大时，会呈现回正不足的现象，使驾驶员操作吃力，同时系统操纵稳定性变差，因此需要进行摩擦补偿来改善回正效果。

工作原理：影响回正特性的主要原因是轮胎侧偏特性及系统摩擦两个因素，当轮胎侧偏力大于摩擦力时，会显示过多转向，在轮胎侧偏力小于摩擦力时，会显示回正不足，在实际中由于汽车垂直载荷及摩擦力原因，基本都会表现为回正不足。摩擦力矩在回正动作中的两个阶段体现，并且表征现象差异较大，第一阶段是回正启动前的静摩擦力，此时轮胎及方向盘处于静止状态，要提供较大的静态摩擦补偿电流，方向盘才会动作；第二个阶段是回正过程中的滑动摩擦力，此时轮胎与方向盘已经处于运动状态，有一定的运动速度，此阶段所要求补偿力不能过大，持续时间不能过长，否则会发生过度转向。因此设计的原理是在没有转角传感器的情况下，根据力矩信号及车速的特征，提供克服静摩擦及滑动摩擦力的电机控制电流。

上述中，所述的静摩擦力补偿是根据手上力矩的大小进行补偿电流的设计，在实际的整车测试中，方向盘力矩与方向盘转角的对应关系是一个斜的平行四边形，随着角度的增大，转矩的绝对值也增大，根据此关系设定克服静态摩擦力的补偿电流；所述的滑动摩擦力补偿是根据手上力矩的变化率进行补偿电流的设计，当方向盘向在换向瞬间或撒手时，控制策略会计算力矩值的变化率，根据此变化率施加滑动摩擦补偿电流，以使方向盘迅速、准确地回到中位。

进一步的，所述的摩擦补偿限制t5的设计策略是：首先在配载状况下测量不同车速下的轮胎侧偏力与摩擦补偿电流，摩擦补偿电流与助力电流迭加为实际电流。

如图1所示，eps系统结构部件，分为机械部件与电子部件，机械部件是摩擦力产生的主要根源，在整车四轮定位正确的前提下，方向盘无法回到中位的主要原因是轮胎回弹力不足，其次是地面摩擦力、齿轮齿条、蜗轮蜗杆的摩擦力等过大导致，因此整个摩擦力补偿是针对整个系统进行，而不是专门针对某一结构。eps电子部分包括扭矩传感器、ecu及电机。

附图2中描述了静态摩擦力补偿电流的算法，主要根据回正或撒手时，力矩信号的值进行补偿电流的查表，由于不同车速下静态摩擦力差异较大，因此进行补偿电流值的查表，查表后的电流值再乘以补偿方向。

附图3中有同样有两个输入量，分别为车速与力矩，因为此阶段时，轮胎在向中位滑动，摩擦力与轮胎的滑动位置有一定的线性关系，所以力矩查表呈现单调性递增到饱和的状态，变化率越大，补偿电流越大。当变化率为零时，补偿电流为零，这样在中位也不会产生震荡现象。

附图4是电机最终目标电流的计算方法，摩擦补偿电流需要进行补偿电流的限制，补偿力矩最大值与轮胎侧偏力之和不能大于摩擦力。

实施例：

是基于无转角传感器的电动助力转向系统，适用于管柱型eps及小齿轮型eps系统。

在进行设计前，首先根据图1，计算系统的摩擦力（不包含轮胎），具体可以用专门的功能测试台架，测量零载荷下的系统逆向摩擦力，然后根据轮胎类型及侧偏刚度、垂直载荷计算出轮胎侧偏力，以此这两个参数作为设计需求及保护条件。实施摩擦补偿的步骤包括:

静态摩擦补偿计算，根据附图2，将力矩进行低频滤波处理，然后设置死区，一般死区设置为0.8-1nm，将力矩值进行取绝对值进行补偿电流查表，查表数据一般在2.5-3nm时达到最大，此值的设置需要实际标定，方向盘不打手为原则，因为不同车速下静态摩擦力矩不一样，因此查表得出的值还需要乘以车速系数，然后赋以补偿电流的方向，这样可以克服静态摩擦力矩，使方向盘能够动作。

滑动摩擦补偿计算，根据附图3，同样将力矩进行低频滤波，然后根据运算周期对力矩进行微分处理，得到力矩变化率，将力矩变化率进行死区判定，然后取绝对值查表得到补偿电流，再来根据车速查表得到的系数及补偿电流方向，计算出滑动摩擦补偿电流。

在计算静态摩擦补偿及滑动摩擦补偿后，根据附图4，将两值相加，此值需要进行补偿力矩限制，补偿力矩最大值与轮胎侧偏力之和需要与摩擦力基本相等，以保证不会发生过度转向。最终电机目标电流是补偿电流与助力电流之和，这样也不会产生助力与回正频繁状态切换的不良现象。

综上所述，本发明的基于力矩信号的转向系统摩擦补偿方法，实用性强，应用广泛，在方向盘回正不足的情况下，会产生类似回弹感觉，驾驶员会感觉舒适、轻松，在整个算法当中，只采用力矩传感器与车速的实测值进行补偿算法，不会产生信号来源不可靠问题，因此可靠性高，算法中主要以查表为主，没有太多复杂运算，不会占用mcu太多资源，对平台依赖性低，程序移植方便。

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。