基于多模式转向系统助力耦合器的控制器及控制方法与流程

本发明涉及汽车助力转向系统控制技术领域，具体指代一种基于多模式转向系统助力耦合器的控制器及控制方法。

背景技术：

模式切换的助力控制算法及其响应速度对于多模式转向系统的整体性能至关重要。目前，关于所述多模式转向系统，还没有相关的助力执行机构之间的模式切换技术的相关研究。如今发展已经较为成熟的复合制动技术以及混合动力技术均提出了相应的模式切换方法，来控制其各个模块协同工作。其模式切换策略以及在复合模式下不同模块协同工作的控制算法，对多模式转向系统控制方法的设计以及控制器设计有着较高的借鉴意义。

在混合动力的研究方面，Philipp Elbert等提出采用凸规划对混合动力客车发动机启停能量管理进行控制并提出相应的迭代算法，与现有技术相比显著降低了响应时间。翟涌等提出了一种并联户和动力客车模式切换控制策略，考虑了发动机已启动和未启动两种工况，以及离合器滑磨功和驾驶员需求，并在恢复时利用电机对发动机进行补偿，由台架试验结果该控制策略具有一定的优越性。王磊等提出一种基于滑模方法，协调控制混联式混合动力客车动力模式的切换，采用模糊自适应系统估计系统偏差，提高切换系统控制效率以及系统鲁棒性。刘金玲等提出一种并联混合动力客车控制策略，利用ADVISOR建立SY6480建立整车模型，并在SIMULINK进行仿真。

在复合制动的研究方面，赵轩等提出一种基于制动驾驶意图辨识的电动客车复合制动控制策略，基于隐形马尔科夫理论建立了双层制动驾驶意图辨识模型，并通过道路试验对控制器控制结果进行验证，结果表明，该系统能够协调电机系统和摩擦制动系统稳定工作。张京明等提出一种电动客车并行复合再生制动控制策略，对再生制动力的阈值进行设定，仿真结果表明，该并行策略能有效协调系统且回收制动能量。李书伟等设计了一种电动客车制动和转向复合驱动机，采用同一台电机控制企业制动系统和转向系统液压油泵，实现了有效利用车辆蓄电池电能，并降低了整车质量。

目前，国内外转向系统普遍采用固定传动比，易出现低速下转向盘沉重，高速下转向过度等危险工况，极大的影响了汽车的操纵稳定性。理想情况下，转向系统在汽车低速行驶时应有较大的传动比，以实现减轻驾驶员负担，达到良好的转向轻便性；在高速时应有较小的传动比，保障行驶安全，获得良好的转向路感。

因此，针对多模式转向系统的液压助力执行机构、电动助力执行机构进行输出转矩品质控制策略研究和控制器设计，可实现转向系统依据车辆当前工况，在不同转向模式间的顺畅切换，实现了汽车的操纵稳定性与驾驶舒适性的有机融合，是一种理想转向系统，具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多模式转向系统助力耦合器的控制器及其控制方法，以解决现有技术中多执行机构系统不同模块间响应速度问题，以及液压助力系统中高速工况时操纵稳定性较差等问题。

为达到上述目的，本发明的一种基于多模式转向系统助力耦合器的控制器，包括：理想助力计算模块、传感器模块、动力转向系统、助力耦合器、误差计算模块、能耗计算模块、变化率计算模块、性能加权函数We模块、机械转向系统、控制器以及信号处理模块；

所述的传感器模块向理想助力计算模块输出信号a，所述信号a为车辆当前工况信息，理想助力计算模块通过车辆当前工况信息计算得到当前工况下的理想助力信号b，其与传感器模块测得实际机械转向系统工况信号c输入至信号处理模块进行降噪处理，输出降噪工况信号d至误差计算模块；输出降噪工况信号e至能耗计算模块；

所述的动力转向系统包括：液压助力模块和电动助力模块，动力转向系统输出助力距经助力耦合器处理后输出耦合助力信号f至变化率计算模块；

所述的误差计算模块、能耗计算模块及变化率计算模块将其计算结果输出至性能加权函数We模块进行加权处理，并输出信号与机械转向系统的输出信号求和后输出至控制器，控制器输出控制电流g至动力转向系统，实现动力转向系统助力大小的随工况调节，动力转向系统经助力耦合器向机械转向系统输出耦合助力矩信号j；

所述的机械转向系统、动力转向系统分别向传感器模块输出机械转向系统工况信号h、动力转向系统工况信号i，实现系统整体的随工况调节。

优选地，所述的车辆当前工况信息包括：车速信号、转向盘转角信号、转矩信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号以及各个电机转速信号。

本发明的一种基于多模式转向系统助力耦合器的控制方法，包括如下步骤：

(1)对多模式转向系统进行动力学建模；

(2)分别推导助力耦合器响应变化率函数、实际转向力矩与理想助力特性误差函数和动力转向系统转向经济性函数；对助力耦合器响应进行微分得到助力响应变化率，以助力耦合器响应变化率函数z₁(x)作为控制目标；转向力矩跟踪性能函数z₂(x)、动力转向系统转向经济性函数z₃(x)作为约束条件，建立复合转向模式下的多模式主动转向系统模型；

目标函数z₁(x)为:

式中：V为当前车速；δ_f为前轮转角；a、b分别为车辆质心到前后轴的距离；m为整车质量；n_τ为前轮滚动中心与主销之间的偏移量；K_u为转向不足系数；L为轴距；

约束函数z₂(x)、z₃(x)分别为:

式中：T_d^*为实时理想助力特性；T_d实际助力特性；β为前轮主销内倾角；θ为转向盘转角；r为轮胎半径；γ为前轮主销后倾角；v为汽车横向速度；g为重力加速度；R为转向半径；F₁为满载前轴载荷；η₁为转向系统正向传动效率；d为转向盘直径；i_ω1为转向系角传动比；R_A为电枢电阻；I_A为电枢电流；U_s为控制器两端电压；R_elec为控制器电阻；M_ci为电机中摩擦造成的转矩损失；C_Fr为速比摩擦系数；ω_i为电机转速；P_s为助力泵的输出压力；Q_s为助力泵输出流量；ρ为助力油液密度；C_q为流量系数；A_i为第i个阀口的节流面积；A_p为液压助力缸横截面积；x_r为转向螺母位移；

(3)采用μ控制理论进行控制器设计，对步骤(2)中的目标函数进行优化，使约束函数转向力矩与跟踪性能函数z₂(x)、动力转向系统转向经济性函数z₃(x)分别取得最小值，且助力耦合器响应变化率函数z₁(x)最大值；

(4)向采用该控制方法的多模式转向系统与原转向系统输入相同转向盘转角并比较助力耦合器响应速度，若助力耦合器响应速度优于原转向系统响应速度，则认为该方法有效。

本发明的有益效果：

通过基于多模式转向系统复合转向模式的助力耦合器的控制器，对助力耦合器响应变化率函数z₁(x)作为控制目标；实际转向力矩与理想助力特性误差函数z₂(x)、动力转向模块转向经济性函数z₃(x)进行多目标控制，使助力耦合器输出助力的变化率优于原系统变化率，提高了转向盘转矩控制精度和车辆驾驶的操纵稳定性，实现汽车转向轻便性和转向路感的完美融合，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1绘示多模式转向系统机械结构图；

图2绘示基于多模式转向系统助力耦合器的控制器的结构框图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，一种多模式主动转向系统，包括：转向盘1、传感器模块2、转向柱3、行星齿轮组4、转向器7、电子控制单元(ECU)12、转向摇臂17、伺服电机C14、电动推杆、第一减速机构13、伺服电机A6、第二减速机构5、伺服电机B10、液压泵9、储油罐11、转阀8、液压助力缸15及助力耦合器16；

所述的转向盘1连接转向柱3的力矩输入端，传感器模块2置于转向盘1与转向柱3之间，并与电子控制单元(ECU)12相连接，转向柱3的力矩输出端与行星齿轮组4输入端相连，转角修正模块通过行星齿轮组4中的下齿圈向转向系统提供修正力矩，转向力矩经行星齿轮组4输出端、转向器7、输出至转向摇臂17，转向助力模块向循环球转向器7提供转向助力矩。电子控制单元(ECU)12通过伺服电机控制信号b对伺服电机C14及第一减速机构13、电动推杆进行控制，助力矩经第一减速机构13减速增矩后传递给电动推杆、到行星齿轮组4的下齿圈，实现变传动比转角修正控制；伺服电机A6，第二减速机构5组成电动助力模块，电子控制单元(ECU)12通过伺服电机控制信号c对伺服电机A6进行控制，助力矩经第二减速机构5减速增矩后传递给助力耦合器16；伺服电机B10、液压泵9、储油罐11、转阀8、液压助力缸15组成液压助力模块，电子控制单元(ECU)12通过伺服电机控制信号d对助力伺服电机B10进行控制，驱动液压泵9将助力油液从储油罐11经转阀8泵入液压助力缸15，在液压助力缸15两端形成压差，从而产生助力，助力矩传递给助力耦合器16，助力耦合器16将合力矩传递至转向摇臂17。

参照图2所示，本发明的一种基于多模式转向系统助力耦合器的控制器，于实施例中基于上述多模式主动转向系统，包括：理想助力计算模块18、传感器模块2、动力转向系统、助力耦合器16、误差计算模块22、能耗计算模块23、变化率计算模块24、性能加权函数We模块25、机械转向系统26、控制器27、信号处理模块21；

所述的传感器模块2向理想助力计算模块18输出信号a，所述信号a为车辆当前工况信息，理想助力计算模块18通过车辆当前工况信息计算得到当前工况下的理想助力信号b，其与传感器模块2测得实际车辆工况信号c输入至信号处理模块21进行降噪处理，输出降噪工况信号d至误差计算模块22，所述降噪工况信号d包括理想助力信号等；输出降噪工况信号e至能耗计算模块23，所述降噪工况信号e包括电子控制单元电流、各个电机电枢电流等；

所述的动力转向系统包括：液压助力模块19和电动助力模块20，动力转向系统输出助力距经助力耦合器16处理后输出耦合助力信号f至变化率计算模块24；

所述的误差计算模块22、能耗计算模块23及变化率计算模块24将其计算结果输出至性能加权函数We模块25进行加权处理，并输出信号与机械转向系统26的输出信号求和后输出至控制器27，控制器27输出控制电流g至动力转向系统，所述控制电流g的作用为实现动力转向系统助力大小的随工况调节，动力转向系统经助力耦合器16向机械转向系统输出耦合助力矩信号j；

所述的机械转向系统、动力转向系统分别向传感器模块输出机械转向系统工况信号h、动力转向系统工况信号i，h、i经过理想助力计算模块18、信号处理模块21处理，得到的降噪工况信号d、降噪工况信号e和助力耦合器输出的耦合助力信号f分别作为误差计算模块22、能耗计算模块23、变化率计算模块24的输入，三个计算模块输出信号经过性能加权函数We模块加权处理后，输出到由转向系统、控制器27组成的闭环系统，控制器27输出控制电流至动力转向系统，驱动液压助力模块19、电动助力模块20向助力耦合器16输出助力，助力耦合器16将耦合力矩输出至机械转向系统26，实现系统整体的随工况调节。

其中，所述的车辆当前工况信息包括：车速信号、转向盘转角信号、转矩信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号以及各个电机转速信号。

本发明的一种基于多模式转向系统助力耦合器的控制方法，包括如下步骤：

(1)对多模式转向系统进行动力学建模；

(2)分别推导助力耦合器响应变化率函数、实际转向力矩与理想助力特性误差函数和动力转向系统转向经济性函数；对助力耦合器响应进行微分得到助力响应变化率，以助力耦合器响应变化率函数z₁(x)作为控制目标；转向力矩与跟踪性能函数z₂(x)、动力转向系统转向经济性函数z₃(x)作为约束条件，建立复合转向模式下的多模式主动转向系统模型；

目标函数z₁(x)为:

式中：V为当前车速；δ_f为前轮转角；a、b分别为车辆质心到前后轴的距离；m为整车质量；n_τ为前轮滚动中心与主销之间的偏移量；K_u为转向不足系数；L为轴距；

约束函数z₂(x)、z₃(x)分别为:

式中：T_d^*为实时理想助力特性；T_d实际助力特性；β为前轮主销内倾角；θ为转向盘转角；r为轮胎半径；γ为前轮主销后倾角；v为汽车横向速度；g为重力加速度；R为转向半径；F₁为满载前轴载荷；η₁为转向系统正向传动效率；d为转向盘直径；i_ω1为转向系角传动比；R_A为电枢电阻；I_A为电枢电流；U_s为控制器两端电压；R_elec为控制器电阻；M_ci为电机中摩擦造成的转矩损失；C_Fr为速比摩擦系数；ω_i为电机转速；P_s为助力泵的输出压力；Q_s为助力泵输出流量；ρ为助力油液密度；C_q为流量系数；A_i为第i个阀口的节流面积；A_p为液压助力缸横截面积；x_r为转向螺母位移；

(3)采用μ控制理论进行控制器设计，对步骤(2)中的目标函数进行优化，使约束函数转向力矩与跟踪性能函数z₂(x)、动力转向系统转向经济性函数z₃(x)分别取得最小值，且助力耦合器响应变化率函数z₁(x)最大值；

(4)向采用该控制方法的多模式转向系统与原转向系统输入相同转向盘转角并比较助力耦合器响应速度，若助力耦合器响应速度优于原转向系统响应速度，则认为该方法有效。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。