具有智能过载保护功能的汽车电动助力转向系统的制作方法

本发明属于汽车
技术领域：
，涉及有刷电动助力转向系统(简称eps)，尤其涉及一种具有智能过载保护功能的电动助力转向系统。
背景技术：
：汽车电动助力转向系统主要由机械转向器、扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元(简称ecu)、转向助力电机(简称eps电机)、机械减速机构等组成。其中，扭矩传感器安装在转向轴上，用以检测驾驶员转向手力并输出扭矩信号ts；车速传感器用于检测汽车行驶速度并输出车速信号v；电子控制单元是eps系统实现各种控制功能的核心，根据ts、v等信号进行综合运算处理，向eps电机发出驱动电流指令；eps电机安装在机械减速机构上，并通过该减速机构为驾驶员提供助力扭矩；机械转向器是推动车轮转向的执行部件。现代汽车配装eps系统已非常普及，可使驾驶员操纵转向轻便，能及时准确地执行转向操纵指令。eps系统在提供助力扭矩而减轻转向手力的同时，会导致在特殊工况下，驾驶员为实现转向目标而持续加大转向手力，使eps输出扭矩被叠加后将有较大幅度的提升，此时在驾驶员不知情的情况下，会使机械转向器产生过载损坏而造成汽车转向失效。为此，传统eps系统的应对措施是在基本助力电流特性设计时，将转向手力ts超出某一规定值之后，ecu使其输出电流处于饱和状态，维持助力扭矩不再升高来控制过载，但该措施仅限制了助力扭矩不再升高，当转向手力过大时，使eps输出扭矩被叠加后，仍会造成机械转向器产生过载损坏。技术实现要素：为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计开发一种具有智能过载保护功能的汽车电动助力转向系统，使其自动判断是否过载，并根据当前过载情况自动决策，以适当的时刻点起，使ecu输出电流受界限控制而逐步降低，减小助力扭矩，实现eps系统具有智能型的过载保护能力。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：为方便起见，所有说明、图形及表达式均是针对右转向区域内的，而关于左转向区域内的可将右转向区域内的图形及表达式以原点或横轴对称形成。eps系统过载保护功能所依据的基本关系式为：输出扭矩tc＝助力扭矩ta+转向手力ts，且输出扭矩tc远大于系统允许的额定工作扭矩te时，既出现过载情况。当系统需要过载保护时，其中助力扭矩ta和转向手力ts均可实施调节，以达到过载保护的目的，但转向手力ts是由驾驶员实施的，为实现转向目标，驾驶员会忽略eps系统可能发生的过载情况，不宜控制，而助力扭矩ta与ecu输出电流线性相关，宜于控制。因此控制了过载保护模块输出电流iol-out就能实现过载保护功能，并且转向手力ts过大可被检测识别，以及当前的车速v和理论目标电流i均可被检测识别或计算获得，据此ecu将综合判断和自动决策，实施智能型的过载保护。为方便以下说明及结合其作用所在而设定：过载保护模块＝判断模块+界限控制模块。eps系统过载保护功能的开启和关闭，与转向手力ts、车速v、理论目标电流i三个输入参数相关，据此设计并建立判断模块，使系统中ecu能自动判断是否过载。判断模块要设置二种判断条件，第一种是开启系统过载保护功能的保护条件，第二种是关闭系统过载保护功能的解除条件，此二种条件在同一时刻，只能有其中一个条件成立。为使eps系统过载保护功能智能型地发挥作用，需对当前期望的理论目标电流i加以状态分析，以间接表征系统载荷情况，区分不同的降电流时刻起点，再结合预置的二个电流控制界限值，来设计并建立界限控制模块。当判断模块输出的保护条件或解除条件成立后，界限控制模块将自动计算其输出电流iol的控制曲线，并与理论目标电流i对比，使输出电流iol-out＝min(i，iol)作为当前值输出，既可实现eps系统智能型的过载保护功能。本发明的有益效果如下：1、本发明通过过载保护功能模块对ecu输出电流进行智能控制，使eps系统助力扭矩在过载情况下适度降低，可避免对机械转向器造成过载损坏，提高转向系统安全性。2、本发明通过ecu输出电流的过载保护控制，降低了eps电机在大电流情况下而长时间工作所造成过热损坏的风险。3、本发明通过关联设计，引入转向手力ts、车速v、理论目标电流i等参数，使过载保护功能在开启或关闭的切换过程中，不影响驾驶员的转向操纵手感，适用于各种有刷电动助力转向系统。附图说明：本发明共有附图27张，其中：图1为本发明的eps系统工作原理和过载保护工作原理的示意框图。图2为本发明的eps系统点火上电时所默认初始状态的界限控制图。图3为本发明的t1-k时刻eps系统开启过载保护功能并保持过载保护状态的界限控制图。图4为本发明的t0-k时刻eps系统解除过载保护功能并保持解除状态的界限控制图。图5为本发明的eps系统过载保护功能的控制逻辑框图。图6为本发明的ecu基本助力电流特性曲线。图7为本发明的车速v＝0km/h时恒定转向手力ts＝20.0n.m曲线。图8为本发明的车速v＝0km/h恒定转向手力ts＝20.0n.m时输出电流曲线。图9为本发明的车速v＝0km/h恒定转向手力ts＝20.0n.m时输出扭矩曲线。图10为本发明的车速v＝5km/h时恒定转向手力ts＝20.0n.m曲线。图11为本发明的车速v＝5km/h恒定转向手力ts＝20.0n.m时输出电流曲线。图12为本发明的车速v＝5km/h恒定转向手力ts＝20.0n.m时输出扭矩曲线。图13为本发明的车速v＝0km/h时正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.1*t-л/2)曲线。图14为本发明的车速v＝0km/h正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.1*t-л/2)时输出电流曲线。图15为本发明的车速v＝0km/h正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.1*t-л/2)时输出扭矩曲线。图16为本发明的车速v＝5km/h时正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.15*t-л/2)曲线。图17为本发明的车速v＝5km/h正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.15*t-л/2)时输出电流曲线。图18为本发明的车速v＝5km/h正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.15*t-л/2)时输出扭矩曲线。图19为本发明的车速v＝0km/h时正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.2*t-л/2)曲线。图20为本发明的车速v＝0km/h正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.2*t-л/2)时输出电流曲线。图21为本发明的车速v＝0km/h正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.2*t-л/2)时输出扭矩曲线。图22为本发明的车速v＝5km/h时正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.3*t-л/2)曲线。图23为本发明的车速v＝5km/h正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.3*t-л/2)时输出电流曲线。图24为本发明的车速v＝5km/h正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.3*t-л/2)时输出扭矩曲线。图25为本发明的车速v＝0km/h时随机转向手力曲线。图26为本发明的车速v＝0km/h随机转向手力时输出电流曲线。图27为本发明的车速v＝0km/h、随机转向手力时输出扭矩曲线。图中物理参数定义如下表：具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：如图1所示，eps的工作原理是当驾驶员转动方向盘时，ecu从eps系统的扭矩传感器中获得转向手力信号ts，从汽车的车速传感器中获得车速信号v，经ecu中基本助力ib、各种补偿ix等功能模块，进行运算处理并输出理想目标电流i；之后，通过过载保护模块及其它功能模块等综合输出电流i，再经电流环的pi控制，使输入到eps电机的电流im能够及时被跟踪并达到设计所要求的电流i，从而控制eps电机扭矩tm，经减速机构输出助力扭矩ta，再叠加转向手力ts后，使输出扭矩tc＝ta+ts满足转向性能及各种功能要求。如图1所示中过载保护的功能模块，是在eps系统过载情况下长时间工作时开启并发挥作用，使eps系统能降低助力扭矩ta，以便对循环球式或齿轮齿条式的机械转向器实施过载保护。通常eps系统过载情况包括：车辆在原地或极低车速行驶时，方向盘处于极限位置反复长时间转向或打死舵的情况；车辆在原地或极低车速行驶时，车轮深陷路面或车轮被路肩阻碍时，持续打转向的情况；车辆重载并在粗糙路面上持续原地转向的情况。在这些过载情况下，eps系统的过载保护模块工作原理是在转向过程中，ecu获取转向手力信号ts、车速信号v、理论目标电流i三个输入参数，经判断模块分析过载程度，适时开启或关闭过载保护功能，再经界限控制模块对各参量值进行智能处理并输出界限控制电流iol，与理论目标电流i对比，使输出电流iol-out＝min(i，iol)作为当前值最终输出，既可实现eps系统智能型的过载保护功能。1.过载保护功能的判断模块设计判断模块的主要作用是根据输入参数进行综合判断，输出是否过载的成立条件，包括二种输出：保护条件成立或解除条件成立。它的决策机制是保护条件和解除条件在同一时刻，只能有其中一个条件成立。根据技术方案所述，eps系统过载保护功能的开启和关闭，是由设计建立的判断模块进行决策，决策所需的输入条件与转向手力ts、车速v、理论目标电流i相关，同时需对应设定其判定界限值。其中，转向手力ts判定界限值仅包括：开启过载保护的转向手力ts-k；车速v判定界限值仅包括：过载保护的分界车速vol；理论目标电流i判定界限值包括：启动过载保护的最大电流iol-max2和解除过载保护的最小电流iol-min2，且有iol-min2<iol-max2。转向手力ts是影响过载情况是否发生的直接因素，当转向手力较大时，才有过载的情况发生，而较小时必然不会出现过载情况，因此保护条件成立的必要条件之一是ts≥ts-k；车速v是影响过载情况是否发生的间接因素，当车速较低时，需要eps系统输出扭矩tc较大，才有过载的情况发生，而当车速较高时，需eps系统输出扭矩tc较小即可，且从安全性角度上要求，也不允许此时降低系统输出能力，以免高车速转向能力不足而发生不安全的意外，故高车速时必然不会出现过载情况，据此保护条件成立的必要条件之一是v≤vol，解除条件成立的充分条件之一是v>vol；理论目标电流i是ecu期望输出的电流，它与助力扭矩ta线性相关，是影响过载情况是否发生的直接因素，当理论目标电流较大时，且持续时间较长，说明长时间维持较大助力扭矩ta输出，才有过载的情况发生，当理论目标电流较小时，ecu允许输出该期望值，此时必然不会出现过载情况，因此保护条件成立的必要条件之一是i≥iol-max2，解除条件成立的充分条件之一是i<iol-min2。归纳判断模块输出条件成立的算法如下表：判断条件表达式保护条件成立and(ts≥ts-k，v≤vol，i≥iol-max2)解除条件成立or(v>vol，i<iol-min2)按以上所述，当保护条件成立时，触发系统过载保护功能开启，之后既使保护条件不再成立，系统仍保持过载保护状态，直至解除条件成立时，将不再保持并切换状态；当解除条件成立时，触发系统过载保护功能关闭，之后既使解除条件不再成立，系统仍保持解除保护状态，直至保护条件成立时，将不再保持并切换状态。如此循环递推。2.过载保护功能的界限控制模块设计界限控制模块的主要作用是根据判断模块输出否过载的成立条件，自动计算其输出电流iol的控制曲线，参入过载保护功能的综合控制。根据技术方案所述，界限控制模块的输入参数包括：判断模块的输出和过载保护模块输出电流iol-out，同时需设定iol上下控制界限，包括：最大过载保护的限制电流iol-max1和最小过载保护的限制电流iol-min1，且有iol-max1>iol-min1。为配合控制界限的形成，还需设定以下四个常量值，包括：解除条件成立后累积时间δt0、保护条件成立后累积时间δt1、界限上升的控制斜率k0、界限下降的控制斜率k1。当eps系统点火上电时，ecu自动默认初始状态的参数，并记忆这些参数，如：解除条件成立的时刻t0-k＝t0-0＝-102s、保护条件成立的时刻t1-k＝106s。由于保护条件成立的时刻t1-k＝106s，在时间轴上的该时刻点值极大，图形中不能显示，故点火上电时刻起，eps系统处于关闭过载保护功能的状态上，iol的控制曲线如图2所示。当保护条件成立时，触发ecu更新t1-k为当前时刻并记忆和保持，此时eps系统处于开启过载保护功能的状态上，iol的控制曲线如图3所示。当解除条件成立时，触发ecu更新t0-k为当前时刻并记忆和保持，此时eps系统处于关闭过载保护功能的状态上，iol的控制曲线如图4所示。综合以上，归纳界限控制模块的输出iol表达式如下：1)条件成立时ecu所采集获得的参数(用这些新参数更新原参数并保存)保护条件成立时刻采集：t1-k；解除条件成立时刻采集：t0-k。2)条件成立时ecu所计算获得的参数(用这些新参数更新原参数并保存)保护条件成立时刻计算：t1-k-a＝t1-k+△t1…………………………….(1)t1-k-b＝t1-k+△t1+(iol-min1-iol-max1)/k1………………….(2)解除条件成立时刻计算：t0-k-a＝t0-k+△t0……………….……………….(3)t0-k-b＝t0-k+△t0+(iol-max1-iol-min1)/k0……………….(4)3)当eps系统点火上电时，界限控制模块的输出iol表达式iol＝iol-max1…….………………………….(5)4)当eps系统工作后，保护条件成立时及状态保持时，界限控制模块的输出iol表达式5)当eps系统工作后，解除条件成立时及状态保持时，界限控制模块的输出iol表达式3.过载保护功能的综合控制由界限控制模块输出的电流iol与理论目标电流i进行对比，使输出电流iol-out＝min(i，iol)作为当前值输出，既可实现eps系统的过载保护功能。其综合控制的逻辑关系如图5所示，其表达关系式如下：iol-out＝min(i，iol)………………………….(8)4.仿真运行结果首先设定eps系统仅在基本助力模块和过载保护模块下进行工作，设定ecu基本助力电流特性曲线如图6所示，并设定过载保护模块等相关参数如下表：仿真运行过程中的辅助参数设定如下表：以上参数设定后，说明了ecu按如图6所示的基本助力电流特性曲线运行，当车速v≥6km/h时，就会使理论目标电流i<iol-max2始终成立，则eps系统将始终不启动过载保护功能。其它如：转向手力、车速等各种工况下过载保护功能的工作状态，见以下仿真运行结果记录。1)车速0km/h时恒定转向手力ts＝20.0n.m曲线如图7所示，仿真运行结果如图8、图9所示，典型数据结果记录见下表。2)车速5km/h时恒定转向手力ts＝20.0n.m曲线如图10所示，仿真运行结果如图11、图12所示，典型数据结果记录见下表。3)车速0km/h时正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.1*t-л/2)曲线如图13所示，仿真运行结果如图14、图15所示，典型数据结果记录见下表。4)车速5km/h时正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.15*t-л/2)曲线如图16所示，仿真运行结果如图17、图18所示，典型数据结果记录见下表。5)车速0km/h时正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.2*t-л/2)曲线如图19所示，仿真运行结果如图20、图21所示，典型数据结果记录见下表。6)车速5km/h时正弦转向手力ts＝15+11*sin(0.3*t-л/2)曲线如图22所示，仿真运行结果如图23、图24所示，典型数据结果记录见下表。7)车速0km/h时随机转向手力曲线如图25所示，仿真运行结果如图26、图27所示，典型数据结果记录见下表。5.综述综上所述，本发明通过对转向手力信号ts、车速信号v、理论目标电流i三个参数的关联设计，使eps系统在工作中自动判断是否过载，并根据当前过载情况自动决策，以适当的时刻点起，使ecu输出电流受界限控制而逐步降低，减小助力扭矩，实现eps系统具有智能型的过载保护能力，对循环球式或齿轮齿条式的机械转向器实施过载保护。当前第1页12