一种电动助力转向系统的助力力矩控制方法、装置及车辆与流程

本发明属于电动助力转向技术领域，特别涉及一种电动助力转向系统的助力力矩控制方法、装置及车辆。

背景技术：

随着汽车的保有量日益增加，能源和环境问题越来越引起人们的重视。相比于传统液压助力转向系统(hydraulicpowersteeringsystem，简称hps)和电控液压助力转向系统(electrohydraulicpowersteeringsystem,简称ehps)，电动助力转向系统(electricpowersteering，简称eps)去除了液压油路，解决了液压油泄露这一环境问题，同时eps具有节能和改善汽车操纵性等诸多优点，受到众多研究者的关注，成为现代汽车转向系统研究和开发的热点方向。

电动助力转向系统性能的好坏关键是电动机的助力电流是否为理想的助力电流，保证低速时转向轻便、高速时具有良好的操纵手感。理想的助力特性应能充分协调好转向轻便性和路感的关系。eps系统结合车速，方向盘转矩来决定电动机的助力电流的大小，保证汽车在全速范围内获得最佳的助力，从而减轻了低速时的操纵力,增大了高速时的操纵力，较理想的平衡了轻与灵之间的矛盾。如果路感强度在整个特性区域都保持在很好的范围之内，那么驾驶员很容易判定此工况下转向所需力的大小。

比较常见的助力特性确定方法有三种，可以表征为三种类型的曲线形式：直线型助力特性曲线；折线型助力特性曲线；曲线型助力特性曲线。

直线型助力特性如附图1所示，其助力力矩可以用下列函数关系表示。

式中：ta为助力力矩；td为转向盘转矩传感器测得的转矩；td0为电动机开始助力时的方向盘转矩；k为助力特性的梯度；tamax为电动机提供的最大助力力矩；tdmax为最大截止方向盘转矩。

折线型助力特性如附图2所示，其助力力矩可以用下列函数关系表示。

式中：ta为助力力矩；td为转向盘转矩传感器测得的转矩；td0电动机开始助力时的方向盘转矩；td1为eps系统改变助力系数时的方向盘转矩；k1和k2为助力梯度；tamax为电动机提供的最大助力力矩；tdmax为最大截止转向盘转矩。

曲线型助力特性如附图3所示，其助力力矩可以用下列函数关系表示。

其中，ta为助力力矩；td为转向盘转矩传感器测得的转矩；td0为电动机开始助力时的方向盘转矩；k(v)为助力特性的梯度；tamax为电动机提供的最大助力力矩；tdmax为最大截止方向盘转矩。

比较上述三种助力特性曲线，直线型最简单，折线型次之，但是直线型和折线形的助力系数是一常数，不能随方向盘转矩的变化进行调整，因此，不能通过改变电动机的助力系数来确定电动机的最佳力矩，曲线型的助力系数是一种较好的理想助力系数，该理想助力系数的获取方式是通过实际测量得到的或通过一些相关的点拟合的，也不能得到电动机的最佳力矩，从而使eps在这种情况下就很难提供理想的助力力矩来保证驾驶员转向轻便和有良好的路感。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动助力转向系统的助力力矩控制方法、装置及车辆，用于解决现有技术中未考虑车辆的速度造成电动助力转向系统的助力力矩值的计算不精确的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电动助力转向系统的助力力矩控制方法，包括以下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

1)根据电动机助力力矩与车速的非线性反比关系，确定不同车速对电动机助力力矩的影响权重；

2)获取不同方向盘转矩下的电动机的助力力矩，通过对方向盘转矩和电动机助力力矩的数据拟合，得到拟合后的不同方向盘转矩的助力力矩的函数；

3)实时检测方向盘转矩和车速，当方向盘转矩小于最大截止方向盘转矩且大于或等于电动机开始工作时的方向盘转矩时，根据不同车速对电动机助力力矩的权重及不同方向盘转矩的助力力矩的函数，计算电动机的实际助力力矩，控制电动机按所述实际助力力矩进行输出。

方法方案二，在方法方案一的基础上，当方向盘转矩小于最大截止方向盘转矩且大于或等于电动机开始工作时的方向盘转矩时，电动机的实际助力力矩表示为：

其中，ta为电动机实际助力力矩，w(v)为不同车速对电动机助力力矩的权重函数，z(td)为不同方向盘转矩的助力力矩的函数，v为车速，td为方向盘转矩，b、c0、c1和c2均为拟合系数。

方法方案三、方法方案四，分别在方法方案一或方法方案二的基础上，当检测到的方向盘转矩小于电动机开始工作时的方向盘转矩时，则电动机实际输出的助力力矩为0。

方法方案五、方法方案六，分别在方法方案三或方法方案四的基础上，当检测到的方向盘转矩大于最大截止方向盘转矩时，则电动机实际输出的助力力矩为电动机提供的最大助力力矩。

本发明还提供了一种电动助力转向系统的助力力矩控制装置，包括以下装置方案：

装置方案一，包括处理器，所述处理器用于执行以下方法的指令：

(1)根据电动机助力力矩与车速的非线性反比关系，确定不同车速对电动机助力力矩的影响权重；

(2)获取不同方向盘转矩下的电动机的助力力矩，通过对方向盘转矩和电动机助力力矩的数据拟合，得到拟合后的不同方向盘转矩的助力力矩的函数；

(3)实时检测方向盘转矩和车速，当方向盘转矩小于最大截止方向盘转矩且大于或等于电动机开始工作时的方向盘转矩时，根据不同车速对电动机助力力矩的权重及不同方向盘转矩的助力力矩的函数，计算电动机的实际助力力矩，控制电动机按所述实际助力力矩进行输出。

装置方案二，在装置方案一的基础上，当方向盘转矩小于最大截止方向盘转矩且大于或等于电动机开始工作时的方向盘转矩时，电动机的实际助力力矩表示为：

其中，ta为电动机实际助力力矩，w(v)为不同车速对电动机助力力矩的权重函数，z(td)为不同方向盘转矩的助力力矩的函数，v为车速，td为方向盘转矩，b、c0、c1和c2均为拟合系数。

装置方案三、装置方案四，分别在装置方案一或装置方案二的基础上，当检测到的方向盘转矩小于电动机开始工作时的方向盘转矩时，则电动机实际输出的助力力矩为0。

装置方案五、装置方案六，分别在装置方案一或装置方案二的基础上，当检测到的方向盘转矩大于最大截止方向盘转矩时，则电动机实际输出的助力力矩为电动机提供的最大助力力矩。

装置方案七，在装置方案一的基础上，所述处理器为电动机控制器。

本发明还提供了一种车辆，包括电动助力转向系统的助力力矩控制装置，所述装置包括处理器，所述处理器用于执行以下指令：

根据电动机助力力矩与车速的非线性反比关系，确定不同车速对电动机助力力矩的影响权重；

获取不同方向盘转矩下的电动机的助力力矩，通过对方向盘转矩和电动机助力力矩的数据拟合，得到拟合后的不同方向盘转矩的助力力矩的函数；

实时检测方向盘转矩和车速，当方向盘转矩小于最大截止方向盘转矩且大于或等于电动机开始工作时的方向盘转矩时，根据不同车速对电动机助力力矩的权重及不同方向盘转矩的助力力矩的函数，计算电动机的实际助力力矩，控制电动机按所述实际助力力矩进行输出。

本发明的有益效果是：

本发明结合基于车速权重的拟合函数和不同方向盘转矩下的电动机助力力矩的拟合函数，将车速赋予权重后，电动机助力力矩能较好的协调转向轻便性和路感的关系，通过对不同方向盘转矩下的电动机助力力矩的拟合，可根据车型的不同，改变拟合系数的值，调整助力效果，更好的适应不同车型的不同助力需求。本发明充分考虑了车速对电动机助力力矩的影响，通过本发明的方法能够获得较为精确的电动机助力力矩，保证了驾驶员转向轻便和有良好的路感。

本发明设置了电动机开始工作时的方向盘转矩，防止了电机的频繁启动，保护了电动机，提高了电动机的使用寿命。

附图说明

图1为直线型助力特性曲线示意图；

图2为折线型助力特性曲线示意图；

图3为曲线型助力特性曲线示意图；

图4为本发明的典型车速下方向盘输入转矩与助力力矩关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

一种电动助力转向系统的助力力矩控制方法，包括如下步骤：

1、确定起始方向盘的助力力矩

为了避免电动机的频繁启动，参考国标关于转向手力的规定，本发明将初始助力力矩td0设为1.5nm。在方向盘转矩小于td0且大于0时，即在0＜td＜td0区间内，eps不工作，也有利于提高eps系统的节能效率。第一步为了避免电动机的频繁启动，将电动机的起始助力力矩设为1.5nm。

2、确定基于车速权重的拟合函数w(v)

电动机助力力矩是根据车辆运行状况和助力效果来决定的，实验测得转向阻力矩与车速成非线性的反比关系。通过将一些典型的车速赋予权重，获得一组车速和权重的离散数据，进行数据拟合后得到w(v)＝e^bv。

下面以具体的车速和车速权重值的相关实验数据为例，得到如表1所示的车速和车速权重的关系。

表1不同车速的权重

根据以上数据关系，在matlab中使用cftool工具进行数据拟合，函数类型选择指数函数，得到w(v)＝e^-0.02142v。

3、确定零转速下的不同方向盘转矩的助力力矩函数z(td)

实时检测方向盘转矩和车速，当方向盘转矩小于最大截止方向盘转矩且大于或等于电动机开始工作时的方向盘转矩时，即tdo≤td≤tdmax，然后根据不同车速对电动机助力力矩的权重及不同方向盘转矩的助力力矩的函数，计算电动机的实际助力力矩，控制电动机按实际助力力矩进行输出。如图4所示，实验测得零车速下不同方向盘转矩的助力力矩，然后拟合得到助力函数z(td)，z(td)是不同方向盘转矩输入条件下的助力力矩，为增函数，即方向盘输入力矩越大，为了转向方便，助力力矩也应该越大，本实施例的ta的二次多项式表示为：

式中，ta为电动机实际助力力矩，td为方向盘转矩，w(v)为不同车速对电动机助力力矩的影响权重，c0、c1、c2为拟合系数。

结合某一车型在零转速下实验得到的方向盘输入转矩与助力力矩的数据如表2。

表2零车速下助力力矩与输入转矩数据

对于拟合函数，令v＝0，得到进行数据拟合求得c0＝0.2162，c1＝-0.2764，c2＝-0.03865。

因此，零转速下的电动机助力力矩的拟合函数表示为：

4、确定电动机最大助力力矩tamax

eps控制系统设计过程中，确定电动机最大助力力矩是型号匹配问题。本实施例中匹配的助力电动机提供的最大助力力矩为tamax＝8.50nm。

当检测到的方向盘转矩小于电动机开始工作时的方向盘转矩时，即0＜td＜td0时，则电动机实际输出的助力力矩为0；当检测到的方向盘转矩大于最大截止方向盘转矩时，即td≥tdmax，则电动机实际输出的助力力矩为电动机提供的最大助力力矩tamax。

5、确定电动机实际助力力矩ta

根据车辆实际行驶时的车速v、方向盘转矩td，根据方向盘转矩的大小来确定eps系统的最佳助力力矩，将方向盘转矩的大小分成三个区间，其不同区间对应的电动机的实际助力力矩分别为：

将步骤2和步骤3中拟合出来的具体的数值代入到上式中，得到最终的电动机助力力矩的函数表达式，如下式所示：

本实施例的eps系统助力电动机最佳助力力矩确定方法适用于轿车和中型客车，可以取得如下有益效果：由于设置了起始助力方向盘转矩，防止了电动机的频繁启动，保护了电机，提高了电动机的使用寿命；将车速赋予权重后，助力力矩能较好的协调好转向轻便性和路感的关系；测得零车速下的助力力矩，进行数据拟合，得到c0、c1和c2的值，可以根据车型的不同，改变c0、c1和c2的值，即可调整助力效果，更好的适应多车型的不同助力需求。

一种电动助力转向系统的助力力矩控制装置，包括处理器，处理器用于执行以下方法的指令：

(1)根据电动机助力力矩与车速的非线性反比关系，确定不同车速对电动机助力力矩的影响权重；

(2)获取不同方向盘转矩下的电动机的助力力矩，通过对方向盘转矩和电动机助力力矩的数据拟合，得到拟合后的不同方向盘转矩的助力力矩的函数；

(3)实时检测方向盘转矩和车速，当方向盘转矩小于最大截止方向盘转矩且大于或等于电动机开始工作时的方向盘转矩时，根据不同车速对电动机助力力矩的权重及不同方向盘转矩的助力力矩的函数，计算电动机的实际助力力矩，控制电动机按实际助力力矩进行输出。

本发明还提供了一种车辆，该车辆包括电动助力转向系统的助力力矩控制装置，装置包括处理器，处理器用于执行以下指令：

根据电动机助力力矩与车速的非线性反比关系，确定不同车速对电动机助力力矩的影响权重；

获取不同方向盘转矩下的电动机的助力力矩，通过对方向盘转矩和电动机助力力矩的数据拟合，得到拟合后的不同方向盘转矩的助力力矩的函数；

实时检测方向盘转矩和车速，当方向盘转矩小于最大截止方向盘转矩且大于或等于电动机开始工作时的方向盘转矩时，根据不同车速对电动机助力力矩的权重及不同方向盘转矩的助力力矩的函数，计算电动机的实际助力力矩，控制电动机按实际助力力矩进行输出。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。