CN105292246A - 汽车电动助力转向摩擦补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车电动助力转向***摩擦补偿控制方法：电动助力转向控制器根据电机角速度信号计算摩擦补偿力矩，该摩擦补偿力矩作为电动助力转向助力力矩的一部分，实现电动助力转向***动静摩擦力矩的共同补偿。电动助力转向助力增益变化时，定幅值的摩擦补偿控制使驾驶员感受到的转向***摩擦发生变化，造成主观评价上的“路感模糊”。提出基于电动助力转向助力增益的变摩擦补偿控制方法，保证在不同助力增益时驾驶员均能获得近乎相同的摩擦感觉，消除电动助力转向助力增益对***摩擦力矩的影响。

Description

汽车电动助力转向摩擦补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于汽车电动助力转向***的摩擦补偿控制方法，更具体地说，它涉及一种能够补偿电动助力转向***动静摩擦力矩，在不同助力增益下均获得相同摩擦感觉的摩擦补偿控制方法。

背景技术

电动助力转向作为电子技术与转向***相结合的产物，紧扣汽车工业发展三大主题，在提供助力、减轻驾驶员操纵负担的同时，也能够提高汽车的转向性能，以其优越的性能和特点有逐步替代液压助力转向趋势，具有广阔的应用前景。电动助力转向***在原有机械***基础上增加了电机及减速机构，增加了转向***的摩擦力矩。换向操作时，过大的***摩擦力矩使得路感丧失且汽车回正性能差。多数的研究成果中，电动助力转向摩擦补偿控制主要基于电机角速度的符号函数或饱和函数，在不同车速下施加固定幅值的补偿控制力矩减少***的摩擦。施加的补偿力矩只能在转向***有相对转动时才能融入***控制中，补偿***的动摩擦力矩，而对于仅有相对转动趋势时的静摩擦力矩则没有作用。

专利CN103863393A提出一种电动助力转向***摩擦补偿方法，基于转向盘角速度计算摩擦补偿力矩，并在摩擦补偿力矩的基础上引入扭矩增益，作为摩擦补偿力矩计算时的一个相乘因子，在转动力矩较小时补偿一个较大摩擦补偿力矩，在转动力矩较大时补偿一个较小的摩擦补偿力矩，但未能补偿转向***的静摩擦力矩。

专利CN103935395A提出一种电动助力转向***自适应摩擦补偿方法，基于转向***特性自动确定一个驾驶周期的摩擦补偿控制电流，能够补偿转向***的动静摩擦力矩，但未考虑电动助力转向助力增益对转向***摩擦力矩的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种用于汽车电动助力转向***的摩擦补偿控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：设计一种可实现动静摩擦力矩共同补偿的摩擦控制方法，使摩擦补偿力矩在转向盘转动与停止之间实现平滑过渡。

电动助力转向***摩擦补偿力矩采用如下公式计算：

当电机角速度较大，电机角速度饱和函数sat()饱和时，sat()输出值为±1，摩擦补偿力矩为±χT_friction，即χsign()T_friction，其中sign()为电机角速度的符号函数，输出限制为±1，用于补偿转向***的转动摩擦；当电机角速度为零时，sign()输出值为0，摩擦补偿力矩为χsat(γ)T_friction，用于补偿转向***的静摩擦；当电机角速度饱和函数未饱和时，为转向***动静摩擦补偿的过渡过程。

技术方案中所述的基于电动助力转向助力增益的变幅值摩擦补偿控制是指：基于电动助力转向***的助力增益调整摩擦补偿幅值比例系数χ，保证电动助力转向***在不同助力增益时均能获得相同的摩擦感觉。

摩擦补偿幅值比例系数χ采用如下公式确定：

为了保证摩擦补偿幅值比例系数χ确定时，T_a/T_s比值在转向盘力矩接近0时的有效性，采用如下计算方法：

。

本发明的有益效果：

本发明所述的汽车电动助力转向***摩擦补偿控制方法可同时补偿转向***的动静摩擦力矩，使摩擦补偿力矩在转向盘转动与停止之间实现平滑过渡，解决传统基于电机角速度的符号函数或饱和函数的摩擦补偿控制方法不能补偿转向***静摩擦力矩的弊端。

本发明所述的汽车电动助力转向***摩擦补偿控制方法，针对电动助力转向助力增益变化时，驾驶员感受的***摩擦力矩随之变化造成的路感模糊现象，提出基于电动助力转向助力增益修正摩擦补偿力矩幅值比例系数χ，使驾驶员在不同转向盘转角下获得近乎相同的摩擦感觉。

总的说来，该发明从根本上解决电动助力转向动静摩擦补偿问题，解决了电动助力转向助力增益变化引起的驾驶员感受到的***摩擦力矩随之变化问题。

附图说明

图1是本发明所述的汽车电动助力转向***结构组成的示意图。

图2是本发明所述的基于电机角速度的符号函数和饱和函数实现电动助力转向***摩擦补偿控制的示意图。

图3是本发明所述用于汽车电动助力转向摩擦补偿控制的仿真试验平台的示意框图。

图4是本发明所述的动静摩擦补偿过渡过程曲线。

图5是本发明所述的电动助力转向助力增益引起的转向***摩擦力矩变化曲线。

图1中，1.转向盘，2.转矩传感器，3.电动助力转向控制器，4.车速传感器，5.电机电枢电压，6.电流传感器，7.助力电机，8.电机减速机构，9.齿轮齿条转向器，10.轮胎。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，驾驶员操纵转向盘1转向时，扭矩传感器2检测出驾驶员的转向力矩，车速传感器4检测出汽车的行驶车速，电动助力转向控制器3根据扭矩传感器和汽车行驶车速确定助力电机7的目标控制电流，电流传感器6检测出助力电机7的实际电流信号，电动助力转向控制器3基于助力电机目标电流和实际电流信号的偏差，通过PID闭环控制，确定施加在助力电机7上的电机电枢电压5，控制助力电机7的转矩大小和转动方向，电机转矩经电机减速器8放大，作用转向传动轴上作为电机助力矩，转向盘力矩和电机助力矩共同作用在齿条转向器9上，驱动轮胎10转动，实现转向功能。

参阅图2，图2（a）所示为本发明所述的基电机角速度的速符号函数的摩擦补偿控制方法，根据电机角速度施加一定幅值的摩擦补偿力矩，即T_fc=sign()T_friction，其中：T_fc为施加的摩擦补偿力矩，T_friction为转向***摩擦力矩，为电机角速度的符号函数，输出值为±1，定义为

图2（b）所示为本发明所述的基于电机角速度的饱和函数的摩擦补偿控制方法，根据电机角速度施加一定幅值的摩擦补偿力矩，即T_fc=sat()T_friction，其中：sat()为电机角速度的饱和函数，输出限制为±1，定义为

其中为设定的电机角速度阀值。

可以看出，基于电机角速度的符号函数和饱和函数的摩擦补偿控制，只能补偿***转动时的动摩擦力矩，却不能补偿转向***的静摩擦力矩。为此，设计一种可实现动静摩擦力矩共同补偿的摩擦控制方法，使摩擦补偿力矩在转向盘转动与停止之间实现平滑过渡。电动助力转向***的摩擦补偿力矩采用如下公式计算：

T_fc=χsat[sat（）+γ（1-︱sat()︱）]T_friction

当电机角速度较大，电机角速度饱和函数sat()饱和时，sat()输出值为±1，摩擦补偿力矩为±χT_friction，即χsign()T_friction，其中sign()为电机角速度的符号函数，输出限制为±1，用于补偿转向***的转动摩擦；当电机角速度为零时，输出值为0，摩擦补偿力矩为χsign(γ)T_friction，用于补偿转向***的静摩擦；当电机角速度饱和函数未饱和时，为转向***动静摩擦补偿的过渡过程。

参阅图3，为本发明所述的汽车电动助力转向摩擦补偿控制仿真试验平台的示意框图，包括基于Matlab/Simulink建立的电动助力转向***模型和基于CarSim软件的车辆模型（轮胎和整车动力学模型）。电动助力转向***模型包括转向盘模块、助力电机模块、等效转向器模块、转向阻力矩计算模块四个部分。

转向盘的转角或转矩输入，经转向***传递产生一个前轮转角，输入CarSim车辆模型，CarSim车辆模型则输出轮胎力及轮胎定位参数给电动助力转向***模型。电动助力转向***模型中的助力电机模块，根据扭矩测量值和车速信号确定电机助力矩，输出给等效转向器模块。同时，电动助力转向***模型中的转向阻力计算模块，根据CarSim车辆模型输出的轮胎力及轮胎定位参数，计算出转向阻力矩，输出给等效转向器模块。驾驶员操纵力矩与电机助力矩一起克服转向阻力矩，完成转向操作。

参阅图4，图中所示曲线为基于图3电动助力转向摩擦补偿控制仿真试验平台获得的电动助力转向***动静摩擦补偿过渡过程。电动助力转向***动静摩擦补偿过渡过程曲线获得时，对助力电机进行电流开环控制，施加的摩擦补偿力矩为

T_fc=χsat[sat（）+γ（1-︱sat()︱）]T_friction。摩擦补偿力矩T_fc如图4中实线所示，通过调整调整系数γ，使摩擦补偿转矩在转向盘模块转动与停止之间通过静摩擦转矩的补偿实现平滑的过渡。

参阅图5，图中所示曲线为基于图3电动助力转向摩擦补偿控制仿真试验平台，进行车速100km/h下的转向盘转角正弦输入仿真试验（转角幅值为19°，频率为0.2Hz），获得的转向盘转矩相对转角变化关系曲线。可以看出，随着转向盘转角的增加，A、B、C三处的纵向截距逐渐减小，即驾驶员所获得摩擦感觉也逐渐减小。可以推断：如果摩擦补偿值较大，随着转向盘转角的继续增加将会出现迟滞曲线扭转的现象（例如：当转向盘转角θ_h大于0时，相同转向盘转角幅值下>0对应的转向盘转矩，会低于<0对应的转向盘转矩）。这不仅不能反映真实的路感，还将使驾驶员感觉到有外力在干扰转向操作。

在不考虑***阻尼和惯量情况下，转向小齿轮的力矩平衡方程为：

T_s+T_a+T_fc=T_p+T_friction

其中，T_p折算到转向小齿轮上的转向阻力矩。

电机助力矩与转向盘转矩的关系可通过下式计算：

T_a=K·G·T_S

式中，K为电动助力转向助力增益；G为电动助力转向助力电机减速比。

因此，转向盘转矩可以表示为：

可以看出，驾驶员的转向盘力矩信息T_s中既包含了转向阻力矩T_p/(1+K·G)，也包含了摩擦补偿后的***摩擦力矩(T_friction-T_fc)/(1+K·G)。当电动助力转向助力增益发生变化时，驾驶员感受到的转向阻力发生改变，驾驶员感受到的***摩擦也随之变化。前者的变化目的是为了协调转向盘力矩水平和路感，是驾驶员应当得到的信息；后者的变化造成主观评价上的“路感模糊”，同时EPS助力增益K越大，摩擦补偿后的***摩擦力矩

(T_friction-T_fc)/(1+K·G)越小，即转向盘力矩中摩擦信息所占比重越小，不平路面对转向盘的冲击会越明显。

为了保证转向盘在不同助力增益K时均具有近乎相同的摩擦感觉，需要根据电动助力转向助力增益K对动摩擦补偿力矩T_fc进行调整。假设驾驶员所期望的转向***摩擦力矩为T_prefer，那么：

T_prefer=

由于T_a=K·G·T_s，可得：

T_fc=(T_friction-T_fc)—T_prefer

其中，括号内为电机助力矩T_a为0时，需要补偿的摩擦力矩数值；其余的是为了消除电机助力矩T_a不为0时，对驾驶员所期望的转向***摩擦力矩T_prefer的影响。进一步地，忽略摩擦补偿力矩T_fc的动静转换饱和函数，可得：

其中，T_prefer/T_friction是随车速变化的一组标定系数；T_a/T_S由电动助力转向助力特性实时计算得到，为了保证该比值在转向盘力矩接近“0”时的有效性，其计算方法如下：

。

当T_S为0时，T_a/T_S趋向于∞，为保证T_a/T_S在转向盘力矩接近“0”时的有效性，当︱T_S︱＜0.5Nm时，令T_S=0.5，即

Claims (4)

1.一种用于电动助力转向***的摩擦补偿控制方法，其特征在于，设计一种可实现动静摩擦力矩共同补偿的摩擦控制方法，使摩擦补偿力矩在转向盘转动与停止之间实现平滑过渡，电动助力转向***摩擦补偿力矩采用如下公式计算：

其中，T_fc为摩擦补偿力矩；χ为摩擦补偿力矩幅值比例系数；sat()和函数，输出限制为±1；为电机角速度；γ为调整系数；T_friction为转向***摩擦力矩。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向***摩擦补偿控制方法，其特征在于，电动助力转向***动静摩擦共同补偿控制是指：

1）当电机角速度较大，电机角速度饱和函数sat()饱和时，sat()输出值为±1，摩擦补偿力矩为±χT_friction，即χsign()T_friction，其中sign()为电机角速度的符号函数，输出限制为±1，用于补偿转向***的转动摩擦；

2）当电机角速度为零时，sign()输出值为0，摩擦补偿力矩为χsat(γ)T_friction，用于补偿转向***的静摩擦；

3）当电机角速度饱和函数未饱和时，为转向***动静摩擦补偿的过渡过程。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向***摩擦补偿控制方法，其特征在于，基于电动助力转向***助力增益调整摩擦补偿的幅值比例系数χ，保证电动助力转向***在不同助力增益时均能获得相同的摩擦感觉，摩擦补偿幅值比例系数采用如下公式确定：

其中，T_prefer为驾驶员所期望的转向***摩擦力矩，应当根据驾驶员主观感受进行调整，即T_prefer/T_friction是随车速变化的一组标定系数；T_a为电机助力矩；T_s为转向盘力矩。

4.根据权利要求1所述的电动助力转向***的摩擦补偿控制方法，其特征在于，为了保证摩擦补偿幅值比例系数χ确定时，T_a/T_s比值在转向盘力矩接近0时的有效性，采用如下计算方法：

。