CN111976824B - 电动助力转向***的惯量补偿方法及相关装置 - Google Patents

电动助力转向***的惯量补偿方法及相关装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的电动助力转向***的惯量补偿方法及相关装置，直接以方向盘扭矩为输入，基于方向盘扭矩计算得到惯量补偿力矩第二分量，属于前馈补偿；根据电机转速和车速计算得到惯量补偿力矩第一分量，属于反馈补偿。从力的传递路径来看，驾驶员手力的变化导致方向盘轴角加速度的变化，进而引起角速度的变化，最后导致转角变化；可以看出由力矩到转角，有个明显的时间先后顺序。本发明结合了反馈补偿和前馈补偿，从而减小了因采样和计算延迟而导致的惯量补偿力矩滞后程度，使得惯量补偿力矩能够真正的发挥其应有的补偿效果，减少了转动惯量对***动态特性的影响，使***的转向响应更加灵敏和精准，从而提升了驾驶员的驾乘手感体验。

Description

电动助力转向***的惯量补偿方法及相关装置
技术领域
本发明涉及车辆技术领域，更具体地说，涉及电动助力转向***的惯量补偿方法及相关装置。
背景技术
电动助力转向***是利用电机输出扭矩辅助驾驶员，进行转向操作的一种电力***。助力电机是电动助力转向***的核心部件之一。车辆前轴载荷越大，则需要的助力扭矩越大，即对助力电机的功率需求越大，使得助力电机体积越大；而助力电机体积增大，则其转动惯量也会随之增大。由于减速机构的存在，助力电机的转动惯量对***的影响成2次方增加；导致对转向手感造成较大的负面影响，比如导致***响应变慢、跟随性变差等。
目前，为了缓解助力电机的转动惯量对***手感的影响，通常会在控制中引入惯量补偿功能。例如，图1所示的方式，在基本助力模块、主动回正模块、横摆力矩补偿模块之外增加惯量摩擦补偿模块，用以补偿***的惯量对转向手感的影响。图2为惯量摩擦补偿模块的具体计算过程，即以角速度和车速为输入参数信号，计算并输出惯量补偿力矩值。以及，图3所示的方式，以方向盘角度和车速作为输入参数信号，计算得到惯量补偿力矩。
现有的惯量补偿功能，需要控制器先对转向角进行采样、滤波，然后通过两次微分运算得到角加速度，然后在计算出惯量补偿力矩。这种基于反馈信号进行计算的过程会造成信号的延迟或滞后，从而导致输出惯量补偿力矩的延迟或滞后。当这种延迟或滞后超过一定程度后，惯量补偿功能也就失去了实际作用，不但无法对转向手感进行补偿，甚至还可能起到反作用。
发明内容
有鉴于此，本发明提出电动助力转向***的惯量补偿方法及相关装置，欲减小因采样和计算延迟而导致的惯量补偿力矩滞后程度，使惯量补偿力矩能够真正的发挥其应有的补偿效果，减少转动惯量对***动态特性的影响，使***的转向响应更加灵敏和精准，从而提升驾驶员的驾乘手感体验。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种电动助力转向***的惯量补偿方法，包括：
获取电机转速、方向盘扭矩和车速；
根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量；
根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量；
将所述惯量补偿力矩第一分量与所述惯量补偿力矩第二分量相加，得到惯量补偿力矩。
可选的，根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量的步骤，具体包括：
对所述电机转速进行微分运算，得到电机角加速度；
从预先标定的第一映射表中，匹配得到与所述电机角加速度以及所述车速对应的惯量补偿力矩第一分量。
可选的，根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量的步骤，具体包括：
对所述方向盘扭矩进行微分运算，得到方向盘扭矩变化率；
从预先标定的第二映射表中，匹配得到与所述方向盘扭矩变化率以及所述车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
一种电动助力转向***的惯量补偿装置，包括：
数据获取单元，用于获取电机转速、方向盘扭矩和车速；
第一分量计算单元，用于根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量；
第二分量计算单元，用于根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量；
补偿力矩计算单元，用于将所述惯量补偿力矩第一分量与所述惯量补偿力矩第二分量相加，得到惯量补偿力矩。
可选的，所述第一分量计算单元，具体包括：
第一微分子单元，用于对所述电机转速进行微分运算，得到电机角加速度；
第一匹配子单元，用于从预先标定的第一映射表中，匹配得到与所述电机角加速度以及所述车速对应的惯量补偿力矩第一分量。
可选的，所述第二分量计算单元，具体包括：
第二微分子单元，用于对所述方向盘扭矩进行微分运算，得到方向盘扭矩变化率；
第二匹配子单元，用于从预先标定的第二映射表中，匹配得到与所述方向盘扭矩变化率以及所述车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的惯量补偿方法的各个步骤。
一种车辆，包括：扭矩传感器、转速传感器、存储器和处理器；
所述扭矩传感器，用于采集方向盘扭矩；
所述转速传感器，用于采集电机转速；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，用于执行所述程序，实现上述的惯量补偿方法的各个步骤。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
上述技术方案提供的电动助力转向***的惯量补偿方法及装置，直接以方向盘扭矩(即手力矩)为输入，基于方向盘扭矩计算得到惯量补偿力矩第二分量，属于前馈补偿；根据电机转速和车速计算得到惯量补偿力矩第一分量，属于反馈补偿。从力的传递路径来看，驾驶员手力的变化导致方向盘轴角加速度的变化，进而引起角速度的变化，最后导致转角变化；可以看出由力矩到转角，有个明显的时间先后顺序。本发明结合了反馈补偿和前馈补偿，从而减小了因采样和计算延迟而导致的惯量补偿力矩滞后程度，使得惯量补偿力矩能够真正的发挥其应有的补偿效果，减少了转动惯量对***动态特性的影响，使***的转向响应更加灵敏和精准，从而提升了驾驶员的驾乘手感体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有的一种惯量补偿方案示意图；
图2为图 1中惯量摩擦补偿模块的具体示意图；
图3为现有的另一种惯量补偿方案示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电动助力转向***的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种惯量补偿方案的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电动助力转向***的惯量补偿方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的一种电动助力转向***的惯量补偿装置的逻辑结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
图4示出了电动助力转向***的原理结构示意图。方向盘11的旋转运动通过转向管柱12和中间轴13传递到小齿轮(未示出)，带动转向器14左右运动，然后通过转向拉杆15和转向节臂(未示出)带动转向轮(未示出)左右运动，从而实现车辆转向。扭矩传感器16安装在转向管柱12上，采集方向盘扭矩信号并传递给ECU(Electronic ControlUnit，电子控制单元)17。车速信号通过 CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线18传递给ECU17。助力电机19的转速也传递给ECU17。ECU17根据车速、电机转速以及方向盘扭矩等信号，计算出助力力矩；将助力力矩作为目标力矩指令。ECU17根据计算出的目标力矩指令，输出相应的驱动电流给助力电机19。助力电机19产生的助力力矩通过减速机构20传递到转向管柱 12上，从而起到助力作用。
参见图5，用于电动助力转向***的惯量补偿方法是在主控制模块的基础上，增加惯量补偿模块。本发明采用的惯量补偿模块，以电机转速、方向盘扭矩和车速这三个变量作为输入信号，计算得到惯量补偿力矩并输出；然后与主控制模块计算出的主控力矩叠加，作为最终的指令力矩，进而控制助力电机按照目标力矩运行。
直接以方向盘扭矩为输入，基于方向盘扭矩计算得到惯量补偿力矩第二分量，属于前馈补偿；根据电机转速和车速计算得到惯量补偿力矩第一分量，属于反馈补偿。本发明结合反馈补偿和前馈补偿，从而优化了传统的惯量补偿方法，由于信号采样、滤波、计算等造成的延迟或滞后，提供了更好的补偿效果。
参见图6，为本发明实施例提供的一种电动助力转向***的惯量补偿方法的流程图。该方法可以包括步骤：
S11：获取电机转速、方向盘扭矩和车速。
在本发明的一个具体实施例中，ECU17从CAN总线18中获取车速，从扭矩传感器16获取方向盘扭矩，以及从转速传感器获取电机转速。
S12：根据获取的电机转速和车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量。
根据电机转速和车速，计算得到的惯量补偿力矩第一分量的过程，属于基于反馈信号的补偿，即反馈补偿。在方案一个具体实施例中，通过对电机转速进行微分运算，得到电机角加速度；进而从预先标定的第一映射表中，匹配得到与电机角加速度以及车速对应的惯量补偿力矩第一分量。
第一映射表包含不同电机角加速度以及不同的车速，与惯量补偿力矩第一分量的对应关系。这样在实际行车过程中，通过第一映射表就可以匹配得到与实际电机角加速度以及实际车速对应的惯量补偿力矩第一分量。
第一映射表的标定过程为，首先设定车速、电机角加速度的值、以及初始补偿力矩，然后在设定参数的运行情况下，观察评估整车的转向响应；整车的转向响应不及预期则增加补偿力矩，整车的转向响应过度则减小补偿力矩，如此循环，得到合适的补偿力矩作为与设定的车速和电机角加速度对应的惯量补偿力矩第一分量。确定几个关键车速、电机角加速度点对应的惯量补偿力矩第一分量后，可以通过线性二维查表得到其他车速和电机角加速度对应的惯量补偿力矩第一分量。
S13：根据获取的方向盘扭矩和车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量。
力是物体运动状态发生改变的原因。从电动助力转向***力的传递路径来看，驾驶员手力的变化导致方向盘角加速度的变化，引起方向盘角速度变化，最后导致方向盘转角变化。从中可以看出由力矩到转角，有个明显的时间先后顺序。根据方向盘扭矩和车速，计算得到的惯量补偿力矩第二分量的过程，属于前馈补偿，可以减小因采样和计算延迟而导致的补偿力矩滞后程度。在方案一个具体实施例中，通过对方向盘扭矩进行微分运算，得到方向盘扭矩变化率；进而从预先标定的第二映射表中，匹配得到与方向盘扭矩变化率以及车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
第二映射表包含不同方向盘扭矩变化率以及不同的车速，与惯量补偿力矩第二分量的对应关系。这样在实际行车过程中，通过第二映射表就可以匹配得到与实际方向盘扭矩变化率以及实际车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
第二映射表的标定过程同第一映射表的标定过程类似。首先设定车速、方向盘扭矩变化率的值、以及初始补偿力矩，然后在设定参数的运行情况下，观察评估整车的转向响应；整车的转向响应不及预期则增加补偿力矩，整车的转向响应过度则减小补偿力矩，如此循环，得到合适的补偿力矩作为与设定的车速和方向盘扭矩变化率对应的惯量补偿力矩第二分量。确定几个关键车速、方向盘扭矩变化率点对应的惯量补偿力矩第二分量后，可以通过线性二维查表得到其他车速和方向盘扭矩变化率对应的惯量补偿力矩第二分量。
S14：将所述惯量补偿力矩第一分量与所述惯量补偿力矩第二分量相加，得到惯量补偿力矩。
在本发明中前馈补偿与反馈补偿叠加在一起，两者相辅相成。两者的结合起到了更好的惯量补偿效果。有效减少因助力电机惯量过大引起的延迟或滞后；提升了电动助力转向***的动态响应特性，***响应更加灵敏和迅速；改善了连续换向、急转向等转向状态突变情况下驾乘品质。
对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。
下述为本发明装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于本发明装置实施例中未披露的细节，请参照本发明方法实施例。
参见图7，为本发明实施例提供的一种电动助力转向***的惯量补偿装置的逻辑结构示意图。该装置可以包括：数据获取单元71、第一分量计算单元 72、第二分量计算单元73和补偿力矩计算单元74。其中，
数据获取单元71，用于获取电机转速、方向盘扭矩和车速。
第一分量计算单元72，用于根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量。
第二分量计算单元73，用于根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量。
补偿力矩计算单元74，用于将所述惯量补偿力矩第一分量与所述惯量补偿力矩第二分量相加，得到惯量补偿力矩。
可选的，第一分量计算单元72，具体包括第一微分子单元和第一匹配子单元。第一微分子单元，用于对所述电机转速进行微分运算，得到电机角加速度；第一匹配子单元，用于从预先标定的第一映射表中，匹配得到与所述电机角加速度以及所述车速对应的惯量补偿力矩第一分量。
可选的，第二分量计算单元73，具体包括第二微分子单元和第二匹配子单元。第二微分子单元，用于对所述方向盘扭矩进行微分运算，得到方向盘扭矩变化率；第二匹配子单元，用于从预先标定的第二映射表中，匹配得到与所述方向盘扭矩变化率以及所述车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
本发明实施例提供的惯量补偿装置可应用于车辆上的控制器，如ECU等。
本发明实施例提供一种车辆，包括扭矩传感器、转速传感器、存储器和处理器。
扭矩传感器，用于采集方向盘扭矩。
转速传感器，用于采集电机转速。
处理器是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等。
存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器 (non-volatilememory)等，例如至少一个磁盘存储器。
其中，存储器存储有程序，处理器可调用存储器存储的程序，所述程序用于：
获取电机转速、方向盘扭矩和车速；
根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量；
根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量；
将所述惯量补偿力矩第一分量与所述惯量补偿力矩第二分量相加，得到惯量补偿力矩。
可选的，根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量的步骤，具体包括：
对所述电机转速进行微分运算，得到电机角加速度；
从预先标定的第一映射表中，匹配得到与所述电机角加速度以及所述车速对应的惯量补偿力矩第一分量。
可选的，根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量的步骤，具体包括：
对所述方向盘扭矩进行微分运算，得到方向盘扭矩变化率；
从预先标定的第二映射表中，匹配得到与所述方向盘扭矩变化率以及所述车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
本发明实施例还提供一种可读存储介质，该可读存储介质可存储有适于处理器执行的程序，所述程序用于：
获取电机转速、方向盘扭矩和车速；
根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量；
根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量；
将所述惯量补偿力矩第一分量与所述惯量补偿力矩第二分量相加，得到惯量补偿力矩。
可选的，根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量的步骤，具体包括：
对所述电机转速进行微分运算，得到电机角加速度；
从预先标定的第一映射表中，匹配得到与所述电机角加速度以及所述车速对应的惯量补偿力矩第一分量。
可选的，根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量的步骤，具体包括：
对所述方向盘扭矩进行微分运算，得到方向盘扭矩变化率；
从预先标定的第二映射表中，匹配得到与所述方向盘扭矩变化率以及所述车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种电动助力转向***的惯量补偿方法，其特征在于，包括：
获取电机转速、方向盘扭矩和车速；
对所述电机转速进行微分运算，得到电机角加速度；
从预先标定的第一映射表中，匹配得到与所述电机角加速度以及所述车速对应的惯量补偿力矩第一分量；
根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量；
将所述惯量补偿力矩第一分量与所述惯量补偿力矩第二分量相加，得到惯量补偿力矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量的步骤，具体包括：
对所述方向盘扭矩进行微分运算，得到方向盘扭矩变化率；
从预先标定的第二映射表中，匹配得到与所述方向盘扭矩变化率以及所述车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
3.一种电动助力转向***的惯量补偿装置，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取电机转速、方向盘扭矩和车速；
第一分量计算单元，用于根据所述电机转速和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第一分量；
第二分量计算单元，用于根据所述方向盘扭矩和所述车速，计算得到惯量补偿力矩第二分量；
补偿力矩计算单元，用于将所述惯量补偿力矩第一分量与所述惯量补偿力矩第二分量相加，得到惯量补偿力矩；
所述第一分量计算单元，具体包括：
第一微分子单元，用于对所述电机转速进行微分运算，得到电机角加速度；
第一匹配子单元，用于从预先标定的第一映射表中，匹配得到与所述电机角加速度以及所述车速对应的惯量补偿力矩第一分量。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二分量计算单元，具体包括：
第二微分子单元，用于对所述方向盘扭矩进行微分运算，得到方向盘扭矩变化率；
第二匹配子单元，用于从预先标定的第二映射表中，匹配得到与所述方向盘扭矩变化率以及所述车速对应的惯量补偿力矩第二分量。
5.一种可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现如权利要求1～2中任一项所述的惯量补偿方法的各个步骤。
6.一种车辆，其特征在于，包括：扭矩传感器、转速传感器、存储器和处理器；
所述扭矩传感器，用于采集方向盘扭矩；
所述转速传感器，用于采集电机转速；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，用于执行所述程序，实现如权利要求1～2中任一项所述的惯量补偿方法的各个步骤。
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