CN112061229A - 一种电动助力转向***的摩擦补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动助力转向***的摩擦补偿方法，包括以下步骤：采集方向盘转矩信号、车速信号和电机转角信号，并根据电机转角信号计算电机转速信号；根据方向盘转矩信号和电机转角信号利用查表的方式得到静摩擦补偿力矩；根据车速信号和电机转速信号利用查表的方式得到动摩擦补偿力矩；在计算静摩擦补偿力矩时，当方向盘转矩信号和电机转角信号的变化率均大于各自的第一阈值时，则切换为动摩擦补偿力矩计算；在计算动摩擦补偿力矩时，当车速信号和电机转速信号均小于各自的第二阈值时，则切换为静摩擦补偿力矩计算；将静摩擦补偿力矩和动摩擦补偿力矩相加得到摩擦补偿力矩。本发明能有效地抑制摩擦力变化导致的扭矩波动。

Description

一种电动助力转向***的摩擦补偿方法
技术领域
本发明涉及电动助力转向***摩擦补偿控制技术领域，特别是涉及一种电动助力转向***的摩擦补偿方法。
背景技术
在汽车的发展历程中，转向***经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向***发展为液压助力转向***，然后又出现了电控液压助力转向***和电动助力转向***。装配机械式转向***的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向***。但是，液压助力转向***无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向***。这种新型的转向***可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是电控液压助力转向***结构复杂、造价较高，而且无法克服液压***自身的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向***。1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向***，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。
电动助力转向***能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，该技术一经提出就备受关注，世界上许多汽车零部件公司对其进行开发和研究，未来的转向***中电动助力转向将成为转向***的主流，与其它转向***相比，该***突出的优势体现在具有转向轻便，操控性好，同时可以降低油耗的优点。但是电动助力转向***也离不开机械结构，机械结构之间的摩擦力会影响电动助力***的稳定性和准确性，为了克服这种不利影响引入摩擦补偿有着非常重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电动助力转向***的摩擦补偿方法，有效地抑制摩擦力变化导致的扭矩波动。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电动助力转向***的摩擦补偿方法，包括以下步骤：
(1)采集方向盘转矩信号、车速信号和电机转角信号，并根据电机转角信号计算电机转速信号；
(2)根据方向盘转矩信号和电机转角信号利用查表的方式得到静摩擦补偿力矩；根据车速信号和电机转速信号利用查表的方式得到动摩擦补偿力矩；在计算静摩擦补偿力矩时，当方向盘转矩信号和电机转角信号的变化率均大于各自的第一阈值时，则切换为动摩擦补偿力矩计算；在计算动摩擦补偿力矩时，当车速信号和电机转速信号均小于各自的第二阈值时，则切换为静摩擦补偿力矩计算；
(3)将静摩擦补偿力矩和动摩擦补偿力矩相加得到摩擦补偿力矩。
所述步骤(1)中采集方向盘转矩信号后包括：对所述方向盘转矩信号进行一阶低通滤波处理保留低频部分。
所述步骤(2)中利用查表的方式得到静摩擦补偿力矩时的横坐标由方向盘转矩信号得出，纵坐标由电机转角信号得出，其中，横坐标为
Figure BDA0002620921240000021
纵坐标为
Figure BDA0002620921240000022
n为采样时刻，FSWT(n)为第n采样时刻的方向盘转矩，SWAMot(n)为第n采样时刻的电机转角。
所述步骤(2)中利用查表的方式得到动摩擦补偿力矩时的横坐标为车速信号，纵坐标为电机转速信号。
所述步骤(3)中得到的摩擦补偿力矩还经过三阶带阻滤波器进行滤波处理以提高稳定性。
所述步骤(3)中得到的摩擦补偿力矩还通过限值处理以避免转向过轻。
所述步骤(3)中得到的摩擦补偿力矩后，还包括设定摩擦力矩变化率的步骤。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明充分考虑了静摩擦和动摩擦的区别实现了两者的切换，方向盘从静止到转动的过程中，摩擦力由静摩擦变化为动摩擦，方向盘从转动到静止的过程中，摩擦力由动摩擦变化为静摩擦。本发明可以有效地抑制摩擦力变化导致的扭矩波动，更好的克服机械摩擦带来的不利影响，减少转向迟滞感，从而使电动助力转向***更加稳定和舒适。
附图说明
图1是本发明实施方式中电动助力转向***的示意图；
图2是本发明实施方式的流程图；
图3是本发明实施方式的计算框图；
图4是本发明实施方式中摩擦补偿力矩滤波原理图；
图5是本发明实施方式中输出力矩限值示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种电动助力转向***的摩擦补偿方法。如图1所示，当驾驶员转动方向盘，角度扭矩一体式传感器把周期、脉冲宽度等传感器信号发送给ECU，ECU经过计算可以得出驾驶员转动的角度和扭矩。车速信号通过CAN网络发给ECU，电机角度通过转子位置信号得出，电机转速通过电机角度推导得出。ECU使用摩擦补偿方法计算出当前的摩擦补偿力矩，力矩信号经过解算转化为电流信号，通过ECU内嵌的电力电子驱动电路，在助力电机上施加相应的电流，控制电机转动，电机输出扭矩经过减速机构进行减速增扭，之后通过机械式转向器控制车轮转向。
如图2所示，本实施方式设计了摩擦补偿使能开关，当开关使能时，***可以进行摩擦补偿；否则，***没有摩擦补偿。当摩擦补偿开关使能时，***首先对方向盘转矩信号进行滤波，去除高频抖动部分，然后结合其它输入信号计算动摩擦补偿力矩和静摩擦补偿力矩，由此得出摩擦补偿力矩，摩擦补偿力矩需要经过三阶带阻滤波器滤波以保持***的稳定性。摩擦补偿力矩经过限值模块进行限值，避免摩擦补偿力矩过大导致的转向过轻。为了保证驾驶员更好的手感和舒适性，摩擦补偿力矩需要保持缓升和缓降，因此可以通过预先设定的方式对摩擦力矩变化率进行标定。摩擦补偿力矩作为转向助力的一部分，和其它力矩共同作用于转向助力，独立设计，不影响其它功能，主机厂可以根据需求自主选择是否打开此功能。
如图3所示，本实施方式的电动助力转向***的摩擦补偿方法也可以根据实际工况自动识别动摩擦和静摩擦之间的相互切换，补偿动摩擦和静摩擦变化导致的扭矩突变。为了克服输入扭矩抖动的问题，方向盘转矩需要先进行滤波处理，低通滤波器能够将输入力矩信号的高频部分滤掉，只保留其低频部分。本实施方式采用的低通滤波器为一阶低通滤波器，其传递函数为：
Figure BDA0002620921240000041
其中，
Figure BDA0002620921240000042
fc是截止频率。
采用一阶向后法进行Z变换，
Figure BDA0002620921240000043
其中，T为采样周期。
代入得到：
Figure BDA0002620921240000044
化简得：
Figure BDA0002620921240000045
则转换为离散域传递函数：Y(z)(T+τ)-Y(z-1)τ＝X(z)T，则
Figure BDA0002620921240000046
把
Figure BDA0002620921240000047
T＝1/fs，其中，fs是采样频率，代入得：
Figure BDA0002620921240000048
化简得：
Figure BDA0002620921240000049
令
Figure BDA00026209212400000410
则一阶低通滤波器的离散域传递函数为：
Figure BDA00026209212400000411
静摩擦补偿力矩fcstatic通过查表1得出，其中被查表1的横纵坐标分别由滤波后方向盘转矩信号和电机转角信号推导得出。横坐标推导公式为：
Figure BDA00026209212400000412
纵坐标推导公式为：
Figure BDA00026209212400000413
其中，FSWT(n)为第n采样时刻的滤波后方向盘转矩，SWAMot(n)为第n采样时刻的电机转角。当方向盘扭矩和电机角度变化率均超过各自设定的阈值时，***切换为动摩擦补偿力矩计算。动摩擦补偿力矩fcdynamic通过查表2得出，其中被查表2的横纵坐标分别是车速和电机转速，电机转速由电机转角推导得出。当车速和电机转速均小于各自设定的阈值时，***则切换为静摩擦补偿力矩计算。动摩擦补偿力矩与车速及电机转速的关系：车速越大动摩擦补偿力矩越小，电机转速越大动摩擦补偿力矩越小。
如图4所示，摩擦补偿力矩需要经过三阶带阻滤波器进行滤波处理，以提高***的稳定性。三阶带阻滤波器的传递函数为：
Figure BDA0002620921240000051
其中，ωn为三阶带阻滤波器的自然角频率，ζ为三阶带阻滤波器的阻尼系数，p1、p2和p3为三阶带阻滤波器的极点。
化简得：
Figure BDA0002620921240000052
令
Figure BDA0002620921240000053
则三阶带阻滤波器的传递函数转变为：
Figure BDA0002620921240000054
使用双线性变换法进行Z变换，
Figure BDA0002620921240000055
其中，T为采样周期。
代入得H(s)、Y(s)的离散域传递函数：
Figure BDA0002620921240000056
H(z)、Y(z)同时乘以(1+z-1)3得到：
Figure BDA0002620921240000057
化简得
Figure BDA0002620921240000061
令H(z)、Y(z)同时除以
Figure BDA0002620921240000062
则：
Figure BDA0002620921240000071
则，
Figure BDA0002620921240000072
令：
Figure BDA0002620921240000081
Figure BDA0002620921240000082
则离散域推导函数为
Figure BDA0002620921240000083
则G(z)＝m0-m1z-1-m2z-2+m3z-3+n1G(z-1)-n2G(z-2)+n3G(z-3)。
如图5所示，摩擦补偿力矩需要经过限值模块进行限值处理，摩擦补偿力矩的最大值和最小值可以标定，避免摩擦补偿过大导致的转向过轻。
不难发现，本发明充分考虑了静摩擦和动摩擦的区别实现了两者的切换，方向盘从静止到转动的过程中，摩擦力由静摩擦变化为动摩擦，方向盘从转动到静止的过程中，摩擦力由动摩擦变化为静摩擦。本发明可以有效地抑制摩擦力变化导致的扭矩波动，更好的克服机械摩擦带来的不利影响，减少转向迟滞感，从而使电动助力转向***更加稳定和舒适。

Claims (7)

1.一种电动助力转向***的摩擦补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集方向盘转矩信号、车速信号和电机转角信号，并根据电机转角信号计算电机转速信号；
(2)根据方向盘转矩信号和电机转角信号利用查表的方式得到静摩擦补偿力矩；根据车速信号和电机转速信号利用查表的方式得到动摩擦补偿力矩；在计算静摩擦补偿力矩时，当方向盘转矩信号和电机转角信号的变化率均大于各自的第一阈值时，则切换为动摩擦补偿力矩计算；在计算动摩擦补偿力矩时，当车速信号和电机转速信号均小于各自的第二阈值时，则切换为静摩擦补偿力矩计算；
(3)将静摩擦补偿力矩和动摩擦补偿力矩相加得到摩擦补偿力矩。
2.根据权利要求1所述的电动助力转向***的摩擦补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中采集方向盘转矩信号后包括：对所述方向盘转矩信号进行一阶低通滤波处理保留低频部分。
3.根据权利要求1所述的电动助力转向***的摩擦补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用查表的方式得到静摩擦补偿力矩时的横坐标由方向盘转矩信号得出，纵坐标由电机转角信号得出，其中，横坐标为
Figure FDA0002620921230000011
纵坐标为
Figure FDA0002620921230000012
n为采样时刻，FSWT(n)为第n采样时刻的方向盘转矩，SWAMot(n)为第n采样时刻的电机转角。
4.根据权利要求1所述的电动助力转向***的摩擦补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用查表的方式得到动摩擦补偿力矩时的横坐标为车速信号，纵坐标为电机转速信号。
5.根据权利要求1所述的电动助力转向***的摩擦补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)中得到的摩擦补偿力矩还经过三阶带阻滤波器进行滤波处理以提高稳定性。
6.根据权利要求1所述的电动助力转向***的摩擦补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)中得到的摩擦补偿力矩还通过限值处理以避免转向过轻。
7.根据权利要求1所述的电动助力转向***的摩擦补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)中得到的摩擦补偿力矩后，还包括设定摩擦力矩变化率的步骤。
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