CN103303366B - 电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法，具体包括以下步骤：步骤1：助力电机转角参考模块计算得出助力电机转角的理想值步骤2：偏差值计算模块计算得出助力电机转角偏差值e；步骤3：判断e是否为0，如果e为0，结束；否则，进行步骤4；步骤4：转角跟踪控制器根据转角偏差值e调整控制量U，并按照所述控制量U控制助力电机转动；步骤5：助力电机根据转角跟踪控制器决策的控制量U控制助力电机的转角，并将转角实际值θ_as发送至偏差值计算模块，跳转至步骤2。本发明所述控制决策方法能有效地弥补由于电动助力转向系统的机电参数不能随意选择，而造成无法消除的系统噪声及机械振动对转向路感的不良影响，从而获得最佳转向路感。

Description

电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法及系统

技术领域

本发明涉及电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法及系统。

背景技术

目前，为了改善驾驶员的力矩负担，获得良好的转向路感，采用了电动助力转向系统作为辅助助力装置。国内外研究发现，电动转向系统机电参数的选取对转向路感的影响较大。为获得良好的转向路感，基于优化理论对电动助力转向系统的扭矩传感器刚度、助力电机转动惯量及与助力电机相连的传动机构减速比等机电参数进行了优化选取，有效地改善了转向系统的转向路感。

但是，由于受加工刀具规定尺寸标准化和系列化的限制，这就致使电动转向系统机电参数无法真正地选择最佳值，如助力传动机构的传动比需要优先选用公称值。因此，受机械加工技术等因素的限制，基于优化理论的电动助力转向系统机电参数的选择只能改善转向系统的转向路感，而并不能获得最佳转向路感。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能消除系统噪声及机械振动对转向路感的不良影响，并获得最佳转向路感的电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法，具体包括以下步骤：

步骤1：助力电机转角参考模块接收助力电机转角加速度值转向盘转角加速度值助力电机转角速度值转向盘转角速度值理想助力力矩值和转向阻力矩的理想值计算得出助力电机转角的理想值并将所述助力电机转角的理想值发送至偏差值计算模块；

步骤2：偏差值计算模块根据助力电机转角的理想值与助力电机返回的转角实际值θ_as计算得出助力电机转角偏差值e；

步骤3：判断e是否为0，如果e为0，结束；否则，进行步骤4；

步骤4：转角跟踪控制器根据助力电机转角偏差值e调整控制量U，并按照所述控制量U控制助力电机转动；

步骤5：助力电机根据转角跟踪控制器决策的控制量U控制助力电机的转角，并将转角实际值θ_as发送至偏差值计算模块，跳转至步骤2。

本发明的有益效果是：本发明依据电动助力转向系统的动力学模块及逆动力学的基本理论知识，给出用于电动助力转向系统助力控制决策的决策模块；该控制决策方法能有效地弥补由于电动助力转向系统的机电参数不能随意选择，而造成无法消除的系统噪声及机械振动对转向路感的不良影响，进而获得最佳转向路感。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述助力电机的转角实际值θ_as的初始值为0。

进一步，步骤1的计算根据以下公式进行：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{as}}^{*}=K_{\mathrm{as}}(-J_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-B_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-\frac{J_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}-\frac{B_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}+\frac{T_{\mathrm{as}}^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}}+\frac{T_d}{G_{\mathrm{as}}^{*}}-\frac{T_R^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}})$       公式(1)

其中 $J_{\mathrm{eq}}^{*}=J_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{M_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

$B_{\mathrm{eq}}^{*}=B_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{B_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

上述公式中，K_as为助力电机的刚度系数；T_d为驾驶员转向盘力矩输入；θ_sw为转向盘转角；θ_as为助力电机转角输出；J_c和B_c分别为转向柱的转动惯量和阻尼系数；M_R和B_R分别表示齿条质量和齿条阻尼系数；R_p为转向小齿轮半径；和分别为助力电机转动惯量的理想值、助力电机阻尼系数的理想值、与助力电机相连的传动机构减速比的理想值、理想助力力矩和转向阻力矩的理想值。

进一步，所述步骤2中助力电机转角偏差值e等于助力电机转角的理想值减去转角实际值θ_as。

进一步，所述助力电机的转角实际值θ_as采用传感器或观测器进行采集并反馈至偏差值计算模块。

进一步，所述转角跟踪控制器还控制助力电机输出助力力矩T_mas。

本发明的另一个目的是，针对现有技术的不足，提供一种能消除系统噪声及机械振动对转向路感的不良影响，并获得最佳转向路感的电动助力转向系统中助力电机的控制决策系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：电动助力转向系统中助力电机的控制决策系统，其特征在于，包括助力电机转角参考模块、偏差值计算模块、转角跟踪控制器和助力电机；

所述助力电机转角参考模块用于从外部接收助力电机转角加速度值转向盘转角加速度值助力电机转角速度值转向盘转角速度值理想助力力矩值和转向阻力矩的理想值计算助力电机转角的理想值并将所述助力电机转角的理想值发送至偏差值计算模块；

所述偏差值计算模块根据助力电机转角的理想值与助力电机返回的转角实际值θ_as计算助力电机转角偏差值e，并将所述转角偏差值e发送至转角跟踪控制器；

所述转角跟踪控制器根据助力电机的转角偏差值e调整控制量U，并按照所述控制量U控制助力电机转动；

所述助力电机根据控制量U控制助力电机的转角，并将助力电机的转角实际值θ_as发送至偏差值计算模块。

本发明的有益效果是：本发明依据电动助力转向系统的动力学模块及逆动力学的基本理论知识，给出用于电动助力转向系统助力控制决策的决策模块。而且，该控制决策系统能有效地弥补由于电动助力转向系统的机电参数不能随意选择，而造成无法消除的系统噪声及机械振动对转向路感的不良影响，从而获得最佳转向路感。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，助力电机转角参考模块根据以下公式进行计算：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{as}}^{*}=K_{\mathrm{as}}(-J_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-B_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-\frac{J_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}-\frac{B_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}+\frac{T_{\mathrm{as}}^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}}+\frac{T_d}{G_{\mathrm{as}}^{*}}-\frac{T_R^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}})$       公式(1)

其中 $J_{\mathrm{eq}}^{*}=J_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{M_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

$B_{\mathrm{eq}}^{*}=B_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{B_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

上述公式中，K_as为助力电机的刚度系数；T_d为驾驶员转向盘力矩输入；θ_sw为转向盘转角；θ_as为助力电机转角输出；J_c和B_c分别为转向柱的转动惯量和阻尼系数；M_R和B_R分别表示齿条质量和齿条阻尼系数；R_p为转向小齿轮半径；和分别为助力电机转动惯量的理想值、助力电机阻尼系数的理想值、与助力电机相连的传动机构减速比的理想值、理想助力力矩和转向阻力矩的理想值。

进一步，所述助力电机转角的偏差值e等于助力电机转角的理想值减去转角实际值θ_as。

进一步，所述助力电机的转角实际值θ_as采用传感器或观测器进行采集并反馈至偏差值计算模块。

附图说明

图1为本发明具体实施例1所述的电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法流程图；

图2为本发明具体实施例1所述的电动助力转向系统中助力电机控制决策系统框图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、助力电机转角参考模块，2、偏差值计算模块，3、转角跟踪控制器，4、助力电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明具体实施例1所述的电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法流程图，具体包括以下步骤：

步骤1：助力电机转角参考模块接收助力电机转角加速度值转向盘转角加速度值助力电机转角速度值转向盘转角速度值理想助力力矩值和转向阻力矩的理想值计算得出助力电机转角的理想值并将所述助力电机转角的理想值发送至偏差值计算模块；

步骤2：偏差值计算模块根据助力电机转角的理想值与助力电机返回的转角实际值θ_as计算得出助力电机转角偏差值e；

步骤3：偏差值计算模块判断偏差值e是否为0，如果e为0，结束；否则，进行步骤4；

步骤4：转角跟踪控制器根据转角偏差值e调整控制量U，并按照所述控制量U控制助力电机转动；

步骤5：助力电机根据转角跟踪控制器决策的控制量U控制助力电机的转角，并将转角实际值θ_as发送至偏差值计算模块，跳转至步骤2。

所述助力电机4的转角实际值θ_as的初始值为0。

步骤1的技术根据以下公式进行：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{as}}^{*}=K_{\mathrm{as}}(-J_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-B_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-\frac{J_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}-\frac{B_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}+\frac{T_{\mathrm{as}}^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}}+\frac{T_d}{G_{\mathrm{as}}^{*}}-\frac{T_R^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}})$       公式(1)

其中 $J_{\mathrm{eq}}^{*}=J_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{M_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

$B_{\mathrm{eq}}^{*}=B_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{B_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

上述公式中，K_as为助力电机的刚度系数；T_d为驾驶员转向盘力矩输入；θ_sw为转向盘转角；θ_as为助力电机转角输出；J_c和B_c分别为转向柱的转动惯量和阻尼系数；M_R和B_R分别表示齿条质量和齿条阻尼系数；R_p为转向小齿轮半径；和分别为助力电机转动惯量的理想值、助力电机阻尼系数的理想值、与助力电机相连的传动机构减速比的理想值、理想助力力矩和转向阻力矩的理想值。

所述步骤2中助力电机转角偏差值e等于助力电机转角的理想值减去转角实际值θ_as。

所述助力电机4的转角实际值θ_as采用传感器或观测器进行采集并反馈至偏差值计算模块。

所述转角跟踪控制器3还控制助力电机输出助力力矩T_mas。

如图2所示，为本发明具体实施例1所述的电动助力转向系统中助力电机控制决策系统框图，包括助力电机转角参考模块1、偏差值计算模块2、转角跟踪控制器3和助力电机4；

所述助力电机转角参考模块1用于从外部接收助力电机转角加速度值转向盘转角加速度值助力电机转角速度值转向盘转角速度值理想助力力矩值和转向阻力矩的理想值计算助力电机转角的理想值并将所述助力电机转角的理想值发送至偏差值计算模块2；

所述偏差值计算模块2根据助力电机转角的理想值与助力电机4返回的转角实际值θ_as计算助力电机转角偏差值e，并将所述转角偏差值e发送至转角跟踪控制器3；

所述转角跟踪控制器3根据转角偏差值e调整控制量U，并按照所述控制量U控制助力电机4转动；

所述助力电机4根据控制量U控制转角，并将转角实际值θ_as发送至偏差值计算模块2。

助力电机转角参考模块1根据以下公式进行计算：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{as}}^{*}=K_{\mathrm{as}}(-J_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-B_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-\frac{J_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}-\frac{B_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}+\frac{T_{\mathrm{as}}^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}}+\frac{T_d}{G_{\mathrm{as}}^{*}}-\frac{T_R^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}})$       公式(1)

其中 $J_{\mathrm{eq}}^{*}=J_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{M_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

$B_{\mathrm{eq}}^{*}=B_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{B_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

上述公式中，K_as为助力电机的刚度系数；T_d为驾驶员转向盘力矩输入；θ_sw为转向盘转角；θ_as为助力电机转角输出；J_c和B_c分别为转向柱的转动惯量和阻尼系数；M_R和B_R分别表示齿条质量和齿条阻尼系数；R_p为转向小齿轮半径；和分别为助力电机转动惯量的理想值、助力电机阻尼系数的理想值、与助力电机相连的传动机构减速比的理想值、理想助力力矩和转向阻力矩的理想值。

所述助力电机转角偏差值e等于助力电机转角的理想值减去转角实际值θ_as。

所述助力电机4的转角实际值θ_as采用传感器或观测器进行采集并反馈至偏差值计算模块2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动助力转向系统中助力电机的控制决策方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：助力电机转角参考模块从外部接收助力电机转角加速度值转向盘转角加速度值助力电机转角速度值转向盘转角速度值理想助力力矩值和转向阻力矩的理想值计算得出助力电机转角的理想值并将所述助力电机转角的理想值发送至偏差值计算模块；

步骤2：偏差值计算模块根据助力电机转角的理想值与助力电机返回的转角实际值θ_as计算得出助力电机转角偏差值e；

步骤3：偏差值计算模块判断偏差值e是否为0，如果e为0，结束；否则，进行步骤4；

步骤4：转角跟踪控制器根据转角偏差值e调整控制量U，并按照所述控制量U控制助力电机转动；

步骤5：助力电机根据转角跟踪控制器决策的控制量U控制助力电机的转角，并将转角实际值θ_as发送至偏差值计算模块，跳转至步骤2。

2.根据权利要求1所述的控制决策方法，其特征在于，所述助力电机的转角实际值θ_as的初始值为0。

3.根据权利要求2所述的控制决策方法，其特征在于，步骤1的计算根据以下公式进行：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{as}}^{*}=K_{\mathrm{as}}(-J_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-B_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-\frac{J_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}-\frac{B_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}+\frac{T_{\mathrm{as}}^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}}+\frac{T_d}{G_{\mathrm{as}}^{*}}-\frac{T_R^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}})$        公式(1)

其中 $J_{\mathrm{eq}}^{*}=J_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{M_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

$B_{\mathrm{eq}}^{*}=B_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{B_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

上述公式中，K_as为助力电机的刚度系数；T_d为驾驶员转向盘力矩输入；θ_sw为转向盘转角；θ_as为助力电机转角输出；J_c和B_c分别为转向柱的转动惯量和阻尼系数；M_R和B_R分别表示齿条质量和齿条阻尼系数；R_p为转向小齿轮半径；和分别为助力电机转动惯量的理想值、助力电机阻尼系数的理想值、与助力电机相连的传动机构减速比的理想值、理想助力力矩和转向阻力矩的理想值。

4.根据权利要求3所述的控制决策方法，其特征在于，所述步骤2中助力电机转角偏差值e等于助力电机转角的理想值减去转角实际值θ_as。

5.根据权利要求4所述的控制决策方法，其特征在于，所述助力电机的转角实际值θ_as采用传感器或观测器进行采集并反馈至偏差值计算模块。

6.根据权利要求1至5任一项所述的控制决策方法，其特征在于，所述转角跟踪控制器还控制助力电机输出助力力矩T_mas。

7.一种电动助力转向系统中助力电机的控制决策系统，其特征在于，包括助力电机转角参考模块、偏差值计算模块、转角跟踪控制器和助力电机；

所述助力电机转角参考模块用于从外部接收助力电机转角加速度值转向盘转角加速度值助力电机转角速度值转向盘转角速度值理想助力力矩值和转向阻力矩的理想值计算助力电机转角的理想值并将所述助力电机转角的理想值发送至偏差值计算模块；

所述偏差值计算模块根据助力电机转角的理想值与助力电机返回的转角实际值θ_as计算助力电机转角偏差值e，并将所述转角偏差值e发送至转角跟踪控制器；

所述转角跟踪控制器根据转角偏差值e调整控制量U，并按照所述控制量U控制助力电机转动；

所述助力电机根据控制量U控制转角，并将转角实际值θ_as发送至偏差值计算模块。

8.根据权利要求7所述的控制决策系统，其特征在于，助力电机转角参考模块根据以下公式进行计算：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{as}}^{*}=K_{\mathrm{as}}(-J_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-B_{\mathrm{eq}}^{*}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{as}}-\frac{J_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}-\frac{B_c}{G_{\mathrm{as}}^{*}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{sw}}+\frac{T_{\mathrm{as}}^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}}+\frac{T_d}{G_{\mathrm{as}}^{*}}-\frac{T_R^{*}}{G_{\mathrm{as}}^{*}})$             公式(1)

其中 $J_{\mathrm{eq}}^{*}=J_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{M_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

$B_{\mathrm{eq}}^{*}=B_{\mathrm{as}}^{*}+\frac{B_R{R}_p^2}{{\left(G_{\mathrm{as}}^{*}\right)}^2}$

上述公式中，K_as为助力电机的刚度系数；T_d为驾驶员转向盘力矩输入；θ_sw为转向盘转角；θ_as为助力电机转角输出；J_c和B_c分别为转向柱的转动惯量和阻尼系数；M_R和B_R分别表示齿条质量和齿条阻尼系数；R_p为转向小齿轮半径；和分别为助力电机转动惯量的理想值、助力电机阻尼系数的理想值、与助力电机相连的传动机构减速比的理想值、理想助力力矩和转向阻力矩的理想值。

9.根据权利要求8所述的控制决策系统，其特征在于，所述助力电机转角偏差值e等于助力电机转角的理想值减去转角实际值θ_as。

10.根据权利要求7-9任一项所述的控制决策系统，其特征在于，所述助力电机的转角实际值θ_as采用传感器或观测器进行采集并反馈至偏差值计算模块。