CN105253192A - 一种汽车电动液压助力转向系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车电动液压助力转向系统的控制方法，控制器采集车速信号和方向盘转角速度信号，根据驾驶员所偏好的方向盘力矩与侧向加速度和车速变化曲线、由车辆参数、EHPS系统参数所确定的助力特性曲线来确定电机目标转速值。通过外环转速控制和内环电流控制的双闭环控制系统，对油泵驱动电机的转速进行自适应模糊PID控制，实现对油泵驱动电机目标转速控制，间接地实现液压油泵的输出流量控制，达到既满足转向操纵轻便性和转向手感，又降低能量消耗的目的，并有效地提高汽车行驶的操纵和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车液压助力系统，特别是一种汽车电动液压助力转向系统的控制方法。
背景技术
现代汽车大多数装配助力转向系统，以满足人们不断增长的对汽车操纵舒适性、轻便性的要求。传统液压助力式转向系统主要由液压泵、方向盘输入轴、转向控制阀、贮油罐、助力油缸等组成。采用发动机作为动力源，驱动液压泵建立一定的压力，再经过转向控制阀来调整流向助力油缸油液的压力和流量，推动转向车轮转动而实现车辆转向。在车辆转向过程中，转向动作仍然由驾驶员完成，动力转向系统的油压只对转向起辅助增力作用，即利用油液的压力帮助驾驶员完成转向动作，使转向轻便、省力。但是传统的液压助力转向系统在车辆行驶时不论车辆是否转向，液压油泵都在运转，而且油泵转速与发动机转速成正比，能量消耗比较大；其次传统液压助力转向系统的助力特性不能随车速的变化而按需调节，无法兼顾车辆低速时的转向轻便性要求和高速时良好转向路感要求。
为了克服传统液压助力转向系统由于发动机驱动转向油泵工作所带来的不足，专利NO.5967253【美国】，电机驱动转向油泵，通过控制电机来控制转向助力。该专利使用了转向负载传感器、电机电流传感器，根据转向负载的大小来计算需要提供的助力大小，通过控制电机电流来提供足够大的助力帮助驾驶员转向。但它只是一个开环控制系统，不考虑驾驶员的力输入或角输入，而且难以满足车辆复杂转向工况的要求。专利NO.7164978【美国】使用车速传感器、方向盘转角传感器和方向盘转矩传感器，通过方向盘转矩信号是否超过一预先设定的值，来判断是否发生转向，同时引入了驾驶员的输入，驾驶员根据实际情况作出一定的反应，控制系统根据驾驶员的意图控制电动机，这种控制策略构成了一种闭环控制，相比以前的产品提高了转向系统的性能，但其手力波动相对较严重。专利WO2007/028453【德国】为电机设置有一个确定的高功率级（C）和一个确定的低功率级（B），以及一个附加功率级（A），通过软件对电机的运转工况进行控制，尤其是调整转速，选择电机的功率级。如在某些行车状况下并不需要液压转向助力，可以让电机在所设的附加功率级(A级)中运行，此时，仅以极小的转速运转，从而可以降低助力转向装置的平均能耗。200810019629.5【中国】提出了一种电机与转向油泵是分体式的大客车电动液压转向系统及其控制转向的方法,控制器读取车辆行驶速度信号、方向盘转速信号、发动机转速信号和电动机电流信号，根据车辆行驶的工况（城区行驶工况、乡村行驶工况、崎岖道路行驶工况、高速公路行驶工况、驻车工况和停车工况）和不同转向工况，对不同车速段，油泵输出的油液流量随方向盘转速的变化分成两段进行控制，但该方法中的车辆行驶的工况难以准确判别。
上述专利都是从提高低速转向轻便性和高速手感的角度出发，对电机进行分级控制，难以满足目前人们对节能、操纵稳定性及行驶安全性的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术难题是，克服现有技术中电控液压助力转向系统存在的缺点，提供一种汽车电动液压助力转向系统（EHP）的控制方法。在协调转向轻便与转向灵敏矛盾的前提下，减少能耗和提高汽车的操纵稳定性，在满足汽车低速转向操纵轻便，高速转向手感明显、响应快捷前提下，最大可能地节约能量。
由于转向盘操纵力、转向路感、EHPS系统的能量消耗与电机油泵子系统的能量供给方式紧密关联，EHPS系统的能量供给控制必须保证在无转向操作时，在保证车辆行驶安全性条件下，保持电机油泵子系统处于适当的等待状态，以节约能量；在转向操作时，根据汽车实际行驶工况，实现低速时转向操纵轻便，高速时转向手感明显、响应快捷，并以能量消耗最低为目标，提出不同行驶工况下全助力水平和无助力水平之间过渡模式以及确定电机油泵子系统等待状态到不同助力水平之间的过渡过程的响应时间和方式。
本发明的技术解决方案是，依次包括如下步骤:
（1）、控制器采集车速信号和方向盘转角速度信号，根据驾驶员所偏好的方向盘力矩与侧向加速度和车速变化曲线、由车辆参数、EHPS系统参数所确定的助力特性曲线来确定油泵驱动电机的目标转速值；
（2）、采用外速度控制环和内电流控制环的双闭环控制系统，控制器对油泵驱动电机的转速进行自适应模糊PID控制；控制器将确定的电机目标转速值与测得的电机当前转速进行比较，得到转速误差信号，经过速度调节器调节，获相应的电流参考值；该电流参考值与检测的实际电机相电流信号进行比较，误差值经电流调节器调节后，控制器计算得到合适PWM信号，以控制电机各相位的电流导通及调节占空比，通过控制功率管的开闭顺序和导通时间，改变电机定子绕组两端平均电压和绕组导通顺序，从而实现对直流电机转速的控制。
上述步骤（1）中电机目标转速的确定采用曲线型助力特性曲线，该曲线的设计包括驾驶员所偏好的方向盘力矩的确定、车辆参数、EHPS系统参数所决定的最低能量消耗和车辆的操纵稳定性的确定两部分。
上述步骤（1）中，在车辆直线行驶时，油泵驱动电机等待工况的转速按照根据满足车辆的行驶安全性要求确定的最低转速与车辆行驶车速的非线性关系变化。
本发明与现有技术相比所具备的优点是：控制器通过控制电机电流来控制电机的转速，从而控制液压泵的排量，以满足转向操纵轻便性、转向手感、车辆的操纵稳定性以及能量消耗低的要求。控制器采集车速信号和方向盘转角速度信号，根据驾驶员所偏好的方向盘力矩与侧向加速度和车速变化曲线（图2）、由车辆参数、EHPS系统参数所确定的助力特性曲线（图3）来确定电机目标转速值。通过建立转速外环控制和电流内环控制的双闭环控制系统，控制器对油泵驱动电机的转速进行自适应模糊PID控制，通过控制油泵驱动电机目标转速实现对液压泵的输出流量进行控制，以满足转向特性、车辆的操纵稳定性、节约能耗的要求。
附图说明
图1是本发明电机目标转速的确定与控制过程示意图；
图2是本发明实施例的转向力矩随侧向加速度和车速变化的特性图；
图3是本发明电机转速与车速、方向盘转角速度变化的特性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，控制器采集车速信号和方向盘转角速度信号，根据驾驶员所偏好的方向盘力矩与侧向加速度和车速变化曲线（见图2）和由车辆参数、EHPS系统参数所确定的助力特性曲线（见图3）来确定电机目标转速值。控制器通过控制电机电流来控制电机的转速，从而控制液压泵的排量，以满足转向操纵轻便性、转向手感、车辆的操纵稳定性以及能量消耗低的要求。
控制器将确定的电机目标转速值与检测的电机的当前转速进行比较，得到转速误差信号，经过速度调节器调节以后，得到相应的电流参考值。该电流参考值与检测的实际的电机相电流信号进行比较，误差值经电流调节器调节后，控制器计算得到合适PWM信号，并传递给电子换相器及功率开关电路，以控制电机各相位的电流导通及调节占空比，通过控制功率管的开闭顺序和导通时间，改变电机定子绕组两端平均电压和绕组导通顺序，从而实现对直流电机转速的控制，进而达到控制液压泵的排量目的。
液压泵的排量的变化对整车操稳性能会产生变化，具体表现为随着液压泵排量的增加，横摆角速度和侧向加速度的峰值有所增加，横摆角速度的反应时间逐渐减小，横摆角速度的超调量略微增大。因此，提高液压泵排量有利于提高转向灵敏性；横摆角速度、侧向加速度的峰值和液压助力均随占空比的增大而增大，随着占空比的增大，助力增大较快也将影响转向手感。在满足助力的情况下，降低占空比，有利于提高车辆的操纵稳定性。
汽车应该具有良好的方向盘力特性，即方向盘力的大小要适度，特别是当车速提高时，方向盘力不宜过小而要保持一定的数值；为了给驾驶者以良好的路感，期望的转向盘力矩应当随汽车的速度和侧性加速度变化而恰当的变化率。因此，在设计某一类型车辆的助力特性曲线（见图3）时，要考虑汽车方向盘力输入的大小。转向力矩随侧向加速度和车速变化的特性（见图2）可以利用开放型驾驶模拟器获得。
为了进一步提高EHPS系统的节能的潜力，根据EHPS系统的能量流动，EHPS系统能量输入主要分为驾驶员对方向盘的能量输入和油泵电动机工作时的电能输入两个部分。在转向工况下，系统的能量流动依次为电源输入的功率经过ECU将功率输出给电机，电机的输出功率传递给液压系统，最终液压系统的输出功率和驾驶员的输入功率在齿条汇合后输出。在功率传递的过程中，EHPS系统的每个部分都要消耗一定的能量。能量损失包括ECU中的能量损失，无刷直流电机中的能量损失，液压系统中的能量损失，机械转向机构中的能量损失。
电机上的总的损失功率包括电路中的无功损耗和电机的转矩损失；液压系统中的能量损失包括油泵的功率损失、转向阀内的功率损失和液压管路中的能量损失；机械转向机构的能量损失为克服摩擦阻力做功，包括齿轮齿条及转向器的能量损失；以上各部分的能耗都是电机电流、电机转速、油泵流量的函数。
为降低用于驱动液压油泵的能量消耗，并保证车辆的行驶安全性，油泵驱动电机等待工况的转速N0按以下规律变化：N0=kV2+c,其中，k、c均为常数，且k为负数。
根据EHPS系统各模块之间的传递函数、能耗与电机电流、电机转速、油泵流量的关系以及、理想的方向盘手力矩要求，根据图1所示的电机转速确定过程，通过给定不同车速和方向盘角速度的数值，可以设计出某一类型车辆的助力特性曲线图（见图3）。由于车速和方向盘角速度是离散化输入的，用此种方法确定的助力特性曲线也是离散化的曲线，对于连续变化的车速就得不到任意车速下的准确的助力，造成控制的误差，当车速之间变化幅度大时，会出现助力不均匀以及方向盘抖动的现象。为了解决车速离散化形成的助力盲区，本发明运用BP神经网络对助力特性曲线进行优化，实现全车速范围连续变化的非线性转向助力，以克服转向助力盲区。
Claims (3)
1.一种汽车电动液压助力转向系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤:
（1）、控制器采集车速信号和方向盘转角速度信号，根据驾驶员所偏好的方向盘力矩与侧向加速度和车速变化曲线、由车辆参数、EHPS系统参数所确定的助力特性曲线来确定油泵驱动电机的目标转速值；
（2）、采用外速度控制环和内电流控制环的双闭环控制系统，控制器对油泵驱动电机的转速进行自适应模糊PID控制；控制器将确定的电机目标转速值与测得的电机当前转速进行比较，得到转速误差信号，经过速度调节器调节，获相应的电流参考值；该电流参考值与检测的实际电机相电流信号进行比较，误差值经电流调节器调节后，控制器计算得到合适PWM信号，以控制电机各相位的电流导通及调节占空比，通过控制功率管的开闭顺序和导通时间，改变电机定子绕组两端平均电压和绕组导通顺序，从而实现对直流电机转速的控制。
2.根据权利要求1所述的一种汽车电动液压助力转向系统的控制方法，其特征在于:步骤（1）中电机目标转速的确定采用曲线型助力特性曲线，该曲线的设计包括驾驶员所偏好的方向盘力矩的确定、车辆参数、EHPS系统参数所决定的最低能量消耗和车辆的操纵稳定性的确定两部分。
3.根据权利要求1所述的一种汽车电动液压助力转向系统的控制方法，其特征在于:步骤（1）中，在车辆直线行驶时，油泵驱动电机等待工况的转速按照根据满足车辆的行驶安全性要求确定的最低转速与车辆行驶车速的非线性关系变化。
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