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CN106043419B - 电-液复合动力转向系统控制装置及其控制方法 - Google Patents

电-液复合动力转向系统控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电‑液复合动力转向系统控制装置及其控制方法，其中，电‑液复合转向系统的助力部分由电动助力执行机构和液压助力执行机构组成，助力耦合模块实现两个模块助力的耦合，所述控制方法根据转向盘转角信号、车速信号、横摆角速度信号等选择不同的转向模式，在车辆处于不同状态时选择不同的助力模块工作模式，解决传统大型客车采用的液压助力系统、电控液压助力系统助力特性可调性以及中高速时转向路感较差的问题。

Description

电-液复合动力转向系统控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及汽车助力转向系统控制技术领域，具体指代一种电-液复合助力转向系统控制装置以及基于该系统的控制方法。
背景技术
目前，现有的汽车普遍采用的助力转向系统有：液压助力转向系统、电控液压助力转向系统和电动助力转向系统。其中，液压助力转向系统、电控液压助力转向系统可在汽车低速工况下提供较大助力，减轻驾驶员转向时负担；但在高速工况下转向路感较差，操纵稳定性存在问题。电动助力转向系统由控制器、助力电机、减速机构转向盘转矩传感器以及车速传感器等组成，控制器接受传感器测得的转向盘转矩信号和车速信号并进行处理，控制电机根据事先确定的助力特性输出助力转矩。但受汽车本身蓄电池电压等电气特性影响，其输出的最大助力矩较小，不满足大型客车等车辆的需求。
控制系统的鲁棒性问题源自工程实际问题，理想的自动控制系统的性能品质应准确实现预期设计求，但被控对象的不确定性是不可避免的，因此在被控对象含有不确定性的前提下，使系统接近理想设计指标成为一个很重要的课题。基于研究时不变、确定性控制对象的传统控制理论不能解决系统鲁棒控制的问题，而鲁棒控制理论中的Hinf控制理论及其LMI算法是线性系统鲁棒性系统设计的经典工具，可有效抑制不确定性干扰对系统造成的影响。本系统采用Hinf控制理论作为解决系统控制技术研究的理论基础。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电-液复合动力转向系统控制装置及其控制方法，以解决现有技术中液压助力转向系统、电控液压助力转向系统在高速工况下转向路感较差，操纵稳定性差等问题，及电动助力转向系统输出的最大助力矩较小的问题。
为达到上述目的，本发明的一种电-液复合动力转向系统控制装置，包括：机械转矩控制模块、Hinf控制模块、电动助力执行机构、液压助力执行机构、模式选择器、电流控制模块、力矩耦合模块、电流检测模块、ECU，其中，还包括：电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器；
所述机械转矩控制模块输入端与车速传感器、转向盘转矩传感器、转向盘转角传感器组成的传感器模块相连，输出端与电流控制模块相连；
所述模式选择器输入端与ECU相连，输出端与电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器相连；
所述电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器输出端与电流控制模块相连；
所述的电流检测模块将电动助力执行机构、液压助力执行机构控制电流真实值反馈至Hinf控制模块输入端；
所述Hinf控制模块输入端与电流控制模块相连，输出端与电动助力执行机构、液压助力执行机构相连；
所述力矩耦合模块输入端与电动助力执行机构、液压助力执行机构相连，输出端与转向器相连。
优选地，所述液压助力执行机构包括：助力电机A、助力油泵、转阀、液压助力缸；助力电机A驱动助力油泵转动，将助力油液由储油罐泵入转阀，助力油液通过转阀开度不同流入液压助力缸两侧，产生液压压差；所述电动助力执行机构包括：助力电机B、减速机构，助力电机B输出转矩经由减速机构减速增矩后，输出至机械转向模块。
本发明的一种电-液复合动力转向系统转向模式切换控制方法，包括如下步骤：
(1)通过转向盘向电-液复合转向系统输入转向力矩；
(2)机械转矩控制模块根据车速传感器测得的车速信号、转向盘转角传感器测得的转角信号、转向盘转矩传感器测得的转矩信号，得到总助力电流大小；ECU将总助力电流大小和车辆当前工况参数输入模式选择器，通过电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器对车辆当前所需转向模式进行判断，输出电流至电流控制模块；
(3)Hinf控制模块处理电流控制模块输出电流，控制电动助力执行机构、液压助力执行机构输出相应助力；
(4)电流检测模块将电动助力执行机构、液压助力执行机构控制电流真实值反馈至Hinf控制模块输入端，以消除系统目标信号与实际信号的跟踪误差；
(5)力矩耦合模块对电动助力执行机构、液压助力执行机构输出助力进行处理，并将总助力值输出至机械转向机构，实现助力转向。
优选地，上述步骤(3)具体包括：w表示控制系统的干扰输入，w＝[θs Qs TR]T，Ww＝[Ww1,Ww2,Ww3]表示干扰输入w的加权函数矩阵，Ww1,Ww2,Ww3分别表示转向盘输入、路面干扰输入、转向助力泵流量输入的加权函数；G(s)表示系统传递函数，K(s)表示复合转向系统控制器，由参考输入量以及助力比例特性计算得到系统控制输入量u＝[Tem]从而保证系统稳定运行，Tem表示控制电机输出；ds表示传感器干扰输入；
e表示系统评价指标，z1、z2和z3分别表示系统输出误差、控制器输出和系统输出；W1，W2和W3分别表示系统跟踪性能、控制器输出、鲁棒性能加权函数，通过W1，W2和W3三个性能加权函数分别调整系统相应的评价输出；系统须满足干扰输入w到评价输出z传递函数的H∞范数小于给定值，求解H∞范数，即可得到该系统控制器K；其中，Gw1、Gw2、Gw3分别表示转向盘输入、路面干扰输入、转向助力泵流量输入的传递函数；G0表示系统传递函数；
u＝K·y
e＝Fl(P(s),K(s))w
式中：u＝[Tem]。
本发明的有益效果：
1、综合考虑车速、转向盘转速等对电-液复合转向系统的影响，在车辆处于不同状态时，迅速切换电-液复合转向系统的转向模式，提高了转向盘转矩控制精度，提高了车辆驾驶的操纵稳定性。
2、在汽车助力转向系统中实现多转向模式功能，可依据不同工况进行转向模式切换，实现汽车转向轻便性和转向路感的完美融合，而且还能将汽车助力转向的经济性与灵活性相结合，因此具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1绘示本发明转向系统控制装置的结构框图；
图2绘示Hinf控制模块转矩控制策略原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种电-液复合动力转向系统控制装置，其应用于电-液复合转向系统，该系统包括：驾驶员模型1，转向盘模型2，转矩传感器3，转向器4，车轮5；
驾驶员模型1通过转向盘模型2输入转向力矩，通过转向柱、转向器4将力矩传递至车轮5，驱动车轮5转动，实现系统转向。
上述的控制装置包括：机械转矩控制模块6、Hinf控制模块8、电动助力执行机构9、液压助力执行机构10、模式选择器14、电流控制模块7、力矩耦合模块11、电流检测模块12，ECU13，其中，还包括：电动助力模式判断器15、液压助力模式判断器16、复合助力模式判断器17；
所述机械转矩控制模块6输入端与车速传感器、转向盘转矩传感器、转向盘转角传感器组成的传感器模块相连，输出端与电流控制模块7相连，输入为车速信号19和转向盘转矩传感器3输出的转矩信号18，输出为总助力电流信号20；其中，车速传感器：用来检测汽车车速，通常安装于驱动桥壳内；转向盘转矩传感器：用来检测转向盘转矩大小，通常安装于转向盘转向管轴；转向盘转角传感器：用来检测转向盘转角大小，通常安装于转向盘转向管轴；
所述模式选择器14输入端与ECU13相连，输入为ECU控制电流21，输出端与电动助力模式判断器15、液压助力模式判断器16、复合助力模式判断器17相连；
所述电动助力模式判断器15、液压助力模式判断器16、复合助力模式判断器17输出端与电流控制模块7相连，该电流控制模块7接收各模式判断器控制信号22和总助力电流信号20，输出控制电流23到Hinf控制模块8；
所述Hinf控制模块8输入端与电流控制模块7相连接收控制电流；输出端与电动助力执行机构9、液压助力执行机构10相连，并向二者输出控制信号24；电流检测模块12将电动助力执行机构9、液压助力执行机构10输出的信号25进行检测，将控制电流26反馈至Hinf控制模块8，用于消除信号跟踪误差，
所述力矩耦合模块11输入端与电动助力执行机构9、液压助力执行机构10相连，输入为两执行机构输出助力矩27，输出端与转向器相连，输出为耦合助力矩28；电动助力执行机构9、液压助力执行机构10输出的助力经力矩耦合模块11输出至转向器4，实现助力转向。
其中，所述液压助力执行机构包括：助力电机A、助力油泵、转阀、助力液压缸；助力电机A驱动助力油泵转动，将助力油液由储油罐泵入转阀，助力油液通过转阀开度不同流入液压助力缸两侧，产生液压压差；所述电动助力执行机构包括：助力电机B、减速机构，助力电机B输出转矩经由减速机构减速增矩后，输出至机械转向模块。
一种电-液复合动力转向系统转向模式切换控制方法，包括如下步骤：
(1)通过转向盘向电-液复合转向系统输入转向力矩；
(2)机械转矩控制模块根据车速传感器测得的车速信号、转向盘转角传感器测得的转角信号、转向盘转矩传感器测得的转矩信号，得到总助力电流大小；ECU将总助力电流大小和车辆当前工况参数输入模式选择器，通过电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器对车辆当前所需转向模式进行判断，输出电流至电流控制模块；
(3)Hinf控制模块处理电流控制模块输出电流，控制电动助力执行机构、液压助力执行机构输出相应助力；
如图2所示，w表示控制系统的干扰输入，w＝[θs Qs TR]T，Ww＝[Ww1,Ww2,Ww3]表示干扰输入w的加权函数矩阵，Ww1,Ww2,Ww3分别表示转向盘输入、路面干扰输入、转向助力泵流量输入的加权函数；G(s)表示系统传递函数，K(s)表示复合转向系统控制器，由参考输入量以及助力比例特性计算得到系统控制输入量u＝[Tem]从而保证系统稳定运行，Tem表示控制电机输出；ds表示传感器干扰输入；
e表示系统评价指标，z1、z2和z3分别表示系统输出误差、控制器输出和系统输出；W1，W2和W3分别表示系统跟踪性能、控制器输出、鲁棒性能加权函数，通过W1，W2和W3三个性能加权函数分别调整系统相应的评价输出；系统须满足干扰输入w到评价输出z传递函数的H∞范数小于给定值，求解H∞范数，即可得到该系统控制器K；其中，Gw1、Gw2、Gw3分别表示转向盘输入、路面干扰输入、转向助力泵流量输入的传递函数；G0表示系统传递函数；
u＝K·y
e＝Fl(P(s),K(s))w
式中：u＝[Tem]。
(4)电流检测模块将电动助力执行机构、液压助力执行机构控制电流真实值反馈至Hinf控制模块输入端，以消除系统目标信号与实际信号的跟踪误差；
(5)力矩耦合模块对电动助力执行机构、液压助力执行机构输出助力进行处理，并将总助力值输出至机械转向机构，实现助力转向。
利用本发明的控制装置及控制方法，车辆在行驶过程中依据车速等状态量在复合转向模式、电动助力模式、液压转向模式之间进行模式切换，即在低速时执行复合助力转向模式，通过两个助力模块复合工作来满足助力需求；在高速时执行电动助力模式，只有单个模块工作为驾驶员提供适当的助力值，保证客车的操纵稳定性和良好的路感。通过车辆在不同的工况下切换相应的转向模式，有效提高了车辆在中高速时的操纵稳定性和行驶安全性，且与现有液压助力系统相比，降低了车辆高速时以及非转向工况时的能量损耗，因此具有广阔的市场前景。
本发明综合考虑了车速、转向盘转矩等状态量以及两个助力模块协同工作的关系，采用“总-分”的方式对电动助力执行机构、液压助力执行机构进行电流控制，提高了电-液复合转向系统转向模式切换的控制精度。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电-液复合动力转向系统控制装置，包括：机械转矩控制模块、Hinf控制模块、电动助力执行机构、液压助力执行机构、模式选择器、电流控制模块、力矩耦合模块、电流检测模块、ECU，其特征在于，还包括：电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器；
所述机械转矩控制模块输入端与车速传感器、转向盘转矩传感器、转向盘转角传感器组成的传感器模块相连，输出端与电流控制模块相连；
所述模式选择器输入端与ECU相连，输出端与电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器相连；
所述电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器输出端与电流控制模块相连；
所述的电流检测模块将电动助力执行机构、液压助力执行机构控制电流真实值反馈至Hinf控制模块输入端；
所述Hinf控制模块输入端与电流控制模块相连，输出端与电动助力执行机构、液压助力执行机构相连；
所述力矩耦合模块输入端与电动助力执行机构、液压助力执行机构相连，输出端与转向器相连。
2.根据权利要求1所述的电-液复合动力转向系统控制装置，其特征在于，所述液压助力执行机构包括：助力电机A、助力油泵、转阀、助力液压缸，助力电机A驱动助力油泵转动，将助力油液由储油罐泵入转阀，助力油液通过转阀开度不同流入液压助力缸两侧，产生液压压差；所述电动助力执行机构包括：助力电机B、减速机构，助力电机B输出转矩经由减速机构减速增矩后，输出至机械转向模块。
3.一种电-液复合动力转向系统转向模式切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过转向盘向电-液复合转向系统输入转向力矩；
(2)机械转矩控制模块根据车速传感器测得的车速信号、转向盘转角传感器测得的转角信号、转向盘转矩传感器测得的转矩信号，得到总助力电流大小；ECU将总助力电流大小和车辆当前工况参数输入模式选择器，通过电动助力模式判断器、液压助力模式判断器、复合助力模式判断器对车辆当前所需转向模式进行判断，输出电流至电流控制模块；
(3)Hinf控制模块处理电流控制模块输出电流，控制电动助力执行机构、液压助力执行机构输出相应助力；
(4)电流检测模块将电动助力执行机构、液压助力执行机构控制电流真实值反馈至Hinf控制模块输入端，以消除系统目标信号与实际信号的跟踪误差；
(5)力矩耦合模块对电动助力执行机构、液压助力执行机构输出助力进行处理，并将总助力值输出至机械转向机构，实现助力转向。
4.根据权利要求3所述的电-液复合动力转向系统转向模式切换控制方法，其特征在于，上述步骤(3)具体包括：w表示控制系统的干扰输入，w＝[θs Qs TR]T，Ww＝[Ww1,Ww2,Ww3]表示干扰输入w的加权函数矩阵，Ww1,Ww2,Ww3分别表示转向盘输入、路面干扰输入、转向助力泵流量输入的加权函数；G(s)表示系统传递函数，K(s)表示复合转向系统控制器，由参考输入量以及助力比例特性计算得到系统控制输入量u＝[Tem]从而保证系统稳定运行，Tem表示控制电机输出；ds表示传感器干扰输入；
e表示系统评价指标，z1、z2和z3分别表示系统输出误差、控制器输出和系统输出；W1，W2和W3分别表示系统跟踪性能、控制器输出、鲁棒性能加权函数，通过W1，W2和W3三个性能加权函数分别调整系统相应的评价输出；系统须满足干扰输入w到评价输出z传递函数的H∞范数小于给定值，求解H∞范数，即可得到系统控制器K；其中，Gw1、Gw2、Gw3分别表示转向盘输入、路面干扰输入、转向助力泵流量输入的传递函数；G0表示系统传递函数；
u＝K·y
e＝Fl(P(s),K(s))w
式中：u＝[Tem]。
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