電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法
【專利摘要】本申請公開了一種電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法：電動助力轉向系統(tǒng)的ECU根據(jù)轉向盤的轉動角速度計算摩擦補償力矩，該摩擦補償力矩作為最終輸出給電機控制模塊的助力力矩的一部分。當轉向盤的轉動角速度的絕對值≤第一閾值，摩擦補償力矩為零。當轉向盤的轉動角速度的絕對值＞第一閾值且≤第二閾值，摩擦補償力矩隨著轉向盤的轉動角速度的增加而嚴格單調遞增。當轉向盤的轉動角速度的絕對值＞第二閾值，摩擦補償力矩恒定為最大值。本申請可以克服由于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的摩擦力對助力性能的不利影響，使電動助力轉向系統(tǒng)的操作更加舒適，中間位置的判斷更加準確。
【專利說明】電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及一種汽車的電動助力轉向系統(tǒng)(Electric Power Steering,簡稱EPS系統(tǒng))。
【背景技術】
[0002]請參閱圖1，這是汽車上的機械轉向系統(tǒng)。其包括轉向盤11、轉向管柱12、轉向器
13、轉向拉桿14和轉向輪15。駕駛員對轉向盤11施加轉向力矩，該轉向力矩通過轉向管柱12輸入轉向器13，經(jīng)轉向器13放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向拉桿14，從而帶動轉向輪15運動。
[0003]請參閱圖2，這是汽車上的電動助力轉向系統(tǒng)。其在機械轉向系統(tǒng)的基礎上增加了:
[0004]——扭矩轉角傳感器21，用來檢測轉向盤11的轉動力矩(也稱轉矩、扭矩)和轉動角度(轉角)；
[0005]——車速傳感器22，用來測量車輛速度；
[0006]—E⑶(電子控制單元)23，根據(jù)轉向盤11的扭矩、轉角以及車速信號，計算出相應的助力力矩，并輸出給助力電機24 ；
[0007]——助力電機24，安裝在轉向管柱12或轉向器13上，其根據(jù)E⑶23的指令而轉動，從而輸出助力力矩；
[0008]——減速機構25，將助力電機24的轉動角度以一定比例轉換為轉向管柱12或轉向器13的轉動角度。設減速機構25的減速比為k，k > I，則助力電機24的轉動角度/k =轉向管柱12或轉向器13的轉動角度。
[0009]所述扭矩轉角傳感器21也可分為相互獨立的扭矩傳感器和轉角傳感器。
[0010]請參閱圖3，現(xiàn)有的電動助力轉向系統(tǒng)的E⑶23中包括:
[0011]—力矩控制模塊231，其根據(jù)向盤11的扭矩、轉角以及車速信號，計算出相應的助力力矩，并輸出給電機控制模塊232 ；
[0012]—電機控制模塊232，根據(jù)接收到的助力力矩，輸出電流以驅動助力電機24轉動。
[0013]所述力矩控制模塊231中包括基本助力、主動回正控制、主動阻尼控制、慣量補償控制等子模塊?；局δK可以在不同車速時設置不同的助力曲線，從而獲得不同的轉向手感，其輸出基礎助力力矩。主動回正控制模塊和主動阻尼控制模塊可以在不同車速及轉向盤11的不同轉動角速度時設置不同的主動回正力矩或主動阻尼力矩，保證車輛中低車速時的主動回正性能(使轉向盤11可以自動回到直線行駛位置)及中高車速時的行駛穩(wěn)定性能。慣量補償控制模塊對系統(tǒng)性能做一定慣量補償，以獲得更良好的轉向感覺，其輸出慣量補償力矩。各個模塊輸出的力矩相加后，作為目標力矩指令輸出給電機控制模塊232。
[0014]機械轉向系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的摩擦力都可以等效到轉向盤11上，該摩擦力矩以Fe表示。由于摩擦力矩Fe的存在，使得轉向盤11的實際操縱力矩F與扭矩轉角傳感器21檢測到轉向盤11的轉動力矩Ft之間存在一定偏差，表示為F = Ft + Fe。同時，F(xiàn) = Fd + Fa，其中Fd為駕駛員施加的力矩，F(xiàn)a為電動助力轉向系統(tǒng)施加的助力力矩。
[0015]現(xiàn)有的力矩控制模塊231都未考慮摩擦力矩Fe，而是使F?Ft。這樣當檢測出的轉動力矩Ft很小的時候,輸出的助力力矩Fa也很小。由于Fd = Ft + Fe — Fa,這使得摩擦力矩Fe基本上需要由駕駛員的施加力矩Fd來克服，導致駕駛員的手感不舒適。
[0016]摩擦力矩Fe還對車輛中間位置的判斷帶來很大影響。例如在回正控制時，當回正力矩小于摩擦力矩的時候，轉向盤11并沒有回到中間，而是留有一定的殘余角度。

【發(fā)明內容】

[0017]本申請所要解決的技術問題是提供一種電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法。該方法可以克服由于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的摩擦力對助力性能的不利影響，使電動助力轉向系統(tǒng)的操作更加舒適，中間位置的判斷更加準確。
[0018]為解決上述技術問題，本申請電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法為:電動助力轉向系統(tǒng)的ECU根據(jù)轉向盤的轉動角速度計算摩擦補償力矩，該摩擦補償力矩作為最終輸出給電機控制模塊的助力力矩的一部分；
[0019]當轉向盤的轉動角速度的絕對值<第一閾值，摩擦補償力矩為零；
[0020]當轉向盤的轉動角速度的絕對值 > 第一閾值且 <第二閾值，摩擦補償力矩隨著轉向盤的轉動角速度的增加而嚴格單調遞增；
[0021]當轉向盤11的轉動角速度的絕對值>第二閾值,摩擦補償力矩恒定為最大值。
[0022]本申請通過增加摩擦補償控制模塊，產生摩擦補償力矩，從而消除了摩擦力對助力性能的不良影響。標定人員可以根據(jù)實際測得的摩擦力根據(jù)數(shù)學計算得到初始曲線，然后根據(jù)車速、轉動角速度值標定不同的參數(shù)。進一步地，還可同時標定扭矩增益來改變摩擦補償力矩，以達到更滿意的轉向手感，提升產品品質。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是汽車上的機械轉向系統(tǒng)的結構示意圖；
[0024]圖2是汽車上的電動助力轉向系統(tǒng)的結構示意圖；
[0025]圖3是現(xiàn)有的電動助力轉向系統(tǒng)的力矩控制模塊的結構示意圖；
[0026]圖4是本申請電動助力轉向系統(tǒng)的力矩控制模塊的結構示意圖；
[0027]圖5是本申請電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法的實施例一的流程圖；
[0028]圖6是摩擦補償力矩與轉向盤的轉動角速度之間的關系曲線；
[0029]圖7是本申請電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法的實施例二的流程圖；
[0030]圖8是摩擦補償力矩與轉向盤的轉動角速度、車速之間的關系曲線；
[0031]圖9是本申請電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法的實施例三的流程圖；
[0032]圖10是扭矩增益與轉向盤的轉動力矩之間的關系曲線。
[0033]圖中附圖標記說明:
[0034]11為轉向盤；12為轉向管柱；13為轉向器；14為轉向拉桿；15為轉向輪；21為扭矩轉角傳感器；22為車速傳感器；23為ECU ；231為力矩控制模塊；232為電機控制模塊；24為助力電機；25為減速機構。【具體實施方式】
[0035]請參閱圖4，這是本申請電動助力轉向系統(tǒng)的力矩控制模塊。與圖3所示的現(xiàn)有的力矩控制模塊相比，本申請在力矩控制模塊231中增加了摩擦補償控制模塊。
[0036]請參閱圖5，本申請電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法的實施例一為:扭矩轉角傳感器21測量得到轉向盤11的轉動角速度ω，所述摩擦補償控制模塊以轉向盤11的轉動角速度ω作為輸入，經(jīng)計算后輸出摩擦補償力矩。該摩擦補償力矩與其他模塊的輸出(包括基礎助力力矩、主動回正力矩、主動阻尼力矩、慣量補償力矩等)相加后，作為最終的目標力矩指令輸出給電機控制模塊232。
[0037]所述轉向盤11的轉動角速度ω —個有符號的值,其符號表不轉向盤11的轉動方向。通常，扭矩轉角傳感器21的輸出中含有無用的高頻分量，因而可經(jīng)過一個低通濾波器處理以得到平滑的表示轉動角速度的低頻信號。
[0038]請參閱圖6，所述摩擦補償力矩Ff與轉向盤11的轉動角速度ω之間的關系如下:[0039]扭矩轉角傳感器21很難檢測的轉向盤11因輕微轉動而產生的轉動角速度ω，因此在轉向盤11的轉動角速度ω的絕對值<第一閾值ω η的時候，摩擦補償力矩Ff為0，這樣也利于轉向盤11的中間位置保持。以公式表示為當I ω I≤ωη時，F(xiàn)f = O。
[0040]當轉向盤11的轉動角速度ω的絕對值>第一閾值ωη且≤第二閾值com時，摩擦形變并未完全形成，也為了避免立即添加摩擦補償轉矩造成駕駛員手感的突變，因此適于采用單調遞增的函數(shù)。
[0041]例如，可采用Dahl模型計算此時摩擦補償力矩。一種簡化的Dahl模型可表示為:當ωη< ω ( ωηι時，F(xiàn)f = / ω ω y [Ft-f0sgn (ω) J20其中Y為經(jīng)驗常數(shù)，可以標定取得。Ft是扭矩轉角傳感器21檢測到轉向盤11的轉動力矩。fQ為最靜摩擦力，可以由實際測試得到。sgn ()表示取符號函數(shù)。
[0042]當轉向盤11的轉動角速度ω的絕對值>第二閾值com時，摩擦力趨近一個值，此時一個恒定的摩擦補償力矩Ff就可以達到補償效果。以公式表示為當ω > com時，F(xiàn)f =kf0sgn(?)o其中k為增益值，可以標定取得。
[0043]請參閱圖7，本申請電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法的實施例二為:扭矩轉角傳感器21測量得到轉向盤11的轉動角速度ω，車速傳感器測量得到車速；所述摩擦補償控制模塊以轉向盤11的轉動角速度ω和車速作為輸入,經(jīng)計算后輸出摩擦補償力矩。該摩擦補償力矩與其他模塊的輸出匯總處理后，作為最終的目標力矩指令輸出給電機控制模塊 232。
[0044]隨著車速的增加，電動助力轉向系統(tǒng)輸出的助力力矩應當減小，以保證系統(tǒng)高速穩(wěn)定。為此，本申請摩擦補償力矩還隨著車速升高而降低，如圖8所示。
[0045]在實際應用中，可在車速恒定的條件下，先計算出一組摩擦補償力矩Ff的初始數(shù)據(jù)，然后在實際車輛上標定ωη、ωπι、Κ Y。接著標定出不同車速下的摩擦補償力矩Ff。最后將這些數(shù)據(jù)列表(表一)存儲到ECU 23，從而可方便地通過查表得到轉動角速度和車速在各種取值下所對應的摩擦補償力矩值，然后再乘以方向。
[0046]如果角速度的方向為正，則摩擦補償力矩的方向為正；
[0047]如果角速度的方向為負，則摩擦補償力矩的方向為負。[0048]請參閱圖9，本申請電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法的實施例三為:扭矩轉角傳感器21測量得到轉向盤11的轉動角速度ω和轉動力矩Ft，車速傳感器測量得到車速；所述摩擦補償控制模塊以轉向盤11的轉動角速度ω、車速和轉動力矩Ft作為輸入，經(jīng)計算后輸出摩擦補償力矩。該摩擦補償力矩與其他模塊的輸出匯總處理后，作為最終的目標力矩指令輸出給電機控制模塊232。
[0049]如果在任何轉動力矩的情況下都以同樣的方式計算摩擦補償力矩，則會造成電動助力轉向系統(tǒng)所輸出的助力力矩不平順、出現(xiàn)助力過沖現(xiàn)象。因此，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定和駕駛員的良好手感，在轉動力矩很小的時候補償一個較大的摩擦補償力矩，在轉動力矩增大的時候補償一個較小的摩擦補償力矩。實施例三由此在實施例二的基礎上引入了扭矩增益Tgain,其作為摩擦補償力矩Ff計算時的一個相乘因子。
[0050]請參閱圖10，扭矩增益Tgain與轉向盤11的轉動力矩Ft之間的關系為:
[0051]當Ft < Fta 時，Tgain = I ；
[0052]當Fta ^ Ft < Ftb時,Tgain隨著Ft的增大而嚴格單調遞減。例如Tgain = I —(1-Tg)(Ft — Fta)/(Ftb-Fta)；
[0053]當Ft > Ftb 時，Tgain=Tg。
[0054]其中，F(xiàn)ta是第三閥值，F(xiàn)tb是第四閥值，Tg是最小的扭矩增益，均可由標定得到。
[0055]在實際應用中可將不同轉動力矩條件下對應的扭矩增益列表(表二)存儲到ECU23。根據(jù)轉動角速度 和車速從表一查得的摩擦補償力矩值，與根據(jù)轉動力矩從表二查得的扭矩增益值，兩者相乘即可得到最終的摩擦補償力矩值。
[0056]以上僅為本申請的優(yōu)選實施例，并不用于限定本申請。對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法，其特征是，電動助力轉向系統(tǒng)的ECU根據(jù)轉向盤的轉動角速度計算摩擦補償力矩，該摩擦補償力矩作為最終輸出給電機控制模塊的助力力矩的一部分； 當轉向盤的轉動角速度的絕對值<第一閾值，摩擦補償力矩為零； 當轉向盤的轉動角速度的絕對值>第一閾值且<第二閾值，摩擦補償力矩隨著轉向盤的轉動角速度的增加而嚴格單調遞增； 當轉向盤11的轉動角速度的絕對值>第二閾值，摩擦補償力矩恒定為最大值。
2.根據(jù)權利要求1所述的電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法，其特征是，電動助力轉向系統(tǒng)的ECU根據(jù)轉向盤的轉動角速度和車速計算摩擦補償力矩；所述摩擦補償力矩還隨著車速的升高而降低。
3.根據(jù)權利要求1所述的電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法，其特征是，電動助力轉向系統(tǒng)的ECU根據(jù)轉向盤的轉動角速度、車速和轉向盤的轉動力矩計算摩擦補償力矩；所述轉向盤的轉動力矩僅用于得到扭矩增益，該扭矩增益為摩擦補償力矩計算時的一個相乘因子； 當轉向盤的轉動力矩<第三閾值，扭矩增益為最大值I ; 當轉向盤的轉動力矩 > 第三閾值且 <第四閾值，扭矩增益隨著轉向盤的轉動力矩的增加而嚴格單調遞減； 當轉向盤的轉動力矩>第四閾值，扭矩增益為最小值。
4.根據(jù)權利要求1所述的電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法，其特征是，當轉向盤的轉動角速度的絕對值>第一閾值且`<第二閾值，摩擦補償力矩采用Dahl模型計算。
5.根據(jù)權利要求4所述的電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法，其特征是，當轉向盤的轉動角速度的絕對值>第一閾值且<第二閾值，摩擦補償力矩采用如下公式計算:
Ff= I ω Y [Ft — f0sgn(u> )]2
ω 其中Y為經(jīng)驗常數(shù)，由標定取得；Ft是扭矩轉角傳感器檢測到轉向盤的轉動力矩；為最靜摩擦力，由實際測得；sgn ()表示取符號函數(shù)。
6.根據(jù)權利要求1所述的電動助力轉向系統(tǒng)的摩擦補償方法，其特征是，當轉向盤的轉動力矩 > 第三閾值且 <第四閾值，扭矩增益采用如下公式計算:
Tgain = I — (1-Tg) (Ft — Fta)/ (Ftb-Fta)； 其中Fta是第三閥值，F(xiàn)tb是第四閥值，Tg是最小的扭矩增益，均由標定得到。
【文檔編號】B62D101/00GK103863393SQ201210548319
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月17日 優(yōu)先權日:2012年12月17日
【發(fā)明者】李若飛, 鄭鴻云, 金燦龍, 呂帥, 羅來軍 申請人:聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司