集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開了一種集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，包括主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)以及基于轉(zhuǎn)向盤力矩的調(diào)整控制系統(tǒng)，主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)分別與車速傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器連接，用于將輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算和處理，以輸出一個總的前輪轉(zhuǎn)角控制信號發(fā)送給整車系統(tǒng)，實現(xiàn)前輪的主動轉(zhuǎn)向；基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)用于將獲取的橫擺角速度值進(jìn)行調(diào)整以反饋給所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，從而對前輪轉(zhuǎn)角控制信號進(jìn)行修正；基于轉(zhuǎn)向盤力矩的調(diào)整控制系統(tǒng)將獲取的轉(zhuǎn)向盤力矩值進(jìn)行調(diào)整以反饋給電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，從而對輸出的前輪轉(zhuǎn)角控制信號進(jìn)行修正。
【專利說明】集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽車控制領(lǐng)域，尤其涉及一種集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控 制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（AFS)是未來汽車自動駕駛、行駛穩(wěn)定性控制和舒適性操縱（變傳 動比操縱）的必然發(fā)展需求。目前，基于安全性考慮，采用人工操縱與電動疊加式組合控制 轉(zhuǎn)向的AFS已經(jīng)投入實用。在轉(zhuǎn)向助力方面，電動助力（EPS)已經(jīng)得到迅速發(fā)展，成為小型 轎車的首選。隨著AFS的逐步投入應(yīng)用和向中低檔車的轉(zhuǎn)移，將AFS與EPS組合則會成為 未來需求。但目前還沒有將AFS與EPS組合有效使用的控制系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的多個方面提供一種集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，既可 以滿足高效助力提高操作舒適性的要求，又可以通過主動轉(zhuǎn)向控制，改善轉(zhuǎn)向傳動比、提高 操縱穩(wěn)定性，獲得理想的轉(zhuǎn)向控制特性。尤其適用于中小型車輛
[0004] 本發(fā)明提供了一種集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，包括主動轉(zhuǎn)向 控制系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)以及基于轉(zhuǎn)向盤力矩 的調(diào)整控制系統(tǒng)，所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)分別與車速傳感器和轉(zhuǎn) 向盤轉(zhuǎn)角傳感器連接，用于將車速傳感器輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器輸入的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn) 角進(jìn)行計算和處理，以輸出并形成一個總的前輪轉(zhuǎn)角控制信號發(fā)送給整車系統(tǒng)，實現(xiàn)前輪 的轉(zhuǎn)向；所述基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)連接于所述整車系統(tǒng)和主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)之 間，用于將獲取的橫擺角速度值進(jìn)行處理和調(diào)整，并將處理結(jié)果反饋給所述主動轉(zhuǎn)向控制 系統(tǒng)，從而對輸出的所述前輪轉(zhuǎn)角控制信號進(jìn)行修正；所述基于轉(zhuǎn)向盤力矩的調(diào)整控制系 統(tǒng)連接于所述整車系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)之間，用于將獲取的轉(zhuǎn)向盤力矩值進(jìn)行處 理和調(diào)整，并將處理結(jié)果反饋給所述電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，從而進(jìn)一步對輸出的所述前 輪轉(zhuǎn)角控制信號進(jìn)行修正。
[0005] 在本發(fā)明一個實施例中，所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括依次連接的控制單元、第一 減法器、位置調(diào)節(jié)控制器、第二減法器、電流調(diào)節(jié)控制器、功率驅(qū)動模塊、助轉(zhuǎn)角電機(jī)和轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu)，分別與所述助轉(zhuǎn)角電機(jī)連接的轉(zhuǎn)角位置傳感器和電流傳感器；所述控制單元根據(jù)輸 入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成位置參考信號，所述第一減法器通過輸入的所述位置參考信號 和轉(zhuǎn)角位置傳感器發(fā)送的位置反饋信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述位置調(diào)節(jié)控制器，得到 電流參考信號；所述第二減法器通過輸入的所述電流參考信號和經(jīng)電流傳感器輸出的電流 反饋信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述電流調(diào)節(jié)控制器，并通過電流調(diào)節(jié)控制器的輸出去調(diào) 節(jié)PWM，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，并通過助轉(zhuǎn)角電機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn) 對助轉(zhuǎn)角電機(jī)的位置跟蹤控制。
[0006] 作為上述方案的改進(jìn)，所述位置調(diào)節(jié)控制器和電流調(diào)節(jié)控制器均采用PI控制器。
[0007] 在本發(fā)明另一個實施例中，所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括依次連接的控制單元、第 一減法器、位置調(diào)節(jié)控制器、第二減法器、速率調(diào)節(jié)控制器、第三減法器、電流調(diào)節(jié)控制器、 功率驅(qū)動模塊、助轉(zhuǎn)角電機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，分別與所述助轉(zhuǎn)角電機(jī)連接的轉(zhuǎn)角位置傳感器和 電流傳感器，以及連接于所述轉(zhuǎn)角位置傳感器和第二減法器之間的微分單元，所述微分單 元用于根據(jù)置傳感器發(fā)送的位置反饋信號計算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速；所述控制單元根據(jù)輸入的車速 和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成位置參考信號，所述第一減法器通過輸入的所述位置參考信號和轉(zhuǎn)角位 置傳感器發(fā)送的位置反饋信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述位置調(diào)節(jié)控制器，得到速度參考 信號；所述第二減法器通過輸入的所述速度參考信號和當(dāng)前轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給 所述速率調(diào)節(jié)控制器，得到電流參考信號；所述第三減法器通過輸入的所述電流參考信號 和經(jīng)電流傳感器輸出的電流反饋信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述電流調(diào)節(jié)控制器，并通過 電流調(diào)節(jié)控制器的輸出去調(diào)節(jié)PWM，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，并通過助轉(zhuǎn)角電機(jī) 傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn)對助轉(zhuǎn)角電機(jī)的位置跟蹤控制。
[0008] 作為上述方案的改進(jìn)，所述位置調(diào)節(jié)控制器采用專家PID控制器，所述速率調(diào)節(jié) 控制器和電流調(diào)節(jié)控制器均采用PI或PID控制器。
[0009] 作為上述方案的改進(jìn)，所述電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括依次連接的轉(zhuǎn)向盤回正特 性控制單元、第四減法器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器、第五減法器、電流調(diào)節(jié)控制器、助力電機(jī)和轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu)，連接于所述助力電機(jī)和第五減法器之間的電流傳感器以及連接于所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和第 四減法器之間的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速傳感器；所述轉(zhuǎn)向盤回正特性控制單元根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)向 盤轉(zhuǎn)角生成轉(zhuǎn)速參考信號，所述第四減法器通過輸入的所述轉(zhuǎn)速參考信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速傳 感器發(fā)送的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速反饋信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器，得到電流參 考信號；所述第五減法器通過輸入的所述電流參考信號和經(jīng)電流傳感器輸出的電流反饋信 號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述電流調(diào)節(jié)控制器，電流調(diào)節(jié)控制器輸出的控制信號通過助轉(zhuǎn) 角電機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
[0010] 作為上述方案的改進(jìn)，所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器，所述電流調(diào) 節(jié)控制器采用專家PID控制器。
[0011] 作為上述方案的改進(jìn)，所述基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)包括汽車參考模型和 第六減法器和橫擺角速度傳感器，所述汽車參考模型根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成理 想橫擺角速度，所述橫擺角速度傳感器用于獲取整車系統(tǒng)當(dāng)前的實際橫擺角速度，所述第 六減法器通過輸入的所述理想橫擺角速度和橫擺角速度傳感器發(fā)送的實際橫擺角速度產(chǎn) 生的偏差信號發(fā)送給所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，以修正所述前輪轉(zhuǎn)角控制信號，且修正后的 前輪轉(zhuǎn)角控制信號由助轉(zhuǎn)角電機(jī)通過變傳動比機(jī)構(gòu)傳遞給整車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
[0012] 作為上述方案的改進(jìn)，所述基于轉(zhuǎn)向盤力矩的調(diào)整控制系統(tǒng)包括基于折線性目標(biāo) 轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)向盤助力特性控制單元、第七減法器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制器和角度扭矩傳感器， 所述基于折線性目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)向盤助力特性控制單元根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成 理想轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，所述角度扭矩傳感器用于獲取整車系統(tǒng)當(dāng)前的實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，所述第 七減法器通過輸入的所述理想轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和角度扭矩傳感器發(fā)送的實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生 的偏差信號發(fā)送給所述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制器，并將調(diào)節(jié)結(jié)果由電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的 助轉(zhuǎn)角電機(jī)傳遞給整車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
[0013] 作為上述方案的改進(jìn)，所述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制器采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)具 有如下有益效果：
[0015] 1、針對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和變傳動比機(jī)構(gòu)，設(shè)計了電動助力和主動轉(zhuǎn)向組合系 統(tǒng)，在現(xiàn)有的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，實現(xiàn)了主動轉(zhuǎn)向功能，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)輔助的助力， 變傳動比機(jī)構(gòu)中的助轉(zhuǎn)角電機(jī)施加輔助的前輪轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)獨立于駕駛員的轉(zhuǎn)向干預(yù)，主動 地改變前輪轉(zhuǎn)向角，提高轉(zhuǎn)向性能和駕駛舒適性的同時，也提高了車輛的穩(wěn)定性。
[0016] 2、對整個組合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為了克服EPS和AFS的相互影響，修改了系統(tǒng)的控制策 略，采用力矩閉環(huán)控制和電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)回正控制策略，使得整個系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定 性得到了提高。
[0017] 3、組合系統(tǒng)的力矩閉環(huán)控制策略和電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)回正控制策略大大加強(qiáng)了整 個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗干擾能力，改善了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時的平滑性及左右對稱性。
[0018] 4、采用滑模變結(jié)構(gòu)控制控制速度快，控制精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點正好滿足 EPS+AFS組合系統(tǒng)的控制要求，具有較強(qiáng)的魯棒性，增強(qiáng)了組合系統(tǒng)的抗干擾能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明實施例中一種集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是圖1所示的電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖3是圖1所示的主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4是圖1所示的主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的另一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖5是PID控制器原理示意圖；
[0024] 圖6是典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)誤差曲線；
[0025] 圖7是電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖8是_階系統(tǒng)的狀態(tài)娃基滑t旲運動不意圖；
[0027] 圖9是基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖10是基于轉(zhuǎn)向盤力矩的調(diào)整控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖11顯示了本發(fā)明的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)的控制邏輯 過程。

【具體實施方式】
[0030] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0031] 參見圖1，是本發(fā)明實施例提供的一種集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)包括主動轉(zhuǎn)向控制系 統(tǒng)1、電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)2、基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)3以及基于轉(zhuǎn)向盤力矩的 調(diào)整控制系統(tǒng)4,所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)1和電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)2分別與車速傳感器 10和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器20連接，用于將車速傳感器10輸入的車速V和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器 20輸入的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角Ssw進(jìn)行計算和處理，以輸出并形成一個總的前輪轉(zhuǎn)角δ fw控制信號 發(fā)送給整車系統(tǒng)5，實現(xiàn)前輪的主動轉(zhuǎn)向；所述基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)3連接于 所述整車系統(tǒng)5和主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)1之間，用于將獲取的橫擺角速度值γ進(jìn)行處理和調(diào) 整，并將處理結(jié)果反饋給所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)1，從而對輸出的所述前輪轉(zhuǎn)角控制信號進(jìn) 行修正；所述基于轉(zhuǎn)向盤力矩的調(diào)整控制系統(tǒng)4連接于所述整車系統(tǒng)5和電動助力轉(zhuǎn)向控 制系統(tǒng)2之間，用于將獲取的轉(zhuǎn)向盤力矩值β進(jìn)行處理和調(diào)整，并將處理結(jié)果反饋給所述 電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)2,從而進(jìn)一步對輸出的所述前輪轉(zhuǎn)角控制信號進(jìn)行修正。
[0032] 本發(fā)明的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)是基于現(xiàn)有的EPS和AFS 系統(tǒng)進(jìn)行組合并改進(jìn)而得到的，本發(fā)明組合系統(tǒng)同時具備了主動轉(zhuǎn)向控制和電動助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)機(jī)械連接的特點，如圖2所示，將轉(zhuǎn)向軸式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向管柱通過一套行星齒輪機(jī) 構(gòu)與AFS執(zhí)行器一一助轉(zhuǎn)角電機(jī)相連，駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤施加在轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)角則通過助 轉(zhuǎn)角電機(jī)增大或減小，從而實現(xiàn)可變傳動比控制和車輛的穩(wěn)定性控制；原EPS系統(tǒng)中的助 力電機(jī)，則依照車輛當(dāng)前的行駛情況和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，對駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力進(jìn)行調(diào) 整。因此本發(fā)明的EPS+AFS組合系統(tǒng)可通過EPS助力電機(jī)和AFS助轉(zhuǎn)角電機(jī)，對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn) 矩和前輪轉(zhuǎn)角分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向。
[0033] 由圖1可知，本發(fā)明的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)并不僅僅是 電動助力轉(zhuǎn)向控制和主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的簡單疊加，而是將兩個系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，且增加了 對橫擺角速度的控制，同時增加了整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動比的變化造成的轉(zhuǎn) 向力矩過大的補(bǔ)償控制等等。另外，組合系統(tǒng)集成控制中對原有的主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)1和 電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)2均進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，下面，詳細(xì)描述本發(fā)明的集成電動助力轉(zhuǎn) 向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)的整個控制原理及過程。
[0034] 首先，請參考圖3,是圖1所示的主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 在該實施例中，所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)1依次連接的控制單元101、第一減法器102、位置調(diào) 節(jié)控制器103 (采用PI或PID控制器）、第二減法器104、電流調(diào)節(jié)控制器105 (采用PI或 PID控制器）、功率驅(qū)動模塊106、助轉(zhuǎn)角電機(jī)107和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)108,分別與所述助轉(zhuǎn)角電機(jī) 107連接的轉(zhuǎn)角位置傳感器109和電流傳感器110 ;所述控制單元根據(jù)101輸入的車速V和 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角Ssw生成位置參考信號δ #，所述第一減法器102通過輸入的所述位置參考信 號Lrf和轉(zhuǎn)角位置傳感器109發(fā)送的位置反饋信號δ d產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述位置調(diào) 節(jié)控制器103,得到電流參考信號IMf;所述第二減法器104通過輸入的所述電流參考信號 Iref和經(jīng)電流傳感器110輸出的電流反饋信號I d產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述電流調(diào)節(jié)控制 器105,并通過電流調(diào)節(jié)控制器105的輸出去調(diào)節(jié)PWM(功率驅(qū)動模塊106)，進(jìn)而控制功率 開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，并通過助轉(zhuǎn)角電機(jī)107傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)108,從而實現(xiàn)對助轉(zhuǎn)角電機(jī) 107的位置跟蹤控制。
[0035] 圖3采用的雙閉環(huán)動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)一般用于時間常數(shù)及純滯后較大的對象。系統(tǒng) 與一般閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別在于前者可獲得可測中間變量，并利用它構(gòu)成內(nèi)環(huán)反饋回路，對影 響中間變量的干擾進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)，從而改善整個系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在提高 系統(tǒng)控制質(zhì)量方面的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：
[0036] a)對進(jìn)入內(nèi)環(huán)回路的二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；
[0037] b)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；
[0038] c)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)減小了對象時間常數(shù)；
[0039] d)對負(fù)荷或操作條件的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的抗干擾能力、 快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量都比一般閉環(huán)要好。
[0040] 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)的設(shè)計：
[0041] ⑴內(nèi)環(huán)的設(shè)計
[0042] 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是電流控制，其設(shè)計與一般單一環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計類似， 設(shè)計過程可按簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進(jìn)行。本實施例主要解決雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中兩個閉 環(huán)的協(xié)調(diào)工作問題，包括如何選取被控參數(shù)、確定內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器等。
[0043] (2)外環(huán)的設(shè)計
[0044] 外環(huán)控制是隨動系統(tǒng)，對包含在其中的二次擾動具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能 力，二次擾動通過內(nèi)、外環(huán)的調(diào)節(jié)后對被控量的影響很小，因此在選擇外環(huán)時，應(yīng)盡可能把 被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在外環(huán)中，此外外環(huán)也要包含盡量多的 擾動。外環(huán)被控過程的滯后不能太大，以保持外環(huán)的快速響應(yīng)特性，要將被控對象具有明顯 非線性或時變特性的部分也包含于外環(huán)控制過程中。
[0045] (3)內(nèi)、外環(huán)的匹配
[0046] 設(shè)計中考慮使內(nèi)、外環(huán)中應(yīng)盡可能包含較多的擾動，同時也要注意內(nèi)、外環(huán)擾動數(shù) 量的匹配問題。外環(huán)中如果包含的擾動過多，其通道就太長，時間常數(shù)就太大，外環(huán)控制的 作用就不明顯，其快速控制的效果就會降低。如果所有的擾動都包括在外環(huán)中，主內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié) 器也就失去了控制作用。原則上，在設(shè)計中要保證內(nèi)、外環(huán)的擾動數(shù)量時間常數(shù)之比值在 3?10之間。
[0047] 在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，內(nèi)、外環(huán)調(diào)節(jié)器的作用是不同的。內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)是定值控 制，外環(huán)控制系統(tǒng)是隨動控制。系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同。內(nèi)環(huán)一般要求無差，主調(diào) 節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取PI或PID控制規(guī)律；外環(huán)要求控制快速，可以有余差，一般情況下選 取P控制規(guī)律而不引入I或D控制。如果引入I控制，會延長控制過程，減弱外環(huán)的快速控 制作用；也沒有必要引入D控制，因為外環(huán)采用P控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入D控 制會使動作過大，不利于整個系統(tǒng)的控制。
[0048] 參考圖4,是圖1所示的主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的另一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該實 施例是在圖3的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化。該實施例的主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)與圖3所示的控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是采用角度傳感器得出轉(zhuǎn)角位置，通過對角度的微分，得出對轉(zhuǎn)速的 閉環(huán)控制，使得轉(zhuǎn)速的變化較為平穩(wěn)，且處在可控制狀態(tài)。具體的，本實施例的主動轉(zhuǎn)向控 制系統(tǒng)包括依次連接的控制單元101、第一減法器102、位置調(diào)節(jié)控制器103、第二減法器 112、速率調(diào)節(jié)控制器111、第三減法器104、電流調(diào)節(jié)控制器105、功率驅(qū)動模塊106、助轉(zhuǎn)角 電機(jī)107和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)108,分別與所述助轉(zhuǎn)角電機(jī)107連接的轉(zhuǎn)角位置傳感器109和電流傳 感器110,以及連接于所述轉(zhuǎn)角位置傳感器109和第二減法器112之間的微分單元113,所 述微分單元113用于根據(jù)置傳感器發(fā)送的位置反饋信號δ "十算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速V d;所述控制 單元根據(jù)101輸入的車速V和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角Ssw生成位置參考信號δ Mf，所述第一減法器102 通過輸入的所述位置參考信號S 和轉(zhuǎn)角位置傳感器109發(fā)送的位置反饋信號δ d產(chǎn)生 的偏差信號發(fā)送給所述位置調(diào)節(jié)控制器103,得到速度參考信號VMf;所述第二減法器112 通過輸入的所述速度參考信號V Mf和當(dāng)前轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述速率調(diào)節(jié)控制器 111，得到電流參考信號IMf;所述第三減法器104通過輸入的所述電流參考信號I 和經(jīng)電 流傳感器110輸出的電流反饋信號I/"生的偏差信號發(fā)送給所述電流調(diào)節(jié)控制器105,并 通過電流調(diào)節(jié)控制器105的輸出去調(diào)節(jié)PWM(功率驅(qū)動模塊106)，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo) 通與關(guān)斷，并通過助轉(zhuǎn)角電機(jī)107傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)108,從而實現(xiàn)對助轉(zhuǎn)角電機(jī)107的位置 跟蹤控制。
[0049] 其中，所述位置調(diào)節(jié)控制器103采用專家PID控制器，所述速率調(diào)節(jié)控制器111和 電流調(diào)節(jié)控制器105均采用PI或PID控制器。
[0050] 可見，圖4所示的主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)采用了位置速度電流三位一體的閉環(huán)控制策 略：
[0051] (1)電流環(huán)控制回路
[0052] 電流環(huán)的設(shè)計必須考慮電流的快速跟隨性能，也就是說，當(dāng)給定電流發(fā)生變化時， 控制系統(tǒng)必須迅速做出響應(yīng)，使輸出電流跟蹤給定電流的變化。由于電流環(huán)的響應(yīng)速度很 快，因此采用PI控制算法，沒有引入微分環(huán)節(jié)是為了避免微分因子的加入造成電流環(huán)的振 蕩。由于電流環(huán)的一項重要作用是保持電樞電流動態(tài)過程不超過允許值，因此在突加控制 作用時不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好。從這個角度來考慮，應(yīng)該將其校正為典型的I 型系統(tǒng)，但是電流環(huán)還需要提高其對外界的抗干擾能力，但是從本發(fā)明的目的出發(fā)，主要影 響因素和控制目標(biāo)依然是控制速度和響應(yīng)性能指標(biāo)，所以綜合考慮按照典型的I型系統(tǒng) 來設(shè)計電流環(huán)。
[0053] (2)速度環(huán)控制回路
[0054] 速度環(huán)作為三環(huán)控制中的中間環(huán)節(jié)，它與系統(tǒng)硬件部分沒有任何直接聯(lián)系。轉(zhuǎn)速 的給定由位置環(huán)調(diào)節(jié)的結(jié)果產(chǎn)生，而轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)結(jié)果則作為電流環(huán)的給定輸入，顯然，轉(zhuǎn) 速環(huán)在三環(huán)控制中起著承上啟下的作用。由于反饋速度利用反饋的轉(zhuǎn)角的微分得到，這對 反饋的角度信號提出了較高要求；速度環(huán)的控制算法與電流環(huán)的控制算法差別不大，在這 里同樣采用PI調(diào)節(jié)。原來的雙慣性環(huán)節(jié)電流控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效為 只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加速了電 流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)控制的一個重要功能。
[0055] (3)位置環(huán)控制回路
[0056] 位置環(huán)作為三環(huán)控制的最外環(huán)，直接決定控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，也是控制器設(shè) 計中最關(guān)鍵的部分。從整個控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果來看，由于控制系統(tǒng)本身的特點，從電流內(nèi) 環(huán)到轉(zhuǎn)速中間環(huán)，最后到位置外環(huán)的響應(yīng)時間逐漸變大，同時超調(diào)也有所增大，位置跟蹤效 果變差，反應(yīng)遲緩。傳統(tǒng)的PID算法雖然具有結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性較強(qiáng)的特點，但很難保證系 統(tǒng)既具有較快的響應(yīng)速度，也難保證具有較小的超調(diào)量和靜態(tài)性能，因此必須對傳統(tǒng)的PID 控制算法進(jìn)行改進(jìn)，使其盡可能的兼顧各項性能指標(biāo)。因此在最外環(huán)的位置環(huán)，采用了專家 PID控制器的控制結(jié)構(gòu)在偏差較大時采用直接開環(huán)控制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加快 響應(yīng)過程；而在偏差較小時采用積分優(yōu)化PID控制技術(shù)，消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。這 樣既保持了傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點又達(dá)到了提高系統(tǒng)性能的目的。
[0057] 關(guān)于專家PID控制器：
[0058] PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。在汽車工程研宄領(lǐng)域，運用PID控制規(guī) 律進(jìn)行車輛穩(wěn)定性控制也是一種較為普遍和簡單的方法。
[0059] 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示：
[0060] PID控制器是一線性控制器，它根據(jù)給定值（r)t與實際輸出值（c)t構(gòu)成的控制偏 差：
[0061] e (t) = r (t)-C ⑴(6-1)
[0062] 將偏差的比例（P)、積分（I)和微分（D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn) 行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：

【權(quán)利要求】
1. 一種集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主動轉(zhuǎn)向控 制系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)以及基于轉(zhuǎn)向盤力矩的 調(diào)整控制系統(tǒng)，所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)分別與車速傳感器和轉(zhuǎn)向 盤轉(zhuǎn)角傳感器連接，用于將車速傳感器輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器輸入的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角 進(jìn)行計算和處理，以輸出并形成一個總的前輪轉(zhuǎn)角控制信號發(fā)送給整車系統(tǒng)，實現(xiàn)前輪的 主動轉(zhuǎn)向；所述基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)連接于所述整車系統(tǒng)和主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng) 之間，用于將獲取的橫擺角速度值進(jìn)行處理和調(diào)整，并將處理結(jié)果反饋給所述主動轉(zhuǎn)向控 制系統(tǒng)，從而對輸出的所述前輪轉(zhuǎn)角控制信號進(jìn)行修正；所述基于轉(zhuǎn)向盤力矩的調(diào)整控制 系統(tǒng)連接于所述整車系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)之間，用于將獲取的轉(zhuǎn)向盤力矩值進(jìn)行 處理和調(diào)整，并將處理結(jié)果反饋給所述電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，從而進(jìn)一步對輸出的所述 前輪轉(zhuǎn)角控制信號進(jìn)行修正。
2. 如權(quán)利要求1所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括依次連接的控制單元、第一減法器、位置調(diào)節(jié)控制器、第二減法 器、電流調(diào)節(jié)控制器、功率驅(qū)動模塊、助轉(zhuǎn)角電機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，分別與所述助轉(zhuǎn)角電機(jī)連接 的轉(zhuǎn)角位置傳感器和電流傳感器；所述控制單元根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成位置參 考信號，所述第一減法器通過輸入的所述位置參考信號和轉(zhuǎn)角位置傳感器發(fā)送的位置反饋 信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述位置調(diào)節(jié)控制器，得到電流參考信號；所述第二減法器通 過輸入的所述電流參考信號和經(jīng)電流傳感器輸出的電流反饋信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給 所述電流調(diào)節(jié)控制器，并通過電流調(diào)節(jié)控制器的輸出去調(diào)節(jié)PWM，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo) 通與關(guān)斷，并通過助轉(zhuǎn)角電機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn)對助轉(zhuǎn)角電機(jī)的位置跟蹤控制。
3. 如權(quán)利要求1所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括依次連接的控制單元、第一減法器、位置調(diào)節(jié)控制器、第二減法 器、速率調(diào)節(jié)控制器、第三減法器、電流調(diào)節(jié)控制器、功率驅(qū)動模塊、助轉(zhuǎn)角電機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī) 構(gòu)，分別與所述助轉(zhuǎn)角電機(jī)連接的轉(zhuǎn)角位置傳感器和電流傳感器，以及連接于所述轉(zhuǎn)角位 置傳感器和第二減法器之間的微分單元，所述微分單元用于根據(jù)置傳感器發(fā)送的位置反饋 信號計算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速；所述控制單元根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成位置參考信號，所 述第一減法器通過輸入的所述位置參考信號和轉(zhuǎn)角位置傳感器發(fā)送的位置反饋信號產(chǎn)生 的偏差信號發(fā)送給所述位置調(diào)節(jié)控制器，得到速度參考信號；所述第二減法器通過輸入的 所述速度參考信號和當(dāng)前轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述速率調(diào)節(jié)控制器，得到電流參考 信號；所述第三減法器通過輸入的所述電流參考信號和經(jīng)電流傳感器輸出的電流反饋信號 產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述電流調(diào)節(jié)控制器，并通過電流調(diào)節(jié)控制器輸出PWM信號，進(jìn)而 控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，并通過助轉(zhuǎn)角電機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn)對助轉(zhuǎn)角電 機(jī)的位置跟蹤控制。
4. 如權(quán)利要求1所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括依次連接的轉(zhuǎn)向盤回正特性控制單元、第四減法器、轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)控制器、第五減法器、電流調(diào)節(jié)控制器、助力電機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，連接于所述助力電機(jī)和 第五減法器之間的電流傳感器以及連接于所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和第四減法器之間的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速 傳感器；所述轉(zhuǎn)向盤回正特性控制單元根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成轉(zhuǎn)速參考信號， 所述第四減法器通過輸入的所述轉(zhuǎn)速參考信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)送的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速反 饋信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器，得到電流參考信號；所述第五減法器 通過輸入的所述電流參考信號和經(jīng)電流傳感器輸出的電流反饋信號產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送 給所述電流調(diào)節(jié)控制器，電流調(diào)節(jié)控制器輸出的控制信號通過助轉(zhuǎn)角電機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī) 構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求1所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述基于橫擺角速度的調(diào)整控制系統(tǒng)包括汽車參考模型、第六減法器和橫擺角速度傳感 器，所述汽車參考模型根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成理想橫擺角速度，所述橫擺角速 度傳感器用于獲取整車系統(tǒng)當(dāng)前的實際橫擺角速度，所述第六減法器通過輸入的所述理想 橫擺角速度和橫擺角速度傳感器發(fā)送的實際橫擺角速度產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述主動 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，以修正所述前輪轉(zhuǎn)角控制信號，且修正后的前輪轉(zhuǎn)角控制信號由助轉(zhuǎn)角電 機(jī)通過變傳動比機(jī)構(gòu)傳遞給整車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
6. 如權(quán)利要求1所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述基于轉(zhuǎn)向盤力矩的調(diào)整控制系統(tǒng)包括基于折線性目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)向盤助力特性控制單 元、第七減法器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制器和角度扭矩傳感器，所述基于折線性目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn) 向盤助力特性控制單元根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角生成理想轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，所述角度扭矩 傳感器用于獲取整車系統(tǒng)當(dāng)前的實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，所述第七減法器通過輸入的所述理想轉(zhuǎn) 向盤轉(zhuǎn)矩和角度扭矩傳感器發(fā)送的實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的偏差信號發(fā)送給所述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn) 矩調(diào)節(jié)控制器，并將調(diào)節(jié)結(jié)果由電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的助轉(zhuǎn)角電機(jī)傳遞給整車系統(tǒng)的轉(zhuǎn) 向機(jī)構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求2所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述位置調(diào)節(jié)控制器和電流調(diào)節(jié)控制器均采用PI控制器。
8. 如權(quán)利要求3所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述位置調(diào)節(jié)控制器采用專家PID控制器，所述速率調(diào)節(jié)控制器和電流調(diào)節(jié)控制器均采用 PI或PID控制器。
9. 如權(quán)利要求4所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器，所述電流調(diào)節(jié)控制器采用專家PID控制器。
10. 如權(quán)利要求6所述的集成電動助力轉(zhuǎn)向和主動轉(zhuǎn)向的組合控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制器采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器。
【文檔編號】B62D113/00GK104477231SQ201410408993
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】向丹, 馮加洋, 楊永 申請人:廣東技術(shù)師范學(xué)院