主动转向系统变传动比的控制装置及控制方法

1.主动转向系统变传动比的控制装置，包括常规传动比控制模块、PID控制器、转角电机、电流检测器、第一累加器、第二累加器，其特征在于所述主动转向系统变传动比的控制装置还包括：第一传动比修正模块、第二传动比修正模块、开关选择器、横摆角速度状态观测器；其中：
所述常规传动比控制模块第一输入端接车速传感器，第二输入端接方向盘转角传感器，输出端接第一累加器第一输入端；
所述横摆角速度状态观测器第一输入端接车速传感器，第二输入端接前轮转角传感器；
所述开关选择器第一输入端接侧倾角传感器，第二输入端接所述横摆角速度状态观测器输出端；
所述第一传动比修正模块控制端接所述开关选择器输出端，第一输入端接方向盘转速传感器，第二输入端接方向盘转角加速度传感器，输出端接所述第一累加器的第二输入端；
所述第二传动比修正模块控制端接所述开关选择器输出端，第一输入端接侧倾角传感器，第二输入端接所述横摆角速度状态观测器输出端，输出端接所述第一累加器第二输入端；
所述电流检测器输入端接所述转角电机输出端，输出端接所述第一累加器第三输入端；
所述PID控制器输入端接所述第一累加器输出端，输出端接所述转角电机输入端；
所述第二累加器第一输入端接转角电机输出端，第二输入端接齿轮传动机构输出端，输出端接齿轮齿条转向器输入端。
2.根据权利要求1所述的主动转向系统变传动比的控制装置，其特征在于所述主动转向系统变传动比的控制装置还包括车速信号滤波器、前轮转角信号滤波器；
其中：所述车速信号滤波器输入端接车速传感器，输出端接所述横摆角速度状态观测器第一输入端；所述前轮转角信号滤波器的输入端接前轮转角传感器，输出端接所述横摆角速度状态观测器第二输入端。
3.主动转向系统变传动比的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，构建如权利要求1或2所述的主动转向系统变传动比控制装置；
步骤2，驾驶员给主动转向系统的方向盘施加转角力矩；
步骤3，常规传动比控制模块根据车速传感器测得的车速信号、方向盘转角传感器测得的方向盘转角信号，得到理想的转角电机输出电流信号；
步骤4，横摆角速度状态观测器根据车速传感器输出信号、前轮转角传感器输出信号得到横摆角速度信号；
步骤5，开关选择器根据侧倾角传感器输出信号、横摆角速度信号判断汽车操纵稳定性，触发传动比修正模块工作得到补偿电流信号，具体方式如下：
若汽车操作稳定性异常时：开关选择器触发第一传动比修正模块得到第一补偿电流信号；
若汽车操作稳定性正常时：开关选择器触发第二传动比修正模块得到第二补偿电流信号；
步骤6，第一累加器以步骤3所述的理想的转角电机输出电流信号为第一变量，以步骤
5所述的补偿电流信号为第二变量，以电流检测器测量的转角电机实际输出电流信号为第三变量，得到PID控制器的输入量；
步骤7，PID控制器处理第一累加器输出量得到转角电机输入信号，转角电机输出附加转角信号；
步骤8，第二累加器以步骤7所述的附加转角信号为第一变量，以齿轮传动机构输出量为第二变量，得到齿轮齿条转向器输入信号，车轮在齿轮齿条转动器驱动下运动。

主动转向系统变传动比的控制装置及控制方法
技术领域
[0001] 本发明公开了主动转向系统变传动比的控制装置及控制方法，属于转向系统控制的技术领域。
背景技术
[0002] 作为极其富有发展前途的主动转向系统，它保证了转向的轻便性，同时令驾驶员得到满意的转向路感。目前，国内外电动助力转向系统大多数采用固定传动比，对于液压助力转向的确做出了巨大的改性，它避免了传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变的缺点。这样就使得车辆在低速时具有良好的转向轻便性，在高速时，驾驶员获得显著的“路感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。然而汽车行驶过程中会出现很多的复杂情况并且汽车的行驶路况也是复杂多变的。固定传动比不利于改变转向系统的性能：在低速下容易出现转向盘偏沉；而在高速下，容易出现转向过度等危险工况，汽车的操纵稳定性存在隐患。
[0003] 最近几年，国内外掀起了对变传动比功能的电动助力转向系统研究的热潮，这相对于固定传动比已经做出了很大的进步。但是传动比控制仅仅通过车速信号来调整汽车的传动比，完全忽略方向盘转速和方向盘转角加速度对转向系统操纵稳定性的影响，同时因为汽车行驶的路况是及其复杂的，不能仅仅通过汽车自身的车速和方向盘转角决定传动比，没有考虑一旦汽车的稳定性出现异常时对传动比如何修正。汽车的操纵稳定性不同时，汽车传动比控制所需考虑的因素有很大的差别。因此，必须根据汽车的操纵稳定状况的不同提出不同的传动比修正方案，减少这些缺陷所带来的一些安全隐患。
[0004] 由于汽车行驶工况十分复杂,其车载传感器的测量精度、生产成本等多方面的因素,很多车辆状态变量都无法准确、可靠地通过传感器获得；同时现有的车载传感器也存在着标定误差和漂移误差,这些问题限制了汽车主动转向系统变传动比控制的进一步发展。但是汽车横摆角速度作为汽车操纵稳定的重要指标，在对汽车操纵稳定的评价和汽车传动比的控制等方面都起着至关重要的作用。为此，完全有必要利用新的控制方法，来估测汽车的横摆角速度，减少车载传感器的使用，提高横摆角速度信号的可靠性。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了主动转向系统变传动比的控制装置及控制方法。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 主动转向系统变传动比的控制装置，包括常规传动比控制模块、PID控制器、转角电机、电流检测器、第一累加器、第二累加器、第一传动比修正模块、第二传动比修正模块、开关选择器、横摆角速度状态观测器；其中：
[0008] 所述常规传动比控制模块第一输入端接车速传感器，第二输入端接方向盘转角传感器，输出端接第一累加器第一输入端；
[0009] 所述横摆角速度状态观测器第一输入端接车速传感器，第二输入端接前轮转角传感器；
[0010] 所述开关选择器第一输入端接侧倾角传感器，第二输入端接所述横摆角速度状态观测器输出端；
[0011] 所述第一传动比修正模块控制端接所述开关选择器输出端，第一输入端接方向盘转速传感器，第二输入端接方向盘转角加速度传感器，输出端接所述第一累加器的第二输入端；
[0012] 所述第二传动比修正模块控制端接所述开关选择器输出端，第一输入端接侧倾角传感器，第二输入端接所述横摆角速度状态观测器输出端，输出端接所述第一累加器第二输入端；
[0013] 所述电流检测器输入端接所述转角电机输出端，输出端接所述第一累加器第三输入端；
[0014] 所述PID控制器输入端接所述第一累加器输出端，输出端接所述转角电机输入端；
[0015] 所述第二累加器第一输入端接转角电机输出端，第二输入端接齿轮传动机构输出端，输出端接齿轮齿条转向器输入端。
[0016] 所述主动转向系统变传动比的控制装置还包括车速信号滤波器、前轮转角信号滤波器；
[0017] 其中：所述车速信号滤波器输入端接车速传感器，输出端接所述横摆角速度状态观测器第一输入端；所述前轮转角信号滤波器的输入端接前轮转角传感器，输出端接所述横摆角速度状态观测器第二输入端。
[0018] 主动转向系统变传动比的控制方法，包括如下步骤：
[0019] 步骤1，构建所述的主动转向系统变传动比控制装置；
[0020] 步骤2，驾驶员给主动转向系统的方向盘施加转角力矩；
[0021] 步骤3，常规传动比模块根据车速传感器测得的车速信号、方向盘转角传感器测得的方向盘转角信号，得到理想的转角电机输出电流信号；
[0022] 步骤4，横摆角速度状态观测器根据车速传感器输出信号、前轮转角传感器输出信号得到横摆角速度信号；
[0023] 步骤5，开关选择器根据侧倾角传感器输出信号、横摆角速度信号判断汽车操纵稳定性，触发传动比修正模块工作得到补偿电流信号，具体方式如下：
[0024] 若汽车操作稳定性异常时：开关选择器触发第一传动比修正模块得到第一补偿电流信号；
[0025] 若汽车操作稳定性正常时：开关选择器触发第二传动比修正模块得到第二补偿电流信号；
[0026] 步骤6，第一累加器以步骤3所述的理想的转角电机输出电流信号为第一变量，以步骤5所述的补偿电流信号为第二变量，以电流检测器测量的转角电机实际输出电流信号为第三变量，得到PID控制器的输入量；
[0027] 步骤7，PID控制器处理第一累加器输出量得到转角电机输入信号，转角电机输出附加转角信号；
[0028] 步骤8，第二累加器以步骤7所述的附加转角信号为第一变量，以齿轮传动机构输出量为第二变量，得到齿轮齿条转向器输入信号，车轮在齿轮齿条转动器驱动下运动。
[0029] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明不仅考虑了车速对主动转向系统的影响，还考虑了方向盘转速信号、方向盘转角信号、方向盘转角加速度信号对主动转向系统的影响，在车辆处于不同操作稳定性时选择不同的转角电机输出附加转角的补偿方案，提高了控制精度。对车速信号、前轮转角信号做消除干扰的操作，进一步提高了控制精度。
附图说明
[0030] 图1为主动转向体统变传动比控制装置的示意图。
[0031] 图2为横摆角速度状态观测器的仿真框图。
[0032] 图3为开关选择器的仿真框图。
[0033] 图4为在外界扰动下，横摆角速度传感器的测量值和状态观测器的估计值的曲线图。
[0034] 图中标号说明：1为驾驶员模型，2为方向盘模型，3为转角传感器，4为双排行星轮系，5为齿轮齿条转向器，6为常规传动比控制模块，7为电流检测器，8为PID控制器，9为转角电机，10为车轮，11为第一传动比修正模块，12为开关选择器，13为第二传动比修正模块，14为横摆角速度状态观测器，16为转角力矩，17为方向盘转角信息，18为方向盘转角新信号，19为双排行星轮系输出量，20为齿轮齿条转向器输入信号，21为车速信号，22为转角电机输出电流信号，23为PID控制器输入量，24为转角电机输入信号，25为附加转角信号，
26为转角电机实际输出电流信号，27为前轮转角信号，28为方向盘转速信号，29为方向盘转角加速度信号，30为第一补偿工作信号，31为第二补偿工作信号，32为侧倾角信号，33为补偿你电流信号，34为横摆角速度信号，35为车速传感器，36为车速传感器干扰模拟器，37为前轮转角传感器干扰模拟器，38为前轮转角模拟干扰信号，39为车速模拟干扰信号，40为前轮转角信号干扰消除器，41为车速信号干扰消除器，42为整车二自由度模型，43为无干扰的前轮转角信号，44为无干扰的车速信号，45为横向加速度信号，47为侧倾角传感器干扰模拟器，48为侧倾角传感器，49为侧倾角信号干扰消除器，50为侧倾角模拟干扰信号，
51为无干扰的侧倾角信号。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
[0036] 主动转向系统包括：方向盘、转角传感器、双排行星轮系、齿轮齿条转向器、车轮和车速传感器。本发明中的主动转向系统添加了侧倾角传感器、前轮转角传感器、方向盘转角加速度传感器、方向盘转速传感器、方向盘转角传感器。
[0037] 车速传感器：用来检测汽车的车速，通常安装在驱动桥壳内。
[0038] 方向盘转角传感器：用来检测方向盘转角，通常安装于方向盘转向管轴。
[0039] 方向盘转速传感器：用来检测方向盘转速，通常安装于方向盘转向管轴。
[0040] 方向盘转角加速度传感器：用来检测方向盘转角加速度，通常安装于方向盘转向管轴。
[0041] 侧倾角传感器：用来检测汽车的侧倾程度，通常安装于汽车车厢上。
[0042] 前轮转角传感器：用来检测前轮的转角，通常安装于前轮转向器。
[0043] 现有的主动转向系统变传动比控制装置，包括常规传动比模块、PID控制器、转角电机、电流检测器、第一累加器、第二累加器。常规传动比模块仅仅根据车速传感器测得的车速信号得到理想的转角电机输出电流信号。第一累加器累加理想的转角电机输出电流信号、转角电机实际输出电流信号得到PID控制器输入量，忽略了方向盘转速信号、方向盘转角加速度信号对主动转向系统操作稳定性的影响。
[0044] 利用仿真软件构建如图1所示的主动转向系统以及变传动比控制装置。主动转向系统包括：驾驶员模型1、方向盘模型2、转角传感器3、双排行星轮系4、齿轮齿条转向器5、车轮10。主动转向系统变传动比控制装置包括：常规传动比控制模块6、第一累加器、PID控制器8、转角电机9、电流检测器7、第二累加器、横摆角速度状态观测器14、开关选择器12、第一传动比修正模块11、第二传动比修正模块13。常规传动比控制模块6第一输入端接车速传感器，第二输入端接方向盘转角传感器，输出端接第一累加器第一输入端。横摆角速度状态观测器14第一输入端接车速传感器，第二输入端接前轮转角传感器。开关选择器12第一输入端接侧倾角传感器，第二输入端接横摆角速度状态观测器14输出端。第一传动比修正模块11控制端接开关选择器12输出端，第一输入端接方向盘转速传感器，第二输入端接方向盘转角加速度传感器，输出端接第一累加器的第二输入端。第二传动比修正模块13控制端接开关选择器12输出端，第一输入端接侧倾角传感器，第二输入端接横摆角速度状态观测器14输出端，输出端接第一累加器第二输入端。电流检测器7输入端接转角电机9输出端，输出端接第一累加器第三输入端。PID控制器8输入端接第一累加器输出端，输出端接转角电机9输入端。第二累加器第一输入端接转角电机9输出端，第二输入端接双排行星轮系4输出端，输出端接齿轮齿条转向器5输入端。车轮10接齿轮齿条转向器5输出端。
[0045] 本发明所述的主动转向系统变传动比控制装置工作原理如下：驾驶员施加转向力矩于方向盘，方向盘通过转向管柱，双排行星轮系，将方向盘角位移通过齿轮传动机构传递到齿轮齿条转向器，齿轮齿条转向器驱动车轮转过一定的角度。同时，主动转向系统对汽车行驶工况进行判断，通过转角电机的旋转带动双排行星轮系转动一定的角度。当主动转向系统需要传动比较大时，则电机旋转方向和方向盘旋转方向相反；当主动转向系统需要传动比较小时，则电机旋转方向和方向盘旋转方向一致。通过双排行星轮系对车轮施加了一个附加转角，实现了主动转向系统变传动比的功能。
[0046] 主动转向系统变传动比的控制方法，包括如下步骤：
[0047] 步骤1，构建如图1所示的主动转向系统变传动比控制装置；
[0048] 步骤2，驾驶员模型1给主动转向系统的方向盘模型2施加转角力矩16；
[0049] 步骤3，常规传动比模块6根据车速传感器测得的车速信号21(υ)、方向盘转角传感器3从方向盘转角信息17中测得的方向盘转角信号18(θ)，通过预先设定的传动比特性曲面即k(υ,θ)得到理想的转角电机输出电流信号22；
[0050] 步骤4，横摆角速度状态观测器14根据车速信号21、前轮转角信号27得到横摆角速度信号34；
[0051] 步骤5，开关选择器12根据侧倾角信号32、横摆角速度信34号判断汽车操纵稳定性，触发传动比修正模块工作得到补偿电流信号，具体方式如下：
[0052] 若汽车操作稳定性异常时：开关选择器输出第一补偿工作信号30以触发第一传动比修正模块，第一传动比修正模块根据方向盘转速信号28(ω)、方向盘转角加速度信号
29(α)、预设的传动比特性曲面即k(ω,α)得到第一补偿电流信号；
[0053] 若汽车操作稳定性正常时：开关选择器输出第二补偿工作信号31以触发第二传动比修正模块，第二传动比修正模块根据侧倾角信号32(β)、横摆角速度34(δ)，预设的传动比特性曲面即k(β,δ)得到第二补偿电流信号；
[0054] 步骤6，第一累加器以步骤3所述的理想的转角电机输出电流信号22为第一变量，以步骤5所述的补偿电流信号33为第二变量，以电流检测器7测量的转角电机实际输出电流信号26为第三变量，得到PID控制器输入量23；
[0055] 步骤7，PID控制器8处理第一累加器输出量得到转角电机输入信号24，转角电机
9输出附加转角信号25；
[0056] 步骤8，第二累加器以步骤7所述的附加转角信号25为第一变量，以双排行星轮系输出量19为第二变量，得到齿轮齿条转向器输入信号20，车轮10在齿轮齿条转动器5驱动下运动。
[0057] 横摆角速度状态观测器的仿真框图如图2所示。将车速传感器35输出车速信号
21和车速传感器干扰模拟器36发出车速模拟干扰信号39作为车速信号干扰消除器41的输入，得到无干扰的车速信号44。将前轮转角传感器34输出的前轮转角信号27和前轮转角传感器干扰模拟器37发出前轮转角模拟干扰信号38作为前轮转角信号干扰消除器40的输入得到无干扰的前轮转角信号43。同时将无干扰的车速信号44和无干扰的前轮转角信号43作为整车二自由度模型42的输入，得到横向加速度信号45。横摆角速度状态观测器14通过接收无干扰的车速信号44和横向加速度信号45，通过分析、计算，得到汽车的横摆角速度信号34。
[0058] 开关选择器的仿真框图如图3所示。侧倾角传感器48输出的侧倾角信号32和侧倾角传感器干扰模拟器47输出的侧倾角模拟干扰信号50作为侧倾角信号干扰消除器49的输入，得到无干扰的侧倾角信号51。开关控制器12接受来自于无干扰倾斜角信号51和横摆角速度状态观测器14输出的横摆角速度信号34，验证是否满足汽车操纵稳定性状况，作为开关控制器12的控制信号。采用当汽车操纵稳定性正常时，执行第二传动比修正模
13；当汽车操纵稳定性异常时，则执行第一传动比修正模型11。开关选择器12将该转角电机电流信号输入到转角电机模型9，转角电机模型9便对双排行星轮系施加一附加转角。
[0059] 汽车操纵稳定性的客观评价指标在业界没有明确的标准，因个人研究要求不同而不同。为保证汽车的安全性，本发明中所述的开关选择器以：0≤侧倾角β≤2.5°,0≤横摆角速度δ≤0.3rad/s为汽车操作稳定性的判据。当侧倾角β、横摆角速度δ满足上述判据时，判定为汽车操纵稳定性正常，执行第二传动比修正模型；当侧倾角β、横摆角速度δ满足上述判据时，则判定汽车操纵稳定性异常，执行第一传动比修正模型。所述判据仅为一种判定依据，侧倾角β、横摆角速度δ具体应当满足的条件根据研发要求而制定。
[0060] 图4为在外界扰动下，横摆角速度传感器的测量值和状态观测器的估计值的曲线图。由上图可知，在外界扰动下，横摆角速度传感器的测量值因外界干扰会产生一定的波动，而通过状态观测器得到的横摆角速度估计值不会受外界扰动的影响，估计值曲线较为平顺。因此，通过状态观测器得到的横摆角速度的值较通过传感器测量的更为精确，不受外界扰动的影响。
[0061] 利用本发明所述的主动转向系统变传动比控制系统及控制方法：汽车在低速行驶、方向盘小转角时，为减轻驾驶员负担，达到良好的转向轻便性，转向系统应有较大的传动比；而在高速行驶、方向盘大转角时，为了保障行驶安全，同时获得良好的转向路感，转向系统应有较小的传动比。因此，在主动转向系统中实现可变传动比功能，实现汽车转向轻便性和转向路感的完美融合，而且还能将汽车的安全性与灵活性有机的融合在一起，是一种理想转向系统，具有广阔的应用前景。
[0062] 综上所述，本发明不仅考虑了车速对主动转向系统的影响，还考虑了方向盘转速信号、方向盘转角信号、方向盘转角加速度信号对主动转向系统的影响，在车辆处于不同操作稳定性时选择不同的转角电机输出附加转角的补偿方案，提高了控制精度。对车速信号、前轮转角信号做消除干扰的操作，进一步提高了控制精度。