电动助力转向装置及其控制方法

1.一种电动助力转向装置，它包括：
扭矩传感器、车速传感器、电流传感器、控制单元ECU、助力电动机和减速机构；方向盘由输入轴与扭矩传感器连接在一起，扭矩传感器还与助力电动机连接在一起，扭矩传感器和助力电动机都与控制单元ECU连接；其特征在于还包括：
车轮镇定控制器和四轮驱动或制动力矩控制信号输出装置，车轮镇定控制器的组成为：
横摆角速度指令发生器，用于得到横摆角速度指令值；
状态观测器，用于获得实际的横摆角速度值和侧滑角值；
转矩分配控制器，将不同大小的驱动转矩或制动转矩分别加到各个车轮上，形成转向力矩，使转向响应速度加快；
轮胎打滑控制器，通过调节车辆轮胎与路面间的作用力，提高汽车的主动安全性能；
所述的横摆角速度指令发生器是通过检测转向轮的转向角度δf与侧滑角β之差乘*
以速度v再除以重心与转向轮之间的距离lf得到横摆角速度指令值γ。
2.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于所述的转矩分配控制器是根据车体稳定所需要的旋转力矩大小，前后车轮组平均分配驱动力矩，左右车轮组互补分配转向力矩；或者采用只在前轮或后轮上对转矩进行平均分配。
3.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于所述的轮胎打滑控制器是基于车轮速度计算加速度及驱动力信号，观测车体等效转动惯量，构建外部扰动信号观测器，从而形成轮胎打滑控制器。
4.一种权利要求1所述的电动助力转向装置的控制方法，其特征在于包括的步骤：
1)检测或读取方向盘的转角，计算转向轮的转向角度；
2)通过车身横摆角速度指令发生器得到横摆角速度指令值；
3)通过状态观测器获得实际的车身横摆角速度和侧滑角度值；
4)采用前馈和PI调节器调节转向辅助转矩，通过转矩分配控制器将不同大小的驱动转矩或制动转矩分别加到各个车轮上，形成转向力矩，使转向响应速度加快、动作准确；
5)轮胎打滑控制器通过调节车辆轮胎与路面间的作用力，提高汽车的主动安全性能；
6)EPS失效时，通过检测方向盘的转角或转矩确定驾驶员希望的转向角δf，调节各个车轮的驱动转矩或制动转矩，形成车身转向力矩，强制车身按照驾驶员的控制要求转向，实现EPS的故障安全功能。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于通过扭矩传感器或电机上的位置传感器，或从控制单元EUC得到转向角度值，计算转向轮的转向角度或转向辅助力矩指令值。

电动助力转向装置及其控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种电动助力转向装置及其控制方法，具体为一种四轮制动分配控制的电动助力转向装置的故障安全控制策略。\n背景技术\n[0002] 电动助力转向系统(EPS，Electric Power Steering)作为汽车主动安全性的关键组成，它直接影响着车辆2运行时的安全和操纵稳定性。随着现代汽车技术的迅猛发展，汽车转向机构的安全性也逐渐成为研究的重点。近年来，随着人们对安全、环保和节能的呼声越来越高，汽车电动助力转向系统作为一种“按需型”的转向机构受到业界的普遍青睐，代表了未来汽车转向技术的发展方向。当前技术中存在的缺陷有：(1)EPS本身难以补偿由于路面和车况原因造成的转向不足(under steering)和转向过度(over steering)问题，(2)在EPS失效的情况下，自身无法维持转向助力控制功能。当车辆2疾速行驶时，车轮与路面之问的附着力降低，即使是最好的驾驶员也很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，这时就需要EPS系统以避免交通事故的发生。但当EPS系统出现故障不能正常运行时，在转弯的时候容易发生翻车事故。\n[0003] EPS系统故障的安全控制问题可以表述如下：在汽车行驶过程中，因外界干扰，比如行人、车辆2或环境等突然变化(结冰、湿滑，以及碎石等)情况下，驾驶员采取一些紧急避让措施，使汽车进入不稳定行驶状态，即出现偏离预定行驶路线或翻转趋势等危险状态，而此时EPS系统的任意一个或几个环节发生故障，驾驶员做出反应，方向盘9有角度时，可以利用方向盘转角传感器检测方向盘9产生的角度，采用X-By-Wire系统用电来控制会大大地减小延迟，为危险情况下的紧急处理赢得了宝贵的时间，方向盘9无角度时可以利用力矩传感器检测扭动力矩来达到对车身的控制。从而能够自动并及时地帮助驾驶员改善汽车稳定性。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于提供一种电动助力转向装置及其控制方法，可以克服现有技术的缺陷。本发明是对四轮制动力矩或驱动力矩信号分配，辅助EPS转向或镇定车体动态，确保转向动作的完成，实现EPS故障安全控制，保证车辆的安全控制。\n[0005] 本发明提供的电动助力转向装置包括：扭矩传感器、车速传感器、电流传感器、控制单元ECU(Electronic Control Unit)、助力电动机和减速机构；方向盘由输入轴与扭矩传感器连接在一起，扭矩传感器还与助力电动机连接在一起，扭矩传感器和助力电动机都与控制单元ECU连接。还包括车轮镇定控制器，组成为：\n[0006] 车轮镇定控制器和四轮驱动或制动力矩控制信号输出装置，车轮镇定控制器的组成为：\n[0007] 横摆角速度指令发生器，用于得到横摆角速度指令值；\n[0008] 状态观测器，用于获得实际的横摆角速度值和侧滑角度值；\n[0009] 转矩分配控制器，将不同大小的驱动转矩或制动转矩分别加到各个车轮上，形成转向力矩，使转向响应速度加快；\n[0010] 轮胎打滑控制器，通过调节车辆轮胎与路面间的作用力，提高汽车的主动安全性能。\n[0011] 所述的横摆角速度指令发生器是通过检测转向轮的转向角度δf与侧滑角β之*\n差乘以速度v再除以重心与转向轮之间的距离lf得到横摆角速度指令值γ。\n[0012] 所述的状态观测器包括两个输入，即u和y，输出为 观测器含n个积分器并对全部状态变量作出估计，G为观测器输出反馈阵，它把 负反馈至 处，使为配置观测器极点，提高其动态性能，尽快使 逼近于零而引入的，它是一种输出反馈。\n[0013] 所述的转矩分配控制器是根据车体稳定所需要的旋转力矩大小，前后车轮组平均分配驱动力矩，左右车轮组互补分配转向力矩；或者采用只在前轮或后轮上对转矩进行平均分配。\n[0014] 所述的轮胎打滑控制器是基于车轮速度计算加速度及驱动力信号，观测车体等效转动惯量，构建外部扰动信号观测器，从而形成轮胎打滑控制器。\n[0015] 本发明提供的电动助力转向控制方法包括的步骤：\n[0016] 1)通过检测方向盘的转角或转矩得到转向轮的转向角度；\n[0017] 2)通过车身横摆角速度指令发生器得到预期的横摆角速度指令值；\n[0018] 3)通过状态观测器获得实际的横摆角速度和侧滑角度值；\n[0019] 4)采用前馈和PI调节器调节辅助转向转矩，通过转矩分配控制器将不同大小的驱动转矩或制动转矩分别加到各个车轮上，形成转向力矩，使转向响应速度加快、动作准确。\n[0020] 5)轮胎打滑控制器通过调节车辆轮胎与路面间的作用力，提高汽车的主动安全性能。\n[0021] 当EPS失效时，通过检测方向盘的转角或转矩确定驾驶员希望的转向角δf，调节各个车轮的驱动转矩或制动转矩，形成车身转向力矩，强制车身按照驾驶员的控制要求转向，实现EPS的故障安全功能。\n[0022] 本发明提供一种电动助力转向装置及其控制方法可以克服现有技术的缺陷。本发明是对四轮制动与驱动力矩信号分配，辅助EPS转向或镇定车体动态，确保转向动作的完成，实现EPS故障安全控制，保证车辆的安全控制。特别是：\n[0023] (1)适于在出现EPS本身难以补偿的由于路面和车况等原因造成的转向不足和转向过度问题时，确保转向动作的安全完成，避免交通事故的发生。\n[0024] (2)在EPS失效的情况下，仍能准确保证汽车行驶的稳定性，避免了交通事故的发生。该设计具有操作快速、运行可靠、成本低等优点。\n附图说明\n[0025] 图1为司机-车辆模型。\n[0026] 图2为车辆坐标系与汽车的主要运动形式。\n[0027] 图3为状态观测器的结构框图。\n[0028] 图4为将车身坐标和路面坐标投影到水平面。\n[0029] 图5为打滑控制器的结构框图。\n[0030] 图6为车轮镇定控制器模型。\n[0031] 图7为电动助力转向装置的结构示意图。\n[0032] 图8是本发明的控制流程图。\n[0033] 图9是本发明的控制流程图。\n[0034] 图10是车辆重心轨迹仿真曲线。\n[0035] 图11是不带有本发明装置的EPS故障失效后的横摆角速度和转向曲线。\n[0036] 图12是带有本发明装置的EPS故障失效后的横摆角速度和转向轨迹曲线。\n具体实施方式\n[0037] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。\n[0038] 如图所示，1是司机，2是车辆，3是电动转向器，4是所需侧向速度，5是助力扭矩，\n6是汽车横摆角速度，7是转向角，8是司机扭矩，9是操纵方向盘，10是扭矩传感器，11是助力电动机，12是四轮驱制动信号，13是传感器信号，15是加速度，16是控制单元ECU，17扭矩传感器信号，18是助力电流。\n[0039] EPS由扭矩传感器10、车速传感器、电流传感器、控制单元ECU16、助力电动机11和减速机构等组成。其中，扭矩传感器10和转角传感器是EPS中最为核心的传感器。早期的EPS，特别是低速型(只在某一车速以下提供助力效果)EPS，还带有电磁离合器。当车速超过某一设定值(如30km/h)时，由于高速时转向阻力力矩减小，驾驶员操纵方向盘9即可转向，ECU 16控制电磁离合器分开，此时相当于手动转向。带有离合器的EPS在出现故障时，由ECU 16控制离合器分开，断开电动机的助力效果，系统进入手动转向模式。\n[0040] EPS工作过程原理为：扭矩传感器10与转向轴(小齿轮轴)连接在一起，驾驶员转动方向盘9时，扭矩传感器10开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给ECU16，ECU16根据车速传感器信号13、扭矩传感器信号17和x、y加速度15决定电动机的旋转方向和助力电流18大小，并输出四轮驱制动信号12，通过对四轮制动力矩或驱动力矩的分配，辅助EPS转向或镇定车体动态，从而实时控制助力转向。\n它可以很容易实现电动机在不同车速时提供不同的助力效果，保证汽车低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。因此EPS转向特性的设置具有较高的自由度。\n[0041] 图1描述了车身在空间运动的六个自由度及坐标系。以车辆坐标系为基准，可将汽车的运动分解为：(1)沿x轴的纵向运动；(2)沿y轴的侧向运动；(3)沿z轴的垂直运动；(4)绕x轴的侧倾运动；(5)绕y轴的俯仰运动；(6)绕z轴的横摆运动。一般认为汽车的横摆角速度γ6和质心侧偏角β是描述汽车运动状态的重要参数，这两个参数能够在很大程度上表征汽车的稳定性。因此在对汽车进行操纵稳定性的分析中主要考虑与这两个参数密切相关的纵向运动、横摆运动和侧向运动。\n[0042] 图2为将图1的车辆坐标系和路面坐标系投影到水平面的三自由度汽车模型，忽略前后轮距的微小差别，P为车辆的重心，lf为P到前轴的距离，lr为P到后轴的距离，αf为前轮侧偏角，αr为后轮侧偏角，δf为转向轮的转向角度，v为车速。Fx_fl，Fx_fr，Fx_rr，Fx_rl分别为左前、右前、左后、右后轮胎纵向力Fy_fl，Fy_fr，Fy_rl，Fy_rr分别为左前、右前、左后、右后轮胎横向力，I为汽车的转动惯量。γ为汽车横摆角速度6。β为汽车车体侧滑角。N为左右侧受力之差造成的车身转向扭矩。\n[0043] 根据牛顿力学定律列出如下汽车运动方程：\n[0044] 纵向运动：max＝Fx_fl+Fx_fr+Fx_rl+Fx_rr\n[0045] 横向运动：may＝Fy_fl+Fy_fr+Fy_rl+Fy_rr\n[0046] 摆运动：\n[0047] \n[0048] 轮胎所受的横向力可由下式表示：\n[0049] Fy_fl＝αfCfl Fy_fr＝αfCfr\n[0050] Fy_rl＝αrCrl Fy_rr＝αrCrr\n[0051] Cfl～Crr分别是每个轮的侧偏刚度。\n[0052] 将车身速度在车轮中心平行于车身坐标系的方向进行分解，即可求得车轮中心在车身坐标上的速度分量\n[0053] \n[0054] \n[0055] \n[0056] \n[0057] 因此各轮胎的侧偏角(车本身斜向行进的速度与轮胎有一定夹角)的表达式为：\n[0058] \n[0059] \n[0060] \n[0061] \n[0062] 把静止坐标系X-O-Y下的加速度分别投影到车身坐标系x-y的x轴、y轴上：\n[0063] \n[0064] \n[0065] 这样得到汽车的加速度为：\n[0066] \n[0067] 电动汽车的重心侧滑角β的表达式为：\n[0068] \n[0069] 将β、γ作为状态量，系统的状态方程为：\n[0070] \n[0071] 其中，\n[0072] \n[0073] \n[0074] 图3为构造的β角状态观测器的结构示意图。为充分反映车辆在线性区和非线性区的运行状态，将全部的状态变量(车身横摆角速度γ和车体侧滑角β)都用于状态观测器的状态估计中，并将车辆横摆角速度γ和车体侧向加速度ay作为状态观测器的输出反馈变量。为此，在状态观测器设计中，首先重新构造ay：\n[0075] ay＝v(a11β+a12γ+b11δ+γ)\n[0076] 该状态观测器的状态方程及输出方程为：\n[0077] \n[0078] \n[0079] 式中：\n[0080] C＝[va11v(a12+1)]，D＝[vb11 0]，y＝[ay]\n[0081] G是状态观测器的反馈增益矩阵，是x的估计值。\n[0082] 系统的可观性由下式决定：\n[0083] \n[0084] 化简得：\n[0085] \n[0086] 状态观测器鲁棒性和稳定性的关键首先在于合理构造增益矩阵G的值，即G值的设计要考虑减小模型误差的影响，同时，矩阵A-GC的特征值都应该在稳定的区域内。\n[0087] 状态观测器的系数矩阵为：A+GC\n[0088] \n[0089] \n[0090] 状态观测器特征方程为：\n[0091] \n[0092] \n[0093] \n[0094] \n[0095] 可以假设系统在稳定区域内的极点为s＝-p\n[0096] 对应特征方程为：\n[0097] f*(s)＝(s+p)2＝s2+2ps+p2＝0\n[0098] f(s)与f*(s)对应待定系数得如下方程：\n[0099] \n[0100] 解方程组可得到状态观测器的反馈增益矩阵G\n[0101] \n[0102] \n[0103] \n[0104] 反馈增益矩阵G根据系统传递函数的稳定区间内的极点来进行改变，达到系统现场稳定的要求。\n[0105] 本发明所设计的控制器如图4所示，主要包括以下几个部分：横摆角速度指令发生器、转矩分配控制器(TDC)、轮胎打滑控制器(WSC)，和状态观测器。当EPS失效时，通过检测方向盘9的转角或转矩而得到转向轮的转向角度δf，通过横摆角速度指令发生器得到预期的横摆角速度γ值，采用前馈和PI(比例积分)调节器调节使响应速度加快、动作准确，转矩分配控制器分配驱动转矩或制动转矩借助轮胎打滑控制器作用于车身，通过状态观测器检测γ，β值来组成闭环控制。\n[0106] 当电动车转弯时，轮胎的方向与实际移动方向间有一定夹角：\n[0107] \n[0108] 提高电动车的操作性能的方法是尽量使电动车的前轮沿着导航角的方向前进，即尽量减小αf。因此按照下述关系式：\n[0109] γ*＝(δf-β)v/lf\n[0110] 可以得到最佳横摆角速度指令值γ*。\n[0111] 根据车体稳定所需要的旋转力矩大小，前后车轮组平均分配驱动力矩，左右车轮组互补分配转向力矩。具体的转矩分配控制器可以用如下方法实现：\n[0112] N＝Nf+Nr\n[0113] \n[0114] \n[0115] \n[0116] \n[0117] \n[0118] \n[0119] 其中Nf是前车轮驱动力矩，Nr是后车轮驱动力矩，d是两轮间的距离。\n[0120] 或者采用只在前轮或后轮上进行转矩平均分配的方法。即\n[0121] 或\n[0122] 驱动力或制动力经由车轮镇定控制器送到车轮上。车轮镇定控制器的工作原理是，构建一个负载观测器，让车轮按照车轮动力模型，根据驱动力指令值产生速度，即便在容易打滑的路面上，也会把打滑限制在允许范围内。车轮镇定控制器如图6所示，其闭环传递函数可以描述为：\n[0123] \n[0124] 其中τ1，τ2是低通滤波器的时间常数，Jn折合到车轮上的全部转动惯量的额定值，J是车轮上的全部转动惯量的实际观测值\n[0125] 当J＝Jn时，闭环传递函数等于1；打滑发生时车体在车轮上的等效转动惯量就会减小，传递函数就会小于1，这样就减小了车轮的驱动转矩，从而抑制打滑的进一步发展。\n[0126] (参考文献Lianbing Li，Shinya Kodama，Yoichi Hori.Anti-Skid Control forEV Using Dynamic Model Error based on Back-EMF Observer.Proc.IECON 2004，Busan，Korea)。\n[0127] 通过判断扭矩传感器和横轴加速度变化的因果关系，可以判定EPS是否因故障而失效。\n[0128] 在EPS发生故障失效的情况下，通过检测扭矩传感器的输出值，用如下公式推测驾驶员的转向角度指令值：\n[0129] \n[0130] 其中 是转向角度指令值的推测值，TS是图7中扭矩传感器10的输出值17，K是把输出值17转换为转向角度指令值的推测值的比例系数，其大小为大于0，在0.035附近。\n[0131] 图8和图9是本发明的控制流程图。图8中，在EPS正常工作的情况下，通过检测扭矩传感器信号或从EPS的ECU中读取，获得一个适当的辅助转向力矩指令值，然后由力矩分配环节分配至各个车轮。并不对车身转向姿态进行闭环反馈。\n[0132] 图8的EPS故障失效情况和图9的两种情况，均采用车身转向姿态进行闭环反馈。\n[0133] 本装置采用表1所示数据，采用日本尼桑系列，三月号(MARCH)车型，依据上述四轮车辆模型，\n[0134] 其中，\n[0135] \n[0136] \n[0137] 在摩擦系数为1.0的干燥柏油路面上进行计算机仿真测试，仿真结果如图10～12所示。\n[0138] 表1车辆仿真模型参数\n[0139] \n 系统参数 数值 单位\n 车胎\n 半径r 0.26 米\n2\n 转动惯量Jr 2.5 kgm\n 车轮阻力Fr 11*9.8 牛顿\n 减速比Ngear 13.4\n 电机转矩系数CT 0.2122\n 车轮折算质量Mw Jr/r/r\n4\n 2.5×10\n*\n 侧偏刚度Cfl，Cfr，Crl，Crr\n 车身\n 质量M 1100 kg\n 全长lall 3.7 米\n2\n 转动惯量I kgm\n 重心到前轴距离lf 1.0 米\n 重心到后轴距离lr 1.36 米\n 前后轴距l Lf+lr 米\n**\n 前轮轴距df 1.36 米\n 后轮轴距dr** 1.33 米\n2 2\n 空气阻力Fa 0.552 Ns/m\n 其他初始参数\n 车身初始速度V_init 15 米/秒\n 车轮初始速度Vw_init 15 米/秒\n 初始侧滑角β_init 0 rad\n 初始横摆角速度γ_init 0 rad/sec\n[0140] *Cfl，Cfr，Crl，Crr取其平均值。\n[0141] **前后轴距近似一致，因此取平均值，并均用d表示。\n[0142] 图10是车辆重心轨迹仿真曲线。图10中I是不加本发明装置的车辆重心轨迹仿真曲线，由于转向控制精度低，响应有滞后，驾驶员多次修正轨迹，II是使用本分明装置后的车辆重心转向轨迹仿真曲线，曲线表明增加本装置后转向控制准确度改善。\n[0143] 图11是不带有本发明装置的EPS故障失效后的横摆角速度和转向曲线。III图是车速V和轮速Vw，IV图是横摆角，V图是横摆角速度，VI图是转向角度。VII图是车辆重心轨迹。\n[0144] 图12是带有本发明装置的EPS故障失效后的横摆角速度和转向轨迹曲线。VIII图是车速V和轮速Vw，IX图是横摆角，X图是横摆角速度，XI图是转向角度。XII图是车辆重心轨迹。\n[0145] 图10表明EPS故障失效后不能转向。图12表明增加本发明装置后，EPS故障失效后仍能通过四轮转矩分配控制实现转向操作。\n[0146] 本发明是在电动助力转向系统EPS的基础上，通过对四轮制动力矩或驱动力矩的分配，辅助EPS转向或镇定车体动态，保证车辆2的安全控制。使汽车能在原有的EPS系统失效或EPS本身难以补偿由于路面和车况原因造成的转向不足和转向过度问题的情况下，驾驶员做出反应，通过检测方向盘9的转角或转矩得到转向轮的转向角度δf，通过横摆角速度指令发生器得到预期的γ值，通过状态观测器获得实际的横摆角速度γ和侧滑角β值，对横摆角速度通过转向动作的稳定控制的同时，输出四轮制动与驱动分配信号，采用前馈和PI调节器调节辅助转向转矩，通过转矩分配控制器将不同大小的驱动转矩或制动转矩分别加到各个车轮上，形成转向力矩，使转向响应速度加快、动作准确，实现EPS的故障安全功能。该系统不仅在EPS正常情况下能够保证车辆2的稳定运行，即使在EPS失效时也能保证汽车的正常转向。