專利名稱：電動助力轉(zhuǎn)向裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動助力轉(zhuǎn)向裝置及其控制方法，具體為一種四輪制動分配控制的電動助力轉(zhuǎn)向裝置的故障安全控制策略。

背景技術(shù)：
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS，Electric Power Steering)作為汽車主動安全性的關(guān)鍵組成，它直接影響著車輛2運(yùn)行時(shí)的安全和操縱穩(wěn)定性。隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安全性也逐漸成為研究的重點(diǎn)。近年來，隨著人們對安全、環(huán)保和節(jié)能的呼聲越來越高，汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種“按需型”的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)受到業(yè)界的普遍青睞，代表了未來汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)前技術(shù)中存在的缺陷有(1)EPS本身難以補(bǔ)償由于路面和車況原因造成的轉(zhuǎn)向不足(under steering)和轉(zhuǎn)向過度(over steering)問題，(2)在EPS失效的情況下，自身無法維持轉(zhuǎn)向助力控制功能。當(dāng)車輛2疾速行駛時(shí)，車輪與路面之問的附著力降低，即使是最好的駕駛員也很難將高速行駛的汽車保持在預(yù)定的路線上，汽車容易發(fā)生側(cè)滑和跑偏，失去方向穩(wěn)定性，甚至在急轉(zhuǎn)彎的時(shí)候發(fā)生翻車事故，這時(shí)就需要EPS系統(tǒng)以避免交通事故的發(fā)生。但當(dāng)EPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候容易發(fā)生翻車事故。
EPS系統(tǒng)故障的安全控制問題可以表述如下在汽車行駛過程中，因外界干擾，比如行人、車輛2或環(huán)境等突然變化(結(jié)冰、濕滑，以及碎石等)情況下，駕駛員采取一些緊急避讓措施，使汽車進(jìn)入不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，即出現(xiàn)偏離預(yù)定行駛路線或翻轉(zhuǎn)趨勢等危險(xiǎn)狀態(tài)，而此時(shí)EPS系統(tǒng)的任意一個或幾個環(huán)節(jié)發(fā)生故障，駕駛員做出反應(yīng)，方向盤9有角度時(shí)，可以利用方向盤轉(zhuǎn)角傳感器檢測方向盤9產(chǎn)生的角度，采用X-By-Wire系統(tǒng)用電來控制會大大地減小延遲，為危險(xiǎn)情況下的緊急處理贏得了寶貴的時(shí)間，方向盤9無角度時(shí)可以利用力矩傳感器檢測扭動力矩來達(dá)到對車身的控制。從而能夠自動并及時(shí)地幫助駕駛員改善汽車穩(wěn)定性。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電動助力轉(zhuǎn)向裝置及其控制方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。本發(fā)明是對四輪制動力矩或驅(qū)動力矩信號分配，輔助EPS轉(zhuǎn)向或鎮(zhèn)定車體動態(tài)，確保轉(zhuǎn)向動作的完成，實(shí)現(xiàn)EPS故障安全控制，保證車輛的安全控制。
本發(fā)明提供的電動助力轉(zhuǎn)向裝置包括扭矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、控制單元ECU(Electronic Control Unit)、助力電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)；方向盤由輸入軸與扭矩傳感器連接在一起，扭矩傳感器還與助力電動機(jī)連接在一起，扭矩傳感器和助力電動機(jī)都與控制單元ECU連接。還包括車輪鎮(zhèn)定控制器，組成為 車輪鎮(zhèn)定控制器和四輪驅(qū)動或制動力矩控制信號輸出裝置，車輪鎮(zhèn)定控制器的組成為 橫擺角速度指令發(fā)生器，用于得到橫擺角速度指令值； 狀態(tài)觀測器，用于獲得實(shí)際的橫擺角速度值和側(cè)滑角度值； 轉(zhuǎn)矩分配控制器，將不同大小的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩分別加到各個車輪上，形成轉(zhuǎn)向力矩，使轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度加快； 輪胎打滑控制器，通過調(diào)節(jié)車輛輪胎與路面間的作用力，提高汽車的主動安全性能。
所述的橫擺角速度指令發(fā)生器是通過檢測轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度δf與側(cè)滑角β之差乘以速度v再除以重心與轉(zhuǎn)向輪之間的距離lf得到橫擺角速度指令值γ*。
所述的狀態(tài)觀測器包括兩個輸入，即u和y，輸出為

，觀測器含n個積分器并對全部狀態(tài)變量作出估計(jì)，G為觀測器輸出反饋陣，它把

負(fù)反饋至

處，使為配置觀測器極點(diǎn)，提高其動態(tài)性能，盡快使

逼近于零而引入的，它是一種輸出反饋。
所述的轉(zhuǎn)矩分配控制器是根據(jù)車體穩(wěn)定所需要的旋轉(zhuǎn)力矩大小，前后車輪組平均分配驅(qū)動力矩，左右車輪組互補(bǔ)分配轉(zhuǎn)向力矩；或者采用只在前輪或后輪上對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行平均分配。
所述的輪胎打滑控制器是基于車輪速度計(jì)算加速度及驅(qū)動力信號，觀測車體等效轉(zhuǎn)動慣量，構(gòu)建外部擾動信號觀測器，從而形成輪胎打滑控制器。
本發(fā)明提供的電動助力轉(zhuǎn)向控制方法包括的步驟 1)通過檢測方向盤的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)矩得到轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度； 2)通過車身橫擺角速度指令發(fā)生器得到預(yù)期的橫擺角速度指令值； 3)通過狀態(tài)觀測器獲得實(shí)際的橫擺角速度和側(cè)滑角度值； 4)采用前饋和PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輔助轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩分配控制器將不同大小的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩分別加到各個車輪上，形成轉(zhuǎn)向力矩，使轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度加快、動作準(zhǔn)確。
5)輪胎打滑控制器通過調(diào)節(jié)車輛輪胎與路面間的作用力，提高汽車的主動安全性能。
當(dāng)EPS失效時(shí)，通過檢測方向盤的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)矩確定駕駛員希望的轉(zhuǎn)向角δf，調(diào)節(jié)各個車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩，形成車身轉(zhuǎn)向力矩，強(qiáng)制車身按照駕駛員的控制要求轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)EPS的故障安全功能。
本發(fā)明提供一種電動助力轉(zhuǎn)向裝置及其控制方法可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。本發(fā)明是對四輪制動與驅(qū)動力矩信號分配，輔助EPS轉(zhuǎn)向或鎮(zhèn)定車體動態(tài)，確保轉(zhuǎn)向動作的完成，實(shí)現(xiàn)EPS故障安全控制，保證車輛的安全控制。特別是 (1)適于在出現(xiàn)EPS本身難以補(bǔ)償?shù)挠捎诼访婧蛙嚊r等原因造成的轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過度問題時(shí)，確保轉(zhuǎn)向動作的安全完成，避免交通事故的發(fā)生。
(2)在EPS失效的情況下，仍能準(zhǔn)確保證汽車行駛的穩(wěn)定性，避免了交通事故的發(fā)生。該設(shè)計(jì)具有操作快速、運(yùn)行可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。



圖1為司機(jī)-車輛模型。
圖2為車輛坐標(biāo)系與汽車的主要運(yùn)動形式。
圖3為狀態(tài)觀測器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為將車身坐標(biāo)和路面坐標(biāo)投影到水平面。
圖5為打滑控制器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖6為車輪鎮(zhèn)定控制器模型。
圖7為電動助力轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明的控制流程圖。
圖9是本發(fā)明的控制流程圖。
圖10是車輛重心軌跡仿真曲線。
圖11是不帶有本發(fā)明裝置的EPS故障失效后的橫擺角速度和轉(zhuǎn)向曲線。
圖12是帶有本發(fā)明裝置的EPS故障失效后的橫擺角速度和轉(zhuǎn)向軌跡曲線。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
如圖所示，1是司機(jī)，2是車輛，3是電動轉(zhuǎn)向器，4是所需側(cè)向速度，5是助力扭矩，6是汽車橫擺角速度，7是轉(zhuǎn)向角，8是司機(jī)扭矩，9是操縱方向盤，10是扭矩傳感器，11是助力電動機(jī)，12是四輪驅(qū)制動信號，13是傳感器信號，15是加速度，16是控制單元ECU，17扭矩傳感器信號，18是助力電流。
EPS由扭矩傳感器10、車速傳感器、電流傳感器、控制單元ECU16、助力電動機(jī)11和減速機(jī)構(gòu)等組成。其中，扭矩傳感器10和轉(zhuǎn)角傳感器是EPS中最為核心的傳感器。早期的EPS，特別是低速型(只在某一車速以下提供助力效果)EPS，還帶有電磁離合器。當(dāng)車速超過某一設(shè)定值(如30km/h)時(shí)，由于高速時(shí)轉(zhuǎn)向阻力力矩減小，駕駛員操縱方向盤9即可轉(zhuǎn)向，ECU 16控制電磁離合器分開，此時(shí)相當(dāng)于手動轉(zhuǎn)向。帶有離合器的EPS在出現(xiàn)故障時(shí)，由ECU 16控制離合器分開，斷開電動機(jī)的助力效果，系統(tǒng)進(jìn)入手動轉(zhuǎn)向模式。
EPS工作過程原理為扭矩傳感器10與轉(zhuǎn)向軸(小齒輪軸)連接在一起，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤9時(shí)，扭矩傳感器10開始工作，把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)動位移變成電信號傳給ECU16，ECU16根據(jù)車速傳感器信號13、扭矩傳感器信號17和x、y加速度15決定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流18大小，并輸出四輪驅(qū)制動信號12，通過對四輪制動力矩或驅(qū)動力矩的分配，輔助EPS轉(zhuǎn)向或鎮(zhèn)定車體動態(tài)，從而實(shí)時(shí)控制助力轉(zhuǎn)向。它可以很容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)在不同車速時(shí)提供不同的助力效果，保證汽車低速行駛時(shí)輕便靈活，高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。因此EPS轉(zhuǎn)向特性的設(shè)置具有較高的自由度。
圖1描述了車身在空間運(yùn)動的六個自由度及坐標(biāo)系。以車輛坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，可將汽車的運(yùn)動分解為(1)沿x軸的縱向運(yùn)動；(2)沿y軸的側(cè)向運(yùn)動；(3)沿z軸的垂直運(yùn)動；(4)繞x軸的側(cè)傾運(yùn)動；(5)繞y軸的俯仰運(yùn)動；(6)繞z軸的橫擺運(yùn)動。一般認(rèn)為汽車的橫擺角速度γ6和質(zhì)心側(cè)偏角β是描述汽車運(yùn)動狀態(tài)的重要參數(shù)，這兩個參數(shù)能夠在很大程度上表征汽車的穩(wěn)定性。因此在對汽車進(jìn)行操縱穩(wěn)定性的分析中主要考慮與這兩個參數(shù)密切相關(guān)的縱向運(yùn)動、橫擺運(yùn)動和側(cè)向運(yùn)動。
圖2為將圖1的車輛坐標(biāo)系和路面坐標(biāo)系投影到水平面的三自由度汽車模型，忽略前后輪距的微小差別，P為車輛的重心，lf為P到前軸的距離，lr為P到后軸的距離，αf為前輪側(cè)偏角，αr為后輪側(cè)偏角，δf為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度，v為車速。Fx_fl，F(xiàn)x_fr，F(xiàn)x_rr，F(xiàn)x_rl分別為左前、右前、左后、右后輪胎縱向力Fy_fl，F(xiàn)y_fr，F(xiàn)r_rl，F(xiàn)y_rr分別為左前、右前、左后、右后輪胎橫向力，I為汽車的轉(zhuǎn)動慣量。γ為汽車橫擺角速度6。β為汽車車體側(cè)滑角。N為左右側(cè)受力之差造成的車身轉(zhuǎn)向扭矩。
根據(jù)牛頓力學(xué)定律列出如下汽車運(yùn)動方程 縱向運(yùn)動max＝Fx_fl+Fx_fr+Fx_rl+Fx_rr 橫向運(yùn)動may＝Fy_fl+Fy_fr+Fy_rl+Fy_rr 擺運(yùn)動 輪胎所受的橫向力可由下式表示 Fy_fl＝αfCfl Fy_fr＝αfCfr Fy_rl＝αfCrl Fy_rr＝αrCrr Cfl～Crr分別是每個輪的側(cè)偏剛度。
將車身速度在車輪中心平行于車身坐標(biāo)系的方向進(jìn)行分解，即可求得車輪中心在車身坐標(biāo)上的速度分量 vy_fl＝vsinβ+γlf vy_fr＝vsinβ+γlf vy_rl＝vsinβ-γlr vy_rr＝vsinβ-γlr 因此各輪胎的側(cè)偏角(車本身斜向行進(jìn)的速度與輪胎有一定夾角)的表達(dá)式為 把靜止坐標(biāo)系X-O-Y下的加速度分別投影到車身坐標(biāo)系x-y的x軸、y軸上 這樣得到汽車的加速度為 電動汽車的重心側(cè)滑角β的表達(dá)式為 將β、γ作為狀態(tài)量，系統(tǒng)的狀態(tài)方程為 其中， 圖3為構(gòu)造的β角狀態(tài)觀測器的結(jié)構(gòu)示意圖。為充分反映車輛在線性區(qū)和非線性區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，將全部的狀態(tài)變量(車身橫擺角速度γ和車體側(cè)滑角β)都用于狀態(tài)觀測器的狀態(tài)估計(jì)中，并將車輛橫擺角速度γ和車體側(cè)向加速度ay作為狀態(tài)觀測器的輸出反饋?zhàn)兞?。為此，在狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)中，首先重新構(gòu)造ay ay＝v(a11β+a12γ+b11δ+γ) 該狀態(tài)觀測器的狀態(tài)方程及輸出方程為 式中 C＝[va11 v(a12+1)]，D＝[vb11 0]，y＝[ay] G是狀態(tài)觀測器的反饋增益矩陣，

是x的估計(jì)值。
系統(tǒng)的可觀性由下式?jīng)Q定 化簡得 狀態(tài)觀測器魯棒性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵首先在于合理構(gòu)造增益矩陣G的值，即G值的設(shè)計(jì)要考慮減小模型誤差的影響，同時(shí)，矩陣A-GC的特征值都應(yīng)該在穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)。
狀態(tài)觀測器的系數(shù)矩陣為A+GC 狀態(tài)觀測器特征方程為 可以假設(shè)系統(tǒng)在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的極點(diǎn)為s＝-p 對應(yīng)特征方程為 f*(s)＝(s+p)2＝s2+2ps+p2＝0 f(s)與f*(s)對應(yīng)待定系數(shù)得如下方程 解方程組可得到狀態(tài)觀測器的反饋增益矩陣G 反饋增益矩陣G根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)的極點(diǎn)來進(jìn)行改變，達(dá)到系統(tǒng)現(xiàn)場穩(wěn)定的要求。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的控制器如圖4所示，主要包括以下幾個部分橫擺角速度指令發(fā)生器、轉(zhuǎn)矩分配控制器(TDC)、輪胎打滑控制器(WSC)，和狀態(tài)觀測器。當(dāng)EPS失效時(shí)，通過檢測方向盤9的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)矩而得到轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度δf，通過橫擺角速度指令發(fā)生器得到預(yù)期的橫擺角速度γ值，采用前饋和PI(比例積分)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使響應(yīng)速度加快、動作準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)矩分配控制器分配驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩借助輪胎打滑控制器作用于車身，通過狀態(tài)觀測器檢測γ，β值來組成閉環(huán)控制。
當(dāng)電動車轉(zhuǎn)彎時(shí)，輪胎的方向與實(shí)際移動方向間有一定夾角 提高電動車的操作性能的方法是盡量使電動車的前輪沿著導(dǎo)航角的方向前進(jìn)，即盡量減小αf。因此按照下述關(guān)系式 γ*＝(δf-β)v/lf 可以得到最佳橫擺角速度指令值γ*。
根據(jù)車體穩(wěn)定所需要的旋轉(zhuǎn)力矩大小，前后車輪組平均分配驅(qū)動力矩，左右車輪組互補(bǔ)分配轉(zhuǎn)向力矩。具體的轉(zhuǎn)矩分配控制器可以用如下方法實(shí)現(xiàn) N＝Nf+Nr 其中Nf是前車輪驅(qū)動力矩，Nr是后車輪驅(qū)動力矩，d是兩輪間的距離?；蛘卟捎弥辉谇拜喕蚝筝喩线M(jìn)行轉(zhuǎn)矩平均分配的方法。即 或 驅(qū)動力或制動力經(jīng)由車輪鎮(zhèn)定控制器送到車輪上。車輪鎮(zhèn)定控制器的工作原理是，構(gòu)建一個負(fù)載觀測器，讓車輪按照車輪動力模型，根據(jù)驅(qū)動力指令值產(chǎn)生速度，即便在容易打滑的路面上，也會把打滑限制在允許范圍內(nèi)。車輪鎮(zhèn)定控制器如圖6所示，其閉環(huán)傳遞函數(shù)可以描述為 其中τ1，τ2是低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，Jn折合到車輪上的全部轉(zhuǎn)動慣量的額定值，J是車輪上的全部轉(zhuǎn)動慣量的實(shí)際觀測值 當(dāng)J＝Jn時(shí)，閉環(huán)傳遞函數(shù)等于1；打滑發(fā)生時(shí)車體在車輪上的等效轉(zhuǎn)動慣量就會減小，傳遞函數(shù)就會小于1，這樣就減小了車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，從而抑制打滑的進(jìn)一步發(fā)展。
(參考文獻(xiàn)Lianbing Li，Shinya Kodama，Yoichi Hori.Anti-Skid Control forEV Using Dynamic Model Error based on Back-EMF Observer.Proc.IECON 2004，Busan，Korea)。
通過判斷扭矩傳感器和橫軸加速度變化的因果關(guān)系，可以判定EPS是否因故障而失效。
在EPS發(fā)生故障失效的情況下，通過檢測扭矩傳感器的輸出值，用如下公式推測駕駛員的轉(zhuǎn)向角度指令值 其中

是轉(zhuǎn)向角度指令值的推測值，TS是圖7中扭矩傳感器10的輸出值17，K是把輸出值17轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向角度指令值的推測值的比例系數(shù)，其大小為大于0，在0.035附近。
圖8和圖9是本發(fā)明的控制流程圖。圖8中，在EPS正常工作的情況下，通過檢測扭矩傳感器信號或從EPS的ECU中讀取，獲得一個適當(dāng)?shù)妮o助轉(zhuǎn)向力矩指令值，然后由力矩分配環(huán)節(jié)分配至各個車輪。并不對車身轉(zhuǎn)向姿態(tài)進(jìn)行閉環(huán)反饋。
圖8的EPS故障失效情況和圖9的兩種情況，均采用車身轉(zhuǎn)向姿態(tài)進(jìn)行閉環(huán)反饋。
本裝置采用表1所示數(shù)據(jù)，采用日本尼桑系列，三月號(MARCH)車型，依據(jù)上述四輪車輛模型， 其中， 在摩擦系數(shù)為1.0的干燥柏油路面上進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真測試，仿真結(jié)果如圖10～12所示。
表1車輛仿真模型參數(shù) *Cfl，Cfr，Crl，Crr取其平均值。
**前后軸距近似一致，因此取平均值，并均用d表示。
圖10是車輛重心軌跡仿真曲線。圖10中I是不加本發(fā)明裝置的車輛重心軌跡仿真曲線，由于轉(zhuǎn)向控制精度低，響應(yīng)有滯后，駕駛員多次修正軌跡，II是使用本分明裝置后的車輛重心轉(zhuǎn)向軌跡仿真曲線，曲線表明增加本裝置后轉(zhuǎn)向控制準(zhǔn)確度改善。
圖11是不帶有本發(fā)明裝置的EPS故障失效后的橫擺角速度和轉(zhuǎn)向曲線。III圖是車速V和輪速VW，IV圖是橫擺角，V圖是橫擺角速度，VI圖是轉(zhuǎn)向角度。VII圖是車輛重心軌跡。
圖12是帶有本發(fā)明裝置的EPS故障失效后的橫擺角速度和轉(zhuǎn)向軌跡曲線。VIII圖是車速V和輪速VW，IX圖是橫擺角，X圖是橫擺角速度，XI圖是轉(zhuǎn)向角度。XII圖是車輛重心軌跡。
圖10表明EPS故障失效后不能轉(zhuǎn)向。圖12表明增加本發(fā)明裝置后，EPS故障失效后仍能通過四輪轉(zhuǎn)矩分配控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作。
本發(fā)明是在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS的基礎(chǔ)上，通過對四輪制動力矩或驅(qū)動力矩的分配，輔助EPS轉(zhuǎn)向或鎮(zhèn)定車體動態(tài)，保證車輛2的安全控制。使汽車能在原有的EPS系統(tǒng)失效或EPS本身難以補(bǔ)償由于路面和車況原因造成的轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過度問題的情況下，駕駛員做出反應(yīng)，通過檢測方向盤9的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)矩得到轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度δf，通過橫擺角速度指令發(fā)生器得到預(yù)期的γ值，通過狀態(tài)觀測器獲得實(shí)際的橫擺角速度γ和側(cè)滑角β值，對橫擺角速度通過轉(zhuǎn)向動作的穩(wěn)定控制的同時(shí)，輸出四輪制動與驅(qū)動分配信號，采用前饋和PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輔助轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩分配控制器將不同大小的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩分別加到各個車輪上，形成轉(zhuǎn)向力矩，使轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度加快、動作準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)EPS的故障安全功能。該系統(tǒng)不僅在EPS正常情況下能夠保證車輛2的穩(wěn)定運(yùn)行，即使在EPS失效時(shí)也能保證汽車的正常轉(zhuǎn)向。
權(quán)利要求
1、一種電動助力轉(zhuǎn)向裝置，它包括
扭矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、控制單元ECU、助力電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)；方向盤由輸入軸與扭矩傳感器連接在一起，扭矩傳感器還與助力電動機(jī)連接在一起，扭矩傳感器和助力電動機(jī)都與控制單元ECU連接；其特征在于還包括
車輪鎮(zhèn)定控制器和四輪驅(qū)動或制動力矩控制信號輸出裝置，車輪鎮(zhèn)定控制器的組成為
橫擺角速度指令發(fā)生器，用于得到橫擺角速度指令值；
狀態(tài)觀測器，用于獲得實(shí)際的橫擺角速度值和側(cè)滑角值；
轉(zhuǎn)矩分配控制器，將不同大小的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩分別加到各個車輪上，形成轉(zhuǎn)向力矩，使轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度加快；
輪胎打滑控制器，通過調(diào)節(jié)車輛輪胎與路面間的作用力，提高汽車的主動安全性能。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動助力轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于所述的橫擺角速度指令發(fā)生器是通過檢測轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度δf與側(cè)滑角β之差乘以速度v再除以重心與轉(zhuǎn)向輪之間的距離lf得到橫擺角速度指令值γ*。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動助力轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于所述的狀態(tài)觀測器包括兩個輸入，即u和y，輸出為
，觀測器含n個積分器并對全部狀態(tài)變量作出估計(jì)，G為觀測器輸出反饋陣，它把
負(fù)反饋至
處，使為配置觀測器極點(diǎn)，提高其動態(tài)性能，盡快使
逼近于零而引入的，它是一種輸出反饋。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動助力轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于所述的轉(zhuǎn)矩分配控制器是根據(jù)車體穩(wěn)定所需要的旋轉(zhuǎn)力矩大小，前后車輪組平均分配驅(qū)動力矩，左右車輪組互補(bǔ)分配轉(zhuǎn)向力矩；或者采用只在前輪或后輪上對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行平均分配。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動助力轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于所述的輪胎打滑控制器是基于車輪速度計(jì)算加速度及驅(qū)動力信號，觀測車體等效轉(zhuǎn)動慣量，構(gòu)建外部擾動信號觀測器，從而形成輪胎打滑控制器。
6、一種權(quán)利要求1所述的電動助力轉(zhuǎn)向裝置的控制方法，其特征在于包括的步驟
1)檢測或讀取方向盤的轉(zhuǎn)角，計(jì)算轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度；
2)通過車身橫擺角速度指令發(fā)生器得到橫擺角速度指令值；
3)通過狀態(tài)觀測器獲得實(shí)際的車身橫擺角速度和側(cè)滑角度值；
4)采用前饋和PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向輔助轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩分配控制器將不同大小的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩分別加到各個車輪上，形成轉(zhuǎn)向力矩，使轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度加快、動作準(zhǔn)確；或者
5)輪胎打滑控制器通過調(diào)節(jié)車輛輪胎與路面間的作用力，提高汽車的主動安全性能。
只由扭矩傳感器信號或電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU單元得到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向輔助力矩值，通過轉(zhuǎn)矩分配控制單元施加于各個車輪，實(shí)現(xiàn)輔助轉(zhuǎn)向功能。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于通過扭矩傳感器或電機(jī)上的位置傳感器，或從控制單元EUC得到轉(zhuǎn)向角度值，計(jì)算轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度或轉(zhuǎn)向輔助力矩指令值。
8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于通過扭矩傳感器的輸出值，在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效的情況下，檢測方法得到調(diào)節(jié)各個車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或制動轉(zhuǎn)矩，形成車身轉(zhuǎn)向力矩，強(qiáng)制車身按照駕駛員的控制要求轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障安全功能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電動助力轉(zhuǎn)向裝置及其控制方法，包括扭矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、控制單元ECU、助力電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)；它還包括車輪鎮(zhèn)定控制器，其組成為橫擺角速度指令發(fā)生器；狀態(tài)觀測器，轉(zhuǎn)矩分配控制器和輪胎打滑控制器。能夠補(bǔ)償由于路面和車況原因造成的轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過度問題，保持電動助力系統(tǒng)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向，或在轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)失效而自身無法維持轉(zhuǎn)向助力功能問題時(shí)，仍能保證汽車正常轉(zhuǎn)向的具有故障安全控制功能的EPS裝置及其控制算法。它是在原有的EPS系統(tǒng)失效或轉(zhuǎn)向動作不足和轉(zhuǎn)向過度的情況下，調(diào)節(jié)各個車輪的轉(zhuǎn)矩，形成車身轉(zhuǎn)向力矩，確保轉(zhuǎn)向動作完成，實(shí)現(xiàn)EPS故障安全控制，避免交通事故的發(fā)生。本發(fā)明具有操作快速、運(yùn)行可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B62D5/04GK101298256SQ20081005363
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者孫鶴旭, 李練兵, 莫紅影 申請人:河北工業(yè)大學(xué)