專利名稱：一種無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制方法，具體涉及一種無傳感器汽車電動助力
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法。
背景技術(shù)：
汽車電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)在燃油效率、模塊化、路感可調(diào)性和環(huán)境友好性等 各方面，具有比傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)明顯的優(yōu)勢。目前的汽車電動助力轉(zhuǎn)向EPS系 統(tǒng)主要有四種類型，分別為轉(zhuǎn)向柱助力式、小齒輪助力式、齒條助力式以及雙小齒輪助 力式。所有這四種EPS系統(tǒng)都具有三個基本部件控制單元(ECU)、助力電機以及安裝 在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器。所用助力電機在沒有電刷的情況下，還需要電 機轉(zhuǎn)子位置傳感器以輔助電機換向。也所以現(xiàn)有EPS控制策略均依賴于這些傳感器。由 于扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器是EPS專用的部件，不但價格較高，而且存在安裝的不便的 問題。此外，現(xiàn)有的扭矩傳感器技術(shù)均通過其扭桿的角度形變來實現(xiàn)對扭矩的測量。為 了增加靈敏性，其扭桿剛度小于轉(zhuǎn)向柱剛度，這增大了其輸出噪聲；另外它還存在對轉(zhuǎn) 向柱的剛度柔化問題，影響了駕駛員路感和控制的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有汽車電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供 一種不需要轉(zhuǎn)向柱扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向柱角度傳感器以及助力電機轉(zhuǎn)子角度傳感器，減少 EPS系統(tǒng)的復(fù)雜度，增加系統(tǒng)可靠性，降低EPS系統(tǒng)成本的無傳感器汽車EPS系統(tǒng)的控 制方法。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 一種無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方 法，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括控制單元ECU和助力電機；所述控制單元ECU根據(jù)建立的無傳感器 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，執(zhí)行卡爾曼觀測器算法，其特征在于，該 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還包括助力電機電流傳感器，該助力電機電流傳感器將助力電機電流的系統(tǒng)狀 態(tài)分量作為控制單元ECU的測量輸入，觀測出轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角e。，助力電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角9m和
齒條位移p系統(tǒng)狀態(tài)分量，由式r,W《—f)K。為轉(zhuǎn)向柱剛度系數(shù)，rp為小齒輪半徑；得
到轉(zhuǎn)向柱扭矩量T。，由此控制該無傳感器EPS閉環(huán)控制系統(tǒng)助力電機的助力扭矩。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果 1、通過建立無傳感器EPS系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，以助力電機電流的系統(tǒng)狀 態(tài)分量為測量輸入，采用卡爾曼觀測器算法觀測出系統(tǒng)其它未知的系統(tǒng)狀態(tài)分量，得出 EPS系統(tǒng)中汽車轉(zhuǎn)向柱扭矩量、轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角和電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，由此建立起無傳感器EPS 閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電機的助力扭矩，從而取消了現(xiàn)有EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中必需的扭矩傳感器 以及轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角傳感器和助力電機轉(zhuǎn)子位置傳感器，簡化了EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；省去了EPS 系統(tǒng)中各傳感器的安裝和調(diào)試的繁瑣工序；省去了對各傳感器的輸出噪聲的處理；而且，原汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS中的各傳感器是專用部件，價格較高，本發(fā)明將各傳 感器消除能大大降低EPS系統(tǒng)的成本。 2、采用了先進的狀態(tài)空間設(shè)計模型而不是傳統(tǒng)的輸入-輸出設(shè)計模型，得到了 以助力電機電流為輸出，并結(jié)合了助力電機動力學(xué)方程的無傳感器EPS系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù) 學(xué)模型；改進了卡爾曼觀測算法不能有效處理非零均值信號的缺點，使其適合于無傳感 器EPS系統(tǒng)中各系統(tǒng)狀態(tài)的觀測；所用的改進卡爾曼觀測算法，能有效消除振動隨機噪 聲的影響，對扭矩的估算具有準確性高、累計誤差小的特點。 3、消除了因傳感器故障對EPS系統(tǒng)的影響，大大增強了EPS系統(tǒng)的可靠性；增 加了 EPS系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向柱的機械剛性，由此改善了駕駛員路感和控制的穩(wěn)定性。
4、降低了EPS系統(tǒng)的復(fù)雜性，易于EPS系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。


圖1是本發(fā)明無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。 圖3是應(yīng)用于本發(fā)明的改進的卡爾曼觀測器遞推算法流程。
具體實施例方式
如圖1所示， 一種無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包 括控制單元(ECU)l和助力電機2 ;所述控制單元(ECU)l根據(jù)建立的無傳感器汽車電動 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，執(zhí)行卡爾曼觀測器算法；該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還包括助力電 機電流傳感器3，該助力電機電流傳感器3將助力電機電流的系統(tǒng)狀態(tài)分量作為控制單元 (ECU)1的測量輸入，觀測出轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角e。、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角9m和齒條位移p等其它系統(tǒng)
狀態(tài)分量，由式^ = ^的—f》(K。為轉(zhuǎn)向柱剛度系數(shù)，rp為小齒輪半徑)得到轉(zhuǎn)向柱扭矩
量T。，由此建立起無傳感器EPS閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電機的助力扭矩。 圖中，4是轉(zhuǎn)向柱，5是離合器和減速機構(gòu)，6是齒條，7是小齒輪，8是車輪，
9是轉(zhuǎn)向盤。 本發(fā)明的創(chuàng)新在于 1、取消EPS系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向柱扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向柱角度傳感器以及助力電機轉(zhuǎn)子 角度傳感器。由于各傳感器是專用部件，價格較高，本發(fā)明將各傳感器消除能大大降低 EPS系統(tǒng)的成本。 現(xiàn)有的四種EPS系統(tǒng)都具有三個基本部件控制單元(ECU)，助力電機，以及 安裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器。所用助力電機在沒有電刷的情況下，還需 要電機轉(zhuǎn)子位置傳感器以輔助電機換向。本發(fā)明取消EPS系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向柱扭矩傳感器和 轉(zhuǎn)角傳感器扭矩傳感器，以及電機轉(zhuǎn)子位置傳感器，其無傳感器EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如 圖l所示。 2、建立無傳感器EPS系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型 EPS的動力學(xué)模型由系統(tǒng)中的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量與各彈簧和阻尼元件相互作用而 構(gòu)成。系統(tǒng)主要為低頻運動，可以忽略高剛度元件的影響。圖1中，無傳感器EPS系統(tǒng)由三個基本部分構(gòu)成轉(zhuǎn)向齒條6通過小齒輪7耦合到齒條的轉(zhuǎn)向柱4;連接有獨立轉(zhuǎn)
動軸的助力電機2，其通過離合器和減速機構(gòu)5與轉(zhuǎn)向柱4連接；橫拉桿連接齒條6和輪 胎8。模型中忽略了輪胎連接桿和輪胎質(zhì)量、輪胎運動、摩擦、以及齒輪等傳動部件的慣
性。模型中加入了輪胎連接桿的彈性常數(shù)。 分別對轉(zhuǎn)向柱、電機軸和齒條，由拉格朗日動力學(xué)方程和動量矩定理可建立如 下的無傳感器EPS系統(tǒng)的動力學(xué)方程
、
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(1)
(2)
(3)
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式中，J。為轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動慣量，B。為轉(zhuǎn)向柱阻尼系數(shù)，K。為轉(zhuǎn)向柱剛度系數(shù)，e。
為轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角，Td為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩；L為電機軸轉(zhuǎn)動慣量，Bm為電機軸阻尼系數(shù)，Km為 電機軸剛度系數(shù)，9m為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，G為減速機構(gòu)減速比，k為助力電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，
i為電機電流；Mr為齒條質(zhì)量，Br為齒條阻尼系數(shù)，Kt為齒條的彈性系數(shù)，p為齒條位
移，rp為小齒輪半徑。助力電機的動力學(xué)方程為
式中，L為助力電機定子繞組電感〗
電壓。
(4)
R為助力電機定子繞組電阻，v為電機端
由方程組((1)-(4》可建立無扭矩傳感器EPS系統(tǒng)的線性狀態(tài)空間描述
式中n(t)為隨機測量噪聲，x =[《4《《P > !f為系統(tǒng)的狀態(tài)；轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn) 矩和電機端電壓作為系統(tǒng)輸入，u=[Tdv]T。助力電機電流由電流傳感器3測出，并作為 此二輸入單輸出系統(tǒng)的輸出。系統(tǒng)矩陣A，輸入矩陣B，輸出矩陣C由以下(6)式給出。
<formula>formula see original document page 5</formula>，C =
(6) 3、以助力電機電流為輸入，采用改進的卡爾曼觀測器算法由系統(tǒng)已知狀態(tài)觀測 出系統(tǒng)未知狀態(tài)，經(jīng)計算得出EPS扭矩，建立無傳感器EPS的閉環(huán)控制系統(tǒng)； [OO34] 式(6)所示的系統(tǒng)狀態(tài)空間描述，(A， B)對完全可控，(A， C)對完全可觀測。 可以將系統(tǒng)看作為單v輸入，i為測量輸出的系統(tǒng)，而將Td輸入看作是系統(tǒng)的干擾。以 系統(tǒng)輸出i和電機端電壓v為輸入，采用卡爾曼觀測器得到系統(tǒng)狀態(tài)估計量i ，由式 可得到轉(zhuǎn)向柱扭矩量T。。其結(jié)合到車速Vs對助力曲線查表，并對助力電機電流 偏差值采用控制器(PID或其它控制器)控制助力電機端電壓，即可建立如圖2所示的無傳 感器EPS閉環(huán)控制系系統(tǒng)。 系統(tǒng)中采用的卡爾曼觀測器是一種在線最小方差遞推算法，它能一邊采集數(shù) 據(jù)， 一邊計算，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的實時觀測。其遞推式計算可由單片機(MCU)或數(shù)字信 號處理器(DSP)在線完成。在零均值隨機干擾和噪聲下也能準確觀測系統(tǒng)狀態(tài)?？柭?觀測器的狀態(tài)方程為 + Cl) (8) 式中，K為估計器增益矩陣。對EPS系統(tǒng)中的來自傳感器的測量噪聲和路面干 擾可設(shè)為隨機為高斯白噪聲干擾，并采用其噪聲協(xié)方差用于卡爾曼觀測器設(shè)計。對轉(zhuǎn)向 盤輸入轉(zhuǎn)矩Td，以上提及將其作為系統(tǒng)的干擾來處理，但在設(shè)計卡爾曼觀測器時并不能 將其視為零均值信號。為此，需要對卡爾曼觀測器作進一步的改進。如圖2所示，將卡 爾曼觀測器的估計值T。作為其下一次遞推計算的Td的估計。 卡爾曼觀測器應(yīng)用于單片機(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)之前，需要離散化 處理。對系數(shù)矩陣A， B， C采用如下近似公式
A' = eAVl+AT fi'= Br C' = C (9) 式中T為采用時間，T = tk+1-tk。為了獲得滿意的觀測效果，采樣時間要比EPS 系統(tǒng)的電氣時間小?？柭鼱顟B(tài)估計分為二個階段，分別為預(yù)測階段和校正階段。在預(yù) 測階段，首先由第k次的估計結(jié)果^推算下一次的估計的預(yù)測值 M ，由下式給出 3闊=J'it+B'a* (W〉 此預(yù)測量對應(yīng)的輸出5L，為 3 M=CyM (11) 相應(yīng)的離散化的卡爾曼觀測器的狀態(tài)方程為;=聰-Z)
= +*Dlt+1l>M — M》 (12) 將(11)式代入(12)式，可得iM = s;十,+(yM — CSM) (13〉 式中ykM是實測值，代表助力電機電流i。第二階段的校正主要體現(xiàn)在(13)式，
即利用實測輸出和預(yù)測輸出的偏差對預(yù)測狀態(tài)進行反饋校正，以獲得滿意的狀態(tài)估計。
反饋校正的結(jié)果還取決于增益矩陣k。k+1的作用。的選擇原則是使* -;，的均方差矩
陣取極小值。通常，利用協(xié)方差矩陣PkM來推導(dǎo)k。w。
*M-;，的均方差矩陣取極小等同
于Pw取極小，令Pw對k。w的導(dǎo)數(shù)為零，可推導(dǎo)出k。w。 梯度矩陣Gk+1和Hk+1，可分別由如下兩式求出

仏+i =;(Cx》^=y"i
最終，可得如下的卡爾曼遞推公式，
7 _ + r〃 》:；/■/ /
人',
Wt ' i 丄L 」十人
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(W) (20) =+ t由,oM — 》
#M =- i:剩if頻I, Q和R為協(xié)方差矩陣?？柭鼱顟B(tài)估計的關(guān)鍵是確定增益矩陣k。kM，而設(shè)計增 益矩陣k。k^的關(guān)鍵是Q、 R和P的初始值的選擇。通常，Q和R是未知的，只能根據(jù)噪 聲隨機特性定性選擇。 圖3是利用卡爾曼觀測器算法遞推估算轉(zhuǎn)向柱扭矩量的流程圖，包括如下步
驟


首先初始化卡爾曼觀測器算法，即給初始狀態(tài)和初始方差賦值； 由檢測電路先測出k+l時刻的助力電機電流值yk+"即實測量值)； 利用上一時刻的估計值A(chǔ)代入(16)式計算出此時刻的預(yù)測值 ,+,，再由&+，計算出梯 度矩陣Gk+1和Hk+1，并得到二者的轉(zhuǎn)置矩陣Gk+1T和Hk+1T ; 用上一時刻的協(xié)方差矩陣為計算出當前時刻的協(xié)方差矩陣g+，預(yù)測值((17)式)，之 后計算得到增益矩陣k。k+1((18)式)； 用(19)式估算出當前時刻的狀態(tài)估計值i^，由(7)式計算出當前轉(zhuǎn)向柱扭矩量 T,
ck+1 用(20)式計算得到出當前時刻的協(xié)方差矩陣U古計值。 此輪結(jié)束，可重復(fù)上述過程進行新一輪的系統(tǒng)狀態(tài)和轉(zhuǎn)向柱扭矩量估算。 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照
較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)
明技術(shù)方案的宗旨和范圍內(nèi)所作的改進，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之中。
權(quán)利要求
一種無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括控制單元ECU和助力電機；所述控制單元ECU根據(jù)建立的無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，執(zhí)行卡爾曼觀測器算法；其特征在于，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還包括助力電機電流傳感器，該助力電機電流傳感器將助力電機電流的系統(tǒng)狀態(tài)分量作為控制單元ECU的測量輸入，觀測出轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角θc，助力電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θm和齒條位移p系統(tǒng)狀態(tài)分量，由式 <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>c</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>c</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&theta;</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mi>p</mi><msub> <mi>r</mi> <mi>p</mi></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>Kc為轉(zhuǎn)向柱剛度系數(shù)，rp為小齒輪半徑；得到轉(zhuǎn)向柱扭矩量Tc，由此控制該無傳感器EPS閉環(huán)控制系統(tǒng)助力電機的助力扭矩；其中，所述卡爾曼觀測器算法是一種在線最小方差遞推算法，它一邊采集數(shù)據(jù)一邊計算，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的實時觀測，執(zhí)行步驟包括首先初始化卡爾曼觀測器算法，即給初始狀態(tài)和初始方差賦值；由檢測電路先測量出k+1時刻的助力電機實測電流值yk+1；利用上一時刻的估計值代入中計算出此時刻的預(yù)測值再由計算出梯度矩陣Gk+1和Hk+1，并得到二者的轉(zhuǎn)置矩陣Gk+1T和Hk+1T；用上一時刻的協(xié)方差矩陣計算出當前時刻的協(xié)方差矩陣預(yù)測值，之后計算得到增益矩陣kok+1；用估算出當前時刻的狀態(tài)估計值由計算出當前轉(zhuǎn)向柱扭矩量Tck+1；用計算得到出當前時刻的協(xié)方差矩陣估計值。
全文摘要
本發(fā)明提出一種無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)及其控制方法，包括1.取消現(xiàn)有汽車電動助力轉(zhuǎn)向EPS系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向柱扭矩傳感器、轉(zhuǎn)向柱角度傳感器以及助力電機轉(zhuǎn)子角度傳感器；2.采用全新的控制方法實現(xiàn)汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。通過建立無傳感器汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，以助力電機電流(系統(tǒng)狀態(tài)分量)為測量輸入，采用改進的卡爾曼觀測器算法觀測出其它系統(tǒng)狀態(tài)分量，經(jīng)計算得出EPS系統(tǒng)控制所需的轉(zhuǎn)向柱扭矩量、轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角以及助力電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，由此建立無傳感器EPS閉環(huán)控制系統(tǒng)控制助力電機的助力扭矩。本發(fā)明簡化了方向機的結(jié)構(gòu)和制造難度，增加了系統(tǒng)的可靠性，減少了EPS系統(tǒng)的復(fù)雜度，大大降低了EPS系統(tǒng)的成本。
文檔編號B62D113/00GK101691124SQ20091019114
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者劉和平, 劉平, 張毅, 李果, 熊亮, 鄧力, 鄭群英 申請人:重慶大學(xué)