一種車輛電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種車輛用電動助力阻尼控制的方法，目的在于根據(jù)不同的車速和電機轉速提供特定的阻尼。首先，當達到一定車速后，判斷電動助力轉向系統(tǒng)進入阻尼控制模式，其次，根據(jù)當前車速和通過電機轉速觀測器觀測到的電機的轉速得到所需的反向助力電流，此為主控制環(huán)，最后，根據(jù)電流傳感器將測得的實際電流反饋回來，與所需的反向助力電流形成負反饋，通過常規(guī)的PID控制減小甚至消除實際電流與所需的反向助力電流的差值，此為副控制環(huán)。由此通過助力電機提供適當?shù)姆聪蚺ぞ?，實現(xiàn)阻尼控制。通過雙閉環(huán)控制，可以根據(jù)不同的車速和電機轉矩，產生不同的阻尼，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制，進而提高汽車行駛的安全性和穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種車輛電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及電動助力轉向系統(tǒng)領域，尤其涉及一種車用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控 制的方法。
【背景技術】
[0002] 駕駛員在駕駛傳統(tǒng)的無助力或液壓助力的車輛時，在高速行駛的情況下，總是感 覺方向盤發(fā)飄，難以獲得很好的路感，這增加了駕駛員駕車的危險系數(shù)。電動助力轉向系 統(tǒng)中增加了阻尼控制模式，使得在高速行駛時，汽車能夠獲得適當?shù)淖枘?，增強駕駛員的路 感，增加汽車行駛的安全性。
[0003] 傳統(tǒng)的阻尼控制方法是用一定占空比的PWM信號使助力電機H橋驅動電路的兩個 低端M0S管導通，由于感應電動勢的作用，助力電機產生與轉速成正比而方向相反的再生 制動扭矩。根據(jù)實際實驗，即使使用100%占空比的PWM信號使助力電機電樞"短路"，所產 生的阻力矩仍然很小，不能完全達到高速行車對阻力矩的要求，同時，此種方法會引起轉矩 波動，使轉向盤手感變差，且停留時間較短，要長時間提供反向轉矩在硬件上難以實現(xiàn)。
[0004] 為了解決電動助力轉向系統(tǒng)的上述缺陷，需要一種能夠根據(jù)不同車速和電機轉速 提供特定阻尼的車輛用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法。
[0005] 本專利采用根據(jù)不同車速和電機轉速提供特定的反向助力電流，通過雙閉環(huán)的控 制方法使電機施加反向扭矩來實現(xiàn)阻尼控制，很好的解決了上述的問題。

【發(fā)明內容】

[0006] 本文提供了一種車輛用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法，具體實施方案為：當 達到一定車速后，判斷電動助力轉向系統(tǒng)進入阻尼控制模式；根據(jù)當前車速和通過電機轉 速觀測器觀測到的電機轉速得到所需的反向助力電流，此為主控制環(huán)；根據(jù)電流傳感器將 測得的實際電流反饋回來，與所需的反向助力電流形成負反饋，通過常規(guī)的PID控制減小 甚至消除實際電流與所需的反向助力電流的差值，此為副控制環(huán)。由此通過助力電機提供 適當?shù)淖枘?，實現(xiàn)阻尼控制。
[0007] 優(yōu)越地，電動助力轉向系統(tǒng)阻尼特性，即主控制環(huán)，可以根據(jù)電機轉速和車速通過 模糊控制獲得，能夠根據(jù)不同的車速和電機轉速提供不同的且較精確的阻尼。
[0008] 優(yōu)越地，根據(jù)本發(fā)明的車輛用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法，由于設計了基 于降維的電機轉速觀測器，整個方法中無需為電動助力傳感器配備轉速傳感器，節(jié)省了車 輛的開發(fā)成本，而對于已安裝了轉速傳感器的車輛本發(fā)明提供的車輛用電動助力轉向系統(tǒng) 阻尼控制方法也同樣適用。
[0009] 優(yōu)越地，相較于以往的通過對電機電樞進行"短路"來提供阻尼，本專利根據(jù)電機 轉速和車速可確定固定的反向助力電流，從而提供可量化的阻尼，提高了控制的準確性。
[0010] 以下結合附圖，詳細說明本發(fā)明的優(yōu)點和特征。
【附圖說明】
[0011] 圖1為電動助力轉向系統(tǒng)分模型示意圖；
[0012] 圖2為阻尼特性曲線模糊控制規(guī)則表；
[0013] 圖3為電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制方法的邏輯框圖；
【具體實施方式】
[0014] 本發(fā)明公開了一種車輛用電動助力轉向同阻尼控制的方法，在完成電動助力轉向 系統(tǒng)的模型建立后，結合圖3進一步具體說明該阻尼控制的方法：當達到一定車速后，電動 助力轉向系統(tǒng)進入阻尼控制模式；根據(jù)當前車速和通過電機轉速觀測器觀測到的電機的轉 速得到所需的反向助力電流，此為主控制環(huán)；根據(jù)電流傳感器將測得的實際電流反饋回來， 與所需的反向助力電流形成負反饋，通過常規(guī)的PID控制減小甚至消除實際電流與所需的 反向助力電流的差值，此為副控制環(huán)。由此通過助力電機提供適當?shù)淖枘?，實現(xiàn)阻尼控制。
[0015] 整個方法的步驟中，由于設計了電機轉速觀測器，無需為電動助力轉向系統(tǒng)配備 轉速傳感器，節(jié)省了車輛成本，而對于已安裝了轉角傳感器的車輛本發(fā)明提供的車輛用電 動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法也同樣適用。
[0016] 電動助力轉向系統(tǒng)的模型可以適用Matlab/Simulink等軟件建立，圖1為建立的 電動助力轉向系統(tǒng)的模型。
[0017] 根據(jù)車速一定時，電機轉速越大，所需阻尼越大；電機轉速一定時，車速越大，所需 阻尼越大的原則利用模糊控制設計阻尼特性曲線。
[0018] 首先在計算機上建立一個模糊集數(shù)據(jù)庫，該模糊集數(shù)據(jù)庫中設置有模糊集A和模 糊集B。將參數(shù)車速V和電機轉速&模糊化輸入，分別反映到模糊集A和B，車速V的變化 范圍為80~120km/h，電機轉速的變化范圍為800~1500r/min，車速V與電機轉速模糊 化后得到對應的輸入語言變量X = {F，MF，BF}和Y = {Z，S，M，B}，輸出為所需的反向目標 電流I = {SM，M，ZM，VM}。輸入不同車速和電機轉速，依次建立控制集規(guī)則庫；采用Sugeno 型模糊推理算法，其模型為單元素輸出隸屬函數(shù)，其模糊蘊含即是簡單的懲罰，模糊合成即 是各個單元輸出隸屬函數(shù)的簡單包含，解模糊化處理采用加權平均法，計算簡單，極大地提 高了模糊化過程的效率。
[0019] 隸屬函數(shù)形狀可分為梯形、鐘形和三角形等，其表達式各不相同：
[0020] 鐘形隸屬函數(shù)表達式：
[0022] 公式1中a，b確定鐘型函數(shù)的形狀，c決定函數(shù)的中心位置，v為輸入變量；
[0023] 三角型隸屬函數(shù)表達式：
[0025] 公式2中a、c是三角形的底邊的兩個端點，b為三角形的頂點，x為輸入變量；
[0026] 解模糊化采用加權平均法，所有的模糊規(guī)則的權重都為1，其姐模糊化輸出值電流 值x*為：
[0028] 公式3中Xl為第I個節(jié)點隸屬度值，y (x J為目標函數(shù)。
[0029] 在阻尼特性曲線的設計過程中需要具體的電機的轉速，為了節(jié)約成本，本發(fā)明設 計了基于降維的電機轉速觀測器。它基于電機的狀態(tài)方程，將狀態(tài)方程通過現(xiàn)代控制的理 論分為可觀和不可觀（待估計）兩部分，再對其進行降維處理，從而對不可觀部分進行估 計，最終得到電機的轉速。
[0030] 直流有刷電機的整個回路的微分方程：
[0031] U = Li+Ri+Kb 9 n 公式（4)
[0032] 根據(jù)助力電機的動力學方程式可以計算出助力電機轉向軸的輸出助力矩：
[0034] 其中：
[0035] Tn= Kai 公式（6)
[0036] 式中Kb為反電動勢系數(shù)；1^為助力電機力矩常數(shù)；T"為助力電機產生的電磁轉矩； 為助力電機轉動慣量；B "為助力電機阻尼系數(shù)。
[0037] 綜合式（4)、式（5)和式（6)可得電機狀態(tài)空間方程的的表達式為：
[0039] 假設狀態(tài)變量為n維向量，輸出為m維向量。
[0040] 線性定常系統(tǒng)如下：
[0041] x = Ax+Bu
[0042] 公式（8)
[0043] y = Cx
[0044] 上式中的狀態(tài)變量可分為可觀和不可觀（待估計）兩部分，分別用&〇11\1維）和 x2(nXm維）表示。由此，即可得系統(tǒng)的狀態(tài)方程為： 尤=A =卜叫卜]+ [5i]w
[0045] jc2- 4 >2」 公式（9) ^ = [0 i\Xi' 1^2 J
[0046] 式中：Ane R mXm，A12e R mX(n m)，A2le R (n m)Xm，A22e R (n m)x(n m)，B# R mXr， B2e R(nm)Xr。
[0047] 由式（9)得：
[0048] x!= A nXi+AuXjj+BiU 公式（10)
[0049] x2= A 21x1+A22x2+B2u 公式（11)
[0050] 令M = z+辱w,. z = ，員式（7)、式⑶可化為：
[0051] x1=A11x1+M
[0052] 公式（12)
[0053] z = A21X!
[0054] 對比式⑶和式（12)可得：x = Xp A = An，Bu = M，y = z，C = A21，由此即可實 現(xiàn)對系統(tǒng)的降維（降維后的狀態(tài)方程相當于全維），結合全維狀態(tài)觀測器的觀測器狀態(tài)方 程可得：
[0055] x, = (An -GA21)x] +M + Gz 公式（13)
[0056] 代入M和z，即可得觀測器狀態(tài)方程如下：
[0057] ^ = (AU-GA2l)^ + (Auy + B}u) + G(y-A22y-B2u) 公式（14)
[0058] 由于式（14)中存在導數(shù)項，在物理上比較難實現(xiàn)，則令w = ,代入式（14)即 得：
[0059] w = (An-GA21) w+(B「GB2) u+[ (An-GA21) G+(A12-GA22) ] y 公式（15)
[0060] 由式（10)得直流有刷電機的不可觀測量為電機轉速0"，且結合式（12)可令
，將其代入式（15)，可得電機降維狀態(tài)觀測器的 狀態(tài)方程如下：
公式（16)
[0062] 其中：G = g，為反饋增益。
[0063] 電機降維觀測器的期望特征方程為：
公式（17)
[0065] 式中反饋增益矩陣L可由期望的閉環(huán)極點來確定。
[0066] 通過以上方法，可以得到所需的阻尼特性曲線，接入模型后可形成主控制環(huán)。阻尼 特性曲線在不同的車速和不同的電機轉速下輸出不同的反向助力電流，將電機的實際電流 與所需反向助力電流做差值，利用PID控制提供適當?shù)淖枘?，通過經驗法調節(jié)PID參數(shù)，盡 可能減小實際電流與目標電流之間的差值，形成副控制環(huán)，將輸出作為驅動電路的輸入，從 而對電機施加反向扭矩來實現(xiàn)阻尼控制，達到制動的作用。
[0067] 以上這些實施例應理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在 閱讀了本發(fā)明的記載的內容之后，技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變 化和修飾同樣落入本發(fā)明權利要求所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種車輛用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法，具體方案為：當車速大于80km/h 后，電動助力轉向系統(tǒng)進入阻尼控制模式，根據(jù)當前車速和通過電機轉速觀測器觀測到的 電機轉速得到所需的反向助力電流，此為主控制環(huán)；根據(jù)電流傳感器將測得的實際電流反 饋回來，與所需的反向助力電流形成負反饋，通過常規(guī)的PID控制減小甚至消除實際電流 與所需的反向助力電流的差值，此為副控制環(huán)，通過雙閉環(huán)控制的作用，使助力電機提供適 當?shù)淖枘幔瑢崿F(xiàn)阻尼控制。2. 根據(jù)權利要求1所述的車輛用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法，其特征在于：電 機工作時，根據(jù)轉速觀測器測得的電機轉速信號和車速傳感器測得的車速信號輸出所需反 向助力電流，即所形成的主控制環(huán)。3. 根據(jù)權利要求1所述的車輛用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法，其特征在于：所 需反向助力電流即電動助力轉向系統(tǒng)阻尼特性曲線可以根據(jù)電機轉速和車速通過模糊控 制獲得，可根據(jù)不同的車速提供不同的阻尼。4. 根據(jù)權利要求1所述的車輛用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法，其特征在于：對 電機實際電流和所需反向助力電流進行控制，通過副控制環(huán)對電機提供適當?shù)淖枘?，避?對電機電樞進行"短路"處理。5. 根據(jù)權利要求1所述的車輛用電動助力轉向系統(tǒng)阻尼控制的方法，其特征在于：設 計了基于降維的電機轉速觀測器，對電機轉速進行估計。
【文檔編號】B62D137/00GK105882736SQ201410778301
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月16日
【發(fā)明人】祿盛, 劉明杰, 邱寶梅, 樸昌浩
【申請人】重慶郵電大學