具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统 【技术领域】
本发明属于汽车技术领域，涉及电动助力转向系统，尤其是一种具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统(Electric PowerSteering System，简称EPS)。
背景技术
电动助力转向系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员操纵力矩；助力电机可安装在转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；扭矩传感器信号与车速传感器信号输入到电子控制单元的基本助力控制模块，计算出相应的助力力矩，作为助力电机输出的目标力矩指令。助力力矩大小可以由软件设置，在不同车速时设置不同的助力特性曲线，即可以获得理想的转向手感。
传统的电动助力转向控制系统大多采用直线型或折线型的助力特性，但直线型助力特性的助力增益在车速一定时是一个常值，对于输入的操纵力矩的高低区域不能区别对应，从而无法兼顾转向操作对中间位置路感及转向轻便性的要求；折线型助力特性的设计虽然在一定程度上弥补了这个缺陷，但折点处梯度的突变仍然损害了转向感觉，容易造成操纵力的跳跃感；虽然少数文献中提到了曲线型助力特性的设计方法，但都存在着选取的约束参数物理意义不明确，曲线方程过于简单或者过于复杂，标定过程繁琐等缺点。
【发明内容】
本发明的目的是为了改善电动助力转向系统的助力特性，提供一种具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统，该系统可以根据驾驶员期望的转向感觉确定电动助力转向系统在不同车速下的助力特性；能兼顾转向系统对中间位置路感及转向轻便性的要求；能适用于不同车型EPS助力特性的设计与实车标定的需要，具有物理意义明确、调整方便等优点。
为达到以上目的，本发明的技术方案是：
一种具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统，该系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的；其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员手上力矩；助力电机一般安装在转向轴上或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；所述扭矩传感器信号与车速传感器信号输入到电子控制单元的基本助力控制模块，计算出相应的助力力矩，作为助力电机输出的目标力矩指令；该发明的特点是，所设计的助力特性曲线是一条关于零输入力矩点中心对称的分段式曲线，可以通过调整5个关键参数值改变曲线形状以达到不同的助力效果，而且，当调整任一个或者同时调整多个关键参数时，其他参数不必作任何修改，仍然能保证曲线的完整性和一阶导数连续性。
由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：在不需要改动现有的电动助力转向系统的硬件的前提下，通过基本助力控制算法的改变，优化了在不同的车速下电动助力转向系统的转向助力性能；同时，由于调整参数物理意义明确且参数较少，可以大大缩短调试时间。
【附图说明】
图1是本发明的具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统的基本控制原理图。
图2是本发明的具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统的助力特性曲线及约束参数示意图。
图3是本发明的具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统的全车速范围内的助力特性曲线图。(0-120km/h)。
图4是本发明的具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统的仿真结果V＝30km/h侧向加速度与转向操纵力矩关系图。
图5是本发明的具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统的仿真结果V＝60km/h侧向加速度与转向操纵力矩关系图。
图6是本发明的具有参数独立可调式曲线型助力特性地电动助力转向系统的仿真结果V＝100km/h侧向加速度与转向操纵力矩关系图。
图7是本发明的具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统的仿真结果V＝100km/h侧向加速度与转向操纵力矩关系图。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明作进一步的说明。
具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统是由传统的机械转向系统(主要包括转向盘，转向轴，转向器，转向拉杆机构，转向轮)加装扭矩传感器，电子控制单元，转向助力电机及其减速机构组成的。其中，扭矩传感器安装于转向轴上以检测驾驶员手上力矩；助力电机一般安装在转向轴上，或者转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；扭矩传感器信号与车速传感器信号输入到电子控制单元的基本助力控制模块，计算出相应的助力力矩，作为电机输出的目标力矩指令。图1给出了该系统的基本控制原理图。
该发明的特点是所设计的助力特性曲线是一条关于零输入力矩点中心对称的分段式曲线，可以通过调整5个关键参数值改变曲线形状，从而实现不同的助力效果，使得电动助力转向系统能获得驾驶员期望的最佳转向性能。
通过对助力特性和转向手感关系的分析，并且为使曲线的物理意义明确，本发明将曲线型助力特性曲线分为了5个区段分别进行设计：1-助力死区，2-小助力区，3-大助力区，4-缓冲区，5-饱和区。
下面说明各区段的具体含义及其所采用的曲线类型：
助力死区1是指方向盘操纵力矩较小，电机不提供助力的区段，采用的曲线类型为直线。
小助力区2是指车辆侧向加速度较小，电机提供较小助力的区段，采用的曲线类型为二次曲线。
大助力区3是指车辆侧向加速度较大，电机提供较大助力的区段，采用的曲线类型为直线。
缓冲区4是指减轻电机助力达到最大值时的冲击的区段，采用的曲线类型为二次曲线。
饱和区5是指电机助力达到最大值的区段，采用的曲线类型为直线。
根据本发明设计要求，各相邻两段曲线的连接处必须保证一阶导数连续，图2给出了曲线的大致形状，并标出了上述5个区段的位置。
下面是针对单一车速下的参数独立可调式曲线型助力特性的设计过程：
助力特性曲线图的x轴为输入的操纵力矩，用Td表示；y轴为电机助力力矩，用Ta表示。由于该助力特性曲线关于坐标原点中心对称，分析时只需研究方向盘操纵力矩为正向的情况即可。
如图2所示选取以下5个约束参数k1，k2w，g3，k4s，Tamax可以确定5个区段的曲线形状。
其中：
k1为助力死区阀值，即小助力区起点的横坐标；
k2w为小助力区的x轴方向宽度；
g3为大助力区的直线斜率；
k4s为缓冲区起点的横坐标；
Tamax为该车速下电机的最大助力值。
下面给出用这6个约束参数表示的各区段的曲线方程：
助力死区1：
Ta＝0 (1)
小助力区2：
Ta=g3(|Td|-k1)22k2w---(2)]]>
大助力区3：
Ta=g3[|Td|-(k1+k2w)]+g3k2w2---(3)]]>
缓冲区4：在满足缓冲区二次曲线与饱和区直线的连接点处一阶导数连续的情况下，参数k4w和Tamax存在如下耦合关系：
k1k4w2=Tamax-g3(k4s-k1-k2w2)---(4)]]>
其中，k4w为缓冲区的x轴方向宽度。
故两者只需保留其一。经分析，在设计助力特性时，参数Tamax相比较k4w而言更为重要，所以选择Tamax作为可调整的约束参数。但同时要保证k4w＞0，由上式可知须满足下列条件：
Tamax>g3(k4s-k1-k2w2)---(5)]]>
则k4w可由下式计算得到：
k4w=2[Tamax-g3(k4s-k1-k2w2)]g1---(6)]]>
此时，缓冲区的曲线方程为：
Ta=-g32k4w(|Td|-k4s)2+g3(|Td|-k4s)+g3(k4s-k1-k2w2)---(7)]]>
饱和区5：
Ta＝Tamax (8)
输出的助力力矩Ta遵循以下计算规则：
1)当|Td|≤k1时，Ta的取值范围为助力死区；
2)当k1＜|Td|≤(k1+k2w)时，Ta的取值范围为小助力区；
3)当(k1+k2w)＜|Td|≤k4s时，Ta的取值范围为大助力区；
4)当k4s＜|Td|≤(k4s+k4w)时，Ta的取值范围为缓冲区；
5)当|Td＞(k4s+k4w)时，Ta的取值范围为饱和区。
另外，助力力矩Ta总是与方向盘操纵力矩Td的符号相同，故有
Ta＝Ta×sign(Td) (9)
由以上分析可知，选定5个关键参数[k1，k2w，g3，k4s，Tamax]即可确定5段曲线，它们连起来就构成了一条一阶导数连续的参数独立可调式曲线型助力特性曲线。在保证(5)式成立且遵循各参数的物理意义的前提下，当调整任一个或者同时调整多个关键参数时，其他参数不必作任何修改，仍然能保证曲线的完整性和一阶导数连续性。
下面是全车速范围内助力特性曲线的设计过程：
根据设计要求，可制定若干条不同车速下的助力特性曲线作为基准线，例如在一定车速范围内，选取0，10，20，……，200km/h这些特定车速下的助力曲线作为基准线。对于每一条基准助力曲线，根据转向手感与助力特性的关系，设置5个约束参数[k1，k2w，g3，k4s，Tamax]的值，按照上述的单一车速下助力特性曲线的设计方法可生成该车速下的曲线，即每一条基准线都有一组参数与之对应。
假设已选取N条基准线，那么每个参数将有N个基准值。然后分别对每个参数的这N个基准值在全车速范围内进行简单的线性插值运算，即可得到每个参数在全车速范围内的值。因此，对于任一车速V，都将得到一组对应的约束参数[k1(v)，k2w(v)，g3(v)，k4s(v)，Tamax(v)]，把它们代入上述5个区段的曲线方程就可得到该车速下的曲线型助力特性曲线。图3给出了本发明在0-120km/h全车速范围内的助力特性曲线。
下面是对所设计的助力特性曲线的的仿真分析结果：
采用正弦转角输入试验，对车速为30km/h，60km/h和100km/h的三种工况进行了仿真，比较了直线型和曲线型助力特性的效果。
(1)V＝30km/h时，输入频率0.2Hz，选择转角幅值使得侧向加速度达到4m/s2。如图4所示的仿真结果表明，通过调整约束参数，曲线型助力特性可比直线型转向更轻便。
(2)V＝60km/h时，输入频率0.2Hz，选择转角幅值使得侧向加速度达到4m/s2。如图5所示的仿真结果表明，通过调整约束参数，曲线型助力特性不仅可以保持直线型在中间位置的路感要求，而且在大侧向加速度下转向时将比直线型更加轻便。
(3)V＝100km/h时，按照中间位置转向评价试验的要求，输入频率为0.2Hz，选择转角幅值使得侧向加速度达到0.2g左右。由于此时直线型助力特性设计已不再产生助力，所以图6仅比较了无助力与采用曲线型助力特性这两种情况。可以看到，由于仍然保留了助力死区，侧向加速度为0g时的力矩值和梯度并没有明显改变，但侧向加速度为0.1g时的力矩值和梯度都有所减小。
为进一步说明，选取了四组不同的曲线型约束参数进行比较，仿真结果如图7所示。表3给出了具体的评价指标值，可以看出，通过调整参数，曲线型助力特性能方便地改善中间位置转向感觉。
表3中间位置转向试验评价指标
评价指标 曲线型I 曲线型II 曲线型III 曲线型IV 0.1g时方向盘力矩[Nm] 3.819 3.767 3.724 3.465 0.1g时方向盘力矩梯度[Nm/g] 15.882 13.947 12.881 10.999
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。