電?液復合動力轉向系統控制裝置及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種電?液復合動力轉向系統控制裝置及其控制方法，其中，電?液復合轉向系統的助力部分由電動助力執行機構和液壓助力執行機構組成，助力耦合模塊實現兩個模塊助力的耦合，所述控制方法根據轉向盤轉角信號、車速信號、橫擺角速度信號等選擇不同的轉向模式，在車輛處于不同狀態時選擇不同的助力模塊工作模式，解決傳統大型客車采用的液壓助力系統、電控液壓助力系統助力特性可調性以及中高速時轉向路感較差的問題。
【專利說明】
電-液復合動力轉向系統控制裝置及其控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及汽車助力轉向系統控制技術領域，具體指代一種電-液復合助力轉向 系統控制裝置以及基于該系統的控制方法。
【背景技術】
[0002] 目前，現有的汽車普遍采用的助力轉向系統有:液壓助力轉向系統、電控液壓助力 轉向系統和電動助力轉向系統。其中，液壓助力轉向系統、電控液壓助力轉向系統可在汽車 低速工況下提供較大助力，減輕駕駛員轉向時負擔;但在高速工況下轉向路感較差，操縱穩 定性存在問題。電動助力轉向系統由控制器、助力電機、減速機構轉向盤轉矩傳感器以及車 速傳感器等組成，控制器接受傳感器測得的轉向盤轉矩信號和車速信號并進行處理，控制 電機根據事先確定的助力特性輸出助力轉矩。但受汽車本身蓄電池電壓等電氣特性影響， 其輸出的最大助力矩較小，不滿足大型客車等車輛的需求。
[0003] 控制系統的魯棒性問題源自工程實際問題，理想的自動控制系統的性能品質應準 確實現預期設計求，但被控對象的不確定性是不可避免的，因此在被控對象含有不確定性 的前提下，使系統接近理想設計指標成為一個很重要的課題。基于研究時不變、確定性控制 對象的傳統控制理論不能解決系統魯棒控制的問題，而魯棒控制理論中的Hinf控制理論及 其LMI算法是線性系統魯棒性系統設計的經典工具，可有效抑制不確定性干擾對系統造成 的影響。本系統采用Hinf控制理論作為解決系統控制技術研究的理論基礎。
【發明內容】
[0004] 針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種電-液復合動力轉向系 統控制裝置及其控制方法，以解決現有技術中液壓助力轉向系統、電控液壓助力轉向系統 在高速工況下轉向路感較差，操縱穩定性差等問題，及電動助力轉向系統輸出的最大助力 矩較小的問題。
[0005] 為達到上述目的，本發明的一種電-液復合動力轉向系統控制裝置，包括:機械轉 矩控制模塊、Hinf控制模塊、電動助力執行機構、液壓助力執行機構、模式選擇器、電流控制 模塊、力矩耦合模塊、電流檢測模塊、ECU，其中，還包括：電動助力模式判斷器、液壓助力模 式判斷器、復合助力模式判斷器；
[0006] 所述機械轉矩控制模塊輸入端與車速傳感器、轉向盤轉矩傳感器、轉向盤轉角傳 感器組成的傳感器模塊相連，輸出端與電流控制模塊相連；
[0007] 所述模式選擇器輸入端與ECU相連，輸出端與電動助力模式判斷器、液壓助力模式 判斷器、復合助力模式判斷器相連；
[0008] 所述電動助力模式判斷器、液壓助力模式判斷器、復合助力模式判斷器輸出端與 電流控制模塊相連；
[0009] 所述的電流檢測模塊將電動助力執行機構、液壓助力執行機構控制電流真實值反 饋至Hinf控制模塊輸入端；
[0010]所述Hinf控制模塊輸入端與電流控制模塊相連，輸出端與電動助力執行機構、液 壓助力執行機構相連；
[0011]所述力矩耦合模塊輸入端與電動助力執行機構、液壓助力執行機構相連，輸出端 與轉向器相連。
[0012] 優選地，所述液壓助力執行機構包括:助力電機A、助力油栗、轉閥、液壓助力缸;助 力電機A驅動助力油栗轉動，將助力油液由儲油罐栗入轉閥，助力油液通過轉閥開度不同流 入液壓助力缸兩側，產生液壓壓差;所述電動助力執行機構包括:助力電機B、減速機構，助 力電機B輸出轉矩經由減速機構減速增矩后，輸出至機械轉向模塊。
[0013] 本發明的一種電-液復合動力轉向系統轉向模式切換控制方法，包括如下步驟：
[0014] (1)通過轉向盤向電-液復合轉向系統輸入轉向力矩；
[0015] (2)機械轉矩控制模塊根據車速傳感器測得的車速信號、轉向盤轉角傳感器測得 的轉角信號、轉向盤轉矩傳感器測得的轉矩信號，得到總助力電流大小;ECU將總助力電流 大小和車輛當前工況參數輸入模式選擇器，通過電動助力模式判斷器、液壓助力模式判斷 器、復合助力模式判斷器對車輛當前所需轉向模式進行判斷，輸出電流至電流控制模塊；
[0016] (3)Hinf控制模塊處理電流控制模塊輸出電流，控制電動助力執行機構、液壓助力 執行機構輸出相應助力；
[0017] (4)電流檢測模塊將電動助力執行機構、液壓助力執行機構控制電流真實值反饋 至Hinf控制模塊輸入端，以消除系統目標信號與實際信號的跟蹤誤差；
[0018] (5)力矩耦合模塊對電動助力執行機構、液壓助力執行機構輸出助力進行處理，并 將總助力值輸出至機械轉向機構，實現助力轉向。
[0019] 優選地，上述步驟(3)具體包括:w表示控制系統的干擾輸入，W= [0S Qs Tr]t，Ww = [Wwl，Ww2，Ww3 ]表不干擾輸入W的加權函數矩陣，Wwl，Ww2，Ww3分別表不轉向盤輸入、路面干擾輸 入、轉向助力栗流量輸入的加權函數;G (S)表示系統傳遞函數，K (S)表示復合轉向系統控制 器，由參考輸入量扣以及助力比例特性計算得到系統控制輸入量U= [Tem]從而保證系統穩 定運行，Tem表示控制電機輸出；CU表示傳感器干擾輸入；
[0020] e表示系統評價指標，zl、z2和z3分別表示系統輸出誤差、控制器輸出和系統輸出； W1，W^W3分別表示系統跟蹤性能、控制器輸出、魯棒性能加權函數，通過W1，W^W 3三個性能 加權函數分別調整系統相應的評價輸出；系統須滿足干擾輸入w到評價輸出z傳遞函數的 范數小于給定值，求解Η~范數，即可得到該系統控制器K;其中，G wl、Gw2、Gw3分別表示轉向盤 輸入、路面干擾輸入、轉向助力栗流量輸入的傳遞函數;Go表示系統傳遞函數；
[0021
[0022] u=K · y
[0023] e=Fi(P(s) ,K(s))w
[0024]
[0025] 本發明的有益效果：
[0026] 1、綜合考慮車速、轉向盤轉速等對電-液復合轉向系統的影響，在車輛處于不同狀 態時，迅速切換電-液復合轉向系統的轉向模式，提高了轉向盤轉矩控制精度，提高了車輛 駕駛的操縱穩定性。
[0027] 2、在汽車助力轉向系統中實現多轉向模式功能，可依據不同工況進行轉向模式切 換，實現汽車轉向輕便性和轉向路感的完美融合，而且還能將汽車助力轉向的經濟性與靈 活性相結合，因此具有廣闊的市場應用前景。
【附圖說明】
[0028]圖1繪示本發明轉向系統控制裝置的結構框圖；
[0029]圖2繪示Hinf控制模塊轉矩控制策略原理圖。
【具體實施方式】
[0030] 為了便于本領域技術人員的理解，下面結合實施例與附圖對本發明作進一步的說 明，實施方式提及的內容并非對本發明的限定。
[0031] 參照圖1所示，本發明的一種電-液復合動力轉向系統控制裝置，其應用于電-液復 合轉向系統，該系統包括:駕駛員模型1，轉向盤模型2，轉矩傳感器3，轉向器4，車輪5;
[0032]駕駛員模型1通過轉向盤模型2輸入轉向力矩，通過轉向柱、轉向器4將力矩傳遞至 車輪5，驅動車輪5轉動，實現系統轉向。
[0033]上述的控制裝置包括:機械轉矩控制模塊6、Hinf控制模塊8、電動助力執行機構9、 液壓助力執行機構10、模式選擇器14、電流控制模塊7、力矩耦合模塊11、電流檢測模塊12， ECU13,其中，還包括：電動助力模式判斷器15、液壓助力模式判斷器16、復合助力模式判斷 器17;
[0034]所述機械轉矩控制模塊6輸入端與車速傳感器、轉向盤轉矩傳感器、轉向盤轉角傳 感器組成的傳感器模塊相連，輸出端與電流控制模塊7相連，輸入為車速信號19和轉向盤轉 矩傳感器3輸出的轉矩信號18,輸出為總助力電流信號20;其中，車速傳感器:用來檢測汽車 車速，通常安裝于驅動橋殼內；轉向盤轉矩傳感器:用來檢測轉向盤轉矩大小，通常安裝于 轉向盤轉向管軸;轉向盤轉角傳感器:用來檢測轉向盤轉角大小，通常安裝于轉向盤轉向管 軸；
[0035]所述模式選擇器14輸入端與ECU13相連，輸入為ECU控制電流21，輸出端與電動助 力模式判斷器15、液壓助力模式判斷器16、復合助力模式判斷器17相連；
[0036]所述電動助力模式判斷器15、液壓助力模式判斷器16、復合助力模式判斷器17輸 出端與電流控制模塊7相連，該電流控制模塊7接收各模式判斷器控制信號22和總助力電流 信號20，輸出控制電流23到Hinf控制模塊8;
[0037]所述Hinf控制模塊8輸入端與電流控制模塊7相連接收控制電流;輸出端與電動助 力執行機構9、液壓助力執行機構10相連，并向二者輸出控制信號24;電流檢測模塊12將電 動助力執行機構9、液壓助力執行機構10輸出的信號25進行檢測，將控制電流26反饋至Hinf 控制模塊8，用于消除信號跟蹤誤差，
[0038]所述力矩耦合模塊11輸入端與電動助力執行機構9、液壓助力執行機構10相連，輸 入為兩執行機構輸出助力矩27,輸出端與轉向器相連，輸出為耦合助力矩28;電動助力執行 機構9、液壓助力執行機構10輸出的助力經力矩耦合模塊11輸出至轉向器4,實現助力轉向。 [0039]其中，所述液壓助力執行機構包括:助力電機A、助力油栗、轉閥、助力液壓缸;助力 電機A驅動助力油栗轉動，將助力油液由儲油罐栗入轉閥，助力油液通過轉閥開度不同流入 液壓助力缸兩側，產生液壓壓差;所述電動助力執行機構包括:助力電機B、減速機構，助力 電機B輸出轉矩經由減速機構減速增矩后，輸出至機械轉向模塊。
[0040] -種電-液復合動力轉向系統轉向模式切換控制方法，包括如下步驟：
[00411 (1)通過轉向盤向電-液復合轉向系統輸入轉向力矩；
[0042] (2)機械轉矩控制模塊根據車速傳感器測得的車速信號、轉向盤轉角傳感器測得 的轉角信號、轉向盤轉矩傳感器測得的轉矩信號，得到總助力電流大小;ECU將總助力電流 大小和車輛當前工況參數輸入模式選擇器，通過電動助力模式判斷器、液壓助力模式判斷 器、復合助力模式判斷器對車輛當前所需轉向模式進行判斷，輸出電流至電流控制模塊； [0043] (3)Hinf控制模塊處理電流控制模塊輸出電流，控制電動助力執行機構、液壓助力 執行機構輸出相應助力；
[0044] 如圖2所示，w表示控制系統的干擾輸入，w=[0s Qs 擾輸入w的加權函數矩陣，Wwl，Ww2，Ww3分別表示轉向盤輸入、路面干擾輸入、轉向助力栗流量 輸入的加權函數;G(S)表示系統傳遞函數，K(S)表示復合轉向系統控制器，由參考輸入量C 以及助力比例特性計算得到系統控制輸入量u=[Tem]從而保證系統穩定運行，Tem表示控制 電機輸出；d s表不傳感器干擾輸入；
[0045] e表示系統評價指標，zl、z2和z3分別表示系統輸出誤差、控制器輸出和系統輸出； W1，W^W3分別表示系統跟蹤性能、控制器輸出、魯棒性能加權函數，通過W1，W^W 3三個性能 加權函數分別調整系統相應的評價輸出；系統須滿足干擾輸入w到評價輸出z傳遞函數的 范數小于給定值，求解Η~范數，即可得到該系統控制器K;其中，G wl、Gw2、Gw3分別表示轉向盤 輸入、路面干擾輸入、轉向助力栗流量輸入的傳遞函數;Go表示系統傳遞函數；
[0046:
[0047] u=K · y
[0048] e=Fi(P(s) ,K(s))w
[0049]
[0050] (4)電流檢測模塊將電動助力執行機構、液壓助力執行機構控制電流真實值反饋 至Hinf控制模塊輸入端，以消除系統目標信號與實際信號的跟蹤誤差；
[0051] (5)力矩耦合模塊對電動助力執行機構、液壓助力執行機構輸出助力進行處理，并 將總助力值輸出至機械轉向機構，實現助力轉向。
[0052] 利用本發明的控制裝置及控制方法，車輛在行駛過程中依據車速等狀態量在復合 轉向模式、電動助力模式、液壓轉向模式之間進行模式切換，即在低速時執行復合助力轉向 模式，通過兩個助力模塊復合工作來滿足助力需求;在高速時執行電動助力模式，只有單個 模塊工作為駕駛員提供適當的助力值，保證客車的操縱穩定性和良好的路感。通過車輛在 不同的工況下切換相應的轉向模式，有效提高了車輛在中高速時的操縱穩定性和行駛安全 性，且與現有液壓助力系統相比，降低了車輛高速時以及非轉向工況時的能量損耗，因此具 有廣闊的市場前景。
[0053] 本發明綜合考慮了車速、轉向盤轉矩等狀態量以及兩個助力模塊協同工作的關 系，采用"總-分"的方式對電動助力執行機構、液壓助力執行機構進行電流控制，提高了電-液復合轉向系統轉向模式切換的控制精度。
[0054] 本發明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于 本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進，這 些改進也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種電-液復合動力轉向系統控制裝置，包括:機械轉矩控制模塊、Hinf控制模塊、電 動助力執行機構、液壓助力執行機構、模式選擇器、電流控制模塊、力矩耦合模塊、電流檢測 模塊、ECU，其特征在于，還包括:電動助力模式判斷器、液壓助力模式判斷器、復合助力模式 判斷器； 所述機械轉矩控制模塊輸入端與車速傳感器、轉向盤轉矩傳感器、轉向盤轉角傳感器 組成的傳感器模塊相連，輸出端與電流控制模塊相連； 所述模式選擇器輸入端與ECU相連，輸出端與電動助力模式判斷器、液壓助力模式判斷 器、復合助力模式判斷器相連； 所述電動助力模式判斷器、液壓助力模式判斷器、復合助力模式判斷器輸出端與電流 控制模塊相連； 所述的電流檢測模塊將電動助力執行機構、液壓助力執行機構控制電流真實值反饋至 Hinf控制模塊輸入端； 所述Hinf控制模塊輸入端與電流控制模塊相連，輸出端與電動助力執行機構、液壓助 力執行機構相連； 所述力矩耦合模塊輸入端與電動助力執行機構、液壓助力執行機構相連，輸出端與轉 向器相連。2. 根據權利要求1所述的電-液復合動力轉向系統控制裝置，其特征在于，所述液壓助 力執行機構包括:助力電機A、助力油栗、轉閥、助力液壓缸，助力電機A驅動助力油栗轉動， 將助力油液由儲油罐栗入轉閥，助力油液通過轉閥開度不同流入液壓助力缸兩側，產生液 壓壓差;所述電動助力執行機構包括:助力電機B、減速機構，助力電機B輸出轉矩經由減速 機構減速增矩后，輸出至機械轉向模塊。3. -種電-液復合動力轉向系統轉向模式切換控制方法，包括如下步驟： (1) 通過轉向盤向電-液復合轉向系統輸入轉向力矩； (2) 機械轉矩控制模塊根據車速傳感器測得的車速信號、轉向盤轉角傳感器測得的轉 角信號、轉向盤轉矩傳感器測得的轉矩信號，得到總助力電流大小;ECU將總助力電流大小 和車輛當前工況參數輸入模式選擇器，通過電動助力模式判斷器、液壓助力模式判斷器、復 合助力模式判斷器對車輛當前所需轉向模式進行判斷，輸出電流至電流控制模塊； (3 )Hinf控制模塊處理電流控制模塊輸出電流，控制電動助力執行機構、液壓助力執行 機構輸出相應助力； (4) 電流檢測模塊將電動助力執行機構、液壓助力執行機構控制電流真實值反饋至 Hinf控制模塊輸入端，以消除系統目標信號與實際信號的跟蹤誤差； (5) 力矩耦合模塊對電動助力執行機構、液壓助力執行機構輸出助力進行處理，并將總 助力值輸出至機械轉向機構，實現助力轉向。4. 根據權利要求3所述的電-液復合動力轉向系統轉向模式切換控制方法，其特征在 于，上述步驟(3 )具體包括:W表示控制系統的干擾輸入，W = [ 0s Qs Tr ]T，Ww = [ Wwl，Ww2，Ww3 ]表 示干擾輸入W的加權函數矩陣，Wwl，Ww2，Ww3分別表示轉向盤輸入、路面干擾輸入、轉向助力栗 流量輸入的加權函數;G(S)表示系統傳遞函數，K(s)表示復合轉向系統控制器，由參考輸入 量S以及助力比例特性計算得到系統控制輸入量u=[T em]從而保證系統穩定運行，Tem表示 控制電機輸出；ds表不傳感器干擾輸入； e表示系統評價指標，zl、z2和z3分別表示系統輸出誤差、控制器輸出和系統輸出; 和W3分別表示系統跟蹤性能、控制器輸出、魯棒性能加權函數，通過1，W4PW3三個性能加權 函數分別調整系統相應的評價輸出；系統須滿足干擾輸入w到評價輸出z傳遞函數的&?范數 小于給定值，求解心范數，即可得到該系統控制器K;其中，G wl、Gw2、Gw3分別表示轉向盤輸入、 路面干擾輸入、轉向助力栗流量輸入的傳遞函數;Go表示系統傳遞函數；
【文檔編號】B62D5/065GK106043419SQ201610542721
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】趙萬忠, 欒眾楷, 王春燕, 陳亮宇
【申請人】南京航空航天大學