电动转向助力系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车电子领域，具体地，涉及一种电动转向助力系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 电动转向助力系统（EPS，Electric Power Steering)是近年来越来越普遍采用的 一种系统。该系统由电动机直接提供转向助力，其作为一种新的转向技术，比较传统的液压 转向系统节省能量，保护环境，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向 助力的特点。
[0003] 电动转向助力系统的工作原理如下：首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘 上的手动转矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给控制器；控 制器根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力转矩，将该目标助力转矩转化为电流指 令传输给电动机。然后，电动机产生的助力转矩经减速机构放大后作用在机械式转向机构 上，该助力转矩和驾驶员施加的手动转矩一起克服转向阻力转矩，实现车辆的转向。
[0004] 助力转矩的大小期望通过控制的策略来兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操 纵稳定性。但是，由于电动转向助力系统的各部件以及机械匹配上会存在误差，很多时候系 统不能精确、稳定地工作，甚至出现"超调"的现象。尤其是在汽车高速行驶时，助力相应地 减小，该助力的减小变化较大，给转向盘造成较大的冲击，使得在转向回正时容易产生转向 角度的振荡，产生"发飘"的感觉，影响驾驶员的掌控力，甚至可能引起安全事故。另外，由 于轮胎与地面的摩擦力矩和电动机自身阻力矩造成了转动力矩的损失，使得电动转向助力 系统的精确性不高、稳定性不好。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种精确性较高，稳定性较好的电动转向助力系统。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种电动转向助力系统，该系统包括：采集器，用 于采集施加到转向盘的手动转矩和车辆的当前车速；处理器，与所述采集器连接，用于接收 所述手动转矩和所述车速，并根据所述手动转矩、所述车速以及预设的助力控制策略得到 期望电动机得电以后施加给转向机构的目标助力转矩，进而得到所述电动机输出所述目标 助力转矩所需的目标电流；模糊PID(比例积分微分）控制器，与所述处理器的输出端连接， 用于接收所述目标电流以及所述电动机的当前电流，并根据所述目标电流和所述电动机的 当前电流采用模糊PID控制算法调节所述模糊PID控制器的输出电流，直至所述当前电流 等于所述目标电流；以及所述电动机，与所述模糊PID控制器的输出端连接，用于根据所述 模糊PID控制器的输出电流来控制所述转向机构。
[0007] 优选地，所述助力控制策略包括：在所述手动转矩小于等于一初始值的情况下，所 述目标助力转矩为零；在所述手动转矩大于所述初始值并小于等于一极限值的情况下，所 述目标助力转矩随所述手动转矩的增大而增大；在所述手动转矩大于所述极限值的情况 下，所述目标助力转矩恒定；所述目标助力转矩随着所述车速的增大而减小。
[0008] 优选地，所述采集器还用于采集所述转向盘的转角；以及所述处理器用于接收所 述转角，并在所述转角的振幅超过一预设阈值的情况下，根据所述手动转矩、所述车速、所 述助力控制策略和所述转角得到所述目标助力转矩。
[0009] 优选地，所述处理器在所述转角的振幅超过一预设阈值的情况下，根据所述手动 转矩、所述车速、所述助力控制策略和所述转角得到所述目标助力转矩包括：根据所述手动 转矩、所述车速和所述助力控制策略得到基本助力转矩；根据所述振幅以及预设的所述振 幅与阻尼转矩的正相关关系得到一阻尼转矩；以及将所述基本助力转矩与所得到的所述阻 尼转矩进行向量求和得到所述目标助力转矩。
[0010] 优选地，所述采集器还用于采集轮胎的胎压；以及所述处理器用于接收所述手动 转矩、所述车速和所述胎压，并根据所述手动转矩、所述车速、所述助力控制策略和所述胎 压得到所述目标助力转矩。
[0011] 优选地，所述处理器根据所述手动转矩、所述车速、所述助力控制策略和所述胎压 得到所述目标助力转矩包括：根据所述手动转矩、所述车速和所述助力控制策略得到基本 助力转矩；根据所述胎压和预设的所述轮胎和地面之间的摩擦系数得到摩擦转矩；以及将 所述基本助力转矩与所述摩擦转矩进行向量求和得到所述目标助力转矩。
[0012] 优选地，所述采集器还用于采集所述电动机的角加速度；以及所述处理器用于接 收所述手动转矩、所述车速和所述角加速度，并根据所述手动转矩、所述车速、所述助力控 制策略和所述角加速度得到所述目标助力转矩。
[0013] 优选地，所述处理器根据所述手动转矩、所述车速、所述助力控制策略和所述角加 速度得到所述目标助力转矩包括：根据所述手动转矩、所述车速和所述助力控制策略得到 基本助力转矩；根据所述角加速度和所述电动机的转动惯量得到自身阻力转矩；以及将所 述基本助力转矩与所述自身阻力转矩进行向量求和得到所述目标助力转矩。
[0014] 本发明还提供一种电动转向助力的控制方法，该方法包括：采集施加到转向盘的 手动转矩和车辆的当前车速；根据所述手动转矩、所述车速以及预设的助力控制策略得到 期望电动机得电以后施加给转向机构的目标助力转矩；根据所述目标助力转矩得到所述电 动机输出所述目标助力转矩所需的目标电流；根据所述目标电流和所述电动机的当前电流 采用模糊PID控制算法调节所述模糊PID控制器的输出电流，直至所述当前电流等于所述 目标电流；以及根据所述模糊PID控制器的输出电流来控制所述转向机构。
[0015] 通过上述技术方案，在现有的电动转向助力系统中引入模糊PID控制器，使得在 应用该系统时，能够通过模糊PID控制器来控制电动机的输入电流，使得电动机的当前电 流快速趋近于目标电流，从而迅速地减小系统自身误差引起的超调量，消除该系统的不稳 定状态，增加驾驶员的掌控力，保证汽车行驶安全。并且，在本发明的优选实施方式中，确定 电动机的目标助力转矩时，对超调量进行了阻尼补偿，考虑了轮胎与地面的摩擦力矩和电 动机自身阻力矩造成的转动力矩的损失，使得电动转向助力系统的精确性更高、稳定性更 好。
[0016] 本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0017] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0018] 图1是本发明的实施方式提供的电动转向助力系统的结构框图；
[0019] 图2是本发明的实施方式提供的电动转向助力系统及其相关部件的工作示意图；
[0020] 图3是本发明的实施方式提供的模糊PID控制器的原理图；以及
[0021] 图4是本发明的实施方式提供的电动转向助力的控制方法的流程图。
[0022] 附图标记说明
[0023] 100电动转向助力系统 101采集器 102处理器
[0024] 103模糊PID控制器 104电动机 201转向盘
[0025] 202转向轴 203角度传感器 204转矩传感器
[0026] 205车速传感器 206胎压传感器 207角加速度传感器
【具体实施方式】
[0027] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0028] 图1是本发明的实施方式提供的电动转向助力系统的结构框图。如图1所示，该电 动转向助力系统100可以包括采集器101、处理器102、模糊PID控制器103和电动机104。 其中，采集器101可以用于采集施加到转向盘的手动转矩和车辆的当前车速。处理器102 可以与采集器101连接，用于接收手动转矩和车速，并根据手动转矩、车速以及预设的助力 控制策略得到期望电动机104得电以后施加给转向机构的目标助力转矩，进而得到电动机 104输出目标助力转矩所需的目标电流。模糊PID控制器103可以与处理器102的输出端 连接，用于接收目标电流以及电动机104的当前电流，并根据目标电流和电动机104的当前 电流采用模糊PID控制算法调节模糊PID控制器103的输出电流，直至当前电流等于目标 电流。电动机104可以与模糊PID控制器103的输出端连接，用于根据该模糊PID控制器 的输出电流来控制转向机构。
[0029] 其中，采集器101可以包括转矩传感器和车速传感器，分别用于采集施加到转向 盘的手动转矩和车辆的当前车速。图2是本发明的实施方式提供的电动转向助力系统及其 相关部件的工作示意图。如图2所示，当车辆要转向时，驾驶员通过转向盘201施加手动转 矩T，该手动转矩T通过与转向盘201连接的转向轴202传递到安装在转向轴202上，并位 于转向盘201下方的转矩传感器204。另外，由车速传感器205检测车速V。然后，该手动 转矩T和车速V被输入到处理器102中。
[0030] 之后，处理器102根据采集器101得到的手动转矩T和车速V来得到期望电动机 104得电以后施加给转向机构的目标助力转矩，进而得到电动机104输出该目标助力转矩 所需的目标电流I。所谓"目标助力转矩"为期望电动机104得电以后施加给转向机构的转 矩。
[0031] 应该理解的是，处理器102中存储有预设的助力控制策略，该助力控制策略是表 明手动转矩T和车速V这两个因素与期望电动机104得电以后施加给转向机构的目标助 力转矩之间的对应关系的策略。所述助力控制策略例如可以是：在手动转矩小于一初始值 (例如，车速为80km/h时，该初始值为40N · m)的情况下，不提供助力转矩，也就是目标助 力转矩为零；在手动转矩大于初始值并小于等于一极限值（例如，车速为80km/h时，该极 限值为IOON · m)的情况下，目标助力转矩随手动转矩的增大而增大；在手动转矩大于该极 限值的情况下，目标助力转矩不再增大，保持恒定；以及目标助力转矩随着车速的增大而减 小。其中，目标助力转矩与车速、手动转矩的对应关系可以为人工设置的一一对应关系。通 过采用上述助力控制策略来达到低速转向轻便，而高速控制稳定的目的。从而，处理器102 根据输入的手动转矩T和车速V以及该助力控制策略得到目标助力转矩。
[0032] 在以上这种确定目标助力转矩的实施方式的基础上，本发明还提供了三种对目标 助力转矩进行