基于无传感器转角估计的回正控制策略研究

2014-06-27黄清泉胡景煌

北京汽车 2014年4期

关键词：转角转矩力矩

黄清泉，胡景煌

Huang Qingquan1，Hu jinghuang2

（1．合肥工业大学，安徽合肥 230001；2．集美大学，褔建厦门 361000）

基于无传感器转角估计的回正控制策略研究

黄清泉1，胡景煌2

Huang Qingquan1，Hu jinghuang2

（1．合肥工业大学，安徽合肥 230001；2．集美大学，褔建厦门 361000）

文中提出了一种新型电机转角估计方法，将估算结果通过传动比反算至转向盘转角，并依靠改进的回正控制策略，运用估算的转向盘转角及转矩计算回正助力力矩。仿真结果表明：该方案不但可以达到良好的回正效果，并且有利于转向状态间的柔和切换，同时由于无传感器转角估计减少了电机控制模块的成本。

无传感器；转角估计；回正

转向系统是汽车底盘的重要组成部分，与汽车性能有着密切的关系[1]。随着人们对汽车操纵稳定性和舒适性要求的提高，电动助力转向系统逐渐进入人们的视野并开始被研究。对应于汽车转向行驶的不同工况要求，电动助力转向系统（EPS）采用助力、回正、阻尼这3种基本的控制方式进行控制[2]。国内在电动助力转向系统的助力特性上研究得较多，也较为成熟，而对其回正及阻尼正处于研究阶段。然而电动助力转向由于使用电机进行助力的执行器，电机的惯性、阻尼和摩擦等回正阻力是较机械转向增加的，所以EPS的回正性能较差，对电动助力转向系统的回正控制也越发显得重要。同时电动助力转向系统不仅包括电机控制器，还包括转向盘转角传感器、电流传感器、电机转速传感器等多个部件，结构复杂。常用的PID回正控制策略如文献[2]，虽然可以有较好的回正效果，但是这种PID控制在电动助力转向的助力模式、回正模式和阻尼模式的切换中容易造成转向盘抖动。文中提出一种基于无传感器电机转角估计的回正控制方法，不但可以有效地提供回正转矩，而且在电动助力转向的状态切换中能够保证较好的舒适性，不会造成转向盘抖动，同时降低了电动助力转向系统的成本。

1 电动助力转向数学模型分析

1.1 电动助力转向系统分析

转向系统在汽车底盘中有着重要地位，它是一个时变非线性系统，影响转向系统的因素有很多，例如车速、负载、横摆角速度等[3]。转向阻力矩包括回正力矩Tr、转向摩擦力矩Tf和转向惯性力矩Ti。回正力矩Tr在电动助力转向过程中是阻力，而在回正过程中是助力，转向惯性力矩Ti和转向摩擦力矩Tf始终是阻力。

在转向阶段转向阻力矩总和为

由式（1）和式（2）可知，在助力阶段必须人为增加输入才可以转向。而在回正阶段如果回正力矩大于摩擦力矩与转向惯性力矩之和，即Tr＞Tf+Ti就可以自动回正，若小于两者之和则必须通过人为的操作才能实现回正。

电动助力转向相对于普通的机械转向增加了电机的惯性力和摩擦力，即Tf和Ti都增大，也就增大了回正阻力，所以电动助力转向系统的回正性能变得更为重要。

1.2 EPS数学模型分析

在电动助力转向系统的研究中常用的系统动力学方程如下所示：

转向盘转向柱、输出轴

式中，Jh和Bh分别为转向盘和转向柱的转动惯量和粘性阻尼；Je和Be分别为输出轴的转动惯量和粘性阻尼；Jm和Bm分别为电机的转动惯量和粘性阻尼；G为电机至转向轴的传动比；Tm为电机转矩；Ta为电机负载；Tl为输出轴的反作用力矩； Km为电机输出轴刚度；θ为电机转角；α为转向盘转角；mr为齿条及小齿轮等效质量；br为齿条的阻尼系数；xr为小齿轮位移；FTR为轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的轴向力。

这里简化了EPS数学模型，将转向盘、转向柱和输出轴看成一个刚体，即没有相对转角。这样做有利于使用电机无传感器转角估计，可以将估算的电机转角和转速直接通过传动比换算成转向轴和转向盘转角以及转速。

2 无传感器转角转速估计

直流有刷电机主要由磁极、转子、换向片和电刷组成。为了尽可能多地缠绕线圈，转子的典型结构如图1所示。

电机转动时，由于转子槽的影响，磁阻会发生变化，从而引起电机电流产生和转子槽成一定比例关系的波动。依据电机模型

式中，φpm是磁场的恒定成分幅值；φosc是磁场的时变成分幅值；Nc是转子槽数量；Ns是电机电刷对数。从而得到电枢电流计算公式：

通过处理后将其变为脉冲信号，只需要检测脉冲数量N即可估计出电机转角，运用式（12）通过传动比G可换算至转向盘转角α。

电机的转速可以通过电机模型计算得到，一般由于电机电感小，直接通过简化的电机模型公式

即可得到较为准确且实用的转速估计式。其中，U为电机两端的电压；R为电机内阻；I为电机电流；K为电机反电动势系数。则转向盘转速可以通过式（15）得到。

3 回正控制策略

3.1 主动回正状态

驾驶员在驾驶汽车时操纵转向盘的模式复杂，并非简单的撒手回正，而是在回正和助力之间切换，切换过程中电机若没有平稳的过渡容易造成转向盘的振动，影响驾驶舒适性，同时也影响汽车的稳定性。电动助力转向系统首先应确定现在汽车转向所处的状态，即补偿回正状态、中位回正状态或者助力状态[4]。可以通过转向盘转角α和转速α˙判断转向盘转动的行程和方向，通过转向盘转矩Ts和转向盘转角α监督转向状态。

将回正划分为补偿回正状态和中位回正状态，目的是为了使电动助力转向系统在复杂的转向工况里有更好的可控性。

定义左转为负方向，右转为正方向。当转向盘转矩Th小于左转矩阈值Tleft和Th大于右转矩阈值Tright时为转向助力状态，减轻驾驶员转向操纵力矩。当转矩Th在左转矩阈值Tleft和右转矩阈值Tright之间时为回正控制，此时实时监测转向盘转角。

如果回正过程中转向盘转角α大于右转角阈值αright或者小于左转角阈值αleft，即α＞αright或者α＜αleft时是补偿回正状态；在左转角阈值αleft和右转角阈值αright之间，即 αleft≤α≤αright时回正进入中位回正控制模式。此时回正目标是回到转向盘中位，以阻尼控制为主，并实时监测转向盘转矩以监督转向状态。回正控制流程图如图2所示。

3.2 主动回正控制策略

主动回正控制策略是研究在汽车回正力矩Tl的作用下，电机提供的回正转矩的控制规律。而电机回正转矩的变化是依靠调节电机两端的平均输入电压实现的，所以回正控制就是研究电机两端电压在汽车不同工况下的变化规律控制。回正分为补偿回正控制和中位回正控制。在补偿回正控制中提供一个与转向盘转矩有关的回正转矩；在中位回正控制运用PID控制对转向盘转角进行状态反馈的PID控制。由于在主动回正控制中转向盘转角是关键输出状态，所以转向盘转角α为回正模式判定条件。

在补偿回正状态中，参照EPS助力特性曲线，绘制回正补偿助力特性曲线，回正助力力矩如图3所示。

由曲线可知随着转向盘上转矩的增大，回正助力转矩减小。在回正助力曲线和转向助力特性曲线之间有死区，该设计目标是电动助力转向汽车在回正和转向助力之间切换时减小转矩波动，提高舒适性，并提供路感。在中位回正状态中，由于EPS系统的主动回正控制对系统的动态响应和稳态误差要求不高，所以使用PD控制器，即比例微分控制器。P部分主要用于大转角时的回正力矩的控制，D部分主要用于阻尼力矩的控制[5]。

结合无传感器的估计结果给出回正控制电压表达式。

式中，θsum为电机总转角；θleft为电机转角左侧阈值；θright为电机转角右侧阈值。