基于电动助力转向系统末端保护的研究

摘 要：电动助力转向系统作为车辆横向控制的关键系统，在传统汽车转向的硬件（机械结构）之上，以高感知的传感器元件，高效性能的软件控制策略，精准的电机执行助力控制等技术为核心，实现汽车转向的智能化，并将推动汽车转向技术向更先进、更智能的未来发展。文章对末端保护功能来源、原理、策略及影响因素的研究，结合实车出现的末端保护问题，从影响末端保护功能的三方面因素进行分析，制定优化措施，通过大量数据的采集和实车主观评价验证，确定优化措施有效，实现整车转向性能最优。

关键词：智能化 电动助力转向 末端保护 软止点 电机扭矩

0 引言

随着汽车的电动化智能化发展，软件定义汽车功能是汽车演进过程中的重要概念，其目的是给顾客提供更好的价值体验。电动助力转向系统作为车辆横向控制的关键系统，在传统汽车转向的硬件（机械结构）之上，以高感知的传感器元件，高效性能的软件控制策略，精准的电机执行助力控制等技术为核心，实现汽车转向的智能化，并将推动汽车转向技术向更先进、更智能的未来发展。本文研究的电动助力转向系统末端保护功能（也称为软止点功能），区别于堵转保护，是通过软件设定的一种末端保护功能，防止极限机械位置冲击，是汽车转向智能化演进的功能之一，是在传统机械限位和末端保护功能的基础上演进而来。本文对末端保护功能来源、功能原理、功能逻辑及软件控制策略进行了研究，通过对实车末端保护问题案例进行描述、从末端保护的影响因素（末端保护系数、保护位置、基础助力扭矩）对问题案例进行原因分析，结合原理和策略分析提供解决措施并实车验证，最终实现整车转向性能最优。

1 功能研究

1.1 功能来源

车轮转动到极限位置时，会对转向器的金属壳体结构带来冲击噪音，影响零件可靠性和顾客满意度。传统转向系统在机械结构上增加减震装置，如图1所示，无法彻底解决机械位置的冲击噪音，同时增加成本，因此，软件设定的末端保护功能完全取代机械限位减震装置应运而生。

1.2 功能原理

电动助力转向系统控制器通过自学习获得方向盘最大转角或转向器齿条最大行程，传感器检测到方向盘转角或齿条行程位置，如图2所示的起始位置时，控制器以一定的斜率减小助力扭矩，直到到达最大角度或行程位置，助力扭矩减小手力矩增大，减慢到达极限位置的速度，从而避免机械冲击，末端保护参数设定不合理，会导致保护角度过大或导致助力力矩过大带来冲击异响，需实车进行标定。

末端保护的起始位置软件中有两种设定方式：一种是固定起始位置，如97%的最大方向盘转角或最大齿条行程位置作为起始位置，即传感器从方向盘从0°位置开始检测，到达97%最大角度位置开始，假设方向盘左极限最大转角为560°，97%位置即543.2°位置开始，保护角度为16.8°，这种方式起始位置相同，左右方向保护角度有偏差；另一种是固定保护角度，如设定末端保护角度为10°，即传感器从极限位置角度开始计算，到达（最大角度-10）°位置开始，假设方向盘左极限最大转角为560°，保护角度为10°，那么起始位置是550°位置，这种左右方向保护角度相同，但起始位置不同。

1.3 功能策略

末端保护功能开启后，电动助力转向控制器通过方向盘转角（或齿条）的位置、方向盘转速或齿条移动速度，根据不同末端保护系数，与整车基础助力曲线进行耦合，计算出末端保护输出力矩，实现整车末端位置的缓慢停止。末端保护输出的力矩，主要由方向盘转角、方向盘转速及基础助力扭矩三方面影响，功能逻辑关系如图3所示。角度越接近极限位置，输出扭矩越小，角速度越大，输出扭矩越小，基础助力越小，输出扭矩越小。

1.4 对整车影响

目前各主机厂都实施平台化模块化架构开发，平台模态件最大通用化，既保证产品质量稳定同时可以减少开发周期和成本，而作为软件衍生出来的末端保护功能，很容易被忽略和遗忘，想当然认为平台架构件，转向系统的齿条行程位置不变，末端保护功能可以直接沿用，导致没有进行验收确认。实际上同一套转向系统（末端保护参数不变），装配大载荷车型，如果不进行标定，会导致末端输出扭矩不够，会出现末端保护介入过早，影响整车转向角度，影响整车操纵性；装配在小载荷车型，会导致末端输出扭矩过大，会出现冲击异响，影响整车操纵舒适性和零件寿命。

末端保护的输出扭矩与基础助力扭矩两者之间关系可用系数表示，关系用式（1）表示：

（1）

式中，是末端保护输出扭矩，单位N.m；是基础助力扭矩，单位N.m；是与方向盘转速和齿条行程相关的末端保护保护系数。

2 问题案例

案例描述：以主机厂某款车型为例说明，车型代号分别为A车型和B车型，其中B车型为A车的改款车型，底盘硬点、转向结构、软件架构、转向附加功能均与A车型一致，满载前轴荷在A车型基础上增加约100kg，B车型重新标定转向手感后，在末端-20°位置，方向盘无法转动方向到极限位置，影响整车操作性，要求B车型与A车型获得相同的手感。

通过实车采用CANoe接口进行CAN报文读取，对输出进行数据整理，从图4输出力矩的实测数据看出，接近齿条极限位置附近，B车型的Te扭矩与A车型接近，由于B车型载荷大负载大，因此，B车型末端手力比A车型大。

3 优化方案及验证

3.1 γ系数

基于B车型现有手感标定数据、基础助力扭矩和行程位置λ不变的情况下，调整极限位置附近的γ系数，增加助力扭矩Te，减小方向盘操作手力，调整后的系数如图5所示。

由于B车型较A车型整车负载大，上调极限位置附近γ系数后，不同方向盘转速下助力扭矩Te会增大，方向盘手力矩降低。上调γ系数后95%最大方向盘转角、97%最大方向盘转角位置和98%最大方向盘转角位置，所需的理论助力扭矩Te分别是61.1N.m、49.59N.m和39.68N.m，均得到提高，如图6所示，因此，调整γ系数，调整助力扭矩Te，从而调整对应位置的手力矩，实现整车可接受的末端保护保护角度。

因此，基于B车型转向手感标定参数、基础助力扭矩Ts及行程位置λ不变，调整极限位置附近γ系数， B车型与A车型获得相同的保护角度（98%最大方向盘转角位置）。

3.2 基础助力Ts

假设本案例中，B车型可以重新进行手感调校，基础助力扭矩Ts可调，行程位置λ和γ系数均不调整情况下，使得B车型与A车型手感力矩相当。基础助力手感力矩重新调校后，如图7所示，B车型的助力扭矩值Te，基础助力扭矩增大约3N.m，98%最大齿条行程位置助力扭矩Te约为41N.m。

因此，调整B车型最大基础助力扭矩Ts到68.46N.m，其他均沿用A车型参数，同样可以达到与A车型相同的末端保护保护角度，基础助力扭矩Ts调整，可以解决该问题，会影响其他补偿功能，需重新调校和验证，实际并未采用该方案。

3.3 行程位置λ

基于B车型转向手感及固定的基础助力扭矩Ts，调整行程位置λ系数及与之对应的是γ系数是实现末端保护功能，减小末端保护角度。λ、γ系数调整后如图8所示，手力矩如图9所示。

因此，起始位置λ接近99.5%的最大极限位置时，对应的方向盘手力矩与A车实测98%位置手力距相当，此时保护角度约为-5°，保护角度偏小。

4 结论

通过对末端保护功能来源、原理、策略及影响因素的研究，结合实车出现的末端保护问题，从影响末端保护功能的三方面因素制定优化措施，通过大量数据的采集和实车主观评价验证，确定优化措施有效，最终从成本周期费用综合考虑，选取优化方案一，调整γ系数。通过本次对末端保护功能的理论研究到实车的优化应用，总结得出以下结论：

（1）末端保护功能作为转向电控功能之一，其重要性与转向其他软件功能同等重要，保护的角度过大或过小会直接影响整车操稳性能。

（2）改款车型或平台沿用时，特别是载荷发生变化，重点考虑标定手感力矩差异对末端保护功能影响，手感标定后需要对末端保护功能进行标定、验证和确认。

电动助力转向控制策略是在传感器信号性能以及控制器良好的前提下进行控制分析，但是汽车在行驶过程中的不可变因素很多，这时系统故障诊断与容错控制策略研究就显得尤为重要，因此如何进一步提高系统对故障的检测能力和容错能力仍需进一步研究。

本文研究的意义，为后续末端保护功能的开发提供了宝贵经验，转向系统其它软件功能同样有借鉴意义，在以后电动助力转向系统电控功能开发过程中，通过合理设计和充分验证，推动电动助力转向技术向更先进、更智能的未来发展迈进，实现整车性能最优，为顾客提供更好的价值体验。

参考文献：

[1]王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010．

[2]杨金升，张可晨，唐新宇．CANoe开发从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2019．

[3]程福秀，林金铭.现代电机设计[M].北京：机械工业出版社，1993．

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[5]乔冬冬，部荣，王青.种电动助力转向系统的齿条末端保护方法及车辆[P].中国 CN202111679773.3.