一种线控转向系统齿条力容错估计方法技术方案

一种线控转向系统齿条力容错估计方法，属于汽车线控转向技术领域。构建转向执行机构的动力学建模，并确定线控转向系统的状态空间；设计扩张干扰观测器，估计广义齿条力；基于稳定性理论设计扩张干扰观测器的反馈增益；给出线控转向系统齿条力容错估计方法。本发明专利技术更精确，为观测器的容错机制提供了设计基础。精度高、受电机转矩波动影响小。提升了齿条力估计的可靠性，提供了观测器故障容错的策略。不仅可以在转向随动控制中被用于设计前馈控制器以提高转角跟踪的精度，还可以在路感模拟中被用于设计反馈路感。可以实现对所述转向执行电机转角、转速以及所述齿条位移、速度的观测。速度的观测。速度的观测。

【技术实现步骤摘要】
一种线控转向系统齿条力容错估计方法


[0001]本专利技术涉及一种线控转向系统齿条力容错估计方法，属于汽车线控转向


技术介绍

[0002]线控转向技术作为转向操纵自动化的硬件基础，取消了转向机构与转向盘之间的机械连接，使用电信号进行信息的双向传递：驾驶员输入的转向盘转角指令通过车载网络传递给电子控制单元，电子控制单元接收到控制指令进而控制转向执行机构完成驾驶员的转向意图；同时传感器将路面反馈的有关信息传递给电子控制单元，电子控制单元计算出路感反馈力矩后控制路感反馈电机输出对应大小的力矩，完成路感反馈。
[0003]线控转向系统的搭建包含两个关键技术：一个是转向随动控制，即车轮的转角跟踪控制，其难点在于路面作用于轮胎产生的回正力矩是不易测量的干扰，会影响跟踪控制的精度；另一个是路感的规划与模拟，在传统的机械转向系统中路感可以理解为车轮的回正力矩通过机械传动装置传递给驾驶员的阻力矩，其中包含了整车运动及轮胎受力的状态信息，该信息通过机械连接传递给驾驶员，帮助驾驶员判断汽车运行状态和路面环境，而在线控转向系统中取消了转向系统的机械连接，路感需要在电子控制单元中综合各类传感器信号计算得出，其难点在于如何模拟出接近传统机械转向系统的路感。
[0004]齿条力作为轮胎回正力矩通过转向拉杆作用于齿条的力，既是影响转角跟踪控制精度的干扰，也是包含路感信息被用于生成路感反馈力矩的重要部分，因此被广泛研究，现有的对齿条力进行测量和估计的方法如下：
[0005]公开日为2020年03月24日，公开号为CN110901761A，名称为《线控转向系统和用于估计线控转向系统的齿条力的方法》的韩国专利技术专利，公开了通过转向执行电机转角传感器和齿条位移传感器测量出的减速器前端和后端的齿条位置差来计算减速器受力，进而通过动力学模型计算出齿条力。该方法的缺点是对传感器精度要求高，估计效果对传动机构的刚度参数变化敏感，传动机构的刚度无法准确测量，受材料使用时间等多种因素影响，刚度参数的变化会导致齿条力计算失真。
[0006]公开日为2020年01月21日，公开号为CN110712676A，名称为《转向系统的齿条力估计》的美国专利技术专利，公开了通过对轮胎建模，估计横向速度，计算滑移角进而计算轮胎横向受力，得到齿条力。该方法的缺点是对模型的依赖较强，轮胎拖距无法准确测量，导致齿条力估计的精度较低。
[0007]公开日为2019年10月08日，公开号为CN110304135A，名称为《转向系统的齿条力估计》的中国专利技术专利，公开了将齿条力作为转向执行机构的干扰进行建模，引入非线性的增益函数完成观测器的设计。该观测器收敛速度快、实时性好，可以满足在复杂工况下对齿条力估计的需求。该方法的不足是其模型仅有一个自由度，对实际物理系统的动力学描述不够精准，观测器的观测效果受制于单一转角传感器，若转角传感器出现故障，则会严重影响齿条力的估计效果。

技术实现思路

[0008]为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种线控转向系统齿条力容错估计方法。
[0009]实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：一种线控转向系统齿条力容错估计方法，所述估计方法包括如下步骤：
[0010]S1：构建转向执行机构的动力学建模，并确定线控转向系统的状态空间；
[0011]S2：设计扩张干扰观测器，估计广义齿条力；
[0012]S3：基于稳定性理论设计扩张干扰观测器的反馈增益；
[0013]S4：给出线控转向系统齿条力容错估计方法。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0015]1、本专利技术在转向执行机构建模中设置了两个自由度，相比于现有技术中的单自由度模型更精确，同时两个自由度也为观测器的容错机制提供了设计基础。
[0016]2、本专利技术中同时使用电机转角、齿条位移和电机输出转矩观测齿条力的方法，融合了仅靠电机转角、电机输出转矩观测齿条力和仅靠所述齿条位移、电机输出转矩观测齿条力两种方法的优点：精度高、受所述电机转矩波动影响小。
[0017]3、本专利技术提升了齿条力估计的可靠性，提供了观测器故障容错的策略：当电机转角传感器发生故障时，给出了仅使用齿条位移和电机输出转矩为输入的齿条力观测器；当齿条位移传感器发生故障时，给出了仅使用电机转角和所述电机输出转矩为输入的齿条力观测器。
[0018]4、转向随动控制和路感模拟都对系统的实时性有较高要求，本专利技术设计的观测器收敛速度快，对广义齿条力的估计实时性好，因此该广义齿条力不仅可以在转向随动控制中被用于设计前馈控制器以提高转角跟踪的精度，还可以在路感模拟中被用于设计反馈路感。
[0019]5、本专利技术中设计的观测器还可以实现对所述转向执行电机转角、转速以及所述齿条位移、速度的观测。
附图说明
[0020]图1是本专利技术的线控转向系统的结构示意图；
[0021]图2是扩张干扰观测器原理图；
[0022]图3是观测器容错机制运行流程图；
[0023]图4是观测器容错机制中三种观测器的示意图；
[0024]图5是转角阶跃输入下三种观测器对于给定广义齿条力的观测效果曲线；
[0025]图6是双移线性路线输入下三种观测器对于给定广义齿条力的观测效果曲线。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]一种线控转向系统齿条力容错估计方法，所述线控转向系统包括转向执行机构、路感反馈机构以及对转向执行机构和路感反馈机构进行协调控制的控制器12；所述转向执行机构包括转向执行电机5、转向执行电机减速器6、转矩转角传感器一7、位移传感器8、小齿轮9、齿条10以及车轮11；所述路感反馈机构包括转向盘1、转矩转角传感器二2、路感反馈电机减速器3以及路感反馈电机4；
[0028]所述转向执行电机5的输出轴通过转向执行电机减速器6与小齿轮9连接，并设有转矩转角传感器一7，所述小齿轮9与齿条10啮合连接，所述齿条10上设有位移传感器8，并与车轮11连接；
[0029]所述路感反馈电机4的输出轴通过路感反馈电机减速器3与转向盘1连接，并设有转矩转角传感器二2；
[0030]其特征在于：所述估计方法包括如下步骤：
[0031]S1：构建转向执行机构的动力学建模，并确定线控转向系统的状态空间；
[0032]对转向执行机构进行建模，将其描述为拥有两自由度的二阶系统，其中齿条结构和转向执行电机轴视为刚体，忽略电机轴上的摩擦损耗，所述动力学的微分方程为：
[0033][0034]其中，
[0035]J
m
是转向执行电机5的转子和减速器等效到电机轴上的转动惯量；
[0036]是转向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种线控转向系统齿条力容错估计方法，所述线控转向系统包括转向执行机构、路感反馈机构以及对转向执行机构和路感反馈机构进行协调控制的控制器(12)；所述转向执行机构包括转向执行电机(5)、转向执行电机减速器(6)、转矩转角传感器一(7)、位移传感器(8)、小齿轮(9)、齿条(10)以及车轮(11)；所述路感反馈机构包括转向盘(1)、转矩转角传感器二(2)、路感反馈电机减速器(3)以及路感反馈电机(4)；所述转向执行电机(5)的输出轴通过转向执行电机减速器(6)与小齿轮(9)连接，并设有转矩转角传感器一(7)，所述小齿轮(9)与齿条(10)啮合连接，所述齿条(10)上设有位移传感器(8)，并与车轮(11)连接；所述路感反馈电机(4)的输出轴通过路感反馈电机减速器(3)与转向盘(1)连接，并设有转矩转角传感器二(2)；其特征在于：所述估计方法包括如下步骤：S1：构建转向执行机构的动力学建模，并确定线控转向系统的状态空间；S2：设计扩张干扰观测器，估计广义齿条力；S3：基于稳定性理论设计扩张干扰观测器的反馈增益；S4：给出线控转向系统齿条力容错估计方法。2.根据权利要求1所述的一种线控转向系统齿条力容错估计方法，其特征在于：S1所述动力学的微分方程为：其中，J
m
是转向执行电机(5)的转子和减速器等效到电机轴上的转动惯量；是转向执行电机(5)转子的角加速度；B
m
是转向执行电机(5)和转向执行电机减速器(6)的粘性阻尼系数；是转向执行电机(5)转子的旋转角速度；K
m
是转向执行电机(5)的扭转刚度；θ
m
是转向执行电机(5)转子的转角速度；G
m
是转向执行电机减速器(6)减速比；X
r
是齿条(10)的横向位移；r
p
是小齿轮(9)的分度圆半径；T
m
是转向执行电机(5)的输出转矩；m
r
是齿条(10)的质量；是齿条(10)的加速度；B
r
是齿条(10)的阻尼；
是齿条(10)的速度；F
f,r
是齿条(10)运动时受到的摩擦力；F
r
是齿条(10)运动时受到的转向拉杆的力。3.根据权利要求2所述的一种线控转向系统齿条力容错估计方法，其特征在于：S1所述线控转向系统状态空间的确定，包括如下步骤：S101：同时将齿条运动时受到的摩擦力F
f,r
和受到的转向拉杆力F
r
之和作为广义齿条力F
e
，并假设其一阶微分有界：F
e
＝F
r
+F
f,r
；S102：定义状态变量x1＝θ
m
、x3＝X
r
、输出y1＝θ
m
、y3＝X
r
，则线控转向系统状态空间为：4.根据权利要求1或3所述的一种线控转向系统齿条力容错估计方法，其特征在于：S2所述估计广义齿条力包括如下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵林辉，李怀宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：