基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)末端保護(hù)的研究

摘 要：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為車輛橫向控制的關(guān)鍵系統(tǒng)，在傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向的硬件（機(jī)械結(jié)構(gòu)）之上，以高感知的傳感器元件，高效性能的軟件控制策略，精準(zhǔn)的電機(jī)執(zhí)行助力控制等技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的智能化，并將推動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)向更先進(jìn)、更智能的未來(lái)發(fā)展。文章對(duì)末端保護(hù)功能來(lái)源、原理、策略及影響因素的研究，結(jié)合實(shí)車出現(xiàn)的末端保護(hù)問(wèn)題，從影響末端保護(hù)功能的三方面因素進(jìn)行分析，制定優(yōu)化措施，通過(guò)大量數(shù)據(jù)的采集和實(shí)車主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證，確定優(yōu)化措施有效，實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：智能化 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 末端保護(hù) 軟止點(diǎn) 電機(jī)扭矩

0 引言

隨著汽車的電動(dòng)化智能化發(fā)展，軟件定義汽車功能是汽車演進(jìn)過(guò)程中的重要概念，其目的是給顧客提供更好的價(jià)值體驗(yàn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為車輛橫向控制的關(guān)鍵系統(tǒng)，在傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向的硬件（機(jī)械結(jié)構(gòu)）之上，以高感知的傳感器元件，高效性能的軟件控制策略，精準(zhǔn)的電機(jī)執(zhí)行助力控制等技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的智能化，并將推動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)向更先進(jìn)、更智能的未來(lái)發(fā)展。本文研究的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)末端保護(hù)功能（也稱為軟止點(diǎn)功能），區(qū)別于堵轉(zhuǎn)保護(hù)，是通過(guò)軟件設(shè)定的一種末端保護(hù)功能，防止極限機(jī)械位置沖擊，是汽車轉(zhuǎn)向智能化演進(jìn)的功能之一，是在傳統(tǒng)機(jī)械限位和末端保護(hù)功能的基礎(chǔ)上演進(jìn)而來(lái)。本文對(duì)末端保護(hù)功能來(lái)源、功能原理、功能邏輯及軟件控制策略進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)實(shí)車末端保護(hù)問(wèn)題案例進(jìn)行描述、從末端保護(hù)的影響因素（末端保護(hù)系數(shù)、保護(hù)位置、基礎(chǔ)助力扭矩）對(duì)問(wèn)題案例進(jìn)行原因分析，結(jié)合原理和策略分析提供解決措施并實(shí)車驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向性能最優(yōu)。

1 功能研究

1.1 功能來(lái)源

車輪轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置時(shí)，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向器的金屬殼體結(jié)構(gòu)帶來(lái)沖擊噪音，影響零件可靠性和顧客滿意度。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上增加減震裝置，如圖1所示，無(wú)法徹底解決機(jī)械位置的沖擊噪音，同時(shí)增加成本，因此，軟件設(shè)定的末端保護(hù)功能完全取代機(jī)械限位減震裝置應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 功能原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器通過(guò)自學(xué)習(xí)獲得方向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)向器齒條最大行程，傳感器檢測(cè)到方向盤(pán)轉(zhuǎn)角或齒條行程位置，如圖2所示的起始位置時(shí)，控制器以一定的斜率減小助力扭矩，直到到達(dá)最大角度或行程位置，助力扭矩減小手力矩增大，減慢到達(dá)極限位置的速度，從而避免機(jī)械沖擊，末端保護(hù)參數(shù)設(shè)定不合理，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)角度過(guò)大或?qū)е轮α剡^(guò)大帶來(lái)沖擊異響，需實(shí)車進(jìn)行標(biāo)定。

末端保護(hù)的起始位置軟件中有兩種設(shè)定方式：一種是固定起始位置，如97%的最大方向盤(pán)轉(zhuǎn)角或最大齒條行程位置作為起始位置，即傳感器從方向盤(pán)從0°位置開(kāi)始檢測(cè)，到達(dá)97%最大角度位置開(kāi)始，假設(shè)方向盤(pán)左極限最大轉(zhuǎn)角為560°，97%位置即543.2°位置開(kāi)始，保護(hù)角度為16.8°，這種方式起始位置相同，左右方向保護(hù)角度有偏差；另一種是固定保護(hù)角度，如設(shè)定末端保護(hù)角度為10°，即傳感器從極限位置角度開(kāi)始計(jì)算，到達(dá)（最大角度-10）°位置開(kāi)始，假設(shè)方向盤(pán)左極限最大轉(zhuǎn)角為560°，保護(hù)角度為10°，那么起始位置是550°位置，這種左右方向保護(hù)角度相同，但起始位置不同。

1.3 功能策略

末端保護(hù)功能開(kāi)啟后，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器通過(guò)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角（或齒條）的位置、方向盤(pán)轉(zhuǎn)速或齒條移動(dòng)速度，根據(jù)不同末端保護(hù)系數(shù)，與整車基礎(chǔ)助力曲線進(jìn)行耦合，計(jì)算出末端保護(hù)輸出力矩，實(shí)現(xiàn)整車末端位置的緩慢停止。末端保護(hù)輸出的力矩，主要由方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、方向盤(pán)轉(zhuǎn)速及基礎(chǔ)助力扭矩三方面影響，功能邏輯關(guān)系如圖3所示。角度越接近極限位置，輸出扭矩越小，角速度越大，輸出扭矩越小，基礎(chǔ)助力越小，輸出扭矩越小。

1.4 對(duì)整車影響

目前各主機(jī)廠都實(shí)施平臺(tái)化模塊化架構(gòu)開(kāi)發(fā)，平臺(tái)模態(tài)件最大通用化，既保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定同時(shí)可以減少開(kāi)發(fā)周期和成本，而作為軟件衍生出來(lái)的末端保護(hù)功能，很容易被忽略和遺忘，想當(dāng)然認(rèn)為平臺(tái)架構(gòu)件，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的齒條行程位置不變，末端保護(hù)功能可以直接沿用，導(dǎo)致沒(méi)有進(jìn)行驗(yàn)收確認(rèn)。實(shí)際上同一套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（末端保護(hù)參數(shù)不變），裝配大載荷車型，如果不進(jìn)行標(biāo)定，會(huì)導(dǎo)致末端輸出扭矩不夠，會(huì)出現(xiàn)末端保護(hù)介入過(guò)早，影響整車轉(zhuǎn)向角度，影響整車操縱性；裝配在小載荷車型，會(huì)導(dǎo)致末端輸出扭矩過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)沖擊異響，影響整車操縱舒適性和零件壽命。

末端保護(hù)的輸出扭矩與基礎(chǔ)助力扭矩兩者之間關(guān)系可用系數(shù)表示，關(guān)系用式（1）表示：

（1）

式中，是末端保護(hù)輸出扭矩，單位N.m；是基礎(chǔ)助力扭矩，單位N.m；是與方向盤(pán)轉(zhuǎn)速和齒條行程相關(guān)的末端保護(hù)保護(hù)系數(shù)。

2 問(wèn)題案例

案例描述：以主機(jī)廠某款車型為例說(shuō)明，車型代號(hào)分別為A車型和B車型，其中B車型為A車的改款車型，底盤(pán)硬點(diǎn)、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、軟件架構(gòu)、轉(zhuǎn)向附加功能均與A車型一致，滿載前軸荷在A車型基礎(chǔ)上增加約100kg，B車型重新標(biāo)定轉(zhuǎn)向手感后，在末端-20°位置，方向盤(pán)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)方向到極限位置，影響整車操作性，要求B車型與A車型獲得相同的手感。

通過(guò)實(shí)車采用CANoe接口進(jìn)行CAN報(bào)文讀取，對(duì)輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，從圖4輸出力矩的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看出，接近齒條極限位置附近，B車型的Te扭矩與A車型接近，由于B車型載荷大負(fù)載大，因此，B車型末端手力比A車型大。

3 優(yōu)化方案及驗(yàn)證

3.1 γ系數(shù)

基于B車型現(xiàn)有手感標(biāo)定數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)助力扭矩和行程位置λ不變的情況下，調(diào)整極限位置附近的γ系數(shù)，增加助力扭矩Te，減小方向盤(pán)操作手力，調(diào)整后的系數(shù)如圖5所示。

由于B車型較A車型整車負(fù)載大，上調(diào)極限位置附近γ系數(shù)后，不同方向盤(pán)轉(zhuǎn)速下助力扭矩Te會(huì)增大，方向盤(pán)手力矩降低。上調(diào)γ系數(shù)后95%最大方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、97%最大方向盤(pán)轉(zhuǎn)角位置和98%最大方向盤(pán)轉(zhuǎn)角位置，所需的理論助力扭矩Te分別是61.1N.m、49.59N.m和39.68N.m，均得到提高，如圖6所示，因此，調(diào)整γ系數(shù)，調(diào)整助力扭矩Te，從而調(diào)整對(duì)應(yīng)位置的手力矩，實(shí)現(xiàn)整車可接受的末端保護(hù)保護(hù)角度。

因此，基于B車型轉(zhuǎn)向手感標(biāo)定參數(shù)、基礎(chǔ)助力扭矩Ts及行程位置λ不變，調(diào)整極限位置附近γ系數(shù)， B車型與A車型獲得相同的保護(hù)角度（98%最大方向盤(pán)轉(zhuǎn)角位置）。

3.2 基礎(chǔ)助力Ts

假設(shè)本案例中，B車型可以重新進(jìn)行手感調(diào)校，基礎(chǔ)助力扭矩Ts可調(diào)，行程位置λ和γ系數(shù)均不調(diào)整情況下，使得B車型與A車型手感力矩相當(dāng)?；A(chǔ)助力手感力矩重新調(diào)校后，如圖7所示，B車型的助力扭矩值Te，基礎(chǔ)助力扭矩增大約3N.m，98%最大齒條行程位置助力扭矩Te約為41N.m。

因此，調(diào)整B車型最大基礎(chǔ)助力扭矩Ts到68.46N.m，其他均沿用A車型參數(shù)，同樣可以達(dá)到與A車型相同的末端保護(hù)保護(hù)角度，基礎(chǔ)助力扭矩Ts調(diào)整，可以解決該問(wèn)題，會(huì)影響其他補(bǔ)償功能，需重新調(diào)校和驗(yàn)證，實(shí)際并未采用該方案。

3.3 行程位置λ

基于B車型轉(zhuǎn)向手感及固定的基礎(chǔ)助力扭矩Ts，調(diào)整行程位置λ系數(shù)及與之對(duì)應(yīng)的是γ系數(shù)是實(shí)現(xiàn)末端保護(hù)功能，減小末端保護(hù)角度。λ、γ系數(shù)調(diào)整后如圖8所示，手力矩如圖9所示。

因此，起始位置λ接近99.5%的最大極限位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的方向盤(pán)手力矩與A車實(shí)測(cè)98%位置手力距相當(dāng)，此時(shí)保護(hù)角度約為-5°，保護(hù)角度偏小。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)末端保護(hù)功能來(lái)源、原理、策略及影響因素的研究，結(jié)合實(shí)車出現(xiàn)的末端保護(hù)問(wèn)題，從影響末端保護(hù)功能的三方面因素制定優(yōu)化措施，通過(guò)大量數(shù)據(jù)的采集和實(shí)車主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證，確定優(yōu)化措施有效，最終從成本周期費(fèi)用綜合考慮，選取優(yōu)化方案一，調(diào)整γ系數(shù)。通過(guò)本次對(duì)末端保護(hù)功能的理論研究到實(shí)車的優(yōu)化應(yīng)用，總結(jié)得出以下結(jié)論：

（1）末端保護(hù)功能作為轉(zhuǎn)向電控功能之一，其重要性與轉(zhuǎn)向其他軟件功能同等重要，保護(hù)的角度過(guò)大或過(guò)小會(huì)直接影響整車操穩(wěn)性能。

（2）改款車型或平臺(tái)沿用時(shí)，特別是載荷發(fā)生變化，重點(diǎn)考慮標(biāo)定手感力矩差異對(duì)末端保護(hù)功能影響，手感標(biāo)定后需要對(duì)末端保護(hù)功能進(jìn)行標(biāo)定、驗(yàn)證和確認(rèn)。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略是在傳感器信號(hào)性能以及控制器良好的前提下進(jìn)行控制分析，但是汽車在行駛過(guò)程中的不可變因素很多，這時(shí)系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制策略研究就顯得尤為重要，因此如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)故障的檢測(cè)能力和容錯(cuò)能力仍需進(jìn)一步研究。

本文研究的意義，為后續(xù)末端保護(hù)功能的開(kāi)發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其它軟件功能同樣有借鑒意義，在以后電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控功能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)和充分驗(yàn)證，推動(dòng)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)向更先進(jìn)、更智能的未來(lái)發(fā)展邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)整車性能最優(yōu)，為顧客提供更好的價(jià)值體驗(yàn)。

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