EPS系統(tǒng)處理超限轉(zhuǎn)角的算法研究

侯訓(xùn)波

摘 要：針對(duì)Hella扭矩轉(zhuǎn)角傳感器P信號(hào)和S信號(hào)開展研究，分析了EPS系統(tǒng)測(cè)量角度的基本工作原理，歸納了游標(biāo)算法角度可循環(huán)性特點(diǎn)，以及跟隨算法角度可跟隨延伸特點(diǎn)，明確了影響有效角度測(cè)量范圍的關(guān)鍵因素;依此，在超限轉(zhuǎn)角的情況下，提出游標(biāo)算法角度的測(cè)量可信度評(píng)估算法，判斷其可靠時(shí)，使跟隨算法角度能獲得及時(shí)校準(zhǔn)和修正，最終保證EPS系統(tǒng)對(duì)超限轉(zhuǎn)角的測(cè)量可靠性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);角度游標(biāo)算法;角度跟隨算法;超限轉(zhuǎn)角測(cè)量;可信度評(píng)估算法

Abstract： Aiming at the P signal and S signal of Hella torque-angle sensor， the basic working principle of angle measure -ment of EPS system was analyzed， the characteristics of angle cycling of vernier algorithm and angle extension of following algorithm were summarized， and the key factors affecting the effective angle measurement range were identified. Based on this， in the case of over-limit steering angle， the measurement reliability evaluation algorithm of vernier algorithm for angle measurement is proposed. When judging its reliability， the angle of the following algorithm can be timely calibrated and corrected， so as to guarantee the measurement reliability of EPS system for over-limit steering angle.

Keywords： Electric power steering system （EPS）; Angle vernier algorithm; Angle following algorithm; Over-limit steering angle measurement; Reliability evaluation algorithm

1 前言

現(xiàn)代汽車配裝電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：EPS系統(tǒng)）已非常普及。轉(zhuǎn)角傳感器作為EPS系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，直接影響系統(tǒng)性能，其角度信號(hào)對(duì)于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)回正功能又是必不可少的[1]，有轉(zhuǎn)角傳感器的回正控制精度和可靠性會(huì)更高[2]，若缺少了角度位置信息，會(huì)給車輛回正控制帶來(lái)很大的不確定性[3]。同時(shí)， EPS系統(tǒng)的跑偏補(bǔ)償、齒條末端保護(hù)等功能，也涉及到角度信號(hào)，并且要求角度信號(hào)是可靠的。目前，傳感器轉(zhuǎn)角測(cè)量范圍通常為±740°，可以滿足常規(guī)乘用車要求，但對(duì)于商用車或改裝車輛等，則不滿足要求。鑒于此，本文通過(guò)對(duì)Hella扭矩轉(zhuǎn)角傳感器的P信號(hào)和S信號(hào)及相關(guān)角度算法開展研究，在車輛出現(xiàn)超限轉(zhuǎn)角的情況下，提出了EPS系統(tǒng)如何獲得可信的方向盤絕對(duì)轉(zhuǎn)角值的算法，供EPS系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)參考。

2 傳感器的基本角度測(cè)量

本文研究的EPS系統(tǒng)傳感器為Hella非接觸交變電磁感應(yīng)式的扭矩轉(zhuǎn)角傳感器，它除了能輸出扭矩T信號(hào)，還能輸出與角度相關(guān)的P信號(hào)和S信號(hào)，均為PWM占空比形式的信號(hào)。其中PWM_P信號(hào)為40°一個(gè)循環(huán)，共37個(gè)周期，PWM_S信號(hào)為296°一個(gè)循環(huán)，共5個(gè)周期，綜合角度測(cè)量范圍為1480°，且P和S信號(hào)每個(gè)循環(huán)的有效PWM數(shù)值范圍均為12.5%～87.5%[4]。

2.1 游標(biāo)算法相對(duì)角度

如圖1所示，傳感器自身通過(guò)專用設(shè)備標(biāo)定后，就確定了其自身的PWM_P=PWM_S=50%交點(diǎn)為游標(biāo)算法相對(duì)角度θsv的基準(zhǔn)點(diǎn)。依此，在±740°范圍內(nèi)，通過(guò)EPS系統(tǒng)采樣PWM_P和PWM_S的信號(hào)組合，再通過(guò)成熟的角度游標(biāo)算法，即可確定唯一的游標(biāo)算法相對(duì)角度θsv= f（PWM_P，PWM_S），當(dāng)EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，θsv數(shù)值會(huì)在±740°內(nèi)循環(huán)而重復(fù)。本文規(guī)定從基準(zhǔn)點(diǎn)順時(shí)針向右旋轉(zhuǎn)的角度為正，反之為負(fù)，以下同理。

2.2 游標(biāo)算法絕對(duì)角度

當(dāng)EPS系統(tǒng)在車輛上安裝后，需利用游標(biāo)算法相對(duì)角度θsv來(lái)標(biāo)定EPS系統(tǒng)的游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv的基準(zhǔn)零點(diǎn)θsv0=f（PWM_P0，PWM_S0），使其與車輛直線行駛的角度零點(diǎn)重合，此后，角度θsv即可較真實(shí)地表征車輛的轉(zhuǎn)向角度。為方便理解，將圖1中角度θsv的±740°兩角端點(diǎn)連接成圓，如圖2所示，即可直觀地表達(dá)游標(biāo)算法相對(duì)角度的循環(huán)性質(zhì)。

如圖2所示，經(jīng)零點(diǎn)標(biāo)定后，EPS系統(tǒng)記憶了基準(zhǔn)零點(diǎn)θsv0位置，使游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv與車輛實(shí)際轉(zhuǎn)角相關(guān)聯(lián)，歸納整理后，角度θsv表達(dá)式如下：

以上角度θsv表達(dá)式是車輛轉(zhuǎn)向角度在±740°范圍內(nèi)有效的，但式（1）中，仍存在θsv -θsv0=740°或θsv -θsv0= -740°時(shí)，無(wú)法判別是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的θsv值。為兼顧此兩點(diǎn)及其附近角度點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果可靠，需設(shè)定安全角度范圍，因此還需針對(duì)式（1）增加測(cè)量可信度RE判斷的補(bǔ)充條件，其表達(dá)式如下：

根據(jù)式（2）要求，當(dāng)RE=TRUE時(shí)，游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv值是可信的，可以被應(yīng)用，當(dāng)RE=FLASE時(shí)，θsv值是不可信的，為避免出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)θsv值禁止被應(yīng)用。通常車輛的轉(zhuǎn)向角度都為|θs|≤720°，θsv值可以全程被應(yīng)用，建議在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地要求車輛左右轉(zhuǎn)向極限角度θsmax≤720°。

2.3 跟隨算法絕對(duì)角度

設(shè)跟隨算法絕對(duì)角度為θsr，它是由PWM_P信號(hào)獨(dú)立計(jì)算獲得的，是最終被EPS系統(tǒng)所采用的角度，以此來(lái)表征車輛的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度。

當(dāng)車輛下線，按本文序號(hào)2.2，在標(biāo)定EPS系統(tǒng)的游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv的基準(zhǔn)零點(diǎn)θsv0時(shí)，也將P信號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)PWM_P0標(biāo)定完成，以及PWM_P0所處區(qū)段號(hào)K=0也被標(biāo)記，均被EPS系統(tǒng)記憶并存儲(chǔ)。零點(diǎn)標(biāo)定后的P信號(hào)與EPS系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)PWM_P0、區(qū)段號(hào)K及絕對(duì)角度θsr等關(guān)系如圖3所示，其中θsr0為跟隨算法基準(zhǔn)角度。設(shè)ΔPWM_P = PWM_P - PWM_Pn-1，其中前次P信號(hào)的有效采樣值記為PWM_Pn-1。

跟隨算法基準(zhǔn)角度θsr0表達(dá)式：

式（4）中的Kn-1為前次采樣時(shí)被EPS系統(tǒng)記憶的區(qū)段號(hào)。

跟隨算法絕對(duì)角度θsr表達(dá)式：

由算式（4）可知，區(qū)段號(hào)K與前次區(qū)段號(hào)Kn-1相關(guān)，需EPS系統(tǒng)連續(xù)滾動(dòng)記憶，并根據(jù)PWM_P信號(hào)變化，對(duì)K值進(jìn)行累加或累減的跟隨性處理，使車輛實(shí)際所處的角度區(qū)段號(hào)與計(jì)算結(jié)果可保持一致。同時(shí)，只要EPS系統(tǒng)不斷電，該跟隨算法所獲得的絕對(duì)角度θsr，可延伸至更大的轉(zhuǎn)向角度測(cè)量，這也是跟隨算法絕對(duì)角度θsr被EPS系統(tǒng)所采用的主要原因。

2.4 EPS系統(tǒng)絕對(duì)角度

EPS系統(tǒng)絕對(duì)角度設(shè)為θs，它是被應(yīng)用于系統(tǒng)與角度相關(guān)的各種功能的物理參數(shù)，并且使θs=θsr?；贓PS系統(tǒng)工作安全性的要求，θs=θsr是否可靠，需利用上述游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv值與其對(duì)比，進(jìn)行誤差監(jiān)控，并實(shí)施報(bào)警提示。同時(shí)，由于跟隨算法絕對(duì)角度θsr是依賴于PWM_P采樣值，若PWM_P出現(xiàn)異常變化，按式（5）算法，則會(huì)引起區(qū)段號(hào)K的異常突變，而且變異的K值會(huì)持續(xù)被誤用，致使所獲得的跟隨算法絕對(duì)角度θsr值持續(xù)不可信。盡管游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv值與相對(duì)角度θsv強(qiáng)相關(guān)，且也依賴于PWM_P采樣值，若PWM_P出現(xiàn)異常變化，也會(huì)引起絕對(duì)角度θsv值異常突變，當(dāng)PWM_P異常消除后，則絕對(duì)角度θsv值也隨之恢復(fù)正常。因此，可利用游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv值，定時(shí)對(duì)區(qū)段號(hào)K進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)算法如下：

算式（6）是利用游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv，對(duì)其按ROUND（）函數(shù)定時(shí)取整，并在可信度RE=TRUE條件下，對(duì)當(dāng)前K值強(qiáng)行更新，以達(dá)到校準(zhǔn)目的，依此來(lái)維持跟隨算法絕對(duì)角度θsr的測(cè)量可靠性。當(dāng)EPS系統(tǒng)斷電后再上電，也是利用式（6）算法來(lái)找回正確的區(qū)段號(hào)K，恢復(fù)跟隨算法絕對(duì)角度θsr的測(cè)量功能。

3 超限轉(zhuǎn)角測(cè)量

上述傳感器的基本角度測(cè)量，是基于車輛轉(zhuǎn)向角度范圍在|θs|≤720°內(nèi)，是有效且可信的。本文超限轉(zhuǎn)角是指車輛轉(zhuǎn)向角度θs已超出傳感器的基本角度測(cè)量范圍，通常指θs>720°的情況。當(dāng)商用車或改裝車輛設(shè)計(jì)時(shí)，通常其轉(zhuǎn)向極限角度θsmax會(huì)大于720°，此時(shí)上述基本角度測(cè)量就不可信了，特別是游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv應(yīng)被EPS系統(tǒng)禁止應(yīng)用，只有判斷其可信的情況下，才能恢復(fù)應(yīng)用;而跟隨算法絕對(duì)角度θsr可在系統(tǒng)不斷電的情況下，繼續(xù)被EPS系統(tǒng)使用，但若長(zhǎng)時(shí)間得不到游標(biāo)算法絕對(duì)角度的校準(zhǔn)修正，將會(huì)由于P信號(hào)的異常波動(dòng)，出現(xiàn)較大的角度測(cè)量誤差。

為了分析超限轉(zhuǎn)角與有關(guān)傳感器的各物理參數(shù)變化規(guī)律，如表1和表2所示，列舉了±900°和± 1100°的超限轉(zhuǎn)角情況下，分別在5種零點(diǎn)位置時(shí)，按基本角度測(cè)量算法，獲得各物理參數(shù)值，從中來(lái)尋求能處理超限轉(zhuǎn)角的算法規(guī)律。

如表1和表2所示數(shù)據(jù)，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向角度θs=±900°時(shí)，按上述游標(biāo)算法獲得絕對(duì)角度θsv=-/+580°，當(dāng)θs=±1100°時(shí)，則θsv= -/+380°，此時(shí)的游標(biāo)算法所獲得絕對(duì)角度已不可信，同理，在其它超限轉(zhuǎn)角時(shí)，所獲得的θsv值均不可信。

從以上數(shù)據(jù)表中，還可以看出以下規(guī)律：在超限轉(zhuǎn)角的情況下，EPS系統(tǒng)讀取Hella傳感器信號(hào)PWM_P和PWM_S，并經(jīng)計(jì)算獲得的游標(biāo)算法絕對(duì)角度為：左轉(zhuǎn)時(shí)θsv=θs+1480°，右轉(zhuǎn)時(shí)θsv=θs-1480°。如圖4所示，歸納其規(guī)律表達(dá)式如下：

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，若已知該車輛最大極限轉(zhuǎn)向角θsmax屬于超限轉(zhuǎn)角（θsmax>720°），按式（7）和圖4所示的規(guī)律，需以已知的θsmax值為基礎(chǔ)，增加補(bǔ)充條件來(lái)縮小有效角度的測(cè)量范圍，才能使游標(biāo)算法獲得絕對(duì)角度θsv的計(jì)算結(jié)果可靠。如圖4所示的陰影部分，是車輛轉(zhuǎn)向角度在超限情況下，無(wú)法達(dá)到的區(qū)域，若測(cè)量的游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv值在此范圍內(nèi)，一定是非超限轉(zhuǎn)角，依此，可設(shè)定以下二種測(cè)量可信度RE的判斷條件及一種禁止應(yīng)用的判斷條件。在車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)已知極限轉(zhuǎn)向角θsmax，選擇其中一條即可。

1）當(dāng)θsmax< 760°時(shí)（8）

2）當(dāng)760°≤θsmax≤1100°時(shí) （9）

3）當(dāng)θsmax>1100°時(shí)，應(yīng)拒絕該傳感器及對(duì)應(yīng)算法使用于該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

考慮到方向盤左右轉(zhuǎn)向圈數(shù)不對(duì)稱等誤差因素，為可靠起見，對(duì)上述已知的極限轉(zhuǎn)向角θsmax應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃?0°～100°的安全角度。

根據(jù)以上三種情況，需用式（8）或式（9）來(lái)替換式（2），以便支持游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv測(cè)量可信度的判斷，實(shí)現(xiàn)超限轉(zhuǎn)角測(cè)量的可靠性。通常車輛在轉(zhuǎn)向角不超出一圈的情況下行駛，是最頻繁的和較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行工況，在此工況下均可使RE=TRUE，也使游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv的測(cè)量可靠。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)駕駛員將方向盤停留在超限轉(zhuǎn)角位置上停車并斷電，再使EPS系統(tǒng)重新上電，在此上電初期，游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv值和跟隨算法絕對(duì)角度θsr值均不可信，EPS系統(tǒng)會(huì)存在短時(shí)間內(nèi)，凡與角度相關(guān)的功能均被禁用的現(xiàn)象，只有當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角處于|θs|=|θsv|≤1480°-θsmax時(shí)，并保持1s以上，即可恢復(fù)EPS系統(tǒng)所有角度測(cè)量的可靠性，相關(guān)系統(tǒng)功能也同時(shí)被恢復(fù)使用。當(dāng)駕駛員規(guī)范停車時(shí)則不存在此現(xiàn)象。

（2）在車輛行駛中，駕駛員以超限轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)施轉(zhuǎn)向，此時(shí)游標(biāo)算法絕對(duì)角度θsv值是不可信的，將被EPS系統(tǒng)禁用，而跟隨算法絕對(duì)角度θsr仍可繼續(xù)測(cè)量角度，并被EPS系統(tǒng)使用，但角度θsr在短時(shí)內(nèi)，不能得到角度θsv的校準(zhǔn)和修正，會(huì)引起少許θsr測(cè)量誤差，但其誤差精度仍可滿足EPS系統(tǒng)使用要求。

（3）在實(shí)踐中，本文提出的EPS系統(tǒng)對(duì)超限轉(zhuǎn)角的處理策略和算法，能較好地將Hella傳感器的角度測(cè)量范圍增大至±1100°，可適用于大部分車輛配裝EPS系統(tǒng)。

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