BR112020009382A2

BR112020009382A2 - método para estimativa contínua da taxa de atrito intermediária, em particular para velocidades de deslocamento inferiores a um limite determinado, em uma direção assistida elétrica de um veículo

Info

Publication number: BR112020009382A2
Application number: BR112020009382-3A
Authority: BR
Inventors: Alain Guilemond; Sébastien BOURDREZ; Tahar SLAMA; Pascal Moulaire; Nicolas Baudouin
Original assignee: Jtekt Europe
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-11-03
Also published as: WO2019092341A1; CN111344699A; CN111344699B; US11656137B2; FR3073638B1; DE112018005821T5; JP7160914B2; FR3073638A1; US20200370979A1; JP2021502294A

Abstract

O objetivo da invenção é superar algumas ou todas as desvantagens citadas. Para esse fim, é fornecido um método no qual é executada uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária, permitindo a integração de dito método em um método geral de compensação de atrito, de modo a melhorar continuamente a sensação no volante, particularmente para velocidades abaixo de um limite determinado. A invenção, portanto, trata de um método para compensar o atrito em um sistema de direção assistida elétrica, caracterizado pelo fato de que o método de compensação leva em consideração uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária obtida pelo método de estimativa contínua de acordo com a invenção.

Description

MÉTODO PARA ESTIMATIVA CONTÍNUA DA TAXA DE ATRITO INTERMEDIÁRIA, EM PARTICULAR PARA VELOCIDADES DE DESLOCAMENTO INFERIORES UM DETERMINADO LIMITE, EM UMA DIREÇÃO ASSISTIDA ELÉTRICA DE UM VEÍCULO

[0001] A presente invenção refere-se ao campo técnico dos sistemas de direção assistida elétrica e, em particular, à sensação do condutor no volante.

[0002] Existem vários tipos de sistemas de direção assistida e a invenção refere-se aos sistemas de direção assistida elétrica denominados «D.A.E.», que utilizam um motor elétrico para auxiliar o condutor na direção de seu veículo.

[0003] O primeiro objetivo da direção assistida elétrica é a assistência, ou seja, a redução do torque do volante/motor em um movimento definido. Assim, um sensor de torque do volante/motor é configurado para medir o torque exercido pelo condutor na coluna de direção do veículo e um computador determina a assistência associada e aciona o motor elétrico da direção assistida elétrica, dependendo do torque medido e das condições de condução para fornecer um torque adicional no pinhão da cremalheira conectada, por um lado, ao volante pela coluna de direção e, por outro lado, às rodas por meio de tirantes de direção. O segundo objetivo da direção assistida elétrica é fornecer ao condutor uma boa sensação no volante, que é chamada de "sensação de direção".

[0004] O fracasso dessas primeiras “leis de assistência”, baseadas apenas no torque do volante/motor, é que o condutor sente muito do atrito mecânico da direção, a qual é considerada imprecisa. De fato, em pequenos movimentos, particularmente perto de zero, quando há muito pouco torque, se houver um movimento em uma direção, o torque é liberado, a assistência para e o condutor tem a sensação de que está preso ao atrito da direção, ou seja, o atrito mecânico da direção assistida elétrica reduz ou até mesmo cancela os movimentos da cremalheira sob pouca carga de esforço do condutor, o que diminui a precisão da direção ao impor variações fortes e não lineares de torque motor para obter correções de movimentos refinadas. Uma histerese será então considerada: ou seja, o torque do volante/motor em uma direção é diferente do torque do volante/motor na outra direção. Para melhorar a sensação, é necessário reduzir essa histerese, compensando continuamente o atrito mecânico da direção, inclusive em baixas cargas do condutor e, portanto, em velocidades de deslocamento muito baixas.

[0005] Quando a velocidade está claramente definida, por exemplo, quando é superior a 20°/s, é bastante fácil compensar o atrito graças às medições do sensor de velocidade do motor da direção assistida elétrica. De fato, a direção do movimento pode ser detectada e o atrito pode ser compensado, pois fisicamente o atrito dinâmico tem um certo valor oposto ao movimento.

[0006] No entanto, uma função de compensação de atrito na área de aderência, ou seja, para velocidades de deslocamento inferiores a cerca de 2% em valor absoluto, implica a necessidade de saber estimar, finamente e, portanto, em tempo real, uma taxa de atrito intermediária inferior a 1 em valor absoluto. Este pedido é, portanto, muito mais restritivo do que a necessidade correspondente a outras funções de compensação de atrito, baseadas unicamente em um sinal de velocidade do motor da direção assistida elétrica e, portanto, inativa para valores absolutos da velocidade do motor abaixo de um limite, a fim de evitar fenômenos de oscilação necessariamente induzidos pelo ruído do sensor.

[0007] Não há sensor físico que permita medir a taxa de atrito intermediária. Essa taxa intermediária de atrito pode, contudo, ser estimada por um modelo matemático. Existem muitos modelos que estimam o atrito, mas que apresentam problemas de descontinuidade em ciclos de baixa amplitude e, portanto, induzem a sensação de defeitos no volante quando associados a funções de compensação de atrito.

[0008] A invenção visa superar todas ou parte das desvantagens mencionadas, propondo um método para estimativa contínua da taxa de atrito intermediária, permitindo sua integração em um método global de compensação de atrito por meio de um motor de assistência, a fim de melhorar continuamente a sensação no volante e, em particular, para velocidades de deslocamento inferiores a um limite determinado, o limite sendo compreendido entre substancialmente 0,5°/s e 3°/s em valor absoluto, preferencialmente entre substancialmente 1,5°/s e 2,5°/s em valor absoluto e ainda mais preferencialmente 2°/s.

[0009] Portanto, a invenção trata de um método para estimativa contínua da taxa de atrito intermediária, particularmente para velocidades de deslocamento inferiores a um limite determinado, em uma direção assistida elétrica de um veículo, caracterizado pelo fato de que dito método de estimativa compreende as seguintes etapas: a) Medição de uma primeira velocidade, sendo dita medição executada por um sensor de velocidade configurado para medir a velocidade do motor elétrico da direção assistida elétrica, b) Determinação de uma segunda velocidade a partir de uma medição do torque do volante/motor, sendo dita medição de torque executada por um sensor de torque configurado para medir o torque entre o volante e a cremalheira da direção assistida elétrica, c) Soma da primeira velocidade e da segunda velocidade, sendo a soma referida como velocidade de volante, d) Aplicação do modelo LuGre à soma determinada na etapa (c) usada como elemento de dito modelo e) Obtenção de uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária (w).

[0010] A determinação de uma segunda velocidade, correspondente ao torque do volante/motor, pelo método de estimativa de acordo com a invenção, permite levar em consideração as cargas muito baixas do condutor sobre o volante. De fato, nas cargas muito baixas do condutor, o atrito presente entre o volante e o motor elétrico, ligado às várias partes e aos entrelaçamentos mecânicas da direção assistida, impede uma carga do motor elétrico. Assim, a primeira velocidade é zero.

[0011] A determinação de uma segunda velocidade permite, portanto, levar em consideração e, portanto, compensar efetivamente o atrito da direção assistida para baixas cargas do condutor sobre o volante.

[0012] A soma da primeira velocidade e da segunda velocidade permite levar em conta ambas as baixas cargas do condutor sobre o volante, através da segunda velocidade, e as baixas cargas que sobem da superfície de percurso e influenciam diretamente a cremalheira, através da primeira velocidade.

[0013] Vantajosamente, o método de estimativa de acordo com a invenção utiliza um modelo LuGre que não tem um problema de descontinuidade. O modelo LuGre utiliza um princípio de integração e possui propriedades de representação dos ciclos de atrito, enquanto permite ter uma certa continuidade em taxas intermediárias de atrito.

[0014] O modelo LuGre usado é convencionalmente descrito por: Onde v é a velocidade entre duas superfícies de contato, z é o estado de atrito interno e F é uma força de atrito determinada. Comparado ao modelo Dahl, o modelo LuGre tem uma função g(v) dependente da velocidade, em vez de uma constante, um amortecimento adicional σ1 associado a um microdeslocamento e uma forma geral f(v) para o termo dependente da velocidade e sem memória. O estado z, que é semelhante ao esforço descrito no modelo Dahl, pode ser interpretado como um desvio médio. O modelo LuGre reproduz um comportamento de retorno para pequenos movimentos, nos quais o parâmetro σ0 é a rigidez, σ1 é o micro- amortecimento e f(v) representa o atrito viscoso, normalmente f(v) = σ2v. Para uma velocidade constante, o estado estável da força de atrito Fss é dado por: onde g(v) depende da lei de atrito de Coulomb e do efeito Stribeck.

[0015] De acordo com uma característica da invenção, a aplicação do LuGre de acordo com a invenção equivale a modelar o sistema por uma única massa cuja velocidade é representada pelo aporte do modelo LuGre.

[0016] Vantajosamente, o modelo LuGre não fornece diretamente a taxa de atrito intermediária, ele estima o coeficiente de atrito µ do sistema.

[0017] De acordo com outra característica da invenção, a estimativa contínua do coeficiente de atrito µ do sistema pode ser representada pela seguinte equação: onde V corresponde à velocidade do veículo, T corresponde à temperatura de direção, a* corresponde ao coeficiente de atrito dinâmico do sistema medido em uma bancada de testes, σ1 corresponde ao micro-amortecimento, z corresponde ao estado de atrito interno.

[0018] O coeficiente de atrito µ varia entre +/- o valor teórico a * identificado na bancada. Assim, o coeficiente de atrito obtido µ é configurado para variar entre +a* e –a*.

[0019] É a divisão desse coeficiente µ pelo valor teórico a* que permite obter a taxa de atrito intermediária w, que varia entre -1 e +1.

[0020] Assim, e de acordo com uma modalidade da invenção, a determinação da taxa de atrito intermediária w é realizada de acordo com a seguinte equação: w = µ / a*

[0021] Consequentemente, a taxa de atrito intermediária obtida é configurada para variar entre -1 e +1.

[0022] De acordo com outra característica da invenção, a determinação da segunda velocidade da etapa (b) é realizada de acordo com as seguintes subetapas: (s1) medição do torque do volante/motor, um sensor de torque configurado para medir o torque entre o volante e a cremalheira da direção assistida elétrica, (s2) derivada temporal da medição de torque (s3) aplicação da derivada obtida na subetapa s2 a uma rigidez determinada k (s4) obter uma segunda velocidade denominada velocidade de torque.

[0023] A invenção, portanto, trata também de um método para compensar o atrito em um sistema de direção assistida elétrica, caracterizado pelo fato de que o método de compensação leva em consideração uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária obtida pelo método de estimativa contínua de acordo com a invenção.

[0024] De acordo com outra característica da invenção, o método de compensação compreende pelo menos as seguintes etapas: E1 - Implementação do método de estimativa contínua da taxa de atrito intermediária de acordo com a reivindicação 1 a 3, obtendo pelo menos uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária (w) e pelo menos uma amplitude de atrito dinâmica estimada e modulação da estimativa da atrito (FRI) pela estimativa contínua da taxa de atrito intermediária (w), E2 - Obtenção da amplitude de um atrito determinado correspondente ao atrito desejado da direção assistida elétrica, E3 - Diferença entre a amplitude de atrito dinâmico estimada e a amplitude de atrito dinâmico desejada, E4 - Produto do resultado da diferença obtida na etapa E3 com a estimativa contínua da taxa intermediária de atrito (w) para obter um valor X, E5 - Diferença entre o valor X obtido na etapa E4, com a estimativa determinada do conjunto de forças opostas ao movimento (RFE) (para compensar por RFE) E6 - Compensação para a direção assistida, monitorando o torque motor por um controlador (CPU), dependendo do torque motor alvo e do torque motor medido.

[0025] Levando em consideração a estimativa contínua da taxa de atrito intermediária no método de compensação, é possível alterar a histerese do estimador de esforço da cremalheira, de modo que dita histerese se adapte ao atrito desejado. Este método de compensação permite, assim, uma maior precisão na sensação do volante, ou seja, que a histerese sentida está exatamente no nível desejado. Além disso, o método permite uma função de robustez, ou seja, o método é auto-adaptável, dependendo do atrito real da direção.

[0026] De acordo com uma modalidade da invenção, a etapa da E2 pode ser obtida por meio de um quadro ou um banco de dados preestabelecido ou um aporte de dados determinado.

[0027] De acordo com uma modalidade da invenção, o monitoramento do torque motor é realizado em um circuito fechado.

[0028] A invenção será melhor compreendida graças à descrição abaixo, a qual se refere a uma modalidade da invenção, dada a título de exemplos não limitativos e explicada com referência aos desenhos esquemáticos em anexo, nos quais: - A Figura 1 é um diagrama representativo do método de estimativa de acordo com a invenção, - A Figura 2 é um diagrama representativo de uma arquitetura do controlador da direção assistida elétrica que implementa o método de compensação da invenção, - A Figura 3 é um diagrama representativo do método de compensação de acordo com a invenção, - A Figura 4 é uma visão esquemática de um dispositivo de direção ao qual a invenção se aplica, - A Figura 5 é um gráfico que ilustra duas curvas de histerese com e sem compensação de atrito.

[0029] Como ilustrado na Figura 1, o método para estimativa contínua de uma taxa de atrito intermediária compreende uma etapa (a) de medir uma primeira velocidade por meio de um sensor de velocidade do motor elétrico do veículo. Essa primeira velocidade é representada pela referência . O método de estimativa compreende um passo (b) de determinação de uma segunda velocidade, compreendendo uma subetapa s1 de medição do torque do volante/motor representado pela referência e uma subetapa s2 de derivação temporal da medição do torque do volante e no qual um ganho é aplicado à derivada. O método de estimativa compreende uma etapa (c) de soma da primeira e da segunda velocidades, representada pela caixa referenciada Ʃ, sendo assim obtida uma velocidade denominada velocidade do volante referida como . A etapa (d) do método de estimativa é representada pela caixa LuGre, que consiste em simular um modelo de direção unidimensional simplificado (uma massa) e um atrito LuGre, cuja única velocidade de aporte é a soma obtida na etapa anterior (c). Finalmente, é obtida uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária da direção assistida elétrica, representada pela referência w.

[0030] Na Figura 2, é ilustrado um diagrama da CPU do controlador da direção assistida elétrica de um veículo.

[0031] Como ilustrado na Figura 3, o método de compensação compreende uma etapa E1 de implementação do método de estimativa contínua, este método de estimativa é ilustrado em detalhe na Figura 1 e também levado em consideração no método de compensação de atrito.

[0032] Na Figura 3, a FRI referenciada na caixa representa a estimativa do atrito e compreende pelo menos um componente que é a estimativa contínua da taxa intermediária de atrito w, obtida pelo método ilustrado na Figura 1, e outro componente que é a amplitude de atrito dinâmico estimada. Além disso, por meio de um quadro ou de um banco de dados preestabelecido, por exemplo, um mapa ajustável, obtém-se a amplitude do atrito dinâmico desejado para a direção assistida elétrica: esta é a etapa E2 do método de compensação ilustrado na Figura 3 na FRC referenciada na caixa. Na etapa E3 do método de compensação, é feita a diferença entre a amplitude do atrito dinâmico estimada e a amplitude de atrito dinâmico desejada e na etapa E4, é feito o produto do resultado da diferença com a estimativa contínua da taxa de atrito intermediária w, o que nos permite obter um valor X correspondente à quantidade de atrito a ser compensada tcomp. Na etapa E5, a diferença é feita entre o valor X obtido na etapa E3, com a estimativa determinada do conjunto de forças que se opõe ao movimento representado pelo RFE referenciado na caixa e referido como estimador de esforço da cremalheira. Graças a essa compensação, a histerese do estimador de força da cremalheira terá uma histerese monitorada e desejada, que também afetará a histerese na geração do torque alvo. Na etapa E6, o torque motor alvo e o torque motor medido são levados em consideração para o monitoramento do torque do circuito fechado pela CPU do controlador ilustrada na Figura 2. Na etapa E6, a ação «levar em conta» significa «comparar e monitorar em circuito fechado».

[0033] A título de exemplo, a direção assistida elétrica está em 400N de atrito e é desejada uma sensação em 300N, o estimador de atrito FRI identificará que a direção está em 400N, e o valor de atrito desejado será 300N. A diferença é, portanto, 100N, a estimativa determinada do conjunto de forças que se opõe ao movimento é 400N e 100N são subtraídos para que o atrito corresponda ao valor desejado de 300N.

[0034] Na Figura 5, é ilustrado um gráfico, representando duas curvas que ilustram o torque do volante do condutor em Nm (ordenadas) em função do ângulo do volante em graus (abcissa). A primeira curva em linha contínua ilustra a histerese entre o torque do volante do condutor e o ângulo do volante sem compensação de atrito. A segunda curva em linha tracejada ilustra a histerese com uma compensação de atrito, graças aos métodos da invenção. Para reduzir essa histerese conforme desejado, a área de inversão para + ou - 15°, quando o movimento do volante é invertido, é ajustada contínua e gradualmente, conforme mostrado na segunda curva descontínua.

[0035] Na Figura 4, um dispositivo de direção é ilustrado compreendendo uma direção assistida que permite implementar o método de estimativa da invenção, bem como o método de compensação da invenção. De uma maneira conhecida per se, e como mostrado na Figura 4, dito dispositivo de direção assistida 1 compreende um volante 3 que permite a um condutor manobrar dito dispositivo de direção assistida 1 ao exercer uma força, chamada «torque do volante» T3, em dito volante 3. Dito volante 3 é montado preferencialmente em uma coluna de direção 4, guiado em rotação no veículo 2 e que se entrelaça, por meio de um pinhão de direção 5, com uma cremalheira de direção 6, que ela própria é guiada em translação em um anteparo de direção 7 fixado a dito veículo 2.

[0036] Preferencialmente, cada uma das extremidades de dita cremalheira de direção 6 é conectada a uma barra roscada de direção 8, 9 unida à ponta de eixo de uma roda direcional 10, 11 (respectivamente uma roda esquerda 10 e a uma roda direita 11), de modo que o deslocamento longitudinal em translação da cremalheira 6 permita modificar o ângulo de direção (ângulo de guinada) das rodas direcionais. Além disso, as rodas direcionais 10, 11 podem, preferencialmente, também ser rodas motrizes.

[0037] O dispositivo de direção assistida 1 também compreende um motor 12 configurado para auxiliar a manobra de dito dispositivo 1 de direção assistida. O motor será, preferencialmente, um motor elétrico operando em ambas direções e, preferencialmente, um motor elétrico rotativo, do tipo sem escovas.

[0038] O dispositivo de direção assistida 1 compreende, adicionalmente, um sensor de torque do volante 14 montado especialmente dentro do dispositivo de direção assistida 1, por exemplo na coluna de direção 4, para medir o torque do volante T3, e tendo por principal, e mesmo exclusivo, objetivo a provisão de uma medição do torque do volante de direção T3, independentemente da tecnologia de medição usada por dito sensor de torque do volante de direção 14. Além disso, o dispositivo de direção assistida 1 compreende um sensor de velocidade do motor 24 destinado a medir a velocidade de rotação do motor 12.

[0039] Finalmente, o dispositivo de direção assistida 1 também compreende uma unidade de cálculo e controle 20 configurada para implementar o método de estimativa e o método de compensação a partir dos dados do sensor 14, 24.

[0040] Obviamente, a invenção não está limitada às modalidades descritas e representadas nas figuras anexas. As alterações permanecem possíveis, em particular do ponto de vista da constituição dos vários elementos ou da substituição de equivalentes técnicos, sem se afastar do campo de proteção da invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para estimativa contínua da taxa de atrito intermediária, em particular para velocidades de deslocamento inferiores a um limite determinado, em uma direção assistida elétrica de um veículo, caracterizado pelo fato de que dito método de estimativa compreende as seguintes etapas: a) Medição de uma primeira velocidade, sendo dita medição executada por um sensor de velocidade configurado para medir a velocidade do motor elétrico da direção assistida elétrica, b) Determinação de uma segunda velocidade a partir de uma medição do torque do volante/motor, sendo dita medição de torque executada por um sensor de torque configurado para medir o torque entre o volante e a cremalheira da direção assistida elétrica, a determinação da segunda velocidade é executada de acordo com as seguintes subetapas: (s1) medição do torque do volante/motor, um sensor de torque configurado para medir o torque entre o volante e a cremalheira da direção assistida elétrica, (s2) derivada temporal da medição de torque (s3) aplicação da derivada obtida na subetapa s2 a uma rigidez determinada k (s4) obter uma segunda velocidade denominada velocidade de torque c) Soma da primeira velocidade e da segunda velocidade, sendo a soma referida como velocidade do volante, d) Aplicação do modelo LuGre à soma determinada na etapa (c) usada como elemento de dito modelo e) Obtenção de uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária (w), a estimativa contínua de um coeficiente de atrito µ do sistema pode ser representada pela seguinte equação:

e na qual a determinação da taxa de atrito intermediária w é executada de acordo com a seguinte equação: w = µ / a* onde V corresponde à velocidade do veículo, T corresponde à temperatura de direção, a* corresponde ao coeficiente de atrito dinâmico do sistema medido em uma bancada de testes, σ1 corresponde ao micro-amortecimento, z corresponde ao estado de atrito interno.

2. Método para compensar o atrito de uma direção assistida elétrica, caracterizado pelo fato de que o método de compensação leva em consideração uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária obtida pelo método de estimativa contínua conforme a reivindicação 1.

3. Método de compensação, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos as seguintes etapas: E1 - Implementação do método de estimativa contínua da taxa de atrito intermediária de acordo com a reivindicação 1, obtendo pelo menos uma estimativa contínua da taxa de atrito intermediária (w) e pelo menos uma amplitude de atrito dinâmica estimada e modulação da estimativa de atrito (FRI) pela estimativa contínua da taxa de atrito intermediária (w), E2 - Obtenção da amplitude de um atrito determinado correspondente a um atrito desejado da direção assistida elétrica, E3 - Diferença entre a amplitude de atrito dinâmico estimada e a amplitude de atrito dinâmico desejada E4 - Produto do resultado da diferença obtida na etapa E3 com a estimativa contínua da taxa intermediária de atrito (w) para obter uma quantidade de atrito a ser compensado (X),

E5 - Diferença entre o valor X obtido na etapa E4, com a estimativa determinada do conjunto de forças opostas ao movimento (RFE) (para compensar por RFE) E6 - Compensação para a direção assistida, monitorando o torque motor por um controlador (CPU), dependendo do torque motor alvo e do torque motor medido.

4. Método de compensação, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a etapa E2 pode ser obtida por meio de um gráfico ou um banco de dados preestabelecido ou uma entrada de dados determinada.

5. Método de compensação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o monitoramento do torque motor é executado em um circuito fechado.