CN100336691C - 电动转向系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于机动车辆的电动转向系统，其包括转向转矩检测装置，检测转向轴的转向转矩。提供电动机，产生助力转矩和逆助力转矩，该助力转矩用于辅助使车辆转向所需的司机的转向作用力，该逆助力转矩用于增加司机的转向作用力。助力转矩和逆助力转矩被施加到转向机构。此外，提供控制器，根据所检测的转向转矩，将驱动命令输出到电动机。当所检测的转向转矩为过渡转矩时，该驱动命令用于使电动机产生逆助力转矩。

Description

电动转向系统
技术领域
本发明涉及用于机动车辆的电动转向系统的改进。
背景技术
在如第2002-331948号日本专利临时公开文献所公开的常规电动转向系统中，当转向转矩在死区内时，根据转向角产生沿将转向盘恢复到中性位置的方向的助力(assist)转矩，由此提高了用于将转向盘恢复到中性位置的响应特性。
发明内容
然而，使用上述的常规电动转向系统，例如当车辆在具有斜面的道路上行驶或在横向风的影响下行驶时，在其中车辆直线行驶的转向角，产生使转向盘返回到组件的中性位置的助力转矩，由此提供给司机一种异样的感觉。
本发明的一个目的是提供一种改进的电动转向系统，其可有效地克服在常规的电动转向系统中所遇到的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种改进的电动转向系统，其可提供给司机一种具有中性转向感觉的良好转向感觉，而不提供给司机任何异样的感觉。
本发明的一个方面在于一种电动转向系统，包括转向转矩检测装置，检测转向轴的转向转矩。提供电动机，产生助力转矩和逆助力转矩，该助力转矩用于辅助使车辆转向所需的司机的转向作用力，该逆助力转矩用于增加司机的转向作用力。助力转矩和逆助力转矩被施加到转向机构。此外，提供控制器，根据所检测的转向转矩，将驱动命令输出到电动机。当所检测的转向转矩为过渡转矩时，该驱动命令用于使电动机产生逆助力转矩。
本发明的另一个方面在于一种电动转向系统，包括转向转矩检测装置，检测转向轴的转向转矩。提供电动机，产生助力转矩和逆助力转矩，该助力转矩用于辅助使车辆转向所需的司机的转向作用力，该逆助力转矩用于增加司机的转向作用力。助力转矩和逆助力转矩被施加到转向机构。此外，提供控制装置，根据所检测的转向转矩，将驱动命令输出到电动机。当所检测的转向转矩为过渡转矩时，该驱动命令用于使电动机产生逆助力转矩。
本发明的另一个方面在于一种操作电动转向系统的方法。该方法包括：(a)检测转向轴的转向转矩；(b)通过利用电动机，产生助力转矩和逆助力转矩，该助力转矩用于辅助使车辆转向所需的司机的转向作用力，该逆助力转矩用于增加司机的转向作用力，助力转矩和逆助力转矩被施加到转向机构；以及(c)根据所检测的转向转矩，将来自控制器的驱动命令输出到电动机，当所检测的转向转矩为过渡转矩时，该驱动命令用于使电动机产生逆助力转矩。
附图说明
在示图中，标号表示图中的所有部分和部件。
图1是根据本发明的机动车辆的第一实施例的电动转向系统的示意图；
图2是图1中的电动转向系统的控制系统的方框图；
图3是说明用于图2的控制系统中的相位补偿器的频率特性的示图；
图4是说明用于图2的控制系统中的相位补偿器的输入和输出特性的示图；
图5是说明关于根据本发明的第二实施例的电动转向系统的控制系统中的相位补偿器，相对于转向转矩设置一阶时间超前的时间常数的一个示例的示图；
图6是说明关于根据本发明的第三实施例的电动转向系统的控制系统中的相位补偿器，相对于车速设置一阶时间超前的时间常数的一个示例的示图；
图7是说明关于根据本发明的第四实施例的电动转向系统的控制系统中的相位补偿器，相对于转向速度设置一阶时间超前的时间常数的一个示例的示图。
具体实施方式
现在参照图1，将说明根据本发明的用于机动车辆的电动转向系统的第一实施例，该电动转向系统包括司机操作或转动以使车辆转向的转向盘1。转向盘1通过转向轴3与转向机构2机械连接，转向机构2通过连接件8、9与车轮10、11相连以使车辆转向。转矩传感器4被设置到转向轴3以检测施加到转向轴3上的转向转矩(或施加到转向盘的司机转向转矩)。电动机5被设置到转向轴3以助力(assist)要施加到转向盘上的转动转向盘1的司机转向作用力(steeringeffort)。
转向盘1位于与在车辆客厢中的司机相对的位置，并且绕其轴是可旋转的。转向机构2为齿条-小齿轮转向器，该转向器包括与转向轴3的下端部分集成所形成的小齿轮6和与小齿轮6啮合的齿条轴7。齿条轴7以这样一种方式被安装到车辆的前部以相对于车辆可横向滑动。齿条轴7的相对端部分分别与车轮10、11相连。
电动机5通过减速器12与转向轴3机械相连，该减速器12将由电动机5所产生的转矩改变成转向轴3的转动转矩。电动机5被提供电动机电流(用以驱动电动机的电流)，该电动机电流由控制器13控制。
紧接着，下面将参照图2，说明包括控制器13的控制系统。
当司机操作或转动转向盘1时，与转向盘1机械连接的车轮10、11被转动以使车辆转向。此时，沿扭转方向的载荷被输入到转矩传感器4，并且作为转向转矩被输入到控制器13。此外，控制器13被提供像来自车速传感器14的车速信号之类的信号，该车速传感器14检测车辆的车辆行驶速度。
控制器13在其中安装有用于测量电动机电流的电动机电流传感器13a，和用于测量在电动机5的端子之间的电压的电动机电压传感器13b，以估计电动机5的转速(完成发动机转速估计)。控制器13的输出(或电动机电流)被提供到电动机5，该电动机5产生助力转矩以助力转动转向盘所需的司机转向作用力。控制器13根据转向转矩、电动机5的转速、车速等计算电动机5的驱动电流(或电动机电流)，然后以参照由电动机电流传感器13a所检测的电动机电流所计算的驱动电流可控制地驱动电动机5。电池15作为电源被提供以将电流提供到电动机5。
在第一实施例中，由转矩传感器4所检测的转向转矩被提供到确定电动机电流的目标电流值的相位补偿器16。参照由电动机电流传感器13a所检测的电动机电流，目标电流值被提供到驱动电路。因此，在目标电流值的电动机电流作为驱动命令被提供到电动机5以使电动机5产生逆(counter-assist)助力转矩，即沿着抗或响应过渡(transitional)转矩变化增加转动转向盘所需的转向转矩(实现逆助力)的方向，或沿方向增加转向转矩的高频范围内的转向转矩的方向驱动电动机5。逆助力转矩用于实现逆助力，其增加转动转向盘1所需的司机转向作用力。在图4中所示的逆助力范围内，逆助力被执行。根据车辆行驶速度、转向转矩和/或转向速度(或转向盘1的转动速度)，可改变相位补偿器16的特性曲线。
下面将说明相位补偿器16。
相位补偿器16以一阶时间延迟/一阶时间超前的特性被设置以具有如由方程式(1)所表示的传输函数，方程式(1)表示如图3中所示的频率特性曲线。
C(S)＝(1-τnumS)/(1+τdenS)    ……(1)
当过渡转矩(例如步进转矩)被输入到相位补偿器16时，该相位补偿器16的输出形成如图4中所示的特性曲线。在图4中，根据一阶时间超前的时间常数(τnum)确定输出的向下增益，并且根据一阶时间延迟的时间常数(τden)确定输出的延迟。
如根据图4中所示的输出的时间序列所理解的，控制器13被配置成确定目标电流值，该目标电流值可实现逆助力以在输入过渡转矩后，立即增加转动转向盘所需的司机转向作用力，然后实现助力(用于转向)以降低转动转向盘所需的司机转向作用力。在电动机5产生助力转矩的情况下，助力(用于转向)被进行。
如上面所说明的，在第一实施例的电动转向系统中，当转向转矩方向被改变时，例如当在车辆直线行驶期间进行轻微修正转向时，进行逆助力。此时，转动转向盘的司机的转向作用力增加。这可告知司机车辆在直线行驶的转向位置，由此提供给司机具有中性转向感觉的良好转向感觉。
此外，在第一实施例的电动转向系统中，用于逆助力的转矩随着转向转矩频率的变高而增加。因此，当进行转向盘的迅速转向或转动时(例如在车辆高速行驶期间的变换车道)，逆助力量增加以增加转动转向盘所需的司机转向作用力。此外，在逆助力的作用下，转向刚性被降低，由此使转向特性(或对转向量的车辆响应)为不足转向特性，因此提高了车辆行驶的稳定性。
参照图5，下面将说明电动转向系统的第二实施例。除了相位补偿器16的增益根据转向转矩被改变以外，第二实施例与第一实施例相同。
图5示出了相对于转向转矩，设置一阶时间超前的时间常数(τnum)的一个示例，其中一阶时间超前的时间常数(τnum)随着转向转矩的变大而被设置得更小。换句话说，在第二实施例中，当转向转矩变小时，逆助力的量变大。
因此，在第二实施例的电动转向系统中，在车辆直线行驶期间可产生中性转向感觉。此外，当从保持的转向位置进行转向盘的司机附加转动时或在车辆的转弯期间从保持的转向位置进行转向盘的司机回程转向时，逆助力可被实现以增加转动转向盘1所需的司机转向作用力，由此在车辆转弯期间产生稳定的转向感觉。
参照图6，下面将说明第三实施例的电动转向系统。除了相位补偿器16的增益根据车速可被改变以外，第三实施例与第一实施例相同。
图6示出了相对于车速设置一阶时间超前的时间常数(τnum)的一个示例，其中一阶时间超前的时间常数(τnum)被设置成为较大以与车速成正比。换句话说，在第三实施例中，逆助力的量随着车速的变高而变大。
因此，在第三实施例的电动转向系统中，根据车速可产生中性转向感觉。换句话说，在较低的车速，逆助力量被降低，由此减轻操作者的转向操作。在较高的车速，增加逆助力的量，由此使得能够产生转向盘1的中性转向感觉，因此，提高了车辆行驶的稳定性。
参照图7，下面将说明根据本发明的第四实施例的电动转向系统。除了相位补偿器16的增益根据转向盘1的转向速度被改变以外，第四实施例与第一实施例相同。
图7示出了相对于转向速度，设置一阶时间超前的时间常数(τnum)的一个示例，其中一阶时间超前的时间常数(τnum)随着转向速度的变大被设置得更小。换句话说，在第四实施例中，随着转向速度的变小，逆助力的量变大。
通过使用电动机5的反电动势，可计算转向速度。电动机5的转速(dθ/dt)由下列方程式(2)表示：
dθ/dt＝I×(V-RI)/K           ……(2)
其中：V为在电动机5的端子之间的电压；I为电动机电流；K为反电动势系数；R为电动机5的内电阻。
这里，假定K和R接近常数，因此通过测量电动机5的端电压V和电动机电流I，可计算或估计电动机5的转速(dθ/dt)。由于电动机5与转向轴3机械连接，因此通过将减速器12的减速比与电动机5的转速(dθ/dt)相乘，可估计转向盘1的转向速度。
因此，在第四实施例的电动转向系统中，在例如司机为了避免紧急事故等以超过正常水平的转向速度进行转向盘的转向操作或转动时，不能不必要地增加司机转动转向盘所需的转向作用力。因此，能够实现司机的平稳转向操作，从而可防止紧急事故的出现。
尽管在第一实施例至第四实施例中已描述了本发明，但应当理解本发明不限于上述的实施例，因此，在不脱离本发明精神的情况下，可对本发明进行各种修改或变化等。例如，尽管已描述了相位补偿器16的一阶时间超前的时间常数(τnum)根据第二实施例中的转向转矩、第三实施例中的车速和第四实施例中的转向速度被改变的情况，但应当理解一阶时间超前的时间常数(τnum)也可根据如转向转矩、车速和转向速度的三个参数被改变。此外，尽管在第一至第四实施例中已描述和示出了电动转向系统被配置成转向轴与转向机构机械连接，也应当理解本发明也可适应用于其中转向轴不与转向机构机械连接的其它电动转向系统。
如从根据本发明的以上说明所能理解的，当转向转矩方向被改变时，例如当在车辆直线行驶期间进行轻微修正转向时，进行逆助力。此时，使转向盘或转向轴转弯的司机转向作用力被增加。这可告知司机车辆直线行驶的这样一种转向位置，由此使司机具有中性转向感觉的良好转向感觉。
(2003年11月21日申请的)第P2003-392825号日本专利申请的整个内容以参照的方式被包含在这里。
尽管参照本发明的某一实施例和示例，以上已描述了本发明，但本发明不限于上述的实施例和示例。鉴于以上教导，本领域的技术人员可对上述的实施例和示例进行各种修改和变化，参照下列权利要求，本发明的范围被限定。

Claims (7)

1.一种电动转向系统，包括：
转向转矩检测装置，检测转向轴的转向转矩；
电动机，产生助力转矩和逆助力转矩，该助力转矩用于辅助使车辆转向所需的司机的转向作用力，该逆助转矩用于辅助增加司机的转向作用力，助力转矩和逆助力转矩被施加到转向机构；和
控制器，根据所检测的转向转矩，将驱动命令输出到电动机，当所检测的转向转矩为过渡转矩时，该驱动命令用于使电动机产生逆助力转矩。
2.如权利要求1所述的电动转向系统，其中控制器被配置成随着所检测的转向转矩的频率变高而增加逆助力转矩。
3.如权利要求1所述的电动转向系统，其中控制器包括补偿转向转矩的相位滞后和相位超前的相位补偿装置，其中控制器被配置成根据其相位滞后和超前被补偿的转向转矩，输出驱动命令。
4.如权利要求3所述的电动转向系统，其中控制器被配置成根据所检测的转向转矩改变相位补偿装置的增益和时间常数中的至少一个。
5.如权利要求3所述的电动转向系统，还包括检测车辆车速的车速检测装置，其中控制器被配置成根据所检测的车速改变相位补偿装置的增益和时间常数中的至少一个。
6.如权利要求3所述的电动转向系统，还包括检测转向速度的转向速度检测装置，其中控制器被配置成根据所检测的转向速度改变相位补偿装置的增益和时间常数中的至少一个。
7.一种操作电动转向系统的方法，包括：
检测转向轴的转向转矩；
通过利用电动机，产生助力转矩和逆助力转矩，该助力转矩用于辅助使车辆转向所需的司机的转向作用力，该逆助力转矩用于增加司机的转向作用力，助力转矩和逆助力转矩被施加到转向机构；以及
根据所检测的转向转矩，将来自控制器的驱动命令输出到电动机，当所检测的转向转矩为过渡转矩时，该驱动命令用于使电动机产生逆助力转矩。
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