CN101287639A - 车辆转向设备 - Google Patents

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Abstract

一种车辆转向设备，能够在转动方向盘时防止有很大的返回扭矩作用，从而改善转向感。在辅助控制程序的步骤(S12－S16)中，通过将返回转矩(g·Trto)与方向盘转动转矩(Tc)相加(实际上是相减)，来计算电动机(15)的转矩(辅助转矩)。根据辅助转矩来驱动和控制电动机。在这种驱动和控制中，在转向转矩较大时，步骤(S14)计算出的返回转矩增益(g)较小，因此返回转矩(g·Trto)较小或为零。随着使方向盘转向所需的力(转矩)增大，返回转矩的影响变小。因此，改善了转动方向盘时的转向感。

Description

车辆转向设备
技术领域
本发明涉及车辆转向设备，更具体地说，涉及包括所谓的动力转向设备的车辆转向设备，所述动力转向设备即对根据转向操作来执行可转动轮的转动进行辅助的设备。
背景技术
传统上，已知一种车辆转向设备，该设备包括所谓的动力转向设备，即用于辅助可转动轮进行转动的设备，所述转动是根据方向盘的转向操作来执行的。这种动力转向设备的公知示例包括：液力动力转向设备，该设备通过液力致动器来产生转向辅助转矩；以及电动力转向(EPS)设备，该设备通过电致动器(例如电动机)来产生转向辅助转矩。特别是近年来，电动力转向设备已经吸引了注意力，因为它们可以容易地安装在车辆上并能够改善燃料消耗。
已经为动力转向设备提出了各种技术来改善其转向性能。例如，日本专利申请公开(kokai)N.2002-145101描述了一种在方向盘从转向位置向中性位置返回时执行的返回控制。在返回控制中，返回转矩被设定为使得返回转矩随着转向角速度增大而减小，从而改善方向盘返回中性位置时的收敛性(convergence)。
但是，在上述专利文献1中，由于根据转向角速度来设定返回转矩，所以在方向盘返回时可能施加较大的返回扭矩。因此，在此情况下，出现了方向盘返回时返回转矩起阻力作用的问题，所以使转向感变差。
发明内容
本发明已被开发来解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种车辆转向设备，该设备能够防止方向盘转动时有较大返回转矩作用，从而改善转向感。
为了实现上述目的，本发明提供了一种车辆转向设备，其包括用于对方向盘的转向操作进行辅助的致动器。该设备包括：转向转矩传感器，其用于检测从所述方向盘输入的转向转矩；返回转矩确定装置，用于确定所述方向盘返回时对所述转向操作进行辅助的返回转矩，使得所述返回转矩随着所述转向转矩传感器检测到的转向转矩增大而减小；驱动控制装置，用于根据由所述返回转矩确定装置所确定的返回转矩来驱动和控制所述致动器。
根据本发明，返回转矩确定装置设定返回转矩，使得转向转矩越大，返回转矩就越小。因此，在使方向盘转动所用的转向转矩较大时，起阻力作用的返回转矩变小。即，操作方向盘所需的力(转矩)越大，返回转矩的影响就越小。因此，改善了转动方向盘时的转向感。
优选地，返回转矩确定装置确定返回转矩，使得返回转矩如上所述随着转向转矩增大而减小，并随着方向盘的转向角度增大而增大。通过以这种方式进行设置，返回转矩可以根据转向转矩和转向角度得到控制。例如，在转向角度较大且转向转矩较小时(例如在方向盘的操作从转动操作切换到返回操作时)，需要一种优先处理使方向盘返回中性位置的控制。在本发明中，在此情况下增大返回转矩，从而可以使方向盘迅速返回中性位置。
优选地，所述返回转矩确定装置包括：基准返回转矩确定装置，其用于确定基准返回转矩，所述基准返回转矩是用作所述返回转矩的基准值的转矩，使得所述基准返回转矩随着所述转向角度传感器检测到的转向角度增大而增大；返回转矩增益确定装置，其用于确定与所述基准返回转矩有关的增益，使得所述增益随着所述转向转矩传感器检测到的转向转矩增大而减小，其中，基于由所述基准返回转矩确定装置确定的转矩和由所述返回转矩增益确定装置确定的增益，来确定所述返回转矩。通过这种构造，可以通过将基准返回转矩确定装置确定的基准返回转矩与返回转矩增益确定装置确定的增益(返回转矩增益)相乘来确定返回转矩。这样，可以不仅考虑到转向转矩的影响，而且考虑到转向角度的影响来设定返回转矩。在此情况下，返回转矩增益的值可以设定在任意正数范围内，例如从0到1的范围内。此外，返回转矩增益还可以被设置成使得返回转矩增益随着检测到的转向转矩增大而减小，并在转向转矩取预定值或更大值时被设定为零。
优选地，本发明的车辆转向设备还包括转动转矩确定装置，用于确定在转动所述方向盘时用于对所述转向操作进行辅助的转动转矩，使得所述转动转矩随着所述转向转矩传感器检测到的转向转矩增大而增大，其中，所述驱动控制装置根据由所述转动转矩确定装置确定的转动转矩和由所述返回转矩确定装置确定的返回转矩，来驱动和控制所述致动器。通过这种构造，不仅根据所确定的转动转矩，而且根据所确定的返回转矩来驱动和控制致动器。在转动方向盘时和使方向盘返回时，都可以执行在考虑了转动时的转向感和返回时的收敛性的情况下进行了平衡的转向辅助。在此情况下，优选地，设置了辅助转矩确定装置来基于由转动转矩确定装置所确定的转动转矩和由返回转矩确定装置所确定的返回转矩而确定辅助转矩，其中，驱动控制装置根据由辅助转矩确定装置确定的辅助转矩来驱动和控制致动器。注意，转动转矩确定装置可以确定转动转矩，使得转动转矩随着检测到的转向转矩而增大并在所检测到的转向转矩取预定值或更大值时取恒定值。此外，转动转矩确定装置可以使用车速作为参数并确定转动转矩使得车速越低，转动转矩就越大。
附图说明
图1是根据本发明一种实施例的车辆转向设备的总体示意图，该设备具有对驾驶员的转向操作进行辅助的功能；
图2是由图1的电子控制单元执行的辅助控制程序的流程图；
图3是示出转向转矩、车速和转动转矩之间关系的曲线图，该曲线图示出了本实施例中所用的转动转矩命令值表。
图4是示出转向角度与基准返回转矩之间关系的曲线图，该曲线图示出了本实施例中所用的基准返回转矩命令值表。
图5是示出转向转矩与返回转矩增益之间关系的曲线图，该曲线图示出了本实施例中所用的返回转矩增益命令值表。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。图1是根据本实施例的车辆转向设备的总体示意图，该设备具有对驾驶员的转向操作进行辅助的作用。
该车辆转向设备包括转向轴12，转向轴12的上端连接到方向盘11以随之一体旋转。小齿轮13连接到轴12的下端以与之一体旋转。小齿轮13与齿条14上形成的齿条齿啮合，并与齿条14一起构成齿轮齿条机构。左前轮FW1和右前轮FW2以可转向的方式连接到齿条14的相反两端。根据由转向轴12围绕其轴线的旋转造成的齿条14轴向位移，左右前轮FW1和FW2向左或向右转动。用于转向辅助的电动机15组装到齿条14。用作减速器的滚珠丝杠机构16将电动机15的旋转减速并转换成齿条14的直线运动。
接下来将对控制电动机15操作的电控制设备20进行说明。电控制设备20包括转向转矩传感器21、转向角度传感器22和车速传感器23。转向转矩传感器21被组装到转向轴12。输入转矩(即由驾驶员通过对方向盘11的转向操作输入的转矩)作用在转向轴12上。因此，作用在转向轴12上的转矩被转向转矩传感器21检测，作为转向转矩T。注意，在使方向盘11沿向右方向(顺时针方向)转向时转向转矩T取正值，而在使方向盘11沿向左方向(逆时针方向)转向时转向转矩T取负值。
与转向转矩传感器21一样，转向角度传感22也组装到转向轴12。转向角度传感器22根据由方向盘11的转向操作造成转向轴12的旋转角度，对方向盘11的转向角度θ进行检测。注意，转向角度θ用正值表示方向盘11沿向右方向(顺时针方向)的旋转角度，并用负值表示方向盘11沿向左方向(逆时针方向)的旋转角度。车速传感器23检测并输出车速V。
此外，电控制设备20还包括电子控制单元24，电子控制单元24连接到转向转矩传感器21、转向角度传感器22和车速传感器23。电子控制单元24主要由包括CPU、ROM、RAM等的微计算机组成。通过执行图2的辅助控制程序，电子控制单元24经驱动电路25来驱动和控制电动机15。驱动电路25向电动机15提供由电子控制单元24指定的驱动电流。
接下来将对具有上述构造的本实施例的操作进行说明。在开启点火开关时，电子控制单元24开始以预定的短时间间隔重复地执行辅助控制程序。辅助控制程序的执行始于图2的步骤S10。在步骤S11，电子控制单元24从转向转矩传感器21、转向角度传感器22和车速传感器23接收转向转矩T、转向角度θ和车速V。
接着，在步骤S12，电子控制单元24参照ROM中设置的转动转矩命令值表，来计算转动转矩Tc，转动转矩Tc是随着转向转矩T和车速V改变的。图3示出了转动转矩命令值表。这种转动转矩命令值表针对多个代表车速中的每一者储存了根据转向转矩T确定的多个转动转矩Tc的值。由图3可以明白，随着转向转矩T沿正方向增大，转动转矩Tc以非线性方式增大，并在转向转矩T达到预定值时取恒定值。此外，随着转向转矩T沿负方向增大，转动转矩Tc以非线性方式减小(沿幅方向增大)，并在转向转矩T达到预定值时取恒定值。对于给定的转向转矩T，车速V越小，转动转矩Tc就越大。除了利用这种转动转矩命令值表，也可以预先以函数形式定义并利用该函数来计算转动转矩Tc，该转动转矩Tc是根据转向转矩T和车速V而改变的。注意，在图3中，在由水平轴线表示转向转矩T为正的时候，它表示在使方向盘11沿向右方向(顺时针方向)转动时施加的转向转矩；在由水平轴线表示的转向转矩T为负的时候，它表示在使方向盘11沿向左方向(逆时针方向)转动时施加的转向转矩。此外，在由垂直轴线表示的转动转矩Tc为正的时候，它表示被施加来使方向盘11沿向右方向(顺时针方向)旋转的转动转矩；在由垂直轴线表示的转动转矩Tc为负的时候，它表示被施加来使方向盘11沿向左方向(逆时针方向)旋转的转动转矩。该步骤S12的处理对应于本发明的转动转矩确定装置。
在步骤S12的处理之后，在步骤S13，电子控制单元24参照ROM中设置的基准转动转矩命令值表，来计算随着转向角度θ而改变的转动转矩Trto。这个基准返回转矩Trto是在使方向盘11从旋转位置(转动位置)返回中性位置时的转矩基准值(在返回控制的时候)，以对使方向盘11朝中性位置返回的操作进行辅助。基准返回转矩Trto总是沿与转向方向相反的方向施加的。因此，基准返回转矩Trto总是沿着与转动转矩Tc的方向相反的方向施加，并作为与转动操作对抗的阻力，所述转动扭矩Tc是沿转向方向施加的。
图4示出了基准返回转矩命令值表。这个基准返回转矩命令值表面储存了根据转向角度θ而确定的多个基准返回转矩Trto的值。由图4可以明白，随着转向角度θ在正区域中增大，基准返回转矩Trto沿负方向以非线性方式增大(在正方向减小)。此外，随着转向角度θ在负区域中增大，基准返回转矩Trto沿正方向以非线性方式增大(在负方向减小)。注意，在图4中，在由水平轴线表示的转向角度θ为正的时候，它表示使方向盘11从中性位置沿向右方向(顺时针方向)旋转时的转向角度；在由水平轴线表示的转向角度θ为负的时候，它表示使方向盘11从中性位置沿向左方向(逆时针方向)旋转时的转向角度。此外，在由垂直轴线表示的基准返回转矩为正的时候，它表示被施加来使方向盘11沿向右方向(顺时针方向)旋转的转矩；在由垂直轴线表示的基准返回转矩为负的时候，它表示被施加来使方向盘11沿向左方向(逆时针方向)旋转的转矩。即，对于由图4的垂直轴线表示的转矩，极性是根据相同判据来确定的。如上所述，基准返回转矩是沿着使方向盘11向中性位置返回的方向施加的转矩，并沿着与转动转矩的方向相反的方向作用。因此，在已经使方向盘11从中性位置沿着向右方向转动的时候，基准返回转矩取负值(图4中转向角度为正的区域)；在已经使方向盘11从中性位置沿着向左方向转动的时候，基准返回转矩取正值(图4中转向角度为负的区域)。尽管基准返回转矩取决于方向盘11的旋转方向而取正值或负值，但基准返回转矩的绝对值被确定为使得转向角度的绝对值越大，基准返回转矩的绝对值就越大。该步骤S13的处理对应于本发明的基准返回转矩确定装置。
在转向角度θ的绝对值较大时，使方向盘返回中性位置可能需要较长时间。因此，在图4的基准返回转矩命令值表中，转向角度θ越大，基准返回转矩Trto被设定的值就越大，从而使大转向角度时的返回转矩增大。此外，在转向角度θ较小时，还必须提高与直线形式有关的稳定性。因此，在图4的基准返回转矩命令值表中，转向角度θ越小，基准返回转矩Trto被设定的值就越小，从而防止了在转向角度较小时执行不必要的转向操作。除了利用这种基准返回转矩命令值表，也可以预先以函数形式定义并利用该函数来计算随着转向角度θ而改变的基准返回转矩Trto。
在计算基准返回转矩Trto之后，在步骤S14，电子控制单元24就算返回转矩增益g。返回转矩增益g参照ROM中设置的返回转矩增益命令值表而根据转向转矩T改变。这种返回转矩增益g是与步骤S13中计算出的返回转矩Trto有关的增益。图5示出了返回转矩增益命令值表。这种返回转矩增益命令值表储存了根据转向转矩T确定的返回转矩增益g的多个值。由图5可以明白，返回转矩增益g是正值或负值，并随着转向转矩的绝对值增大而以非线性方式减小。即，返回转矩增益被确定为使返回转矩增益随着所检测到的转向转矩增大而减小。此外，在转向转矩取预定值(绝对值)或更大的时候，返回转矩增益被设定为零。除了采用这种返回转矩增益命令值表，也可以预先以函数形式定义并利用该函数来计算随着转向转矩T而改变的返回转矩增益g。该步骤S14的处理对应于本发明的返回转矩增益确定装置。
接着，在步骤S15，电子控制单元24计算返回转矩Trt。这种返回转矩Trt是通过将步骤S13中计算出的基准返回转矩Trto与步骤S14中计算出的返回转矩增益g相乘而计算的。该步骤S15的处理对应于本发明的返回转矩确定装置。
随后，在步骤S16，电子控制单元24计算辅助转矩Tas。这种辅助转矩Tas是通过将步骤S12中计算出的转动转矩Tc与步骤S15中计算出的返回转矩Trt相加而计算的。
在步骤S17，电子控制单元24经驱动电路24操作和控制电动机15，以产生计算出的辅助转矩Tas(＝Tc+Trt)。具体地说，电子控制单元24向驱动电路25输出电流命令值，所述电流命令值表示大小与辅助转矩Tas成比例的电流；驱动电路25向电动机15供给电流，该电流的大小由电流命令值指定。
通过这种控制，电动机15在其输出轴处输出与辅助转矩Tas相等的旋转转矩。该旋转转矩被传递到滚珠丝杠机构16。滚珠丝杠机构16对电动机15的旋转进行减速，并将其转换成直线运动，从而沿轴向驱动齿条14。由此，驾驶员对方向盘11的旋转操作得到电动机15的辅助，由驾驶员的转向力和电动机15的辅助力使左前轮FW1和右前轮FW2转动。
在以上述方式工作的这种实施例中，通过上述步骤S12至S16的处理，通过转动转矩Tc与返回转矩Trt相加来计算出电动机15的旋转转矩(辅助转矩)。由于返回转矩Trt是沿着与转动转矩Tc的方向相反的方向作用的转矩，所以在假定转动转矩Tc取正值时，返回转矩Trt取负值。即，上述相加实际上是减法，辅助转矩Tas在绝对值上变得小于转动转矩Tc。
因此，在返回转矩Trt较大时，辅助转矩Tas变小，使驾驶员必须给方向盘施加更大的力(转矩)。许多驾驶员一般希望在他们开始转动方向盘时，辅助转矩Tas也增大以使他们能够用较小的力来转动方向盘。如果此时辅助转矩Tas减小，则驾驶员就需要向方向盘施加较大的力来开始转向操作，因而转向感变差。对此，在本实施例中，在转向转矩较大时，步骤S14中计算的返回转矩增益g减小或变为零，使返回转矩Trt减小或变为零。因此，方向盘的转向操作所需的力(转矩)越大，返回转矩的影响就越小。因此，驾驶员无需如上所述施加较大的力，从而改善了转动方向盘时的转向感。如上所述，根据本实施例，可以既考虑转向转矩又考虑转向角度来设定返回扭矩。
此外，在本实施例中，基准返回转矩Trto在与转向角度θ相关联的同时受到控制(具体地说，被控制为使基准返回转矩随着转向角度增大而增大)。因此，可以根据转向角度θ来控制返回转矩。例如，在转向角度θ较大且转向转矩T较小的时候(例如方向盘11的操作从转动操作切换到返回操作的时候)，就需要这样的控制：该控制优先处理使方向盘11返回中性位置的控制。在本发明中，在这样的情况下，由于基准返回转矩Trto被设定为取较大的值，所以返回转矩增大，因而驾驶员能够迅速地将方向盘11返回中性位置。
在上文中，已经对本发明的实施例进行了说明；但是本发明不应限于上述实施例。例如，上述实施例以齿条(rack)辅助式电动力转向设备为例，其中电动机15驱动齿条14以对方向盘11的转向操作进行辅助。但是，本发明显然可以以下述任一种方式来实施：圆筒(column)辅助式电动力转向设备，其中，转向轴12受到围绕其轴线的驱动以对方向盘11的转向操作进行辅助；小齿轮(pinion)辅助式电动力转向设备，其中，转向齿轮箱的小齿轮被电动机驱动。
上述实施例以下述情况为例：通过将基准返回转矩Trto乘以返回转矩增益g来计算返回转矩Trt。但是，也可以根据任何其他计算方案来计算返回转矩，只要转向转矩T与返回转矩Trt之间的关系保持为使返回转矩Trt随着转向转矩T增大而减小即可。例如，可以采用这样的方案：预先准备表示了返回转矩与转向转矩之间关系的表，并预先确定与转向转矩的各个值对应的返回转矩值。但是，在上述实施例的方案中，基准返回转矩本身可以通过其他参数来受到控制(例如，像上述实施例中一样，可以通过转向角度来控制基准返回转矩)，从而可以在各种条件下执行灵活的转向控制。
在本实施例中，基准返回转矩Trto被设定为使之随着转向角度θ增大而增大。但是，基准返回转矩Trto也可以取决于转向角度θ之外的表示转向状况的参数。在基于表示不同转向状态的参数来确定基准返回转矩Trto时，可以有利地设定与各种转向状况对应的最佳返回转矩。

Claims (4)

1.一种车辆转向设备，包括：用于对方向盘的转向操作进行辅助的致动器，所述设备的特征在于包括：
转向转矩传感器，其用于检测从所述方向盘输入的转向转矩；
返回转矩确定装置，其用于确定所述方向盘返回时对所述转向操作进行辅助的返回转矩，使得所述返回转矩随着所述转向转矩传感器检测到的所述转向转矩增大而减小；以及
驱动控制装置，用于根据由所述返回转矩确定装置所确定的所述返回转矩来驱动和控制所述致动器。
2.根据权利要求1所述的车辆转向设备，还包括用于对所述方向盘的转向角度进行检测的转向角度检测传感器，其中，
所述返回转矩确定装置确定所述返回转矩，使得所述返回转矩随着所述转向角度传感器检测到的所述转向角度的增大而增大。
3.根据权利要求2所述的车辆转向设备，其中，所述返回转矩确定装置包括：基准返回转矩确定装置，其用于确定基准返回转矩，所述基准返回转矩是用作所述返回转矩的基准值的转矩，使得所述基准返回转矩随着所述转向角度传感器检测到的所述转向角度的增大而增大；以及返回转矩增益确定装置，其用于确定与所述基准返回转矩有关的增益，使得所述增益随着所述转向转矩传感器检测到的所述转向转矩增大而减小，其中，基于由所述基准返回转矩确定装置确定的所述转矩和由所述返回转矩增益确定装置确定的所述增益，来确定所述返回转矩。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆转向设备，还包括：
转动转矩确定装置，其用于确定在转动所述方向盘时用于对所述转向操作进行辅助的转动转矩，使得所述转动转矩随着所述转向转矩传感器检测到的所述转向转矩的增大而增大，其中，
所述驱动控制装置根据由所述转动转矩确定装置确定的所述转动转矩和由所述返回转矩确定装置确定的所述返回转矩，来驱动和控制所述致动器。
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