CN101365616A - 电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆的电动助力转向系统，包括：转向机构，它可操作地把方向盘连接到车辆的车轮上；转矩传感器(6)，设置成在使用中产生指示由转向机构的一部分传送的转矩的转矩信号；电动机(1)，可操作地连接到转向机构上；信号处理单元(7)，设置成在使用中由转矩信号产生代表由电动机施加到转向机构上的转矩的转矩需求信号(8)，所述信号处理单元包括设置成依赖于转矩信号计算初始转矩需求信号(10)的第一计算单元(12)、和设置成在使用中计算转矩阻尼信号(11)的第二计算单元(13)，转矩阻尼信号(11)指示初始转矩信号要被阻尼以便产生转矩需求信号的量；及电动机驱动级，设置成在使用中响应转矩需求信号把驱动电流提供给电动机；其中，第二计算单元包括用于依赖于转矩需求信号的信号的输入端、设置成在使用中微分依赖于转矩信号的输入信号的微分器(15)、及设置成过滤输入信号以减小其低频分量的高通滤波器。

Description

电动助力转向系统

技术领域

本发明涉及其中电动机适于把辅助转矩施加到诸如转向柱之类的转向元件上从而减少为控制车辆所需要的驾驶员努力的电动助力转向系统。

背景技术

在简单的电动助力转向系统中，提供转矩传感器，该转矩传感器设置成测量转向柱中的转矩的水平。由这种测量，控制器计算包括辅助转矩分量的转矩需求信号的值，该辅助转矩分量指示由附加到转向柱上的电动机产生的转矩。电动机把辅助转矩按与由驾驶员所要求的方向相同的方向上施加到柱上，并因而减少转动方向盘所需要的努力。

关于这种简单布置的问题发生在激励车辆偏航模式瞬态响应的某些驾驶操纵中-导致车辆的所谓“摆尾”。这些操纵典型地是在手轮上“未支持”驾驶员动作，如其中驾驶员施加快速手轮角度变化但不用任何实质施加转矩自始至终地跟随它或者或许在开始快速转动之后释放手轮的旋转“拍动”，的结果。

在这样的情况下，期望的是，手轮快速地并且以最小超调或振荡量返回到中央“正向前方”位置。然而一般地，转向系统的几何和惯性效应影响有助于被轻微阻尼和非常振荡的自由模式偏航响应-特别是在高车速下。

在现有技术中已知的是，通过把阻尼分量包括在用来驱动电动机的转矩需求信号内来克服这个问题。这个阻尼分量在某种意义上通过产生是手轮速度的函数的转矩需求的分量，通过软件模仿粘滞摩擦的机械现象。阻尼分量一般在数值上作为转向角速度的函数从在零转度下的零转矩到在某一任意最大速度下的最大值增大。实际上，在当速度很高时的特定情况下，阻尼分量减小由电动机输出的实际转矩，并因此减小辅助量。这在高车速下给出增大的阻尼，并因此给出增大的稳定性。

还已知的是，提供一种其中阻尼分量是转向柱传送的转矩以及转向柱的角速度的函数、使阻尼分量在小转矩下与大转矩下的阻尼分量的数值相比减小的电动助力转向系统。因而，在其中在柱中没有转矩存在的脱手操纵中阻尼将相对高，而在其中在柱中转矩一般存在的上手操纵期间阻尼较低。

在PCT公开号WO03/086839中已经提出，提供一种其中阻尼分量是转矩需求的微分函数的电动助力转向系统。任选地，提供一种在低频操纵期间减小阻尼量的低通滤波器。

发明内容

根据本发明的第一方面，我们提供一种用于车辆的电动助力转向系统，包括：

转向机构，它可操作地把方向盘连接到车辆的车轮上，

转矩传感器，设置成在使用中产生指示由转向机构的一部分传送的转矩的转矩信号，

电动机，可操作地连接到转向机构上，

信号处理单元，设置成在使用中由转矩信号产生代表要由电动机施加到转向机构上的转矩的转矩需求信号，信号处理单元包括设置成依赖于转矩信号计算初始转矩需求信号的第一计算单元、和设置成在使用中计算转矩阻尼信号的第二计算单元，转矩阻尼信号指示初始转矩信号要被阻尼以便产生转矩需求信号的量，

及电动机驱动级，设置成在使用中响应转矩需求信号把驱动电流提供给电动机，

其中，第二计算单元包括用于依赖于转矩需求信号的信号的输入端、设置成在使用中微分依赖于转矩信号的输入信号的微分器、及设置成过波输入信号以减小其低频分量的高通滤波器。

本发明人已经认识到，在没有阻尼的现有技术情况下，EPAS系统可通过两个不期望的振荡模式进行表征。这些表示在图6中的波特(Bode)图中的迹线21中。在第一模式中-在22处表示的峰值-系统的总惯性相对于轮胎刚度谐振；所有惯性同相移动。在第二模式中-在23处表示的峰值-方向盘惯性相对于电动机和转向齿轮惯性异相地谐振。把转矩信号(或依赖于其的信号)微分提供在图6中的20处表示的形式的频率响应。微分以90度相位超前提供阻尼转矩，这通过加速电动机来降低第二模式(在电动机与方向盘之间的相对运动)；峰值23在迹线20中未看到。

这种策略的局限是，依赖于转矩信号的微分使用阻尼可使系统的运动不稳定和导致在系统第一模式中的增大的振荡，因为电动机转矩施加有错误相位。这可在图6中看到，因为峰值22在迹线21与20之间高度已经增大。通过包括高通滤波器，这种效果通过在低频下提供较小增益可被减小。它也直接改进在中心上的感觉，因为在低频下提供较小的电动机动作。

典型地，高通滤波器在使用中施加到微分器的输出端上；可选择地，输入信号在传到微分器之前可以施加到滤波器上。输入信号可以是转矩信号本身，或者可以是依赖于其的某种信号。

优选地，第二计算单元设置成在频域中处理输入信号。第二计算单元因此可以设置成，在使用中对输入信号进行变换。适当变换是洛伦兹(Lorenz)变换，尽管诸如傅立叶(Fourier)之类的其它变换是可接受的。相应地，将滤波器和微分器中的至少一个施加到输入信号可以由将传递函数施加到输入信号来代表。传递函数可以具有形式G(s)，其中s是角频率：

$G\left(s\right)=K_{\mathrm{\α}}s\frac{s}{s+\mathrm{wc}}$

其中K_α典型地是常数，并且wc是截止频率。

第二计算单元可以设有用于车辆速度的输入端。相应地，在低速下可以减小阻尼量，从而改进低速操纵的感觉。

优选地，信号处理单元设置成，在使用中把由转矩阻尼信号指示的转矩量与由初始转矩需求信号指示的转矩量相组合，以便产生转矩需求信号。优选地，以相加方式组合各量。在特别优选的实施例中，信号组合成把由转矩阻尼信号指示的转矩量加上由初始转矩需求信号指示的转矩量而不是减去由初始转矩需求信号指示的转矩量。相应地，可通过在其中证明必要的那些点处提供额外辅助有可能避免不期望的振荡模式。

第一计算单元可以设有用于转矩信号的输入端和用于初始转矩需求的输出端。第一处理单元也可以包括用于机构的一部分(典型地转向柱)的角位置的输入端。这可能允许产生偏置，借助于该偏置转向柱可以在使用中返回到正向前方位置。

信号处理单元、第一和第二计算单元、微分器及滤波器中的任一个或全部可以形成至少一个微处理器的部分。

转矩需求信号可以包括依赖于柱转矩的增益因数，或者或许更具体地说柱转矩的数值。这可通过在把转矩需求信号传到电动机驱动级之前把转矩需求信号乘以依赖于柱转矩的增益因数而实现。

增益因数在低柱转矩下比它在高柱转矩下高。这保证，当转向靠近正向前方位置(在低转矩下)时阻尼量较高，以有效地阻尼像晃动之类的在中心上的人为现象，而不会不利地影响离中心的稳定性。

增益可以通过从查阅表得到增益因数而导出，该查阅表包括由柱转矩参考的增益因数。

附图说明

现在接下来仅借助实例参考附图描述的本发明的实施例，在附图中：

图1表示根据本发明实施例的电动助力转向(EPAS)系统；

图2表示由图1的EPAS系统的信号处理单元实现的函数；

图3表示其中仅微分转矩信号的EPAS系统的频率响应的波特图；

图4表示符合图1实施例的、把微分与高通滤波器组合的波特图；

图5是表示如何计算图1的EPAS系统的阻尼信号的流程图；

图6把没有任何阻尼的EPAS的频率响应与只依赖于微分转矩信号的阻尼相比较；及

图7是计算图1的EPAS系统的阻尼信号的可选择方式的流程图。

具体实施方式

在附图的图1中示出了电动助力转向系统。该系统包括经变速箱3作用在传动轴2上的电动机1。传动轴2以蜗轮4终止，该蜗轮4与设在转向柱5的一部分上的方向盘或可操作地连接到转向柱上的轴合作。

转向柱5携带转矩传感器6，该转矩传感器6适于测量当方向盘(未表示)和由此转向柱克服由车辆车轮(也未表示)提供的阻力被转动时由转向柱传送的转矩，该转矩由车辆的驾驶员产生。来自转矩传感器6的输出信号(这里称作转矩信号T)被提供给包括信号处理单元7的电路的第一输入端。这典型地是ASIC专用集成电路。

角速度传感器也被设在转向柱轴上。如图1中所示，这是转矩传感器6的组成部分。这产生指示轴的角速度ω的输出信号。来自速度传感器的输出被提供给信号处理单元7的第二输入端。

此外，提供柱位置传感器，该柱位置传感器产生指示转向柱的角位置的输出信号N_col。

三个输入值被传到信号处理器：柱速度ω、柱角位置N_col及柱转矩T。

信号处理单元7对三个输入信号起作用，以产生被传到电动机控制器9的转矩需求信号8作为其输出。电动机控制器9把转矩需求信号8转换成用于电动机1的驱动电流。

转矩需求信号8的值与由电动机1施加到转向柱上的辅助转矩的量相对应。该值将从与在一个方向上与用于电动机的最大输出转矩相对应的最小值，经当需求信号是零时的零转矩，变化到相反方向上的最大电动机转矩。

电动机控制器9接收转矩需求信号作为其输入，并且产生被提供给电动机以在电动机传动轴2处再生期望转矩的电流。正是施加到转向柱轴5上的这种辅助转矩减小了由驾驶员转动方向盘所需要的努力。

图2示出在产生转矩需求信号8中由信号处理单元7承担的功能步骤。可看到，产生转矩需求信号8作为两个分量：辅助或初始转矩需求信号10和转矩阻尼信号11。这两个分量10、11在电路内相加地组合以形成转矩需求信号8。

信号处理单元7被相应地分成两个计算单元：第一计算单元12和第二计算单元13。第一计算单元12计算初始转矩分量10，并且第二计算单元13计算转矩阻尼信号11。

第一计算单元12把转矩信号T和转向柱位置N_col取作输入。转矩信号T典型地使用线性映射来计算用于需要力矩的基础，尽管其它映射是可能的。这个值由基于N_col的偏置校正，以保证转向柱返回到正向前方位置(因为大多数驾驶员已经习惯这个)。组合在一起的这些值形成初始转矩需求信号10。

第二计算单元13的作用可在附图的图5中更详细地看到。第二计算单元13把转矩信号T取作输入。首先，该单元把输入转矩信号从时域变换到频域。适当的变换是洛伦兹变换，尽管诸如傅立叶变换之类的其它变换是可接受的。

变换的信号然后乘以信号放大器14，以引入增益量。这可能取决于车辆速度，但否则可以认为是恒定因数K_α。

放大的信号然后传到微分器15。因为这在频域中实现，所以这涉及频域信号乘以角频率s。这在图5中15处表示的波特(增益的对数与频率的对数)图中描绘。

一旦微分，信号然后传到高通滤波器16。因为这在频域中实现，所以它可由通过乘以

代表，其中wc是截止频率。这示意地描绘在图5中16处的波特图中。这个滤波器的输出因此是转矩阻尼信号11。

频域中的合成的变换可在附图的图4中看到。这表示总响应的波特图。从时域转矩信号T到转矩阻尼信号变换的传递函数可表示为：

$G\left(s\right)=K_{\mathrm{\α}}s\frac{s}{s+\mathrm{wc}}.$

这可能与在附图的图3中表示的现有技术(只有微分)系统的阻尼分量相反；可看到在低频下传递函数(和因此转矩阻尼信号的响应)在本实施例中比在现有技术中低。相应地，在这里描述的实施例的低频下的减小的增益通过减小在图6中表示的峰值22而减小上述的振荡的“第一模式”。

一旦转矩阻尼信号11已经由第二计算单元13产生，信号处理单元7然后使用加法函数17把由转矩阻尼信号代表的转矩加到初始转矩需求信号10上，以提供转矩需求信号8。这种加法，而不是减法，在频率范围上其中最需要克服EPAS系统中的不期望的振荡的点处把额外辅助加给驾驶员。

在附图的图7中表示的进一步细化中，通过结合增益因数也使输出取决于柱转矩。通过确定柱转矩的数值17得到这个增益因数，使用这个访问在查阅表18中存储的相关增益因数，及把块16的输出20乘以这个增益因数以得到输出11。

在查阅表18中存储的值是使得在低柱转矩下施加的增益因数比在高柱转矩下施加的增益因数高。这保证，当转向在中心上时相对高的阻尼以抵消转向的晃动，而在离中心时相对低的阻尼以避免使系统不稳定。

也可以提供用来接入和断开增益的开关19。当断开时，施加单位增益。

Claims (12)

1.一种用于车辆的电动助力转向系统，包括：

转向机构，它可操作地把方向盘连接到车辆的车轮上，

转矩传感器，设置成在使用中产生指示由转向机构的一部分传送的转矩的转矩信号，

电动机，可操作地连接到转向机构上，

信号处理单元，设置成在使用中由转矩信号产生代表要由电动机施加到转向机构上的转矩的转矩需求信号，所述信号处理单元包括设置成依赖于转矩信号计算初始转矩需求信号的第一计算单元、和设置成在使用中计算转矩阻尼信号的第二计算单元，转矩阻尼信号指示初始转矩信号要被阻尼以便产生转矩需求信号的量，以及

电动机驱动级，设置成在使用中响应转矩需求信号把驱动电流提供给电动机，

其中，第二计算单元包括用于依赖于转矩需求信号的信号的输入端、设置成在使用中微分依赖于转矩信号的输入信号的微分器、及设置成过滤输入信号以减小其低频分量的高通滤波器。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其中，高通滤波器在使用中施加到微分器的输出上。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的电动助力转向系统，其中，在使用中，输入信号在被传递到微分器之前被施加到滤波器上。

4.根据权利要求1、2或3所述的电动助力转向系统，其中，第二计算单元设置成在频域中处理输入信号。

5.根据权利要求4所述的电动助力转向系统，其中，第二计算单元设置成，在使用中对输入信号进行变换。

6.根据权利要求5所述的电动助力转向系统，其中，变换是洛伦兹变换。

7.根据权利要求4所述的电动助力转向系统，其中，将滤波器和微分器施加到输入信号可由将形式G(s)的传递函数施加到输入信号来代表，其中s是角频率：

$G\left(s\right)=K_{\mathrm{\α}}s\frac{s}{s+\mathrm{wc}}$

其中K_α是常数，并且wc是截止频率。

8.根据前述任一权利要求所述的电动助力转向系统，其中，第二计算单元设有用于车辆速度的输入端，并且设置成在使用中在低速下减小阻尼量。

9.根据前述任一权利要求所述的电动助力转向系统，其中，信号处理单元设置成，在使用中把由转矩阻尼信号指示的转矩量与由初始转矩需求信号指示的转矩量相组合，以便产生转矩需求信号。

10.根据权利要求9所述的电动助力转向系统，其中，以相加方式组合各量，从而把由转矩阻尼信号指示的转矩量加到由初始转矩需求信号指示的转矩量上。

11.根据前述任一权利要求所述的电动助力转向系统，其中，信号处理单元、第一和第二计算单元、微分器及滤波器中的至少一个形成至少一个微处理器的一部分。

12.根据前述任一权利要求所述的电动助力转向系统，其中，转矩需求信号包括依赖于柱转矩的增益因数。

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