CN101472780A - 用于机动车的电动动力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的电动动力转向系统，所述系统包含齿条(3)致动器(4)以及对驾驶者施加到转向轮(2)的转矩进行测量的传感器(7)，致动器和传感器分别在转向轮(2)与齿条(3)之间以及致动器(4)与转向轮(2)之间被布置在转向管柱(1)上。本发明的系统包含装置，该装置用于建立电动动力转向的最终辅助转矩，其适用于模拟齿条(3)致动器(4)和转矩测量传感器(7)在转向管柱(1)上的同一位置，使得表示系统运行的伯德图的相位在系统的两个主机械谐振频率上基本为零。

Description

用于机动车的电动动力转向系统

技术领域

本发明涉及用于机动车电动动力转向的系统和方法。

背景技术

传统而言，机动车具有底盘、客舱以及通过悬架机构连接到底盘的车轮，可转向的前轮受到由车辆客舱内的驾驶者使用的转向轮的控制。

在转向轮与车轮之间，设置有转向管柱(steering column)，转向管柱被接合为随着转向轮旋转，其下端具有作用于转向齿条(steering rack)的小齿轮(pinion)，使得车轮能够绕着基本竖直的轴旋转，以便保证其方向以及车辆底盘的转动。

这样的转向机构可具有特别是在静止时的操纵中——例如停车操纵中——允许驾驶者的作用力减小的电动动力转向。

该机构一般包含：转向齿条致动器，其在转向轮与转向齿条之间位于转向管柱上；对驾驶者施加到转向轮上的转矩进行测量的传感器，其在致动器与转向轮之间位于转向管柱上。

文档FR2814423涉及用于确定必须由动力转向系统的电动机提供的辅助转矩(assist torque)的方法。辅助转矩通过将驾驶者转矩乘以取决于驾驶者转矩和车辆速度的辅助增益而获得。

这样的系统没有考虑系统的机械谐振问题。

事实上，电动动力转向与车辆的前轴组件的耦合构成具有两个主机械谐振的机电系统。

这两个主谐振各自的特征在于频率(谐振频率)、阻尼(谐振的Q因子)和模型变形(modal deformation)。

模型变形可理解为在所考虑的谐振频率上同相振动的所有点的几何位移的映像(image)。

在这些谐振频率上，系统稳定性大大减小，其实际上导致系统的振荡。

存在减小伺服增益以便关于这两种主谐振模式的频率减小闭环系统带宽的系统。然而，当达到这两种主谐振之的一种时，闭环系统增益的这样的减小产生可察觉的性能降低。

其他系统通过滤波在频率方面局部地减小伺服增益。这样的系统显著降低了两种主谐振频率上的伺服调节的性能。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于在达到这两种主谐振中的一种上的运行模式时管理这两种主谐振的控制，而不削弱电动动力转向系统的性能。

因此，根据本发明一实施形态，提出了一种用于机动车的电动动力转向系统，其包含转向齿条致动器和对驾驶者施加到转向轮的转矩进行测量的传感器，所述致动器和传感器分别在转向轮与转向齿条之间和致动器与转向轮之间位于转向管柱上。系统包含确立装置(elaboration)，以便确立被设计为对转向齿条致动器和转矩测量传感器在转向管柱上的同一位置(identical location)进行模拟的电动动力转向的最终辅助转矩，使得在系统的两个主机械谐振频率上表示系统运行的伯德图的相位近似为零。

这样的滤波使得能够在谐振频率上获得表示系统运行的伯德图的近似零相位，因此使得转向管柱上转矩测量传感器和转向齿条致动器的同一位置能够得到模拟，因此，这些谐振频率上系统的振荡能够得到避免，而不降低系统性能。

电动动力转向的最终辅助转矩为由致动器传送到转向管柱的转矩。

根据一个实施例，系统包含用于依赖于由驾驶者施加到转向轮的转矩的测量来推定预定初始辅助转矩和预定辅助增益的装置。

例如，预定初始辅助转矩通过预定的数学函数或机载映射图(on-boardcartography)计算得出。依赖于驾驶者施加到转向轮的转矩的测量，预定辅助增益对应于初始辅助转矩的斜率的值。

根据一实施例，所述确立装置包含第一滤波装置，其用于作为辅助增益的函数对初始辅助转矩进行滤波。

根据一实施例，所述确立装置包含第二滤波装置，其用于对由驾驶者施加到转向轮的转矩的测量进行滤波。

根据一实施例，所述确立装置包含用于将来自第一与第二滤波装置的输出信号进行相加以便在所述确立装置的输出上发布所述最终辅助转矩的装置。

根据一实施例，所述致动器包含电动机，所述系统还包含用于将所述最终辅助转矩转变为对于供给电动机的电流的对应指令的装置。

根据一实施例，低通型的所述第一滤波装置适用于向系统的第一主机械谐振频率施加大约π/4弧度的相位延迟。

根据一实施例，高通型的所述第二滤波装置适用于向系统的第二主机械谐振频率施加大约π/4弧度的相位超前。

根据本发明另一实施形态，提出了一种用于对机动车的电动动力转向进行管理的方法，其中，建立电动动力转向的辅助转矩，其适用于模拟位于转向管柱上的转矩测量传感器和转向齿条致动器的同一位置，使得在系统的两个主机械谐振频率上表示系统运行的伯德图的相位近似为零。

附图说明

阅读下面对几个实例的介绍并参照附图，可明了本发明的其他目的、特征和优点，这些实例不是限制。在附图中：

图1示出了根据本发明一实施例的系统的实施方式；以及

图2示出了根据本发明一实施形态的用于确立电动动力转向的最终辅助转矩的模块。

具体实施方式

如图1所示，机动车的电动动力转向系统包含用1一般地表示的转向管柱，其在一端上具有旋转结合的转向轮2，其将转向轮的旋转运动转换为用3表示的转向齿条/小齿轮组件的平移运动。

致动器4在车辆的可转向轮的旋转中提供辅助，其包含电动机5，电动机5通过减速齿轮6在转向管柱1上产生辅助转矩。

传感器7测量驾驶者施加到转向轮2上的转矩，其位于转向轮2和致动器4之间。

模块8用于依赖于驾驶者施加到转向轮2上的转矩C_c的测量来推定预定的初始辅助转矩C’_a。

转矩测量传感器7分别经由连接10和11将驾驶者施加到转向轮2的转矩C_c传送到推定模块8以及确立模块9。

推定模块8一方面经由连接12向确立模块9传送预定的初始辅助转矩C’_a，另一方面，经由连接13传送预定的辅助增益G_a。

确立模块9建立电动动力转向的最终辅助转矩C_a，其被设计为模拟致动器4和转矩测量传感器7的同一位置。换句话说，是模拟致动器4和转矩测量传感器7在转向管柱上的同一位置的问题。

最终辅助转矩C_a被确立模块9通过连接14传送到用于将最终辅助转矩转换为对于通过连接16供到电动机5的电流的对应指令C_el的转换模块15。

转换模块15具有从输出到输入以便传送指令C_el的反馈环17。

图2示出了确立模块9的更为详细的实施方式。

确立模块9包含低通型的第一滤波模块18、高通型的第二滤波模块19以及加法模块20。

第一滤波模块18分别经由连接12和13接收作为输入的初始辅助转矩C’_a和辅助增益G_a。

第二滤波模块19经由连接11接收作为输入的由驾驶者施加到转向轮并由传感器7测量的转矩C_c。

加法模块20经由连接21和22接收作为输入的第一与第二滤波模块18和19的相应的输出。

加法模块20经由连接14传送作为来自确立模块9的输出的最终辅助转矩C_a。

在这样的系统中，观察到两个主机械谐振频率。

第一谐振频率通过前轴转向组件的横向刚性(lateral stiffness)、车辆电动机以及转向轮的惯性产生。其对应的角频率ω_1D.A.E的表达式如下：

${\mathrm{\ω}}_{1D.A.E}=\sqrt{\frac{k_0{n_{\mathrm{rk}}}^2}{{n_{\mathrm{gb}}}^2{J}_{\mathrm{mot}}+J_{\mathrm{sw}}}}$

其中：

k₀表示以N/m为单位的前轴组件的横向(transverse)刚性；

n_rk表示以m/rad为单位的转向齿条比；

n_gb表示减小比(reduction ratio)，无量纲；

J_mot表示以kg.m²为单位的电动机的惯性；以及

J_sw表示以kg.m²为单位的转向轮的惯性。

其为低频谐振，一般在3Hz与6Hz之间。在这样的频率下，转矩传感器7的刚性可被认为是无限的。

第二谐振来自转矩传感器7的刚性以及转向轮2与电动机5的惯性。对应的角频率ω_2D.A.E的表达式如下：

${\mathrm{\ω}}_{2D.A.E}=\sqrt{\frac{k_{\mathrm{sen}}{J}_{\mathrm{mot}}{n}_{\mathrm{gb}}^2{J}_{\mathrm{s\ω}}}{J_{\mathrm{mot}}{n}_{\mathrm{gb}}^2+J_{\mathrm{s\ω}}}}$

其中：

k_sen表示以Nm/rad为单位的转矩传感器的刚性。

这种谐振对应于高频，一般在14Hz与20Hz之间。振动使得电动机5的惯性与转向轮2的惯性反相，且转矩传感器7的刚性被包含在这两个惯性之间。

一般而言，对于具有由于机械元件引起的谐振的主要伺服控制稳定性问题是同一地定位转矩传感器7和致动器4的问题。

在集成了传感器与致动器的系统中，如果致动器施加的力和传感器进行的测量作用在同一惯性上，这两个元件被称为同一地定位。这种同一定位保证了机械系统的同相特性(输入与输出之间没有相移)，消除了谐振频率上的稳定性问题。

对于电动动力转向，出于成本和体积原因，不遵从致动器4和传感器7的同一定位的原理。

本发明通过滤波使得共同定位(co-location)能够得到模拟，从而在谐振频率下对于表示系统运行的伯德图达到接近零的相位。

电动动力转向可通过下面的公式系统来建模，其中，应用了Laplace变换。(如果f为在[0；+∞]上定义的局部可积分函数，函数 $\mathrm{Lf}\left(s\right)={\∫}_0^{+\∞}f\left(t\right)e^{-\mathrm{st}}\mathrm{dt}$ 被称为f的Laplace变换，其中，s＝x+iy。)

$\left\{\begin{array}{c}{J}_{\mathrm{mot}}{s}^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mot}}=\mathrm{Kc}\×i-\frac{k_{\mathrm{gb}}{q}_{\mathrm{gb}}}{n_{\mathrm{gb}}}\\ (M_{\mathrm{rk}}+\frac{J_{\mathrm{col}}}{{n_{\mathrm{rk}}}^2})s^2{x}_{\mathrm{rk}}=\frac{k_{\mathrm{sen}}{q}_{\mathrm{sen}}}{n_{\mathrm{rk}}}+\mathrm{Fy}-k_0{x}_{\mathrm{rk}}\\ q_{\mathrm{sen}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sw}}-\frac{x_{\mathrm{rk}}}{n_{\mathrm{rk}}}\\ J_{\mathrm{sw}}{s}^2{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sw}}={-k}_{\mathrm{sen}}{q}_{\mathrm{sen}}+C_c\\ q_{\mathrm{gb}}=-\frac{x_{\mathrm{rk}}}{n_{\mathrm{rk}}}+\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mot}}}{n_{\mathrm{gb}}}\\ \mathrm{Fy}=\frac{k_{\mathrm{gb}}{q}_{\mathrm{gb}}}{n_{\mathrm{rk}}}\end{array}\right.$

其中：

θ_mot表示以rad为单位的电动机角度；

K_c表示以Nm/A为单位的电动机转矩常数

i表示以A为单位的电动机电流；

k_gb表示以Nm/rad为单位的减速齿轮的刚性；

q_gb表示以rad为单位的减速齿轮的相对位移；

M_rk表示以kg为单位的转向齿条的质量；

J_col表示以kg.m2为单位的转向管柱的惯性；

x_rk表示以m为单位的转向齿条的位移；

q_sen表示以rad为单位的转矩传感器的相对位移；

F_y表示以N为单位的辅助力；

θ_sw表示以rad为单位的转向轮的旋转角度；以及

C_c表示以Nm为单位的由驾驶者施加到转向轮的转矩。

前面的公式使得确定对于对电动机5进行供电的电流与由驾驶者施加到转向轮2的转矩C_c之间的转换的传递函数OL_dae成为可能：

${\mathrm{OL}}_{\mathrm{dae}}=-\frac{k_{\mathrm{sen}}{J}_{\mathrm{s\ω}}{s}^2{n}_{\mathrm{gb}}\mathrm{Kc}}{{n_{\mathrm{gb}}}^2{J}_{\mathrm{mot}}{s}^4{J}_{\mathrm{sw}}+(k_{\mathrm{sen}}{n_{\mathrm{gb}}}^2{J}_{\mathrm{mot}}+k_{\mathrm{sen}}{J}_{\mathrm{sw}}+{n_{\mathrm{rk}}}^2{k}_0{J}_{\mathrm{sw}})s^2+{n_{\mathrm{rk}}}^2{k}_0{k}_{\mathrm{sen}}}$

考虑所获得的传递函数，在第一谐振频率上使用通过第一滤波模块18实现的低通型滤波，使得能够施加近似等于π/4弧度或45°的相位延迟。第一滤波模块18的传递函数如下：

$\frac{G_a}{1+s/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{low}-\mathrm{pass}}}$

其中，辅助增益G_a由用于推定模块8的预定的辅助定律来提供。

另外，角频率ω_low-pass用下面的公式定义：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{low}-\mathrm{pass}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{1\mathrm{DAE}}}{2\mathrm{\ξ}}\sqrt{\frac{1}{1+\frac{G_a{J}_{\mathrm{SW}}}{J_{\mathrm{SW}}+{n_{\mathrm{gb}}}^2{J}_{\mathrm{mot}}}}}$

其中：

ξ表示减小的阻尼系数，无量纲。

具有预定的阻尼系数ξ的第一谐振的阻尼得到保证。对于角频率ω_low-pass的表达通过计算辅助转矩与驾驶者转矩之间的闭环传递函数且随后在第一谐振频率的范围内建立对于后者的Taylor序列来确定。阻尼条件提供了第一低通滤波模块18的角频率ω_low-pass。

这被明确地给出为电动机5的物理参数、前轴组件的表观刚性(apparent stiffness)、转向齿条比、希望的阻尼和辅助增益G_a的函数。因此，作为辅助定律的运行点——该点固定了辅助增益G_a的值——的函数，其不是稳定的。

另一方面，在第二、高频谐振频率上，第二滤波模块19进行高通型的滤波，以便向系统的第二机械谐振频率施加近似等于π/4弧度或45°的相位超前。

第二滤波模块19的传递函数如下：

$\frac{s\×\mathrm{Kv}}{1+s/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{high}-\mathrm{pass}}}$

其中，K_v表示以A/s为单位的相位超前增益。

增益K_v和角频率ω_high-pass用下面的表达式定义：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Kv}=\frac{2(1+\sqrt{3})\sqrt{3}}{3\sqrt{3+2\sqrt{3}}}\frac{n_{\mathrm{gb}}}{{\mathrm{\ω}}_{2\mathrm{DAE}}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{high}-\mathrm{pass}}=\sqrt{3}\sqrt{3+2\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_{2\mathrm{DAE}}}\end{array}\right.$

在闭环中，系统以接近于

的阻尼区段(damping sector)对第二谐振进行阻尼。高通型的第二滤波模块19的截止的角频率ω_high-pass和增益K_v不依赖于辅助增益G_a，而仅依赖于电动动力转向的物理参数。

因此，确立模块9的整体控制策略具有传递函数：

$\frac{C_a}{C_c}=(\frac{\mathrm{Kv}\×s}{1+s/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{high}-\mathrm{pass}}}+\frac{G_a}{(1+s/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{low}-\mathrm{pass}})})$

两个滤波模块18和19使用一阶滤波，其实现简单且因此成本低廉。

Claims (6)

1.一种用于机动车的电动动力转向系统，其包含转向齿条(3)致动器(4)和对由驾驶者施加到转向轮(2)的转矩进行测量的传感器(7)，所述致动器和传感器分别在转向轮(2)与转向齿条(3)之间以及致动器(4)与转向轮(2)之间位于转向管柱(1)上，所述系统的特征在于其包含确立装置(9)，所述确立装置(9)用于确立被设计为对转向齿条(3)致动器(4)和转矩测量传感器(7)在转向管柱(1)上的同一位置进行模拟的电动动力转向的最终辅助转矩，使得表示系统运行的伯德图的相位在系统的两个主机械谐振频率上近似为零，所述确立装置(9)包含用于作为辅助增益的函数对初始辅助转矩进行滤波的第一滤波装置(18)以及用于对由驾驶者施加到转向轮(2)的转矩的测量进行滤波的第二滤波装置(19)，且其中，所述系统包含用于依赖于由驾驶者施加到转向轮(2)的转矩的测量来推定预定辅助增益和预定初始辅助转矩的装置(8)。

2.根据权利要求1的系统，其中，所述确立装置(9)包含用于将来自第一与第二滤波装置(18，19)的输出信号相加以便在所述确立装置(9)的输出上发布所述最终辅助转矩的装置(20)。

3.根据权利要求1或2的系统，其中，所述致动器(4)包含电动机(5)，且其中，所述系统还包含用于将所述最终辅助转矩转变为对于供给电动机(5)的电流的对应指令的装置(15)。

4.根据权利要求1-3中任意一项的系统，其中，低通型的所述第一滤波装置(18)适用于向系统的第一主机械谐振频率施加近似为π/4弧度的相位延迟。

5.根据权利要求1-4中任意一项的系统，其中，高通型的所述第二滤波装置(19)适用于向系统的第二主机械谐振频率施加近似为π/4弧度的相位超前。

6.一种用于对机动车的电动动力转向进行管理的方法，其特征在于通过依赖于辅助增益对初始辅助转矩进行滤波以及通过对由驾驶者施加到转向轮的转矩的测量进行滤波，建立电动动力转向的最终辅助转矩，所述最终辅助转矩适用于模拟位于转向管柱(1)上的转矩测量传感器(7)和转向齿条(3)致动器(4)的同一位置，使得表示系统运行的伯德图的相位在系统的两个主机械谐振频率上近似为零。

Images