CN101646593B - 电动助力转向组件 - Google Patents

Abstract

一种电动助力转向组件，其包括：转向机构，其可操作地连接车辆的方向盘和行走轮；力矩感测装置，其适于产生指示驾驶员施加到转向机构的一部分上的力矩的输出信号；信号处理装置，其适于控制电机以导致电机向转向机构施加力矩以辅助驾驶员；和补偿力矩产生装置，其适于将表示电机施加的力矩的力矩值与力矩传感器的输出结合起来以产生将由电机施加给转向机构的补偿力矩信号，其至少部分补偿因悬架不对齐而引起的在转向上的任何牵拉。

Description

电动助力转向组件

技术领域

本发明涉及对某种电动助力转向组件的改进，其中电机适于向转向部件(诸如转向管柱)施加辅助力矩以减小驾驶员为控制车辆所需要付出的努力。本发明还涉及控制这种组件中的电机的方法。 

背景技术

在简单的电动助力转向系统中设有力矩传感器，其被设置成测量驾驶员施加在转向管柱上的力矩水平。控制器从该测量值中计算指示电机应向转向管柱施加的力矩的力矩需求信号的值。电机通常施加与驾驶员所需要的力矩相同的力矩，以减少使轮子转向所需要付出的努力。驾驶员施加的力矩和辅助力矩通过齿轮式变速箱共同作用以使行走轮转向。 

在改良过程中，已知辅助力矩包括阻止车辆因悬架的不对齐而被牵拉向一侧的趋势的适量力矩。如果悬架未对齐，则当沿直线行驶时在行走轮上产生的作用力有时会导致汽车被牵拉至一侧。这必须通过驾驶员施加相反的力矩来抵消以使车辆保持在直线上。 

在EP10297721A1中公开了这类设备，其中通过电机施加其数值与转向管柱传感器所测量的驾驶员力矩需求大小相同且相反的小补偿力矩。 

发明内容

根据一个方面，本发明提供一种电动助力转向组件，其包括： 

转向机构，其能够操作地连接车辆的方向盘和行走轮； 

力矩感测装置，其适于产生指示驾驶员施加到转向机构的一部分上的力矩的输出信号； 

信号处理装置，其适于控制电机以导致电机向转向机构施加力矩以辅助驾驶员；和 

补偿力矩产生装置，其适于将表示电机施加的力矩的力矩值与力矩传感器的输出结合起来以产生将由电机施加给转向机构的补偿力矩信号，其至少部分地补偿因悬架不对齐而引起的在转向上的任何牵拉(pull)。 

通过提供从电机施加的力矩和驾驶员施加的力矩(需求力矩)的组合力矩中获得的补偿力矩，发现在某些场合下这种补偿提供了对现有技术的改进。特别地，在向系统提供特别有力的辅助曲线时，该组合测量值允许在更宽泛的行驶条件范围下计算数值，同时不会因存在任何低的辅助力矩水平而出现失真。 

电机可以施加有补偿力矩和辅助力矩的组合力矩形成的力矩。辅助力矩可以从驾驶员施加的转向管柱力矩中获得，其主要功能是使转向更为容易。辅助力矩通常将随着驾驶员施加的力矩变大，并且具有相同的符号，从而使得电机和驾驶员一起作用。 

然而优选的是，辅助力矩还是其它车辆参数(诸如车辆速度)的函数。该设备因此可以包括用于向处理装置提供车辆速度测量值的装置。这可以包括速度传感器。 

该设备还可以适于产生还是车辆速度的函数的补偿力矩。例如，该补偿值可以是零或者接近为零，直至第一车辆速度，并且然后在比第一车辆速度更大的速度上更高。 

该设备可以进一步地适于在车辆操作条件满足某些条件时计算补偿力矩。如果条件未得到满足，将不计算新的数值并且将继续使用已有值。这是令人满意的，因为在大多数情况下，悬架的几何结构只会随着部件的磨损而非常缓慢地发生变化。这些条件可以包括以下条件中的一种或多种： 

车辆速度超过第二值，例如60km/h。这可以从车辆速度传感器中确定。 

车辆正在沿直线行驶。这可以从一段时间上对车辆定向或者转向 角的测量值中确定。 

驾驶员施加的力矩高于第一阈值且低于第二阈值水平。例如，它们可以分别设为0.5Nm和3Nm(虽然这显然将取决于应用)。 

已经满足的条件持续了超过预定值(例如10秒或1分钟或更多)的一段时间。 

车辆轮胎中的一个或多个轮胎的压力落在指示正确轮胎充气的数值范围内。例如，这可以是20至40psi(1.43bar至2.85bar)的范围，最优选是21psi(1.5bar)至35psi(2.5bar)的范围。这同样将取决于车辆和轮胎。 

车辆的加速度(或减速度)低于预设水平。 

通过检查所有必要子部件落在约定操作条件下，电子转向系统工作在其正常操作条件下，且因此防止出现故障(即，电机/ECU温度，最大电流，存储检验和，力矩传感器等)。 

驾驶员施加的转向角低于第一阈值水平。例如，这可以设定为10度或更低(虽然这显然将取决于应用)。 

驾驶员施加的转向速率低于第一阈值水平。例如，这可以设定为10度或更低(虽然这显然将取决于应用)。 

车辆的横向加速度低于第一阈值水平。例如，这可以设定为3m/s²或更低(虽然这显然将取决于应用)。 

例如，如果上述条件中的全部或部分(取决于信号的有效性和应用类型)得到满足，则车辆必须在良好的轮胎压力下以相对高的速度直行。这通常对应于在汽车道或高速公路(其中马路的路拱通常较低且不会引起汽车被牵拉)上行进。 

因为使用了电机施加的力矩和驾驶员施加的力矩的组合力矩，所以即使电机正在提供帮助也可以认为这些条件得到满足。这是对现有技术的改进，因为它允许使用更宽泛的条件。有力辅助函数的使用是重要的，它意味着电机以相对较低的驾驶员施加的力矩和接近直前位置地施加大量帮助。 

具体地，该设备可以适于在一定的转向角和施加力矩范围内产生 非零的辅助力矩值，其中所述一定范围落在使得用于确定新补偿力矩值的条件得到满足的范围内。通常，这可以包括多达约10度的角度和达到约2Nm的驾驶员施加的力矩。 

该设备可以适于在其条件得到满足的任何时刻更新补偿力矩值。 

该设备可以使用递归滤波器从辅助力矩和驾驶员施加的力矩的组合力矩中获得补偿力矩，其中所述递归滤波器可以由下列形式的方程来表达： 

$\mathrm{PDC}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*(\mathrm{Column}\_\mathrm{Torque}+\mathrm{Assist}\_\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand})+\frac{(\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}-1)}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*\mathrm{PDC}(n-1)$

或者 

$\mathrm{PDC}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*[\mathrm{Column}\_\mathrm{Torque}+\mathrm{Motor}\_\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}+\mathrm{PDC}(n-1)]+\frac{(\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}-1)}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*\mathrm{PDC}(n-1)$

其中，PDC(n)是时间n的补偿力矩，步阶常数STEP_CONSTANT是常数，转向管柱力矩Column_Torque是驾驶员施加的力矩，并且电机_力矩_需求Motor_Torque_Demand是从转向管柱力矩中获得的辅助力矩Assist_Torque。 

该常数可以具有相对较大的值，诸如10,000，并且可以以约500Hz的相对高的频率计算PCD的值。 

或者，该设备可以使用下列形式的方程获得补偿力矩： 

$\mathrm{PDC}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*(\mathrm{Column}\_\mathrm{Torque}+\mathrm{Compensator}\_\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand})+\mathrm{PDC}(n-1)$

后一方程是优选的，因为它需要在处理装置中实现较少的逻辑元件。值得注意的是，在该计算中省略了电机力矩Motor_Torque。在其中总的电机施加的力矩可以约等于补偿力矩Compensator_Torque的操作条件范围下，这是一种可以接受的假设。 

根据第二方面，本发明提供了一种用于其中电机被用来向转向系统施加力矩以辅助驾驶员的那种车辆的电动助力转向系统的电机控制方法，该方法包括：测量由驾驶员施加给转向系统的一部分的力矩，确定将通过电机施加给转向组件以辅助驾驶员的电机力矩，和从电机施加的力矩和驾驶员施加的力矩中计算补偿力矩的值，其中补偿力矩用于至少部分消除因悬架的不对齐引起的在转向上的任何牵拉。 

电机施加的力矩可以包括辅助力矩和补偿力矩。该方法可以在一 定的操作条件范围下使其近似等于补偿力矩。 

附图说明

参考附图且在附图中示出的本发明的一个实施例现在将仅以举例的方式得到描述，在附图中： 

图1是根据本发明的电动助力转向系统的示意图； 

图2是图1的电机的控制方法的示意图，其中组合的辅助和补偿力矩被生成以施加给电机； 

图3以更详细的示意性形式示出了用于确定补偿力矩(用术语“PDC力矩需求”表示)的信号处理； 

图4是在图3的补偿力矩计算方框中使用的第一逻辑选择的方框图； 

图5是在图3的补偿力矩计算方框中使用的第二逻辑选择的方框图； 

图6是在安装到车辆上的转向系统的模拟中施加补偿的效果的示图。 

具体实施方式

在图1中示出了一种电动助力转向组件设备。该设备包括电机1，其通过(可选的)齿轮齿条式变速箱作用于驱动轴2上。驱动轴结束于蜗轮4，蜗轮4与设在转向管柱5的一部分上的轮子或者可操作地连接转向管柱的轴一起作用。该设备使得通过变速箱施加到转向管柱上的任何作用力都将被驾驶员感觉到，要求驾驶员施加恒定且小的校正力矩以保持直线。将显而易见的是，根据该实施例的发明用于至少部分补偿这种牵拉。 

转向管柱载有力矩传感器6，其适于测量转向管柱所承载的力矩。该力矩由驾驶员产生，从而使方向盘转向以转弯或者阻止车辆被牵拉至一侧。来自该传感器的输出信号T被送给数字信号处理器7形式的信号处理装置。 

在转向管柱上还设有角速率传感器8。在一些构造中，这可以作为单独的装置与力矩传感器6相结合。这产生指示方向盘的角速率(即，驾驶员以多快的速度使轮子转向)的输出信号v。 

还设有测量车辆行驶速度V的车辆速度传感器9。这也被送入信号处理装置7。 

并非该转向设备的一部分的车辆横向加速度测量装置(未示出)将横向加速度信息送入信号处理装置。 

最后，并非该转向设备的一部分的轮胎压力监视器(未示出)将轮胎压力信息送入信号处理装置。 

信号处理装置以通过图2的示意图描绘的方式作用于测量信号。 

在方框20中，力矩信号T和角速率v及车辆速度信号V被送入控制器，所述控制器产生辅助力矩值。该数值确定将仅通过电机施加以帮助驾驶员使轮子转向的辅助量。本领域技术人员将容易理解如何获取这种辅助力矩信号。 

在方框22中，信号处理器还检查输入信号以确认与车辆操作有关的一组预定条件是否得到满足。这些条件的更多细节将在下文中给出，但是为了解释图2，在此只要认识到存在有一些条件就足够了。如果这些条件得到满足，则信号处理装置在方框24中确定补偿力矩值，其被选定以补偿车辆的任何向一侧的牵拉。该数值然后在方框26中与辅助力矩值结合以产生用于驱动电机的组合值。 

还示出了储存器(方框28)，其中存有初始补偿值以在启动时使用。这可以是在系统关闭之前最后计算的数值，或者是用于在初次使用时或在校正悬架以消除所形成的牵拉之后使用的工厂缺省值。 

图3更详细地示出了信号处理装置所应用的整个处理方法。具体地，图2的不同方框在功能上被更详细地示出。在左上部，不同的条件被示出进入方框22。然后使用计时器来保证这些条件在所要求的时间长度内都得到满足。储存在存储器中的数据在右上部被示为方框28。 

根据规定，车辆及其转向在能够确定补偿力矩值之前必须满足一系列条件。在所示实施例中，这些条件被选择成对应在汽车道上高速 行驶的车辆。因此，它们包括必定表明车辆正以60km/h或更高速度(或者根据车辆将在其中被驾驶的国家的全国限速定义的其它一些速度)行驶的车辆速度测量值，和驾驶员施加的力矩和施加的角度低于表明车辆正在直行而并非转弯的阈值水平。 

在已满足这些条件之后，由处理器计算补偿力矩。在方框2中执行的补偿计算能够以多种方式实现，但是在该示例中，利用递归滤波器来执行它。这在一段时间上进行大量的计算，并且使用以前的结果来消除数值随时间的变化。 

可以采用多种递归滤波器，但是优选以下两种： 

(1)滤波器1； 

$\mathrm{PDC}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*(\mathrm{Column}\_\mathrm{Torque}+\mathrm{Motor}\_\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}+\mathrm{PDC}(n-1))+\frac{(\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}-1)}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*\mathrm{PDC}(n-1)$

其中：PDC(n)是时间n上的补偿力矩值； 

步阶常数STEP_CONSTANT是确定PDC值变化速率的常数。这通常相对较高，在500Hz的采样频率下大约为400000。 

电机力矩需求Motor_Torque_Demand是基于驾驶员施加的力矩的辅助力矩。 

转向管柱力矩Column_Torque和电机力矩需求Motor_Torque_Demand的组合代表了变速箱的齿轮上的力矩。 

(2)滤波器2： 

$\mathrm{PDC}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*(\mathrm{Column}\_\mathrm{Torque}+\mathrm{Compensator}\_\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand})+\mathrm{PDC}(n-1)$

$\mathrm{PDC}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*(\mathrm{Column}\_\mathrm{Torque}+\mathrm{Motor}\_\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand})+\mathrm{PDC}(n-1)$

第一和第二方程可以在为图4和5中示出的逻辑电路的形式的处理器中实现。值得注意的是，在某些情况下，第二方程可能是优选的，因为它需要较少的逻辑部件。 

由于步阶常数值较大，因此方程1和2有效地提供相同数量的补偿。这可以在图6的结果中看到，其中对于所模拟的施加于转向上的牵拉力矩的变化，在一段时间上对基于方程1和2产生补偿力矩的设备的性能进行比较。 

图6示出了模拟结果，其中假定在转向机构中不存在摩擦。施加 150N的偏置力作为齿条作用力，其产生约0.95Nm的转向管柱力矩。在8秒钟之后，实现功能的条件得到满足，另外经过2秒钟之后，计时器期满，于是启动PDC算法。所计算的PDC力矩需求被加到电机力矩需求中，这减小了转向管柱力矩，接着减小了PDC算法采用的速度。在这种模拟中，步阶常数被设为1000，其意味着在经过约5000次计算步骤之后，整个偏置已得到补偿。 

轨迹6(a)示出了增长至饱和的PDC力矩需求。轨迹6(b)示出了从初始偏置量减至0Nm的转向管柱力矩。轨迹6(c)示出了一段时间上的有效电机力矩需求(包括PDC力矩需求)。 

Claims (16)

1.一种电动助力转向组件，其包括：

转向机构，其能够操作地连接车辆的方向盘和行走轮；

力矩感测装置，其适于产生指示由驾驶员施加到转向机构的一部分上的力矩的输出信号；

信号处理装置，其适于控制电机以使电机向转向机构施加力矩以辅助驾驶员；和

补偿力矩产生装置，其适于将表示电机向转向机构施加的力矩的力矩值与力矩感测装置的输出结合起来以产生将由电机施加给转向机构的补偿力矩信号，所述补偿力矩信号至少部分地补偿因悬架不对齐而引起的在转向上的任何牵拉。

2.如权利要求1所述的电动助力转向组件，其特征在于：

电机适于施加由补偿力矩和辅助力矩的组合力矩形成的力矩，并且辅助力矩从驾驶员施加的转向管柱力矩中获得。

3.如权利要求1或2所述的电动助力转向组件，其还适于产生还是车辆速度的函数的补偿力矩。

4.如权利要求3所述的电动助力转向组件，其还适于当车辆操作条件满足某些条件时计算补偿力矩，如果所述某些条件未得到满足，则将不计算新的值，且将继续使用已有的值。

5.如权利要求4所述的电动助力转向组件，其特征在于：

要满足的条件包括车辆速度超出设定值。

6.如权利要求4所述的电动助力转向组件，其特征在于：

要满足的条件包括在一段时间内对车辆定向或转向角的测量值中确定车辆正在直行。

7.如权利要求4所述的电动助力转向组件，其特征在于：

要满足的条件包括驾驶员施加的力矩大于第一阈值水平且小于第二阈值水平。

8.如权利要求4所述的电动助力转向组件，其特征在于：

要满足的条件包括已经满足的所述条件持续了超过预定值的一段时间。

9.如权利要求4所述的电动助力转向组件，其特征在于：

要满足的条件包括车辆轮胎中的一个或多个轮胎的压力落在指示正确轮胎充气的数值范围内。

10.如权利要求4所述的电动助力转向组件，其特征在于：

要满足的条件包括车辆的横向加速度小于第一阈值水平。

11.如权利要求4所述的电动助力转向组件，其特征在于：

要满足的条件包括车辆的加速度或减速度小于预先设定的水平。

12.如权利要求4所述的电动助力转向组件，其适于在一定的车辆转向角和驾驶员施加的力矩范围内产生非零的辅助力矩值，其中所述范围落在使得用于确定新补偿力矩值的条件得到满足的范围内。

13.如权利要求1所述的电动助力转向组件，其适于得到补偿力矩，所述补偿力矩是使用递归滤波器由辅助力矩和驾驶员施加的力矩的组合力矩得到的。

14.如权利要求13所述的电动助力转向组件，其特征在于：

递归滤波器通过下列方程来表达：

$\mathrm{PDC}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*[\mathrm{Column}\_\mathrm{Torque}+\mathrm{Motor}\_\mathrm{Demand}+\mathrm{PDC}(n-1)]+\frac{(\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}-1)}{\mathrm{STEP}\_\mathrm{CONSTANT}}*\mathrm{PDC}(n-1)$

其中，PDC(n)是时间n的补偿力矩，STEP_CONSTANT是常数，Column_Torque是驾驶员施加的力矩，且Motor_Torque_Demand是从驾驶员施加的转向管柱力矩中获得的辅助力矩。

15.一种用于其中电机被用来向转向系统施加力矩以辅助驾驶员的那种车辆的电动助力转向系统的电机控制方法，该方法包括：

测量由驾驶员施加给转向系统的一部分上的力矩，

确定通过电机施加给转向组件以辅助驾驶员的电机力矩，和

从电机施加的力矩和驾驶员施加的力矩中计算补偿力矩值，其中补偿力矩用于至少部分消除因悬架的不对齐引起的在转向上的任何牵拉。

16.如权利要求15所述的电机控制方法，其特征在于：

电机施加的力矩包括辅助力矩和补偿力矩。

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