CN101858806A - 电动转向系统的摩擦估算和检测 - Google Patents

Abstract

提供了一种估算由控制模块控制的转向系统中的摩擦的方法。该方法包括由控制模块执行：估算转向载荷增益；估算转向载荷滞后；以及基于载荷增益、转向载荷滞后和参考模型来确定摩擦。

Description

电动转向系统的摩擦估算和检测

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2009年4月7日提交的序列号为61/167341的美国专利申请的优先权，其作为参考并入本申请的全部内容中。

技术领域

本发明示例性的实施例涉及动力转向系统的控制系统和方法。

背景技术

在动力转向系统中，为了多种目的试图估算系统的全部摩擦。首先，如果摩擦过度，会影响驾驶员保持车辆的方向控制的能力。在这种情况下，为了对其进行维修应该通知驾驶员这种情况。其次，为了转向感，如果精确估算出摩擦幅度，可以降低驾驶员的摩擦感。

发明内容

提供一种估算由控制模块控制的转向系统中的摩擦的方法。该方法包括由控制模块执行，估算转向载荷增益；估算转向载荷滞后；并基于载荷增益、转向载荷滞后和参考模型来确定摩擦。

方案1：一种估算由控制模块控制的转向系统中的摩擦的方法，包括：

由控制模块执行：

估算转向载荷增益；

估算转向载荷滞后；以及

基于载荷增益、转向载荷滞后和参考模型来确定摩擦。

方案2：方案1的方法，其中由控制模块执了还包括当摩擦超过至少一个阈值时启动报警信号。

方案3：方案1的方法，其中由控制模块执行还包括基于摩擦启动控制信号以控制转向系统。

方案4：方案1的方法，其中估算转向载荷增益是基于转向载荷和侧向加速度的。

方案5：方案1的方法，其中估算转向载荷滞后是基于转向载荷和转向角度的。

方案6：方案1的方法，其中由控制模块执行还包括基于摩擦和转向载荷增益确定附加摩擦。

方案7：方案6的方法，其中由控制模块执行还包括基于摩擦和附加摩擦确定总摩擦。

方案8：一种估算转向系统中的摩擦的方法，包括：

基于转向角度和车辆速度计算侧向加速度；

基于施加于转向系统的一个或多个力计算转向载荷；

基于侧向加速度以及转向载荷增益和滞后计算参考转向载荷；

基于转向载荷和参考转向载荷计算总摩擦；

将总摩擦与阈值比较；以及

基于比较启动报警信号。

方案9：方案8的方法，还包括点亮报警灯、触发声音信号、以及基于报警信号控制转向系统中的至少一种。

方案10：方案8的方法，其中确定是否存在过度摩擦包括将平均摩擦、附加摩擦和总摩擦中的至少一个与各自的预定阈值进行比较。

方案11：方案8的方法，包括在继续摩擦估算前确定至少一个条件约束是否在具体范围内。

方案12：一种车辆，包括：

转向系统；和

与转向系统通信的控制模块，控制模块估算转向载荷增益，估算转向载荷滞后，并基于转向载荷增益、转向载荷滞后和参考模型来确定摩擦。

方案13：方案12的车辆，其中当摩擦超过至少一个阈值时控制模块启动报警信号。

方案14：方案12的车辆，其中控制模块基于摩擦启动控制信号以控制转向系统。

方案15：方案12的车辆，其中控制模块基于转向载荷和侧向加速度估算转向载荷增益。

方案16：方案12的车辆，其中控制模块基于转向载荷和转向角度估算转向载荷滞后。

方案17：方案12的车辆，其中控制模块基于摩擦和转向载荷增益确定附加摩擦。

方案18：方案17的车辆，其中控制模块基于摩擦和附加摩擦确定总摩擦。

方案19：方案12的车辆，其中转向系统是电动转向系统。

附图说明

仅通过例子，其他目的、特征、优点和细节呈现在下面实施例的详细说明中，详细说明参考附图，其中：

图1是根据典型实施例的包括摩擦估算系统的车辆的功能块图；

图2是表示根据典型实施例的包括摩擦估算系统的控制模块的数据流图；

图3和图4是表示转向载荷相对于转向角度或侧向加速度的曲线图；

图5是表示侧向加速度相对于转向载荷的曲线图；以及

图6是表示根据典型实施例的摩擦估算方法的流程图。

具体实施方式

下面的描述实际上只是示例性的并不试图限定本发明的公开、应用或使用。应该理解，所有的附图中相应的附图标记表示相似或相应的部分和特征。

现在参考图1，此处参考特定实施例而不限于该实施例描述本发明，示出了包括转向系统12的车辆10的典型实施例。在各实施例中，转向系统12包括连接到转向轴16上的方向盘14。在典型实施例中，转向系统12是电动转向(EPS)系统，其还包括连接到转向系统12的转向轴16和车辆10的转向横拉杆20、22的转向辅助单元18。转向辅助单元18包括例如齿条齿轮转向机构(未示出)，齿条齿轮转向机构可通过转向轴16连接到转向致动马达和齿轮传动装置。在操作期间，当车辆操作者转动方向盘14时，转向辅助单元18的马达提供助力以驱动转向横拉杆20、22，转向横拉杆20、22继而分别驱动分别连接到车辆10的车轮28、30上的转向节24、26。虽然图1中示出了EPS系统并在此进行了描述，但可以意识到本发明的转向系统12可包括多种被控制的转向系统，包括但不限于具有液压配置的转向系统，并且可通过有线配置转向。

如图1中所示，车辆10还包括检查和测量转向系统12和/或车辆10的可观测状况的多种传感器31、32，这些传感器包括，例如，车辆速度传感器、转向角度传感器和扭矩传感器。传感器31、32基于可观测状况产生传感器信号。控制模块40基于一个或多个传感器信号且还基于本发明的转向控制系统和方法控制转向系统12的运行。一般而言，本发明的转向控制系统和方法估算转向系统12的摩擦。基于该摩擦，控制模块40产生一个或多个通知和/或控制信号以控制转向系统12。

现在参考图2，数据流图表示了图1的控制模块40的典型实施例。在多种实施例中，控制模块40可包括一个或多个子模块和数据存储器。此处使用的术语模块和子模块是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的、或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或其他提供所述功能的合适的元件。可以意识到，图2中所示的子模块可以被组合和/或进一步分割以类似地估算摩擦和控制转向系统12(图1)。控制模块40的输入可以从车辆10(图1)的传感器31、32(图1)产生、可被建模、可从车辆10(图1)内的其他控制模块(未示出)接收、和/或可预先确定。

在多种实施例中，控制模块40包括侧向加速度模块42、约束模块44、增益和滞后模块46、求和模块48、参考载荷模块50、总摩擦模块52和摩擦评估模块54。

侧向加速度模块42接收输入车辆速度58和转向角度56。基于输入56、58，侧向加速度模块42估算车辆10(图1)的侧向加速度60。在多个实施例中，侧向加速度模块42用车辆10(图1)的自行车模型估算侧向加速度60。在一个例子中，侧向加速度模块42基于以下等式估算侧向加速度60：

$\mathrm{LA}=\frac{\mathrm{HWA}*V^2}{N*(57.3*9.81*L+K*V^2)}.---\left(1\right)$

其中，符号LA表示侧向加速度60。符号HWA表示方向盘角度，也作为转向角度56。符号V表示车辆速度58。符号L表示车辆轴距。符号K表示转向不足系数。符号N表示转向比。在多个实施例中，车辆轴距、转向不足系数和转向比可以是预定值。

在多个其他实施例中，侧向加速度模块42基于由加速度传感器测得的加速度值估算侧向加速度，加速度传感器例如那些用在例如稳定控制系统中的传感器。

可以意识到侧向加速度模块42可输出转向角度56代替侧向加速度60。差别在图3和4中示出，其中当车辆速度变化时(104示出车辆速度增加)转向载荷100相对于转向角度102变化。相比而言，在大范围的车辆速度内转向载荷100相对于侧向加速度106是合理地恒定的。侧向加速度60的使用简化了随后的估算。为了容易讨论，将会在侧向加速度60的上下文中讨论发明内容的其余部分。

回到图2，约束模块44接收侧向加速度60、转向角度56、车辆速度58、转向速度62和转向方向64作为输入。基于输入56、58、62、64，约束模块44通过执行一个或多个检查以确定是否满足特殊条件约束而启动估算摩擦(通过启动参数66)。在多个实施例中，即使当一个或多个条件约束不满足时也能进行摩擦估算，只要满足条件约束的目的(即防止由能显著改变车辆的转向载荷的条件引起的误差)，如由启动参数66示出。

例如，快速加速或减速、快速转向输入、转向反向或高的侧向加速度可能导致以下条件约束之一超范围，因此，提供在摩擦估算中误差的可能性。表1列出了约束模块44可估算的示例性条件。

输入	条件
		侧向加速度	侧向加速度在最小值以上且在最大值以下
车辆速度	车辆速度在最小值以上且在最大值以下
		加速度/减速度	加速度/减速度在最小值以上且在最大值以下
转向速度	转向速度在最小值以上且在最大值以下
		转向角度	转向角度在相同的方向经过最小角度

表1

可以看到，上述最小和最大条件可预先确定以针对给定的车辆应用获得期望的性能。

求和模块48接收转向辅助值68和驱动扭矩70作为输入。基于输入68、70，求和模块48估算总转向载荷72。例如，求和模块48计算驾驶员提供给转向系统的力(驱动扭矩70)和动力转向辅助系统提供的辅助力(转向辅助值68)的总和。在多个实施例中，在力的求和前考虑机械减速比，以便力的求和使用相同的参考系，其可包括线性的或柱状坐标。

增益和滞后模块46接收侧向加速度60、启动参数66和转向载荷72作为输入。当启动参数66显示摩擦可被估算时，增益和滞后模块46确定增益74和滞后76、78。

如图5中所示，总转向载荷100是基于典型数据相对于侧向加速度106绘出。该曲线图示出在增加侧向加速度和减小侧向加速度之间在转向载荷中存在的滞后。

对于在最小和最大侧向加速度112、114之间的区域，例如0.05和0.4g’s，转向载荷和侧向加速度之间的关系通常是线性的。通过取样该数据，可以近似线性关系(斜率和截距)。例如，当侧向加速度106增加时，转向载荷100和侧向加速度106之间的关系可近似为：

y＝Cx+B1                 (2)

此处符号y表示转向载荷100。符号x表示侧向加速度106。符号C表示斜率。符号B1表示y轴截距。

同样，对于减小侧向加速度，转向载荷100和侧向加速度106之间的关系可以近似为：

y＝Cx+B2                     (3)

此处符号y表示转向载荷100。符号x表示侧向加速度106。符号C表示斜率。符号B2表示y轴截距。

为了结合在两个方向的数据，关系可以近似为：

y＝Cx+(B1+B2)/2              (4)

或者

y＝Cx+B_ave                   (5)

使用这些等式，可以求解C(增益74)、B1和B2(滞后76、78)的唯一解。

回到图2，在多个实施例中，增益和滞后模块46用在任意给定时刻的一组数据点(转向载荷和侧向加速度)确定C。在一个例子中，增益和滞后模块46基于以下等式计算C：

C＝(L_steer-B_ave)/LA         (6)

此处符号L_steer表示转向载荷72。符号B_ave表示在单位取样延迟的情况下的B1和B2的平均值(即(B1+B2)/2)。在多个实施例中，C的初始条件可以是车辆的期望转向载荷增益，或者是在加电状态下从存储器得到的C的上一次知晓值。

增益和滞后模块46然后将结果限定在期望值的合理范围内并通过具有低截止频率(例如，0.1Hz)的低通滤波器过滤结果。那么C的最终值表示过滤后的“平均”转向载荷增益74(转向载荷/侧向加速度)。

在多个实施例中，当侧向加速度60增加时，增益和滞后模块46估算滞后值B1。在一个例子中，增益和滞后模块46基于以下等式计算滞后值B1：

B1＝L_steer-C*LA            (7)

增益和滞后模块46可将B1限定在合理范围内并可通过具有非常低的截止频率(例如，0.1Hz)的低通滤波器过滤B1。

同样地，当侧向加速度60减小时，增益和滞后模块46可计算B2。例如，增益和滞后模块46基于以下等式计算滞后值B2：

B2＝L_steer-C*LA           (8)

增益和滞后模块46可将B2限定在合理范围内并可通过具有低截止频率(例如，0.1Hz)的低通滤波器过滤B1。

此后，增益和滞后模块46可计算平均摩擦80。例如，增益和滞后模块46基于以下等式计算平均摩擦：

F_ave＝(B1-B2)/2          (9)

在多个实施例中，B1和B2的初始条件可以是零，或者可选择地，是在加电状态下从非易失性的存储器获得的上一次知晓值。可以意识到，与交替取样和曲线拟合技术相比，这些计算需要最小数据存储和计算的复杂性。这些计算也补偿了在车辆的操作特性上的变化，如在轮胎、悬架、路面中的变化等。

参考载荷模块50接收增益74(c)、滞后76、78(B1、B2)和侧向加速度60作为输入。基于输入60、74-78，参考载荷模块50估算参考载荷82。在多个实施例中，参考载荷模块50确定侧向加速度60是增加还是减小并基于此估算参考载荷82。在多个实施例中，当侧向加速度增加时，参考载荷模块50用参数B1估算参考载荷82。例如，参考载荷模块50基于以下等式计算参考载荷82：

L_ref＝C*LA+B1        (10)

在多个实施例中，当侧向加速度60减小时，参考载荷模块50用参数B2估算参考载荷82。例如，参考载荷模块50基于以下等式计算参考载荷82：

L_ref＝C*LA+B2         (11)

总摩擦模块52接收侧向加速度60、平均摩擦80、参考载荷82和转向载荷72作为输入。基于输入82、72，总摩擦模块52估算超过参考载荷82的附加摩擦84。附加摩擦84表示了局部过多的摩擦条件。

在多个实施例中，总摩擦模块52确定侧向加速度60是增加还是减小并基于此估算附加摩擦84。例如，当侧向加速度60增加时，总摩擦模块52基于以下等式确定附加摩擦84：

F_add＝L_steer-L_ref               (12)

此处符号L_steer表示转向载荷72。在另一个例子中，当侧向加速度60减小时，总摩擦模块52基于以下等式确定附加摩擦84：

F_add＝L_ref-L_steer               (13)

在多个实施例中，附加摩擦84可限定到最小值(即，零)。然后总摩擦模块52可计算总摩擦86作为平均摩擦80和附加摩擦84的总和。

摩擦评估模块54接收平均摩擦80、附加摩擦84和总摩擦86作为输入。基于输入，通过将一个或多个值与预定阈值相比较可检测到过多的摩擦。例如平均摩擦可在大约1牛米(Nm)到大约5Nm的范围内，具有大约3Nm的期望平均值。总摩擦可在大约2到15Nm的范围内。

如果任何值超过它的阈值，摩擦可确定为“太高”。在此情况下，摩擦评估模块54可通过通知信号88通知驾驶员在系统继续使用前应进行维修。通知可以是报警灯、禁用转向系统12(图1)或其他报警机构的形式。在多个其他实施例中，可基于任意摩擦值通过控制信号90控制转向系统12。

现在参考图6并继续参考图2，流程图示出可以由图1的控制模块40执行的摩擦估算方法。根据发明内容可以意识到，在该方法中操作的顺序不限于如图6所示的顺序执行，而是可按适用的且根据本发明内容的一个或多个变化的顺序执行。

可以意识到，摩擦估算方法可基于预定事件安排运行和/或在车辆10(图1)操作期间按规定间隔运行。

在一个例子中，方法可开始于200。侧向加速度60在210中确定。转向载荷72在220中确定。条件约束在230中评估。如果条件约束在231中不通过，该方法可终止于300。

然而，如果条件约束在232中通过，则在240中基于转向载荷72和侧向加速度60或转向角度计算增益74和滞后76、78。在250中基于增益74、滞后76、78计算平均摩擦80。在260中基于增益74、滞后76、78和侧向加速度60计算参考载荷82。在270中基于转向载荷72和参考载荷82计算附加摩擦84。在280中基于平均摩擦80和附加摩擦84计算总摩擦。此后，在290中转向系统12(图1)可评估摩擦值并基于此产生报警信号88和/或可基于摩擦值控制转向系统12(图1)。该方法可终止于300。

虽然参考典型实施例描述了本发明，但本领域技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围内可以作出多种变化且等价物可以替代其元件。此外，根据本发明的教导，在不脱离其实质范围的情况下可以进行许多变型以适应特殊状况或材料。因此，不是试图将发明限于作为执行本发明的最佳模式所公开的特殊实施例，而本发明将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种估算由控制模块控制的转向系统中的摩擦的方法，包括：

由控制模块执行：

估算转向载荷增益；

估算转向载荷滞后；以及

基于载荷增益、转向载荷滞后和参考模型来确定摩擦。

2.权利要求1的方法，其中由控制模块执行还包括当摩擦超过至少一个阈值时启动报警信号。

3.权利要求1的方法，其中由控制模块执行还包括基于摩擦启动控制信号以控制转向系统。

4.权利要求1的方法，其中估算转向载荷增益是基于转向载荷和侧向加速度的。

5.权利要求1的方法，其中估算转向载荷滞后是基于转向载荷和转向角度的。

6.权利要求1的方法，其中由控制模块执行还包括基于摩擦和转向载荷增益确定附加摩擦。

7.权利要求6的方法，其中由控制模块执行还包括基于摩擦和附加摩擦确定总摩擦。

8.一种估算转向系统中的摩擦的方法，包括：

基于转向角度和车辆速度计算侧向加速度；

基于施加于转向系统的一个或多个力计算转向载荷；

基于侧向加速度以及转向载荷增益和滞后计算参考转向载荷；

基于转向载荷和参考转向载荷计算总摩擦；

将总摩擦与阈值比较；以及

基于比较启动报警信号。

9.权利要求8的方法，还包括点亮报警灯、触发声音信号以及基于报警信号控制转向系统中的至少一个。

10.一种车辆，包括：

转向系统；和

与转向系统通信的控制模块，控制模块估算转向载荷增益，估算转向载荷滞后，并基于转向载荷增益、转向载荷滞后和参考模型来确定摩擦。

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