CN102026864B - 电动转向设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动转向设备，即使在转向角传感器出现故障的情况下，该电动转向设备也能够使方向盘返回到方向盘中立位置。在根据转向角和横摆率执行使方向盘返回到中立位置的控制动作时，如果检测到转向角传感器(12)出现故障，则放大横摆率传感器(13)的增益，并且如果检测到传感器中的至少一个出现故障时，则减小阻尼补偿单元(23)的阻尼增益。因此，即使真实的横摆率较小，也可以通过基于放大的检测值产生较强的返回力使方向盘(1)返回到中立位置，并且作用在返回力上的阻尼分量可被减小，使得自动调准转矩能够使方向盘返回到中立位置。

Description

电动转向设备

技术领域

本发明涉及一种电动转向设备，其执行控制操作，从而用于使汽车的可转向车轮转向的辅助转矩依靠方向盘的转向由电动机产生。

背景技术

执行控制操作以使得用于使汽车的可转向车轮转向的辅助转矩依据方向盘的转向由电动机产生的电动转向设备是传统已知的。由于通过电动转向设备执行的控制操作主要是基于与方向盘的中立位置(直线行驶状态)相关的转向角的大小，当用于检测转向角的转向角检测器出现故障或不能正常操作时，不能获得适当的辅助转向转矩。之前提出过在该非正常状态发生时完全停止电动机的驱动的建议(例如，见专利文件1和2)。

专利文件1：日本已公开专利2002-104218

专利文件2：日本已公开专利2005-67262

当电动机的驱动由于故障发生而停止时，用以使方向盘返回到中立位置的返回力将不得不依靠通过车辆的悬架的几何形状产生的自动调准(self-aligning)转矩，并且该自动调准转矩用作使可转向车轮恢复到直线行驶状态的返回力。

在电动转向设备中，诸如变速箱的转矩传送机构设置在可转向车轮的方向盘和转向节臂之间，并且诸如变速箱摩擦力的摩擦力影响用于恢复到直线行驶状态的返回力。在相对较大的转向角的情况下，自动调准转矩明显大于摩擦力，然而当该角处于围绕方向盘中立位置的较小角度的范围内时，自动调准转矩会变得小于摩擦力。

在正常情况下，执行施加到电动机的、用以产生使方向盘返回至其中立位置的返回力的控制操作，直到通过转向角检测器检测的转向角的值变得等于与方向盘的中立位置相对应的值(0度转向角)。然而，在转向角检测器发生故障的情况下，不能进行基于转向角检测值的控制操作，并且唯一可用的返回力将为自动调准转矩，使得当存在相对高的摩擦力的区域时，方向盘不能返回至其中立位置。

发明内容

本发明的主要目标是提供一种电动转向设备，即使在传感器故障的情况下，其也能够使方向盘返回(1)至中立位置。为实现该目标，本发明提供一种动力转向设备，其包括转向力控制单元(15)，该转向力控制单元在使可转向车轮(6)依靠方向盘(1)的操纵转向时使电动机(9)产生辅助转向转矩，该设备包括：用于检测方向盘(1)的转向角的转向角传感器(12)和用于检测车辆的横摆率的横摆率传感器(13)；其中当使方向盘朝向中立位置返回时，转向力控制单元(15)根据检测的转向角和检测的横摆率执行方向盘(1)的返回控制，并且该转向力控制单元包括用于检测转向角传感器(12)的故障的故障检测单元(17)；并且与转向角传感器(12)正常运行的情况相比，一旦检测到转向角传感器(12)的故障，转向力控制单元(15)根据由横摆率传感器(13)检测的横摆率以放大的方式执行返回控制。

特别是，所述返回控制可以包括用以增加和减小方向盘(1)的转向力的控制操作，并且与转向角传感器(12)正常运行的情况相比，一旦检测到转向角传感器(12)的故障时，转向力控制单元(15)增加基于通过横摆率传感器(13)检测的横摆率的返回力。

此外，电动转向设备还包括阻尼补偿设定单元(23)，所述阻尼补偿设定单元将阻尼补偿施加到辅助转向转矩，转向力控制单元(15)还包括用于检测横摆率传感器(13)的故障的故障检测单元(15)，并在转向角传感器(12)和横摆率传感器(13)中的至少一个出现故障时，减少通过阻尼补偿设定单元(23)施加的阻尼补偿。

并且，其中当转向角传感器(12)和横摆率传感器(13)都正常，并且通过横摆率传感器(13)检测的横摆率低于规定值时，基于通过转向角传感器(12)检测的转向角的返回力的贡献充分大于基于通过横摆率传感器(14)检测的横摆率的返回力的贡献。

本发明的效果

根据本发明，通过控制电动机使得方向盘返回力根据源自转弯运动的横摆率产生，并且在转向角传感器出现故障的情况下，根据横摆率执行返回控制，特别是，通过增加方向盘的返回力执行返回控制，可以获得放大的返回力，使得即使在实际横摆率较小时，方向盘也可以没有任何困难地返回到中立位置。

根据权利要求3，在转向角传感器和横摆率传感器中的至少一个出现故障的情况下，减少返回控制中的阻尼增益。因此，用于提高转向感觉的阻尼控制可被减少，或者，换言之，作用在使方向盘到中立位置的返回运动上的阻尼可被减少，从而方向盘能够通过自动调准转矩返回到中立位置。

根据权利要求4，当横摆率低于规定值，例如车辆的速度较低并且低于规定值，并且方向盘在中立位置附近时，基于通过转向角传感器检测的转向角的返回力的贡献充分大于基于横摆率传感器检测的横摆率的返回力的贡献。因此，在诸如齿轮箱的转矩传递机构的摩擦力的影响明显的方向盘中立位置附近，尽管来自横摆率的贡献非常小，来自转向角的贡献也可以使方向盘返回到中立位置。

根据权利要求5，即使没有利用特殊的电子电路以根据转向传感器的检测信号直接确定故障的存在或不存在，也可以通过比较转向传感器的检测信号与横摆率传感器的检测信号执行故障的检测，并且这允许故障检测单元的电子电路被简化。

附图说明

图1是示出根据本发明的车辆动力转向设备的总体结构视图；和

图2是根据本发明的控制方块图。

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的实施例。图1是示出根据本发明的车辆动力转向设备的总体结构视图。图示的内容是本身已知的齿条齿轮传动机构，其包括转向轴2，转向轴具有同轴且一体连接到该转向轴的方向盘1；经由包含万向头的联结轴3连接到转向轴2的小齿轮4；构成为相对于车辆主体横向来回移动并与小齿轮4啮合的齿条8；以及一对横拉杆5，该一对横拉杆连接到相应的前部可转向车轮6的转向节臂7的齿条8的两端。电动机9同轴地包含在齿条8的中间部分中，用于产生减小需要的手动转向力的辅助转向转矩，该手动转向力要被施加到齿条齿轮传动机构。

动力转向设备包括：检测作用在小齿轮4上的转向转矩的转向转矩传感器11，检测在齿条齿轮组件处方向盘1的旋转角度(转向角)的转向角检测器12，检测车辆的横摆率的横摆率传感器13，输出与车辆的行驶速度相对应的速度信号的速度传感器14，和控制单元15，该控制单元用作用于根据传感器的检测值控制电动机9的输出的转向力控制单元。横摆率传感器13在直线行驶状态下产生零信号，并输出基于横摆运动的方向的加或减符号的检测值。

以下参照图2的控制方块图说明控制单元15的控制模式。控制单元15包括辅助转向转矩设定单元16，该辅助转向转矩设定单元接收通过转向角传感器12检测的转向角信号、通过转向转矩传感器11检测的转向转矩信号Ts和通过速度传感器14检测的速度信号Vs。

转向转矩信号Ts包括转向转矩的大小和转矩的方向的信息。转矩方向可以由加或减符号表示，其中加符号表示沿顺时针方向的转向转矩的方向，减符号表示沿逆时针方向的转向转矩的方向。

转向角信号θ经由检测转向角传感器12的故障的故障检测单元17发送到返回力设定单元19，同时横摆率信号γ经由检测横摆率传感器13的故障的故障检测单元18发送到返回力设定单元19。在故障检测单元17和18中，转向角θ和横摆率γ的检测信号分别被确定为故障与否。转向角传感器12的故障还可以根据转向角的信号θ和横摆率的信号γ确定。例如，通过准备映射图，该图使每个给定转向角θ与从给定转向角θ预期的横摆率γ的值范围相关，如果横摆率传感器的输出从横摆率γ的预期范围偏离，则检测到横摆率传感器的故障。

横摆率γ的信号还被发送到辅助转向转矩设定单元16。该辅助转向转矩设定单元16确定横摆率信号γ是否在规定值以下。在车辆的速度低于规定值(或如果车速被划分为低、中和高速时，在低速范围内)并且转向角θ低于规定值(在方向盘中立位置附近)时，横摆率信号γ可能低于规定值。

返回力设定单元19确定用于电动机9的控制操作的返回力控制值，以产生将方向盘1驱动到中立位置(θ＝0度)的返回力。如上所述，返回力设定单元19接收来自转向角传感器12和横摆率传感器13的检测信号γ和θ，并将基于检测信号减少和增加的返回力设定值发送到目标电流设定单元24。

此外，转向角信号θ和转向转矩信号Ts被发送到转向方向检测单元20，并且，转向方向检测单元20根据θ和Ts的信号确定转向方向是是从方向盘中立位置移开的方向或者返回到方向盘中立位置的方向，然后将其输出发送到辅助转向转矩单元16。

此外，电动机9设有用于检测电动机9的角速度的分解器21。角速度计算单元22根据分解器21的输出信号计算电动机角速度。然后，计算出的角速度经由阻尼补偿单元23发送到辅助转向转矩设定单元16。阻尼补偿单元在电动机的旋转驱动的过程中补偿电动机9的目标电流，以便达到需要的阻尼力。在普通转向的情况中，转向转矩的方向和电动机9的转动方向相同(普通转向)，相对于转向转矩的阻尼器衰减是减法修正。另一方面，当转向转矩的方向与电动机9的旋转方向相反(返回转向)，例如当方向盘1由于自动调准转矩被返回到中立位置时，相对于转向转矩的阻尼器衰减是加法修正。来自故障检测单元17和18的故障检测信号还被发送到阻尼补偿单元23。

辅助转向转矩设定单元16根据转向角传感器12和横摆率传感器13的检测输出信号计算普通转向中的辅助转向转矩值，并且在辅助转向转矩设定值被发送到目标电流设定单元24之前计算考虑通过阻尼器补偿单元23提供的补偿值的辅助转向转矩设定值。目标电流设定单元24通过驱动电路25将与计算的辅助转向转矩设定值对应的驱动电流值输出到电动机9，以驱动控制电动机9。

故障检测单元17和18分别确定转向角信号θ和横摆率信号γ中的异常情况的存在或不存在，同时返回力设定单元19检查是否存在来自故障检测单元17和18的故障检测信号。并且，返回力设定单元19接收来自转向转矩信号Ts、车速信号Vs、和分解器信号的信号。当来自故障检测单元17和18的信号没有指示任何异常时，返回力设定单元19根据转向角信号θ、横摆率信号γ、转向转矩信号Ts、车速信号Vs和分解器信号确定返回力。在自动调准转矩相对强的区域中，由于横摆率γ相对高，返回力由于高横摆率γ的贡献而被放大，并且方向盘1可相对较快地返回到中立位置。

在执行返回力控制操作时，如果故障仅出现在转向角传感器12中，返回力设定单元19将转向角信号θ设定为0度角，并且仅根据横摆率γ计算返回力。然而，当在该时间内计算正常转向转矩值时使用正常增益时，只获得相对小的返回力。因此，与转向角传感器12正常时的情况相比，通过提高增益(例如：30％)，基于横摆率信号γ的返回力控制可以以放大的方式执行。并且，当基于横摆率信号γ计算返回力时，用于计算的增益(放大因子)可以由固定值构成或可以通过使用与横摆率γ的相应值范围适当关联的放大因数映射图而改变。在任何情况下，放大的返回力的计算可以通过使用放大的放大因数进行。因此，当方向盘在中立位置附近并且实际横摆率较小时，可以获得相对大的返回力，并且可以实现良好的方向盘返回控制。当方向盘1返回到方向盘的中立位置时，阻尼补偿单元23的阻尼控制的增益(阻尼增益)可以被减小。与上述相同，当基于横摆率信号γ计算阻尼增益时，该计算可以使用固定增益或可变增益，该可变增益可以基于横摆率γ的值，同时横摆率增益可被增加。因此，在检测的横摆率信号γ相对较小的区域中的，诸如方向盘中立位置附近的横摆率传感器13的有效死区(dead zone)面积可被减小，从而即使转向角传感器12发生故障时，也能够允许有效地返回方向盘至中立位置的返回控制。

如果仅在横摆率传感器13中出现故障，在执行返回力控制操作中，返回力设定单元19将横摆率信号γ设定为0横摆率，并仅根据转向角θ计算返回力。在该时间的返回力控制操作的计算不考虑横摆率γ的贡献。然而，因为即使横摆率传感器在横摆率γ的影响明显的区域中发生故障时，自动调准转矩将在该区域中起作用，因此不会出现明显的麻烦。并且，由于检测了转向角θ，可以执行用于使方向盘1返回到方向盘的中立位置的返回力控制操作。同样，对于这种情况，当方向盘1返回到方向盘的中立位置时，可减小阻尼补偿单元23的阻尼控制的增益(阻尼增益)。同样，在该情况下，当基于转向角信号θ计算阻尼增益时，该计算可以使用固定增益或基于转向角θ的可变增益。在任何情况下，当计算阻尼增益时，可以增加用于返回力的增益。因此，横摆率γ的贡献被补充或补偿，使得即使横摆率传感器13出现故障时，也可以有效地实现在回复到中立位置时的返回控制。

在传感器12和13都发生故障的情况下，返回力设定单元19将信号θ和信号γ的值都设定为0。在该情况下，由于返回力设定单元19将不能执行返回力控制，方向盘1将仅通过自动调准转矩被返回至其中立位置，就像不包括动力转向设备的车辆一样。因此，反作用于返回力的摩擦力必须尽可能地小。为此，一旦阻尼补偿单元23接收到来自传感器12和13的故障出现信号的输入，阻尼补偿单元23产生控制操作以降低阻尼增益(例如，降低30％)。因此，自动调准转矩将摆脱阻尼作用，使方向盘1能够返回到其中立位置。由于当方向盘1处于普通转向时阻尼效果也可以起作用，所以当方向盘1处于普通转向时也可以减少阻尼增益，例如减少20％。

当上述传感器12和13中的一个出现故障时也可以应用阻尼增益的减小控制。在转向角传感器12出现故障的情况下，可以在方向盘1返回到中立位置时降低30％的阻尼增益，以代替用于返回力的横摆率γ的增益的增加。在横摆率传感器13出现故障的情况下，当方向盘1处于普通转向时阻尼增益可以增加20％，并且当方向盘返回到中立位置时阻尼增益可以减少30％。

另外，在转向角传感器12和横摆率传感器13都发生故障的情况下，如果传感器的输出值中的每一个从相对大的值突然减小到0，作用在方向盘上的力可能变得非常大甚至使得车辆驾驶者在握住方向盘时会遇到困难。因此，当传感器出现故障并且用于提高增益的控制操作开始时，代替增益被突然提高，增益可被逐渐提高。具体而言，诸如在传感器出现故障的情况下，当车辆在高速区域内行进时，由于增益的突然提高将影响车辆的性能，所以被执行以提高增益的控制操作在高速区域中应当以比车辆处于诸如车辆在静止状态下转向的低速区域时更低的速率完成。

并且，在横摆率信号γ低于规定值时，诸如当车辆以低速行驶并且转向角θ较小时，摩擦力的大小可能大于自动调准转矩。希望方向盘应当能够返回中立位置。如上所述，在该情况下，辅助转向转矩设定单元16可以确定是否横摆率γ的值较小使得自动调准转矩不足以使方向盘返回到中立位置，并且如果检测到该现象，由于转向角对返回力的贡献相对于由于横摆率对返回力的贡献被放大(例如，通过设定比：θ∶γ＝4∶1)。因此，控制操作将能够产生足以使方向盘返回的返回力，直到转向角的信号θ变成0度(方向盘中立位置)。

术语：

1方向盘

6可转向车轮

9电动机

12转向角传感器

13横摆率传感器

15控制单元(转向力控制单元)

17故障检测单元

18故障检测单元

23阻尼补偿单元(阻尼器补偿设定单元)

Claims (5)

1.一种电动转向设备，包括转向力控制单元，所述转向力控制单元在根据方向盘的操纵使可转向车轮转向时使电动机产生辅助转向转矩，所述电动转向设备包括：

转向角传感器和横摆率传感器，所述转向角传感器用于检测方向盘的转向角，所述横摆率传感器用于检测车辆的横摆率；

其中当方向盘朝向中立位置返回时，所述转向力控制单元根据检测的转向角和横摆率执行方向盘的返回控制，并且所述转向力控制单元包括用于检测转向角传感器的故障的故障检测单元；以及

与转向角传感器正常运行的情况相比，一旦检测到转向角传感器的故障，转向力控制单元根据通过横摆率传感器检测的横摆率以放大的方式执行返回控制。

2.根据权利要求1所述的电动转向设备，其中所述返回控制包括用以增加和减少方向盘的返回力的控制操作，并且与转向角传感器正常运行的情况相比，一旦检测到转向角传感器的故障时，转向力控制单元增加基于通过横摆率传感器检测的横摆率的返回力。

3.根据权利要求1所述的电动转向设备，进一步包括阻尼补偿设定单元，所述阻尼补偿设定单元将阻尼补偿施加到辅助转向转矩，

所述故障检测单元适于检测横摆率传感器的故障，并且所述转向力控制单元在检测到转向角传感器和横摆率传感器中的至少一个出现故障时减少通过阻尼补偿设定单元施加的阻尼补偿。

4.根据权利要求2所述的电动转向设备，其中当转向角传感器和横摆率传感器都正常，并且通过横摆率传感器检测的横摆率低于规定值时，基于通过转向角传感器检测的转向角的返回力的贡献充分大于基于通过横摆率传感器检测的横摆率的返回力的贡献。

5.根据权利要求1所述的电动转向设备，其中根据通过转向角传感器检测的转向角和通过横摆率传感器检测的横摆率检测转向角传感器的故障。

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