CN102452415A - 车辆转向控制设备 - Google Patents

Abstract

一种车辆转向控制设备(1)，具有转向方向控制装置(5)和反作用力施加装置(3)。转向方向控制装置(5)基于方向盘角度(θh)通过控制转向方向控制电机(55)来控制转向车轮(7)的转向角(θt)。反作用力施加单元(3)比转向方向控制装置(5)更靠近方向盘(8)设置，并具有差动减速单元(30)和反作用力施加电机(45)。差动减速单元(30)将输入轴(11)的旋转传递至输出轴(21)。反作用力施加电机(45)驱动差动减速单元(30)。方向盘(8)和转向车轮(7)通常机械地连接，因此不需要故障保护装置。

Description

车辆转向控制设备

技术领域

本发明涉及一种车辆转向控制设备，该转向控制设备控制车辆的转向车轮的转向角。

背景技术

用于车辆的传统的线控转向型转向系统在不利用施加到方向盘上的转矩的情况下电驱动转向车轮。根据JP 4248390、JP 2007-1564A和JP 2010-69895A，方向盘和转向车轮通常不机械地连接。

根据其中方向盘和转向车轮通常不机械地连接的转向系统(以下称为完全线控型转向系统)，需要独立于完全线控型系统设置故障保护装置，以用于系统中出现故障的情况。由于故障保护装置通常不操作，因此使得系统很复杂。

根据传统的电动转向装置(以下称为EPS装置)，方向盘和转向车轮机械地连接。在控制施加到传统EPS装置中的方向盘上的转向反作用力时，能够基于转向车轮的转动力控制反作用力。但是，施加到转向车轮上的转向力的方向与施加到方向盘上的反作用力的方向不一定一致。因此，不可能适当地控制反作用力。

发明内容

本发明的目的是提供一种车辆转向控制设备，该车辆转向控制设备能够以简单的构造适当地控制施加到转向构件上的转向反作用力。

根据本发明，车辆转向控制设备具有输入轴、输出轴、转向齿轮箱装置、操作量检测部件、转向方向控制装置和转向反作用力施加装置。输入轴联接到可由驾驶员操作的转向构件上。输出轴相对于输入轴可旋转地设置。转向齿轮箱装置将输出轴的旋转运动转换成线性运动，并改变转向车轮的转向角度。操作量检测部件检测输入轴的操作量，输入轴的操作量随着转向构件的转向操作而变化。转向方向控制装置包括第一电机，并配置成基于由操作量检测部件检测到的输入轴的操作量、通过驱动第一电机来控制转向车轮的转向角度。转向反作用力施加装置比转向方向控制装置更靠近转向构件设置，并包括差动减速单元和第二电机，差动减速单元联接输入轴和输出轴以将输入轴的旋转传递至输出轴。第二电机驱动差动减速单元。转向反作用力施加装置配置成通过第二电机的操作向转向构件施加转向反作用力。

附图说明

从参考附图作出的以下详细说明中将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优势。在附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的车辆转向控制系统的框图；

图2是根据本发明的第一实施例的转向控制系统的示意图；

图3是本发明的第一实施例中的转向控制模块的剖视图；

图4是沿图3中的线IV-IV截取的剖视图；

图5是示出本发明的第一实施例中的转向角度控制过程的流程图；

图6是示出本发明的第一实施例中的转向角度目标值计算过程的流程图；

图7是示出本发明的第一实施例中的转向角度反馈控制计算过程的流程图；

图8是示出本发明的第一实施例中的PWM指令值计算过程的流程图；

图9是以映射图形式示出本发明的第一实施例中的车速与增速比之间的关系的图；

图10是示出本发明的第一实施例中的反作用力施加控制过程的流程图；

图11是示出本发明的第一实施例中的反作用力目标值计算过程的流程图；

图12是示出本发明的第一实施例中的反作用力反馈控制计算过程的流程图；

图13是示出本发明的第一实施例中的PWM指令值计算过程的流程图；

图14是以映射图形式示出本发明的第一实施例中的方向盘角度与负载反作用力目标值之间的关系的图；

图15是以映射图形式示出本发明的第一实施例中的方向盘角速度与摩擦反作用力目标值之间的关系的图；

图16是示出本发明的第二实施例中的反作用力施加控制过程的流程图；

图17是示出本发明的第二实施例中的反作用力反馈控制计算过程的流程图；以及

图18是根据本发明的另一个实施例的转向控制系统的示意性视图。

具体实施方式

下面将参考各个实施例对根据本发明的车辆转向控制设备进行说明。在以下实施例中，为了简洁，相同或相似的部件用相同的参考数字表示。

(第一实施例)

图1至15中示出根据本发明的第一实施例的车辆转向控制设备1。转向控制设备1由柱身2、转向反作用力施加装置3、转向方向控制装置5、转向齿轮箱装置6、左右转向车轮(左右轮胎车轮)7、作为转向构件的方向盘8、控制器ECU70等形成。

反作用力施加装置3包括差动减速单元30、作为第二电机的反作用力施加电机45等。方向控制装置5包括齿轮单元50、作为第一电机的方向控制电机55等。反作用力施加电机45和转向方向控制电机55均由控制器ECU70控制并驱动。如图2等所示，反作用力施加装置3和方向控制装置5均围绕柱身2安装，反作用力施加装置3比方向控制装置5更靠近方向盘8侧安装。即，反作用力施加装置3位于方向控制装置5与方向盘8之间。

如图2所示，反作用力施加装置3和方向控制装置5容纳在壳体12内。反作用力施加装置3和方向控制装置5集成为作为转向控制模块10的单体，因此该设备的大小紧凑。随后将参考图3等说明转向控制模块10。

柱身2由输入轴11和输出轴21形成。输出轴21通过万向接头23连接到中间轴24上。输入轴11连接到由驾驶员操作的方向盘8上。输入轴11设置有方向盘角度传感器81和转矩传感器82。方向盘角度传感器81检测方向盘角度θh，方向盘角度θh是输入轴11的旋转角度。转矩传感器82检测由输入轴11产生的输入轴转矩Tsn。方向盘8和输入轴11联接。方向盘角度传感器81对应于操作量检测部件，方向盘角度θh对应于输入轴11的操作量，输入轴11的操作量随着方向盘8的操作量而变化。当方向盘8沿顺时针方向和沿逆时针方向操作时，方向盘角度θh分别为正值和负值。

输出轴21在柱身2上与输入轴11同轴地设置并能够相对于输入轴11旋转。通过差动减速单元30的操作，输出轴21的旋转方向相对于输入轴11的旋转方向相反。

转向齿轮箱装置6包括转向小齿轮61、转向齿条63等，并从连接左侧和右侧转向车轮7的旋转中心的线(在图2中由L指示)更向后地设置在车辆中。转向小齿轮61和转向齿条63容置在转向齿轮箱64中。转向小齿轮61——其为盘形齿轮——设置在柱身2的与方向盘8相反的端部处。转向小齿轮61与输出轴21和小齿轮轴62沿正向和反向旋转。小齿轮角度传感器83设置在小齿轮轴62上，以检测小齿轮角度θp，小齿轮角度θp是小齿轮轴62的旋转角度。

形成在转向齿条63上的齿条齿啮合转向小齿轮61，并将转向小齿轮61的旋转运动转换成转向齿条63的沿车辆的左右方向的线性运动。因此，转向齿轮箱装置6将输出轴21的旋转运动转换成线性运动。

转向小齿轮61与连接左侧和右侧转向车轮7的旋转中心的线L之间的距离A设定为比转向齿条63与线L之间的距离B长。由于设置在输入轴11与输出轴21之间的差动减速单元30的操作，输出轴21沿与输入轴11的旋转方向相反的方向旋转。当从小齿轮轴62侧看时，如果方向盘8沿向左方向旋转，则转向小齿轮61沿顺时针方向旋转。转向齿条63沿向右方向运动，转向车轮7的转向角度变化由此沿向左方向引导车辆。当从小齿轮轴62侧看时，如果方向盘8沿向右方向旋转，则转向小齿轮61沿逆时针方向旋转。转向齿条63沿向左方向运动，转向车轮7的转向角度变化由此沿向右方向引导车辆。

如上所述，转向小齿轮61与线L之间的距离A设定为比转向齿条63与线L之间的距离B长。即，距离A和B设定为满足A＞B。因此，转向车轮7沿与输出轴21和转向小齿轮61的旋转方向相反的方向转向。因此，方向盘8的旋转方向与转向车轮7的转向角度的方向匹配。因此，不需要齿轮装置等以再次使输出轴21的旋转方向反向。

如图1所示，拉杆66和转向节臂(未示出)设置在转向齿条63的两端上。转向齿条63通过拉杆66和转向节臂与左侧和右侧转向车轮7连接。因此，左侧和右侧转向车轮7根据转向齿条63的运力矩转向。拉杆轴向力传感器85分别设置在拉杆66处以检测在转向车轮7与路面之间产生的旋转力。为转向车轮7分别设置车速传感器86，以检测转向车轮7的旋转速度。

控制器ECU70包括反作用力施加电机控制回路71、反作用力施加变换器72、转向方向控制电机控制回路75和转向方向控制变换器76。反作用力控制回路71由计算机形成，计算机包括CPU、ROM、RAM、I/O、总线等。反作用力控制回路71，具体是其CPU，配置成被编程为控制反作用力控制变换器72，使得反作用力施加电机45的电力供应状态切换为反作用力施加电机45的控制驱动状态。在反作用力控制变换器72中，多个开关元件以电桥形式连接。通过切换开关元件的通断，切换反作用力施加电机45的电力供应状态。

方向控制回路75以与反作用力控制回路71相同的方式也由计算机形成，计算机包括CPU、ROM、RAM、I/O、总线等。方向控制回路75，具体是其CPU，配置成被编程为控制变换器76，使得转向方向控制电机55的电力供应状态切换为转向方向控制电机55的控制驱动状态。

控制器ECU70与方向盘角度传感器81、转矩传感器82、小齿轮角度传感器83、拉杆轴向力传感器85和车速传感器86连接，以获取方向盘角度θh、输入轴转矩Tsn、小齿轮角度θp、转向车轮7与路面之间产生的旋转力以及车速。控制器ECU70还与旋转角度传感器46和旋转角度传感器56连接。旋转角度传感器46检测反作用力施加电机45的旋转角度。旋转角度传感器56检测转向方向控制电机55的旋转角度。控制器ECU70由此获取反作用力施加电机45和转向方向控制电机55的旋转角度。控制器ECU70还与横摆率传感器88、车辆纵向加速度传感器89等连接。横摆率传感器88检测车辆的横摆率。控制器ECU70由此获取横摆率和沿车辆的纵向方向的加速度。控制器ECU70与车辆CAN(控制器局域网)79连接并配置成获取比如车辆的行驶速度之类的各种信息。

由拉杆轴向力传感器85获取的信息对应于与转向车轮和路面之间产生的旋转力相关的转向车轮旋转力信息。由横摆率传感器88或车辆纵向加速度传感器89获取的信息对应于与车辆力矩相关的车辆力矩信息。转向车轮旋转力信息、车辆力矩信息、从车辆CAN79获取并与车辆的行驶速度相关的行驶速度信息以及从车轮速度感传器86获取的与车轮速度相关的信息形成车辆的状态信息。

以下将参考图3和4说明转向控制模块10。图3示出沿图4中的线III-III截取的剖面，图4示出沿图3中的线IV-IV截取的剖面。

转向控制模块10包括输入轴11、壳体12、输出轴21、反作用力施加装置3、方向控制装置5等。壳体12由壳体本体121和端架122形成。壳体本体121和端架122由螺丝123固定。反作用力施加单元30等容纳在壳体12内，输入轴11和输出轴21插入壳体12内。可旋转地支承输入齿轮33的第一轴承13在壳体本体121内设置在与端架122相反的一侧。第二轴承14在端架122中设置为可旋转地支承输出轴21。

反作用力施加装置3具有差动减速单元30和作为第二电机的反作用力施加电机45，反作用力施加电机45驱动反作用力施加单元30。反作用力施加单元30由差动齿轮31和蜗轮41形成。差动齿轮31具有输入齿轮33、输出齿轮34和小齿轮36。蜗轮41具有作为第二齿轮的差动减速蜗轮43和作为第一齿轮的差动减速蜗杆44。

输入齿轮33在输入轴11上设置在与方向盘8相反的一侧。输入齿轮33是与小齿轮36啮合的伞齿轮。输入齿轮33具有柱形部分331和径向地设置在柱形部分331的外部的伞形齿轮部分332。输入轴11压配合在柱形部分331内。柱形部分331由设置在壳体本体121中的第一轴承13可旋转地支承在壳体本体121内。输入轴11和输入齿轮33由此可旋转地支承在壳体12中。输出轴21在与输入轴11相反的一侧插入输入齿轮33内。滚针轴承333设置在输入齿轮33与输出轴21之间。输出轴21由输入轴11可旋转地支承。即，输入轴11和输出轴21可相对旋转。

输出齿轮34设置为面向输入齿轮33的齿轮部分332，小齿轮36位于输出齿轮34与齿轮部分332之间。输出齿轮34是与小齿轮啮合的伞齿轮，输出齿轮34由金属或树脂制成。输出轴21压插入到输出齿轮34内。输出齿轮34定位在沿轴线方向比滚针轴承333更远离输入轴11的一侧。

多个小齿轮36设置在输入齿轮33与输出齿轮34之间。小齿轮36是啮合输入齿轮33和输出齿轮34的伞齿轮。输入齿轮33、输出齿轮34和多个小齿轮36如下设置。小齿轮36的齿数是偶数。输入齿轮33和输出齿轮34的齿数相同并为奇数。因此，输入齿轮33与小齿轮36之间的齿接触点随着旋转而变化。类似地，输出齿轮34与小齿轮36之间的齿接触点随着旋转而变化。因此，很少有特定齿的磨损加剧和局部磨损缩短寿命的情况。能够将小齿轮36的齿数改变为奇数，并将输入齿轮33和输出齿轮34的齿数设定为相同的偶数。

输入齿轮33、输出齿轮34和小齿轮36具有螺旋齿，使得输入齿轮33与小齿轮36之间的啮合率以及输出齿轮34与小齿轮36之间的啮合率增加。因此，能够减小由齿的接触产生的操作声音，并能够减小从方向盘8传递至驾驶员的脉动振动。在输入齿轮33和输出齿轮34由金属制成的情况下，小齿轮36由树脂制成。在输入齿轮33和输出齿轮34由树脂制成的情况下，小齿轮36由金属制成。因此，能够减小当齿轮啮合时产生的撞击声音。

小齿轮36在输出轴21的径向外部定位成使得小齿轮36的旋转轴线与输入轴11和输出轴21的旋转轴线垂直地交叉。小齿轮36形成有轴向孔，小齿轮轴构件37穿过该轴向孔。形成在小齿轮36中的轴向孔形成为具有比小齿轮轴构件37的外径略微大的直径。

第三轴承15和内环构件38设置在小齿轮36与输出轴21之间。第三轴承15沿轴线方向定位在滚针轴承333与输出齿轮34之间，并沿径向方向定位在输出轴21与内环构件38之间。因此第三轴承15在输出轴21径向外部的位置处可旋转地支承内环构件38。

内环构件38形成有第一孔381，第一孔381沿垂直于输出轴21的旋转轴线的方向穿过。第一孔381沿内环构件38的周向方向等角度地形成。小齿轮轴构件37的穿过小齿轮36一个轴向端部压配合在第一孔381内。

外环构件39设置在内环构件38的径向外部以夹持小齿轮36。外环构件39形成有第二孔391，第二孔391沿垂直于输出轴21的旋转轴线的方向穿过。第二孔391沿外环构件39的周向方向等角度地形成。第二孔421形成在对应于内环构件38的第一孔381的位置处。小齿轮轴构件37的穿过小齿轮36另一个轴向端部压配合在第二孔391内。因此，小齿轮轴构件37由内环构件38和外环构件39保持。此外，小齿轮36在内环构件38与外环构件39之间定位成能够围绕由内环构件38和外环构件39支承的小齿轮轴构件37的轴线旋转。根据该构造，小齿轮轴构件37可容易地形成并组装。

差动减速蜗轮43由树脂或金属制成，并压配合在外环构件39的径向外部部分上。即，输出轴21、第三轴承15、内环构件38、小齿轮36、外环构件39和差动减速蜗轮43从径向内部部分以所述顺序布置。外环构件39、小齿轮轴构件37和差动减速蜗轮43与由第三轴承15可旋转地支承的内环构件38一起旋转。

如图4所示，差动减速蜗杆44啮合差动减速蜗轮43的径向外部部分。差动减速蜗杆44由设置在壳体12内的第四轴承16和第五轴承17可旋转地支承。差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44的导程角设定为小于摩擦角。因此，差动减速蜗轮43通过差动减速蜗杆44旋转而旋转。但是，差动减速蜗杆44不由差动减速蜗轮43的旋转而旋转。因此，差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44能够自锁。当差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44自锁时，输入轴11和输出轴21的旋转比固定。由差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44提供的自锁机构相对于固定部件。当差动减速蜗轮50和差动减速蜗杆44自锁时，增速比Z是1。差动减速蜗轮43形成为使其齿根远离旋转轴线恒定距离。因此，即使差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44的位置由于制造公差而沿旋转轴线的方向偏离，也可保持沿正向和沿反向的两种旋转中的齿接触关系。

反作用力施加电机45设置在可旋转地支承差动减速蜗杆44的第五轴承17的一侧。反作用力施加电机45是电刷型电机，但可以是比如无电刷电机之类的任意其它电机。当被供应电动力时，反作用力施加电机45沿正向旋转方向和反向旋转方向驱动差动减速蜗杆44。当差动减速蜗杆44被驱动旋转时，差动蜗轮43、外环构件39、内环构件38和小齿轮轴构件37被驱动旋转。通过由反作用力施加电机45控制差动减速蜗杆44来控制施加到方向盘8上的反作用力。

方向控制装置5设置在与反作用力施加装置3相对的一侧，同时夹持输入轴11和输出轴21。方向控制装置5包括齿轮单元50和转向方向控制电机55。齿轮单元50包括转向方向控制蜗轮53和转向方向控制蜗杆54。蜗轮和转向方向控制蜗杆54容纳在壳体12中。转向方向控制蜗轮53由树脂或金属形成。转向方向控制蜗轮53与输出轴21压配合并与输出轴21一起旋转。

转向方向控制蜗杆54啮合转向方向控制蜗轮53的径向外部。转向方向控制蜗杆54由形成在壳体12中的第六轴承18和第七轴承19可旋转地支承。转向方向控制蜗轮53的齿线形成为平行于转向方向控制蜗轮53的旋转轴线。蜗轮的齿根不呈弧形表面，而呈平面表面。因此，即使安装转向方向控制蜗轮53的位置沿输出轴21的轴线方向偏离，也能够在正向旋转时和反向旋转时之间将转向方向控制蜗轮53与转向方向控制蜗杆54之间的齿接触状态保持在相似状态。

转向方向控制电机55设置在可旋转地支承转向方向控制蜗杆54的第七轴承19的一侧。反作用力施加电机45是无刷三相电机，但可以是比如电刷型电机之类的任意其它电机。当被供应电动力时，转向方向控制电机55沿正向旋转方向和反向旋转方向驱动转向方向控制蜗杆54。因此，与转向方向控制蜗杆54啮合的转向方向控制蜗轮53被驱动沿正向和反向旋转。通过驱动装配有输出轴21的转向方向控制蜗轮53以沿正向和反向旋转，控制输出轴21的旋转角度，并因此控制转向车轮7的转向角度θt。

反作用力施加装置3和方向控制装置5以其二者之间夹持输出轴21的方式定位在相对的位置上。因此，当反作用力施加电机45和转向方向控制电机55被驱动时沿径向方向产生的负载被消除，使得输出轴21的倾向被抑制。由于输出轴21的倾斜被抑制，因此可靠地保持蜗轮43与差动减速蜗杆44的啮合位置以及转向方向控制蜗轮53与转向方向控制蜗杆54的啮合位置。

下面将参考图5至9说明用于转向方向控制电机55的控制过程，该控制过程被编程以通过控制器ECU70的方向控制回路75执行。图5中示出与通过控制回路75进行的用于转向方向控制电机55的驱动控制相关的控制计算过程。在以下说明中，步骤简写为“S”。

在步骤S100，从车辆CAN79获取车速Vspd，车速Vspd是车辆的行驶速度。此外，从旋转角度传感器56获取转向方向控制电机55的旋转角度θm。另外，从方向盘角度传感器81获取方向盘角度θh。在S110处执行转向角度目标值计算过程。在S120处执行转向角度反馈控制计算过程。在S130处执行PWM指令值计算过程。在S140处基于在S130计算出的PWM指令值通过切换形成变换器76的开关元件的通断来控制转向方向控制电机55的驱动。

在S110处的转向角度目标值计算过程示出为图6中的流程图。

在S111处读取在S100处获取的车速Vspd和方向盘角度θh。在S112处基于车速Vspd获取增速比Z。车速Vspd与增速比Z之间的关系以图9所示的数据映射图形式存储。增速比Z是方向盘角度θh与小齿轮角度θp之间的比值。通过方向盘角度θh乘以增速比Z计算小齿轮角度θp。如果增速比Z为1，则方向盘角度θh与小齿轮角度θp一致。如上所述，输入轴11的旋转方向与输出轴21的旋转方向相反。由于该原因，如果增速比Z为1，当从方向盘8侧看时，在输入轴11沿向右方向旋转角度θx时，输出轴21沿向左方向旋转相同的角度θx。

在S113处基于增速比Z和方向盘角度θh计算转向角度目标值θt^＊。转向角度目标值θt^＊通过以下等式(1)计算。

θt^＊＝Z×n1×θh  ...(1)

在此，n1是转向车轮7的转向角度θt相对于方向盘角度θh的变化量。

接着，图7中示出在S120处进行的转向角度反馈控制计算过程。

在S121处读取在S100处获取的旋转角度θm和在S113处计算出的转向角度目标值θt^＊。在S122处计算转向车轮7的转向角度θt。通过以下等式(2)计算转向角度θt而作为实际转向角度。

θt＝θm×n2  ...(2)

在此，n2是转向车轮7的转向角度θt相对于转向方向控制电机55的旋转角度θm的变化量。在S123处计算要提供给转向方向控制电机55的电压指令值Vm2。基于在S122处计算出的转向车轮7的转向角度θt和在S113处计算出的转向角度目标值θt^＊，通过P-I控制反馈控制电压指令值Vm2。在转向方向控制电机55中，假定比例增益是KP2，积分增益是KI2，则通过以下等式(3)计算电压指令值Vm2。

Vm2＝KP2×(θt^＊-θt)+KI2×∫(θt^＊-θt)dt  ...(3)

图8中示出在S130处进行的PWM指令值计算过程。

在S131处读取在S123处计算出的电压指令值Vm2。在S132处计算用于转向方向控制电机55的PWM指令值P2。假定电池电压是Vb，通过以下等式(4)计算PWM指令值P2。

P2＝Vm2/Vb×100  ...(4)

在方向控制回路75中，基于在S132处计算出的PWM指令值P2，通过控制形成变换器76的开关元件的通/断正时来控制电机55的驱动(图5中的S140)。

接下来将参考图10至15说明用于反作用力施加电机45的控制过程，该控制过程被编程为通过控制器ECU70的反作用力控制回路71执行。图10示出与通过反作用力控制回路71进行的用于反作用力施加电机45的驱动控制相关的控制计算过程。

在S200处从车辆CAN79获取车速Vspd。另外，从转矩传感器82获取输入轴11的输入轴转矩Tsn。此外，从方向盘角度传感器81获取方向盘角度θh。在S210处执行转向角度目标值计算过程。在S220处执行反作用力反馈控制计算过程。在S230处执行PWM指令值计算过程。在S240处基于在S230处计算出的PWM指令值，通过切换形成变换器75的开关元件的通断来控制反作用力施加电机45的驱动。

图11中示出在S210处进行的反作用力目标值计算过程。

在S211处读取在S200处获取的车速Vspd和方向盘角度θh。在S212处基于在S211处读取的方向盘角度θh来计算方向盘角速度dθh。在S213处计算负载反作用力目标值Th1。负载反作用力目标值Th1是与转向车轮7的驱动负载相关的值。方向盘角度θh与负载反作用力目标值Th1之间的关系以图14所示的数据映射图形式存储。映射图形式中的方向盘角度θh与负载反作用力目标值Th1之间的关系存储为用于车速Vspd中的每一个。基于对应于车速Vspd的映射数据计算负载反作用力目标值Th1。在S214处计算摩擦反作用力目标值Th2。摩擦反作用力目标值Th2是与比如为差动减速单元30之类的机械机构的静摩擦力相关的值。方向盘角速度dθh和摩擦反作用力目标值Th2以图15所示的数据映射图形式存储。映射图形式中的方向盘角度θh与摩擦反作用力目标值Th2之间的关系存储为用于每个车速Vspd。基于对应于车速Vspd的映射数据计算摩擦反作用力目标值Th2。在S215处基于在S213处计算出的负载反作用力目标值Th1和在S214处计算出的摩擦力目标值Th2来计算反作用力目标值Th^＊。反作用力目标值Th^＊通过以下等式(5)计算。

Th^＊＝Th1+Th2  ...(5)

基于转向车轮的驱动负载和机械装置的静摩擦力确定反作用力目标值。但是，可通过进一步增加机械装置的动摩擦力(与方向盘角速度dθh成正比的力)和/或惯性矩力(与方向盘角速度dθh的微分值成正比的力)确定反作用力目标值。

图12中示出在S220处进行的反作用力反馈控制计算过程。

在S221处读取在S200处获取的输入轴转矩Tsn和在S215处计算出的反作用力目标值Th^＊。在S222处计算要提供给反作用力施加电机45的电压指令值Vm1。基于通过转矩传感器82获取和在S221处读取的输入轴转矩Tsn以及在S215处计算出的反作用力目标值Th^＊，通过P-I控制反馈控制指令值Vm1。在反作用力施加电机45中，假定比例增益是KP1，积分增益是KI1，则通过以下等式(6)计算电压指令值Vm1。

Vm1＝KP1×(Th^＊-Tsn)+KI1×∫(Th^＊-Tsn)dt  ...(6)

图13中示出在S230处进行的PWM指令值计算过程。

在S231处读取在S222处计算出的电压指令值Vm1。在S232处计算用于反作用力施加电机45的PWM指令值P1。假定电池电压是Vb，通过以下等式(7)计算PWM指令值P1。

P1＝Vm1/Vb×100  ...(7)

在反作用力控制回路71中，基于在S232处计算出的PWM指令值P1，通过控制形成转向方向控制变换器76的开关元件的通/断正时来控制反作用力施加电机45的驱动(图10中的S240)。

根据如上所述的第一实施例，转向控制设备1由输入轴11、输出轴21、转向齿轮箱装置6、方向盘角度传感器81、转向方向控制装置5和反作用力施加装置3形成。输入轴11联接到由驾驶员操作的方向盘8上。输出轴21相对于输入轴11可旋转地设置。转向齿轮箱装置6将输出轴21的旋转运动转换成线性运动并通过摆动转向车轮7改变转向角度θt。方向盘角度传感器81检测方向盘角度θh作为输入轴的操作量，方向盘角度θh随着方向盘8的转向操作而变化。方向控制装置5包括转向方向控制电机55，并基于方向盘角度θh而通过驱动转向方向控制电机55来控制转向车轮7的转向角度θt。反作用力施加装置3比方向控制装置5更靠近方向盘8设置。反作用力施加装置3包括差动减速单元30和反作用力施加电机45。差动减速单元30将输入轴11的旋转传递至输出轴21。反作用力施加电机45驱动形成差动减速单元30的差动减速蜗杆44。反作用力施加装置3通过驱动反作用力施加电机45向方向盘8施加转向反作用力。

方向盘8和转向车轮7通常通过差动减速单元30、输出轴21、转向齿轮箱装置6等机械地联接。通过控制方向控制装置5的转向方向控制电机55的驱动电气地控制转向车轮7的转向角θt。因此，提供线控转向功能。即，转向控制设备1半线控型转向系统，其具有线控转向功能并机械地连接方向盘8和转向车轮7。

由于方向盘8与转向车轮7机械地连接，因此不需要独立地设置故障保护装置。该系统比完全的线控系统更简单化。由于具有差动减速单元30的反作用力施加装置3设置为比方向控制装置5更靠近方向盘8侧，并且施加到方向盘8侧上的反作用力通过反作用力施加电机45控制，因此，施加到方向盘8上的反作用力能够比传统EPS装置更加适当地得到控制。如果假定车辆为自动行驶，例如，在传统EPS装置中由于方向盘8与转向车轮7之间的机械连接将存在驾驶员的干预。但是，由于转向控制设备1在输入轴11与输出轴21之间具有由反作用力施加电机45驱动的差动减速单元30，因此消除了输入轴11与输出轴21之间的关联操作并能够减少驾驶员的干预。

差动减速单元30包括由反作用力施加电机45驱动旋转的差动减速蜗杆44和与差动减速蜗杆44啮合的差动减速蜗轮43。导程角设定为提供自锁功能，由此差动减速蜗轮43通过差动减速蜗杆44的旋转而旋转，而差动减速蜗杆44不通过差动蜗轮43的旋转而旋转。因此，差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44形成自锁机构。当差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44自锁时，输入轴11和输出轴21的旋转速度之间的比值固定。方向盘8和转向车轮7在正常时间机械地联接。因此，通过固定输入轴11与输出轴21之间的旋转比，能够在不独立地增加机械连接装置的情况下容易地实现故障保护操作。通过适当地设定差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44中的导程角来设置自锁机构。因此，不需要独立地设置用于固定输入轴11与输出轴21的旋转速度的比值的构件，并由此减少部件的数量。

基于输入轴11中产生的输入轴转矩Tsn控制反作用力施加电机45。因此，可基于输入轴转矩Tsn适当地控制反作用力。转矩传感器82设置为用于检测输入轴转矩Tsn。由于输入轴转矩Tsn被直接检测，因此能够高精度地控制反作用力。

此外，基于由方向盘角度传感器81获取的方向盘角度θh控制反作用力施加电机45。由于方向盘角度θh与转向车轮7的转动力相关，所以能够通过基于方向盘角度θh而由反作用力施加电机45控制反作用力来提高车辆的可控性。

控制器ECU70获取与车辆状态相关的车辆状态信息。上述信息包括与车辆行驶速度相关的车速信息、与转向车轮7和路面之间产生的旋转力相关的转向车轮旋转力信息、以及与车辆的力矩相关的车辆力矩信息。基于车速Vspd控制反作用力施加电机45。因此，可基于车辆状态适当地控制施加到方向盘8侧上的反作用力。基于车速Vspd控制转向方向控制电机55。因此，能够基于车辆状态适当地控制转向车轮7的转向角θt。在控制转向方向控制电机55的过程中，当车速Vspd低时，增速比Z设定为较大，当车速Vspd高时，增速比Z设定为较小。因此，能够提高低速行驶时的方向盘8的可操作性以及高速行驶时的车辆的行驶稳定性。控制器ECU70对应于状态信息获取装置。

(第二实施例)

根据本发明的第二实施例的车辆控制设备的不同之处在于用于反作用力施加电机45的控制过程，因此以下将仅说明该控制过程而省略其它说明。下面将参考图16、17等说明用于通过反作用力控制回路71进行的用于反作用力施加电机45的控制过程。

在S300处从车辆CAN79获取车速Vspd。另外，获取提供给反作用力施加电机45的电机电流Im。该电机电流Im对应于提供给反作用力施加电机45的电流值。此外，从方向盘角度传感器81获取方向盘角度θh。在S310处执行转向角度目标值计算过程。该转向角度目标值计算过程与第一实施例的转向角度目标值计算过程相同，并执行与图11所示相同的步骤。在S320处执行反作用力反馈控制计算过程。在S330处执行PWM指令值计算过程。该PWM指令值计算过程与第一实施例的PWM指令值计算过程相同，并执行与图13所示相同的步骤。在S340处基于在S330处计算出的PWM指令值，通过切换形成反作用力施加变换器72的开关元件的通断来控制反作用力施加电机45的驱动。

在此，图17中示出在S320处进行的反作用力反馈控制过程。

在S321处读取在S215处计算出的反作用力目标值Th^＊和在S300处获取的电机电流Im。在S322处计算输入轴11的输入轴转矩的转矩估算值Thc。通过以下等式(8)计算输入轴转矩估算值Thc。

Thc＝Im×Km×n3  ...(8)

在此，Km是电机转矩常数，n3是对应于输入轴11的旋转速度的反作用力施加电机45的旋转速度。Km和n3均为预定常数。在S323处计算施加到反作用力施加电机45上的电压指令值Vm1。基于在S322处计算出的输入轴转矩估算值Thc和在S215处计算出的反作用力目标值Th^＊，通过P-I控制来反馈控制电压指令值Vm1。在反作用力施加电机45中，假定比例增益是KP1，积分增益是KI1，则通过以下等式(9)计算电压指令值Vm1。

Vm1＝KP1×(Th^＊-Thc)+KI1×∫(Th^＊-Thc)dt  ...(9)

第二实施例提供与第一实施例相同的优点。另外，基于提供给反作用力施加电机45的电机电流Im估算输入轴转矩，计算输入轴转矩估算值Thc并基于输入轴转矩估算值Thc控制反作用力。因此，不需要设置在第一实施例中设置的转矩传感器82，能够减少部件的数量。

(其它实施例)

第一和第二实施例可如下修改而作为其它实施例。

可基于转向车轮旋转力信息控制反作用力施加电机45，例如，基于以限定转向车轮旋转力信息与用于方向盘8的反作用力之间的关系的数据映射图形式存储的数据控制反作用力施加电机45。可基于车辆力矩信息控制反作用力施加电机45，例如基于以限定车辆力矩信息与用于方向盘8的反作用力之间的关系的数据映射图形式存储的数据控制反作用力施加电机45。因此，通过控制反作用力施加电机45来控制反作用力，能够向驾驶员反馈比如车辙、侧风等负载信息。

可基于转向车轮旋转力信息控制转向方向控制电机55。可基于车辆力矩信息控制转向方向控制电机55。

可由通过轮速传感器检测到的轮速计算从车辆CAN79获取的车速Vspd。

根据第一和第二实施例，导程角设定为提供自锁功能，由此差动减速蜗轮43通过差动减速蜗杆44的旋转而旋转，而差动减速蜗杆44不通过差动蜗轮43的旋转而旋转。因此，差动减速蜗轮43和差动减速蜗杆44形成自锁机构。但是，仅需要差动减速单元30是差动单元，该差动单元能够通过驱动蜗轮并自锁蜗轮改变输入轴11与输出轴21之间的旋转比。例如，可使用比如为行星齿轮型单元之类的任意其它单元。

用于固定输入轴11与输出轴21之间的旋转比的固定部件不局限于自锁机构。能够采用固定输入轴与输出轴21之间的旋转比的比如为锁销之类的单独的构件。

根据第一和第二实施例，反作用力施加装置3和转向方向控制装置5集成在单个模块单元中。但是，反作用力施加装置3和转向方向控制装置5不需要集成到模块中，只要反作用力施加装置3比转向方向控制装置5更靠近方向盘8侧就可独立地设置反作用力施加装置3和转向方向控制装置5。例如，转向方向控制装置5可设置在转向齿条63上。

在第一和第二实施例中，转向齿轮箱装置6比如图2所示连接转向车轮7的旋转中心的线L更靠车辆的后侧地设置。转向控制设备1可如图18所示地配置。与第一和第二实施例相同或相似的部件由相同的参考数字标出。如图18所示，在转向控制设备1中，转向齿轮箱装置6可比连接转向车轮7的旋转中心的线L更靠车辆前侧地设置。即，转向小齿轮61与线L之间的距离A设定为比转向齿条63与线L之间的距离B长。

在图18所示的构造中，由于设置在输入轴11与输出轴21之间的差动齿轮31的操作，输出轴21和输入轴11沿相反的方向旋转。当从小齿轮轴62侧看时，在方向盘8沿向左方向转向时，转向小齿轮61沿顺时针方向旋转。转向齿条63沿向左方向运动并且转向车轮7的转向角度变化，使得车辆沿向左方向行驶。当从小齿轮轴62侧看时，在方向盘8沿向右方向转向时，转向小齿轮61沿逆时针方向旋转。转向齿条63沿向右方向运动并且转向车轮7的转向角度变化，使得车辆沿向右方向行驶。

由于线L与转向小齿轮61之间的距离A设定为比线L与转向齿条63之间的距离B长，即A＞B，因此沿与输出轴21、轴24和转向小齿轮61的旋转方向相反的方向转动转向车轮7。因此，方向盘8的旋转方向与转向车轮7的转向角度的方向匹配。

如上所述的本发明不局限于公开的实施例，而可实施为其它不同的实施例。

Claims (13)

1.一种车辆转向控制设备，包括：

输入轴(11)，所述输入轴(11)联接至能够由驾驶员操作的转向构件(8)；

输出轴(21)，所述输出轴(21)相对于所述输入轴可旋转地设置；

转向齿轮箱装置(6)，所述转向齿轮箱装置(6)用于将所述输出轴的旋转运动转换成线性运动并改变转向车轮(7)的转向角度；

操作量检测部件(81)，所述操作量检测部件(81)用于检测所述输入轴的操作量，所述操作量随着所述转向构件的转向操作而变化；

转向方向控制装置(5)，所述转向方向控制装置(5)包括第一电机(55)，并配置成基于由所述操作量检测部件检测到的所述输入轴的所述操作量、通过驱动所述第一电机来控制所述转向车轮的所述转向角度；以及

转向反作用力施加装置(3)，所述转向反作用力施加装置(3)比所述转向方向控制装置更靠近所述转向构件设置，并包括差动减速单元(30)和第二电机(45)，所述差动减速单元(30)联接所述输入轴和所述输出轴以将所述输入轴的旋转传递到所述输出轴，所述第二电机(45)驱动所述差动减速单元，

其中，所述反作用力施加装置(3)配置成通过所述第二电机的操作向所述转向构件施加转向反作用力。

2.根据权利要求1所述的车辆转向控制设备，其中：

所述反作用力施加装置(3)包括固定部件，所述固定部件固定所述输入轴与所述输出轴之间的旋转比。

3.根据权利要求2所述的车辆转向控制设备，其中：

所述差动减速单元(30)包括由所述第二电机驱动旋转的第一齿轮(44)和啮合所述第一齿轮的第二齿轮(43)；并且

所述固定部件是自锁机构，所述自锁机构具有导程角，用于固定所述输入轴与所述输出轴之间的旋转比，由此使得所述第二齿轮能够通过所述第一齿轮的旋转而旋转并使得所述第一齿轮不能通过所述第二齿轮的旋转而旋转。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆转向控制设备，其中：

所述第二电机(45)基于所述输入轴的输入轴转矩被控制。

5.根据权利要求4所述的车辆转向控制设备，还包括：

用于检测所述输入轴转矩的转矩传感器(82)。

6.根据权利要求4所述的车辆转向控制设备，其中：

所述输入轴转矩基于提供给所述第二电机的电流的量被估算。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆转向控制设备，其中：

所述第二电机(45)基于所述输入轴的操作量被控制。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆转向控制设备，还包括：

用于获取关于车辆状态的状态信息的状态信息获取部件。

9.根据权利要求8所述的车辆转向控制设备，其中：

所述第二电机(45)基于由所述状态信息获取部件获取的所述状态信息被控制。

10.根据权利要求8所述的车辆转向控制设备，其中：

所述第一电机(55)基于由所述状态信息获取部件获取的所述状态信息被控制。

11.根据权利要求8所述的车辆转向控制设备，其中：

所述状态信息包括与车辆的行驶速度相关的行驶速度信息。

12.根据权利要求8所述的车辆转向控制设备，其中：

所述状态信息包括与所述转向车轮和路面之间产生的旋转力相关的转向车轮旋转力信息。

13.根据权利要求8所述的车辆转向控制设备，其中：

所述状态信息包括与车辆的力矩相关的车辆力矩信息。

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