CN102470887A

CN102470887A - 转向系统

Info

Publication number: CN102470887A
Application number: CN2010800290860A
Authority: CN
Inventors: 小野仁章
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: JP2011116172A; JP4877384B2; US20120245799A1; WO2011067650A1; CN102470887B; US8612096B2; DE112010004629T5

Abstract

一种转向系统(100)，包括：可变传动比机构(19)；限制机构(20)；以及控制装置(30)。可变传动比机构(19)改变转向角与转角之间的传动比。限制机构(20)抑制可变传动比机构(19)的传动比的变化。控制装置(30)控制可变传动比机构(19)。例如，可变传动比机构(19)使用马达(40)来改变传动比，而控制装置(30)控制供给到马达的电流的大小以控制可变传动比机构(19)。控制装置使在限制机构(20)被操作时I操作在对可变传动比机构(19)的反馈控制中的贡献率与在限制机构(20)不被操作时I操作的贡献率相比减小。

Description

转向系统

技术领域

本发明涉及一种转向系统，该转向系统包括能够改变转向角与转角之间的传动比的可变传动比机构。

背景技术

这种技术例如在日本专利申请公开No.11-301507(JP-A-11-301507)中进行了描述。JP-A-11-301507描述了一种车辆转向限制设备。该车辆转向限制设备包括基于转向角和转角限制可变传动比机构的操作的限制机构。

另外，该可变传动比机构例如包括诸如行星齿轮机构的减速机构和联接至减速机构的齿轮的马达，并且该可变传动比机构控制供给到马达的电流的大小以控制传动比。这里，能够想到执行反馈(FB)控制以便提高对可变传动比机构的控制精确度。然而，当执行诸如I操作的贡献率相对较大的PID控制的反馈控制时，在限制机构的操作期间冗余电流被供给到马达，而存在难以有效地控制可变传动比机构的可能性。

发明内容

本发明提供了一种能够有效地控制可变传动比机构的转向系统。

本发明的一方面提供了一种转向系统。所述转向系统被配置用于车辆并且具有改变转向角与转角之间的传动比的可变传动比机构。所述转向系统包括：限制机构，所述限制机构改变所述可变传动比机构的所述传动比；以及控制装置，所述控制装置对所述可变传动比机构执行反馈控制。当所述控制装置在所述限制机构被操作时执行反馈控制时，与当所述限制机构不被操作时I操作在所述反馈控制中的贡献率相比，所述控制装置减小I操作在所述反馈控制中的贡献率。

转向系统包括可变传动比机构、限制机构以及控制装置。可变传动比机构改变转向角与转角之间的传动比。限制机构抑制可变传动比机构的传动比的变化。控制装置对可变传动比机构执行反馈控制。当控制装置在限制机构被操作时执行反馈控制时，与当限制机构不被操作时I操作在反馈控制中的贡献率相比，控制装置减小I操作在反馈控制中的贡献率。这样，可以在限制机构被操作时有效地控制可变传动比机构。

所述可变传动比机构可包括改变所述传动比的马达，并且所述控制装置可控制供给到所述马达的电流的大小以控制所述可变传动比机构。通过上述结构，可以在限制机构被操作时抑制冗余电流流过马达，并且可以有效地控制可变传动比机构。

所述控制装置可在所述限制机构被操作时将所述反馈控制设定为PD控制。这样，当限制机构被操作时不执行I操作，因此可以有效地控制可变传动比机构。

所述控制装置可在所述限制机构不被操作时将所述反馈控制设定为PID控制。这样，可以在限制机构不被操作时改进对可变传动比机构的控制精确度。

所述控制装置可在其通过所述可变传动比机构的操作检验所述限制机构是否被操作时将所述反馈控制设定为PD控制。这样，当控制装置检验限制机构是否被操作时，能够有效地控制可变传动比机构。

所述可变传动比机构可通过所述转向角与所述转角之间的相对移位来改变所述传动比，并且所述限制机构可限制所述可变传动比机构中的所述相对移位的量以改变所述传动比。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的特征、优点、以及技术和工业重要性，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1是根据实施方式的转向系统所应用的转向控制系统的示意性结构图；

图2A和图2B是可变传动比机构的结构图；

图3是示出对锁定机构所进行的释放控制的流程图；以及

图4是示出对锁定机构所进行的锁定控制的流程图。

具体实施方式

下文将参照附图描述本发明的实施方式。

系统结构

首先，将描述根据本实施方式的转向系统所应用的系统(下文称为“转向控制系统”)100的总体结构。图1为示出该转向控制系统100的结构的示意图。

转向控制系统100主要包括方向盘1、转向轴2、转向角传感器3、转角传感器4、小齿轮5、转向齿条6、拉杆10R和10L、节臂11R和11L、车轮12R和12L、车速传感器15以及控制器30。应当指出，在下面的描述中，当拉杆10R和10L、节臂11R和11L以及车轮12R和12L不互相区分时，它们的附图标记所带的后缀“R”和“L”被省略。

转向控制系统100是配备用于车辆并且响应于方向盘1的操作等实施用于使车轮12(转向轮)转向的控制的系统。

方向盘1由驾驶员操作，以便例如使车辆转弯。方向盘1经由转向轴2连接至小齿轮5。转向轴2主要设置有转向角传感器3和转角传感器4。

小齿轮5构造成能够随着转向轴2的旋转而旋转。转向齿条6构造成能够随着小齿轮5的旋转而移动。节臂11经由相应的拉杆10联接至转向齿条6，并且车轮12分别联接至节臂11。在这种情况下，拉杆10和节臂11由齿条操作，从而使联接至节臂11的车轮转向。

设置在转向控制系统100中的各个传感器功能如下。转向角传感器3检测与驾驶员对方向盘1的操作相对应的转向角，并将与检测到的转向角相对应的检测信号S3供给到控制器30。转角传感器4检测车轮12的转角，并将与检测到的转角相对应的检测信号S4供给到控制器30。车速传感器15检测车速(例如，检测轮速)，并将与检测到的车速相对应的检测信号S15供给到控制器30。

可变传动比机构19能够增大(或减小)转向轴2的输入至小齿轮5的旋转速度。也就是说，可变传动比机构19改变转向角与转角之间的传动比。可变传动比机构19可例如为可变齿轮比转向装置。具体地，可变传动比机构19包括马达等，并在可变齿轮部分处将转向轴2的输入轴2a联接至转向轴2的输出轴2b。在下文中，“传动比”指的是输出轴2b的旋转与输入轴2a的旋转之比。

另外，在可变传动比机构19中安装有锁定机构20。如将参照图2A和图2B详细描述的，锁定机构20能够防止可变传动比机构19的传动比的变化。也就是说，当锁定机构20被操作时，可变传动比机构19不能改变传动比。锁定机构20充当根据本发明该方面的限制机构。

控制器30由CPU、ROM、RAM、A/D变换器等形成。基于从上述各个传感器供给的检测信号S3、S4、S15等，控制器30向可变传动比机构19供给控制信号S19以控制该可变传动比机构，并向锁定机构20供给控制信号S20以控制锁定机构20。应当指出，控制器30可由执行车辆内部控制的ECU来实现。控制器30充当根据本发明该方面的控制装置。

在此，将参照图2A和图2B描述可变传动比机构19的结构。

图2A示出了可变传动比机构19的截面图。图2B示出了可变传动比机构19中的马达的转子的端视图。如图2A所示，可变传动比机构19包括马达40和减速器42。马达40具有定子46和转子48。定子46固定到马达壳体44的内侧。减速器42例如为使用行星齿轮机构的减速器。例如，在减速器42中，太阳轮(未示出)连接至与转子48一起旋转的旋转轴50，而延伸向旋转轴50的相对侧的行星架52连接至转向轴2的输入轴2a的下端。转向轴2的输出轴2b的上端邻近马达40连接至马达壳体44。控制信号S19经由螺旋形电缆58从控制器30供给至马达40。

另外，锁定机构20设置在马达壳体44的外部下表面(邻近输出轴2b的表面)上。锁定机构20具有螺线管致动器56和滑动销54。另外，如图2B所示，在转子48的下表面48a处沿着周向方向以等角间隔设置有多个销孔48b。滑动销54插入到任一销孔48b中。螺线管致动器56由来自控制器30的控制信号S20操作。在螺线管致动器56操作时，滑动销54沿平行于旋转轴50的轴线的方向移位。这样，将滑动销54插入到任一销孔48b中以锁定转子48的旋转，从而禁止可变传动比机构19中的传动比的变化。

控制方法

下面，将对根据本实施方式的转向控制系统的控制方法进行描述。

控制器30基于从转向角传感器3供给的检测信号S3获得转向角，并且基于从转角传感器4供给的检测信号S4获得转角。另外，控制器30基于从车速传感器15供给的检测信号S15获得车速。

控制器30基于车速计算传动比。这里，利用传动比与车速的关系图计算传动比。然后，控制器30基于通过计算获得的传动比获得目标转角。具体地，控制器30用转向角乘以传动比来获得目标转角。下文，为了与目标转角区别，基于从转角传感器4供给的检测信号S4获得的实际转角被称为“实际转角”。控制器30基于从转角传感器4供给的检测信号S4对可变传动比机构19实施反馈控制，以使实际转角与目标转角吻合。具体地，为了提高实际转角对目标转角的跟踪能力，控制器30对可变传动比机构19的马达40实施例如包括I操作的PID控制。这里，PID控制是指结合P操作、I操作和D操作的控制。P操作是指使输入值作为输出值与目标值之间的差值的线性函数变化的操作。I操作是指使输入值与该差值的积分成比例变化的操作。D操作是指使输入值与该差值的微分成比例变化的操作。

这里，例如，当实际转角与目标转角之间的差值大于等于预定角度时，或者当供给至马达40的电流大于等于预定电流值时，控制器30操作锁定机构20以锁定可变传动比机构19的转子48。在将滑动销54插入到任一销孔48b中以锁定转子48时，转子48继而联接至马达壳体44。也就是说，在转向轴2中，输入轴2a与输出轴2b之间的相对移位被禁止，并且方向盘1直接联接至转向轮12。这样，即使当存在来自方向盘1侧的过度输入时或者即使当存在来自转向轮12的过度反向输入时，还是能够减小因这些过度输入导致的相位上的偏差的发生。这里，预定角度和预定电流值为通过实验等获得的适当值。应当指出，在下面的描述中，用于控制锁定机构20以将滑动销54插入到任一销孔48b中从而锁定转子48的控制被称为“转子锁定控制”，而用于通过将滑动销54抽出销孔48b而释放对转子48的锁定的控制被称为“转子释放控制”。

另外，当在可变传动比机构19的转子48被锁定或者转子48的锁定没有完全被释放的状态下对可变传动比机构19的马达40执行PID控制时，实际转角与目标转角之间的差值较大，于是由于PID控制的I操作而使冗余电流流过马达40，因此难以有效地控制可变传动比机构19。

因此，在本实施方式中，与当锁定机构20没有被操作时I操作在反馈控制中的贡献率相比，降低当锁定机构20被操作时I操作在对可变传动比机构19的反馈控制中的贡献率。应当指出，这里，锁定机构20被操作的时间不仅包括转子48被锁定的时段，而且还包括执行转子锁定控制的时段和执行转子释放控制的时段。

具体地，当控制器30在锁定机构20被操作时对可变传动比机构19执行反馈控制时，控制器30执行不进行I操作的PD控制。也就是说，反馈控制在当锁定机构20被操作时与当锁定机构20没有被操作时之间进行切换。这里，PD控制是结合P操作和D操作的控制。在以下描述中，将对用于执行转子释放控制的情况和执行转子锁定控制的情况中的每一个的反馈控制切换过程加以描述。

首先，将使用图3中所示的流程图来具体描述当执行转子释放控制时的反馈控制切换过程。

首先，在步骤S101，可变传动比机构19的转子48被锁定。这里，控制器30判定是否向锁定机构20发出转子释放控制命令。例如，当实际转角与目标转角之间的差值大于等于预定角度时，或者当供给至马达40的电流大于等于预定电流值时，控制器30不向锁定机构20发出转子释放控制命令。另一方面，例如，当实际转角与目标转角之间的差值小于预定角度时，并且当供给至马达40的电流小于预定电流值时，控制器30向锁定机构20发出转子释放控制命令。

当控制器30判定不向锁定机构20发出转子释放控制命令(在步骤S101为否)时，控制器30前进到步骤S107然后停止反馈控制，此后控制器30结束控制过程。另一方面，当控制器30判定向锁定机构20发出转子释放控制命令(在步骤S101为是)时，控制器30前进到步骤S102。

在步骤S102，控制器30将对可变传动比机构19的反馈控制设定为PD控制。此后，控制器30前进到步骤S103。在步骤S103，控制器30操作锁定机构20以执行转子释放控制。在后续步骤S104，控制器30操作可变传动比机构19以便检验可变传动比机构19的转子48是否被释放。此时，控制器30对可变传动比机构19执行反馈控制，以使实际转角与目标转角吻合，并且此时的反馈控制为PD控制。因此，此时，即使转子48未确实被释放而仍旧锁定，仍然能够防止冗余电流流过马达40。此后，控制器30前进到步骤S105。

在步骤S105，控制器30判定锁定机构20对转子48的释放是否完成。例如，控制器30基于来自检测转子48的相位的传感器(未示出)的检测信号来判定对转子48的释放是否完成。具体地，当控制器30基于检测信号检测到转子48的旋转时，控制器30判定对转子48的释放完成。另一方面，当控制器30基于检测信号没有检测到转子48的旋转时，控制器30判定对转子48的释放未完成。当控制器30判定锁定机构20对转子48的释放完成(在步骤S105为是)时，控制器30前进到步骤S106。另一方面，当控制器30判定锁定机构20对转子48的释放没有完成(在步骤S105为否)时，控制器30返回到步骤S103。

在步骤S106，控制器30将对可变传动比机构19的反馈控制从PD控制切换为PID控制。此时，因为已经在步骤105检验出锁定机构20对转子48的释放完成，所以即使将反馈控制从PD控制切换为PID控制，冗余电流也不会流过马达40。另外，当锁定机构20没有被操作时，对可变传动比机构19执行PID控制，从而可以提高对可变传动比机构19的控制精确度。此后，控制器30结束控制过程。

通过图3中所示的反馈控制切换过程，当执行转子释放控制时，将反馈控制设定为PD控制直至完成对转子的释放，从而可以防止冗余电流流过马达40，并且可以有效地控制可变传动比机构19。

下面，将使用图4中示出的流程图来具体描述执行转子锁定控制时的反馈控制切换过程。

首先，在步骤S201，可变传动比机构19的转子48被释放。这里，控制器30判定是否向锁定机构20发出转子锁定控制命令。例如，当实际转角与目标转角之间的差值大于等于预定角度时，或者当供给至马达40的电流大于等于预定电流值时，控制器30向锁定机构20发出转子锁定控制命令。另一方面，例如，当实际转角与目标转角之间的差值小于预定角度时并且当供给至马达40的电流小于预定电流值时，控制器30不向锁定机构20发出转子锁定控制命令。

当控制器30判定不向锁定机构20发出转子锁定控制命令(在步骤S201为否)时，控制器30前进到步骤S207然后将反馈控制设定为PID控制，此后控制器30结束控制过程。另一方面，当控制器30判定向锁定机构20发出转子锁定控制命令(在步骤S201为是)时，控制器30前进到步骤S202。

在步骤S202，控制器30将对可变传动比机构19的反馈控制设定为PID控制。此后，控制器30前进到步骤S203。在步骤S203，控制器30操作锁定机构20以执行转子锁定控制。在后续步骤S204，控制器30操作可变传动比机构19以便检验可变传动比机构19的转子48是否被锁定。此时，因为反馈控制被设定为PD控制，因此冗余电流不会流过马达40。此后，控制器30前进到步骤S205。

在步骤S205，控制器30判定锁定机构20对转子48的锁定是否完成。具体地，控制器30使用与在图3中示出的步骤S105中所描述的方法相同的方法来判定对转子48的锁定是否完成。当控制器30判定锁定机构20对转子48的锁定完成(在步骤S205为是)时，控制器30前进到步骤S206。另一方面，当控制器30判定锁定机构20对转子48的释放没有完成(在步骤S205为否)时，控制器30返回到步骤S203。

在步骤S206，控制器30停止对可变传动比机构19的反馈控制。此后，控制器30结束控制过程。

通过图4中所示的反馈控制切换过程，当执行转子锁定控制时，将反馈控制设定为PD控制，由此使得能够防止冗余电流流过马达40，从而能够有效地控制可变传动比机构19。

如从以上描述中清楚的，在本实施方式中，当控制器30在锁定机构20被操作时对可变传动比机构19执行反馈控制时，控制器30执行PD控制。这样，当锁定机构20被操作时，不执行I操作，因此可以防止冗余电流流过马达40，并且可以有效地控制可变传动比机构19。

替代性实施方式

应当指出，本发明的方面并不限于上述实施方式，其可以在本发明的范围内以各种不同形式实施。

例如，在根据上述实施方式的转向控制系统100中，当锁定机构20被操作时，将反馈控制设定为PD控制；然而，该控制方法并不限于此。替代地，当锁定机构20被操作时的反馈控制可以为I操作的贡献率与当锁定机构20没有被操作时的I操作的贡献率相比减小的PID控制。替代性地，当锁定机构20被操作时的反馈控制可以为P控制。

在根据上述实施方式的转向控制系统100中，可变传动比机构19和锁定机构20设置用于转向轴2；然而，本发明的该方面可应用的转向控制系统并不限于此。替代地，本发明的该方面可应用于可变传动比机构和锁定机构设置用于转向齿条6的转向控制系统。简而言之，只要转向控制系统包括改变转向角与实际转角之间的传动比的可变传动比机构，本发明的该方面就可应用于该转向控制系统。

另外，在根据上述实施方式的转向控制系统100中，当充当限制机构的锁定机构20被操作时，锁定机构20禁止转向轴2中的输入轴2a与输出轴2b之间的相对移位。然而，本发明的该方面可应用的可变传动比机构并不限于此。替代使用禁止相对移位的锁定机构20作为限制机构，可以使用限制输入轴2a与输出轴2b之间的相对移位量或相对旋转量的限制机构。简而言之，只要限制机构抑制可变传动比机构19中的输入轴与输出轴之间的传动比的变化，本发明的该方面就可应用于该限制机构。

另外，在根据上述实施方式的转向控制系统中，在通过锁定机构20将转子48完全锁定时停止反馈控制；然而，本发明的该方面可应用的转向控制系统并不限于此。即使在限制机构正在抑制相对移位时，反馈控制仍然可以继续而不使反馈控制停止。在这种情况下，所执行的反馈控制可以例如为P控制、PD控制或I操作的贡献率低的PID控制。

Claims

1.一种转向系统，所述转向系统被配置用于车辆，并且所述转向系统具有改变转向角与转角之间的传动比的可变传动比机构，其特征在于包括：

限制机构，所述限制机构抑制所述可变传动比机构的所述传动比的变化；以及

控制装置，所述控制装置用于对所述可变传动比机构执行反馈控制，其中，当所述控制装置在所述限制机构被操作时执行反馈控制时，与当所述限制机构不被操作时I操作在所述反馈控制中的贡献率相比，所述控制装置减小I操作在所述反馈控制中的贡献率。

2.如权利要求1所述的转向系统，其中，所述可变传动比机构包括改变所述传动比的马达，并且所述控制装置控制供给到所述马达的电流的大小以控制所述可变传动比机构。

3.如权利要求1或2所述的转向系统，其中，当所述限制机构被操作时，所述控制装置将所述反馈控制设定为PD控制。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的转向系统，其中，当所述限制机构不被操作时，所述控制装置将所述反馈控制设定为PID控制。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的转向系统，其中，当所述控制装置通过所述可变传动比机构的操作来检验所述限制机构是否被操作时，所述控制装置将所述反馈控制设定为PD控制。

6.如权利要求1至5中的任一项所述的转向系统，其中，所述可变传动比机构通过所述转向角与所述转角之间的相对移位来改变所述传动比，并且所述限制机构限制所述可变传动比机构中的所述相对移位的量以改变所述传动比。

7.如权利要求1至6中的任一项所述的转向系统，其中，所述限制机构为禁止所述可变传动比机构中的所述传动比的变化的锁定机构。

8.如权利要求7所述的转向系统，其中，所述限制机构被操作的时间包括禁止所述可变传动比机构中的所述传动比的变化的时段、执行用于禁止所述传动比的变化的控制的时段、以及执行用于解除禁止所述传动比的变化的控制的时段。

9.如权利要求1或2所述的转向系统，其中，当所述限制机构被操作时，所述控制装置将所述反馈控制设定为P控制。

10.如权利要求1或2所述的转向系统，其中，当所述限制机构被操作时，所述控制装置将所述反馈控制设定为I操作的贡献率减小的PID控制。

11.一种用于转向系统的控制方法，所述转向系统被配置用于车辆，并且所述转向系统具有改变转向角与转角之间的传动比的可变传动比机构，所述控制方法的特征在于包括：

对所述可变传动比机构执行反馈控制；

基于所述转向角和所述转角执行用于抑制所述可变传动比机构的所述传动比的变化的控制；以及

当执行用于抑制所述传动比的控制时，与当没有执行用于抑制所述传动比的控制时I操作的贡献率相比，减小I操作在所述反馈控制中的贡献率。