CN102548830A - 用于电动伺服转向器的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于具有电动助力辅助装置的转向系统的控制方法，包括方向盘、电动助力马达、包含用于存储数字数据的存储器的电的调控单元、基于传送给所述马达驱动单元的目标马达转矩来确定用于控制所述助力马达的电信号并且将其发送给所述助力马达的马达驱动单元，用于确定引入到所述方向盘中的调控量例如手动扭矩的至少一个传感器装置，其中，在所述调控单元中借助所述调控量来确定用于所述助力马达的马达转矩的预设值，其特征在于，在所述存储器中存有用于所述目标马达转矩的上极限值，并且对于所述预设值超过上极限值的情况A，所述调控单元将所述上极限值作为目标马达转矩发送给所述马达驱动单元，并且对于所述预设值不超过上极限值的情况B，所述调控单元将所述预设值作为目标马达转矩发送给所述马达驱动单元。

Description

用于电动伺服转向器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分的特征的用于具有电动伺服辅助装置的转向系统的控制方法。
背景技术
具有电动伺服辅助装置的机动车辆转向器通常具有转向柱，该转向柱通过转向传动装置与机动车的转向轮连接。该转向柱包含用于驾驶员导入到转向器中的转矩的转矩传感器。此外，设有电动伺服马达，该伺服马达通过减速器驱动转向传动装置，并且在转向过程中辅助驾驶员。控制是必需的，由此伺服马达精确地产生对于实现确定的转向特性而言必要的辅助力。例如应在低速度和高转矩的情况下产生高的辅助力，以便在停车时减轻驾驶员负担，并且在更高速度和低转矩的情况下应产生低辅助力，从而使驾驶员获得直接的转向感觉。一个非常重要的方面在于，传感器、调控器或者电动马达的故障不导致电动马达执行非期望的和非期待的转向过程。
因此，对于控制而言，通常的任务在于，提供电动伺服转向器的防干扰的功能。德国专利文献DE 10063605B4提出，通过驱动器控制电动马达。附加地设有用于限制电动马达的驱动的驱动器限制机构。该驱动器限制机构在故障已识别的情况下完全关闭马达驱动器。这在行驶运行中相应于伺服辅助装置的完全的和突然的停止。这可能会刺激驾驶员。
德国公开文献DE 19821220A1提出，以上极限值限制马达电流。应以这种方式防止辅助力的过大。该界限基于反电动势来确定。然而由此不能自我补偿在控制器中的波动。波动可归结于不同的原因。驾驶员例如可能不必要地来回运动方向盘。街道表面可能具有将相应的干扰量导入到受控系统中的不平整部。机动车的转向轮可能具有不平衡度，该不平衡度同样产生周期性干扰。这样的波动不能通过限制马达电流来补偿。该文献也没有提出马达电流的下限，从而使得辅助扭矩可能变为零。这相应于伺服辅助装置完全和突然停止的上述情况。
类似的解决方案在美国专利US 6,404,156B1中描述。在这里，通过马达电流的上极限值和下极限值引起辅助力的限制。在本身包括不同的传感器(转矩传感器，速度传感器)、带有相位补偿的助推器、马达驱动器和伺服马达的电子调控链中，在助推器和相位补偿的级中不预设限制地处理传感器值并且将其传送给驱动器。该驱动器限制用于驱动电动马达的调控信号的值范围，以便避免过高和过低的马达电流，进而避免过高和过低的辅助扭矩。
根据所描述的现有技术的转向器具有如下行驶动力学上的限制：
根据DE 10063605B4和DE 19821220A1的转向器限制了在确定的行驶情况下可能的马达电流的值范围，由此也限制了最大可能马达功率进而最大的伺服辅助。在极限情况下，例如在拐弯或者对转向轮的极端的不可预见的影响的情况下，这可导致在方向盘上出现比实际上基于行驶情况和伺服马达在技术上可用的功率而需要的手动扭矩更高的手动扭矩。因此转向器在一些情况下没有利用到助力设备的整个动态性能范围。
相应于根据US 6,404,156B1的转向器的另一实施例，依据确定的参数限制传感器信号，所述传感器信号由转向器的转矩传感器发送给转向器的调控器。由此，丢失例如可当驾驶员以非常高的手动扭矩操纵方向盘(拐弯)或者当外界影响作用在转向器上(坑洼，碰到路边的石头，轮胎突然受损)时出现的关于转矩传感器的极值的信息。由于前述被限制的传感器信号，调控器不能识别这样的状况，进而不能适当地做出反应。在所述情况中，适当的反应是辅助转矩升高至技术上可能的最大值，以便将方向盘上的手动扭矩保持在预设的界限内。当在调控器之前限制传感器信号的情况下，这是不可能的。因此，该转向器也没有利用到伺服驱动器的整个技术上可用的动态性能范围。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种用于电动伺服转向器的控制方法，该控制方法即使在紧要的转向情况下也获得行驶稳定性并且提高容许误差。尤其应提供一种用于电动伺服转向器的控制，该控制能完全地利用伺服驱动器所具有的动态性能范围。
该任务由具有权利要求1特征的控制方法解决。在权利要求2至7中示出了本发明的有利的扩展构型。
在具有电动助力辅助装置的转向系统的控制方法中，包括：
-方向盘，该方向盘可由驾驶员控制，
-电动助力马达，
-电调控单元，该电调控单元包含用于存储数字数据的存储器，
-马达驱动单元(马达控制器)，该马达驱动单元基于传达到马达驱动单元的目标马达转矩来确定用于控制助力马达的电信号并且发送到助力马达，
-至少一个传感器装置，所述传感器装置用于确定引入到方向盘中的调控量，例如手动扭矩，
-其中，在调控单元中借助该调控量来确定助力马达的马达转矩的预设值，
附加地提出，
-在限制元件中存有目标马达转矩的上极限值，并且
-对于预设值超过上极限值的情况A，限制元件将上极限值作为目标马达转矩发送给马达驱动单元，并且
-对于预设值不超过上极限值的情况B，限制元件将预设值作为目标马达转矩发送给马达驱动单元。
以这种方式实现的是，不仅传感器信号可在其整个值范围中得到评估，而且马达驱动单元可借助其完全的可用输出电流来加载马达，并且因此在极限状况下可利用转向系统的最大可用动态性能。限制元件设置在确定目标马达转矩的预设值的调控器和马达控制器之间的信号路径中。但该限制元件可与调控器物理地组合成一个构造单元。在此无关紧要的是，限制是纯通过纯软件技术还是纯通过硬件技术或者是作为软件技术和硬件技术的组合来实现。
此外提出，
-在存储器中存有目标马达转矩的下极限值，该下极限值的数值比上极限值小，并且
-对于预设值低于下极限值的情况C，限制元件将下极限值作为目标马达转矩发送给马达驱动单元，并且
-对于预设值不低于下极限值并且不超过上极限值的情况D，限制元件将预设值作为目标马达转矩发送给马达驱动单元，
在以上情况下，可防止目标马达转矩基于例如传感器的故障信息而突然地并且对于驾驶员而言意外地停止伺服辅助。
如果上极限值和/或下极限值取决于引入的调控量，那么最大和最小目标马达转矩的极限值可以设计成可变的，进而匹配于行驶状况的参数。
如果在高车速的情况下在上极限值和下极限值之间的距离比在低车速的情况下的距离更小，那么在速度较高的情况下，控制接近于没有实施控制作用或仅实施小的控制作用的调控。
可以设有产生阻尼信号和稳定信号的阻尼元件和稳定元件，其中，限制元件、阻尼元件和稳定元件的输出信号的总和作为目标马达转矩发送给马达控制器。由此，特别有效地稳定了控制。
可设有安全函数，该安全函数进行限制元件、阻尼元件和稳定元件的输出信号的冗余的计算。这种安全函数仅需要低的处理器功率，如果安全函数没有完全冗余地进行调控器的计算过程，那么尤其是这种情况。在所计算的信号不一致的情况下，其可引起转向助推器关断。
附图说明
下面，根据附图详细地描述本发明的实施例。附图示出：
图1示出电动辅助的转向系统的立体图；
图2示出取决于用于根据本发明的转向器的转矩传感器信号的马达转矩的值范围；
图3示出电动伺服转向器的方块图；
图4示出整个转向系统的示意图，该转向系统具有方向盘、转矩传感器、调控设备、马达驱动器、马达和具有转向轮的转向传动装置；
图5示出电动伺服转向器的调控的程序进程的流程图；
图6示出取决于转矩传感器信号的TTS的转矩要求信号TRA的允许的值范围；
图7示出图3和图5的阻尼元件的详细示图；以及
图8示出图3和图5的稳定元件的详细示图。
具体实施方式
在图1中示出具有转向传动装置1的机动车伺服转向器，在该转向传动装置中在转向传动装置1的纵向上可移动地设有齿条。该齿条承载两个转向横拉杆2，这些转向横拉杆通过球窝关节与齿条连接。球窝关节相对于环境影响而封装地设置在波纹管3中。转向横拉杆2本身与转向轮的转向节连接。由此，齿条在转向传动装置1中的位移以已知的方式引起转向轮的枢转，进而引起机动车的转向过程。
通过转向轴4将转矩导入到转向器中。转矩传感器5检测导入到转向轴4中的转矩。为了伺服辅助转向过程进而为了减小由驾驶员施加的手动扭矩，在转向传动装置1中集成有伺服驱动器。该伺服驱动器包括马达壳体6、传动装置壳体7和调控器8。在该图中不能识别马达和传动装置。
在运行时，驾驶员以已知的方式操纵方向盘9，该方向盘然后通过转向轴4和小齿轮引起齿条在转向传动装置1中的位移。监控在转矩传感器5中检测到的转矩，并且为了简化转向过程，通过调控器8给伺服马达加载电流，以便辅助驾驶员的转向运动。
控制和控制伺服转向器的可能性是多样的。因此调控器8能以最简单的方式通过伺服马达引起伺服辅助，在该伺服马达中，所需马达辅助扭矩与所测得的传感器扭矩简单地成正比。然而在实践中，在很多情况下通过特性曲线来控制伺服转向器，特性曲线以值表的形式或者通过储存解析函数而存储到存储器中。这种控制的结果的值范围在图2中示出。
图2在坐标系中在水平方向上示出转矩信号TTS的可能的值，转矩传感器5取决于导入到方向盘9中的转矩输出该转矩信号。在竖直轴上示出可能的马达转矩TMOT，马达驱动器基于转矩信号TTS而请求该马达转矩。上部的特征曲线11和下部的特征曲线12朝上和朝下限制信号TMOT。在特征曲线11之上和在特征曲线12之下的阴影区域是禁区，该禁区不允许达到马达转矩TMOT。由特征曲线11相应地确定相应的最大值max，应为了传送给马达控制器的转矩要求信号TRA的值而传送该最大值。由特征曲线12相应地确定相应的最小值min，应为了传送给马达控制器的转矩要求信号TRA的值而传送该最小值。在特征曲线11和12之间的区域是允许的值区域，马达信号TMOT应位于该值区域中。在给出转矩信号TTS的情况下，马达信号TMOT可采用不同的值。这些值可以取决于车速V。
图3示出根据本发明的伺服转向器的方块图。在该方块图中，车速V和转矩传感器5的信号TTS设置为输送到控制器20的输入信号。其他的输入信号可以在21处输入。控制器20由输入值计算用于所需要的马达转矩TRM的信号。转矩信号TTS全部提供给调控器，并且因此全部能得到评估。调控器20同样产生信号TRM，该信号包括全部可能的值范围，即具有最大可能动态性能范围。
限制元件22接收车速VO和需要的马达转矩TRM作为输入信号。由此，限制元件22根据表或者根据解析函数计算最大值和最小值，对于预设的参数值马达转矩应采用所述最大值和最小值。参考图2，限制元件22负责使所需的转矩值不达到图2中的图的画阴影线的禁区。
由限制元件22这样限制的信号与其他在本文中与图7和8相结合地详细描述的阻尼元件23的和稳定元件24的信号相加。阻尼元件23和稳定元件24的函数(后者也称为“D分量”)由电控制的电动伺服转向系统已知。那么该加法产生用于实际所需的辅助转矩的预设信号TRA。元件22、23和24的信号的总和才具有期望的稳定性。将信号TRA传送给马达控制器25，该马达控制器随后用电流加载伺服马达26。
如果元件22、23和24的冗余的计算确定了在调控设备中的故障，那么所产生的信号也传送给可引起伺服转向器的关断的安全函数。在此提出，安全函数27没有冗余地计算控制器20的复杂的计算过程，而是仅重算元件22、23和24的计算。
为了获得伺服转向器的所追求的大的动态性能范围，这里重要的是，马达控制器25的信号TTS和输出信号可以覆盖整个可用的动态性能范围，从而可评估信号TTS的整个由转矩传感器接收的带宽。此外，马达控制器可调用伺服马达26的最大可能辅助功率，该马达控制器的输出值范围不受限制。在限制元件22中进行对所需的辅助转矩TRA取决于速度或其他参数的限制。
图4示出根据本发明的伺服转向器的受控系统的示意图。
方向盘9通过心轴4与转矩传感器5连接。转矩信号TTS进入到这里作为集成的模块示出的单元中，该单元包括控制器20和限制元件22。此外，车速V输入到单元20、22。其他的信号21如上所述由调控器进行考虑。
单元20、22依据输入量将转矩要求信号TRA传送给又用电流加载伺服马达26的马达控制器或者马达驱动器25。伺服马达26通过传动装置驱动齿条，进而驱动机动车的转向轮。车道通过转向轮反作用到转向心轴4上。因此在转矩传感器5中不仅由于操纵方向盘9而且由于车道通过车轮对转向轴4进行的反作用而产生转矩信号。尤其地，如果方向盘9没有被操纵或被驾驶员完全放开，在转矩传感器5上也可出现转矩。
在尤其有利的扩展构型中，借助LQG控制算法进行控制，LQG控制算法由Herrmann Henrichfreise、Jiirgen Jusseit和Harwin Niessen在2003年(2003年5月7日-8日)在富尔达(Fulda)的第五次VDI机电一体化会议上的报告“Optimale Regelung einerelektromechanischen Servolenkung(机电式伺服转向器的最优控制)”中加以说明。
在图5中示出在根据本发明的伺服转向器中的方法流程，执行该方法流程来计算伺服马达26的手动控制。
在控制器中评估输入信号TTS和V，并且以已知的方式由此计算需要的马达转矩，将该马达转矩作为信号TRM输出。调控设备20由现有技术已知。该调控设备例如可根据在欧洲专利文献EP 1373051B1中所描述的调控设备原理工作。该调控设备作为所谓的监视器工作，该监视器由输入量计算不同的输出量和在内部使用的数据。在已知的可相应于调控设备20的调控设备中存储有转向器的数学模型，该模型包含测量值的和非测量的状态值之间的不同的相关性。但也提出，调控设备20构成为呈PID控制器或诸如此类的形式的相对简单的调控设备。
那么，将马达转矩信号TRM发送给已知的部件即阻尼件23和稳定件24。并行地，限制元件22也包含该信号。另一输入信号车速V同样进入到限制元件22，该限制元件在这里作为虚线示出。
现在在限制元件22中，在计算步骤30中由表或者根据解析函数计算马达转矩要求信号TRM的允许的界限(上限max和下限min)。然后，在第一步骤31中，将实际上由调控设备20发送出的信号TRM与上限max做比较。如果TRM大于max，那么规定T’RM＝max。如果TRM小于极限值max，那么T’RM＝TRM保持不变。这在计算步骤32和33中示出。将如此朝上限制的信号继续传送给步骤34，在步骤34中将信号TRM与下限做比较。如果TRM小于下限min，那么由min替换T’RM。这在步骤中35进行。
如果在步骤34中确定T’RM不小于min，那么不变地输出T”RM＝T’RM。
那么，如果在步骤31和34中确定TRM小于max或者大于min，则产生显示为不变的信号T”RM＝TRM作为限制元件22的输出信号。如果在步骤31或34中向上或向下越过极限值，那么将相应的极限值作为限制元件22的输出而发送出。
将该输出信号发送给加法器37，该加法器还接收阻尼元件23和稳定元件24的输出值。稳定元件24的输出值能够具有正的或负的符号并且在加法器37中加到转矩要求信号TRA上。然后，将信号TRA发送给马达控制器25，该马达控制器相应地为伺服马达26通电。
应强调的是，只要不超过在步骤30中计算的极限值max和min，调控设备20的输出信号T”RM＝TRM就通过限制元件22保持不变。由此对信号路径TTS至TRA提供全部可能的动态。
在步骤33和35中进行的限制评估调控设备20的转矩传感器TTS的和其他输入数据的整个信息范围。即使在限制的情况下，发送给马达控制器25的转矩要求信号TRA也可通过待添加的阻尼-稳定部件变得比来自限制元件22的上限max和min更大或者更小，使得马达控制器25进而伺服马达26能够发展出比仅基于限制元件22设置的更高的动态性能。
图7示出阻尼元件23的方块图。示出的是，阻尼机构基本上评估伺服马达26的转子位置的关于时间的导数并且由此产生阻尼信号。作为其他的参数考虑车速和手动扭矩。
图8示出稳定元件24的方块图。这里示出，稳定元件基本上评估手动扭矩的关于时间的导数并且由此生成稳定信号。这里，作为其他的参数也考虑车速和手动扭矩。
附图标记
1.转向传动装置
2.转向横拉杆
3.波纹管
4.转向轴
5.转矩传感器
6.马达壳体
7.传动装置壳体
8.调控器
9.方向盘
11.上部的特征曲线
12.下部的特征曲线
20.控制器
21.信号
22.限制元件
23.阻尼元件
24.稳定元件
25.马达控制器
26.伺服马达
27.安全函数
30.计算步骤
31.计算步骤
32.计算步骤
33.计算步骤
34.计算步骤
35.计算步骤

Claims (7)

1.用于具有电动助力辅助装置的转向系统的控制方法，包括：
-能由驾驶员控制的方向盘(9)，
-电动的助力马达(26)，
-电的调控单元(20)，所述调控单元包含用于存储数字数据的存储器，
-马达控制器(25)，所述马达控制器基于传递给所述马达控制器(25)的目标马达转矩(TRA)来确定用于控制所述助力马达(26)的电信号，并且将所述电信号发送给所述助力马达，
-至少一个传感器装置(5)，所述至少一个传感器装置用于确定引入到所述方向盘(9)中的调控量(TTS)，例如手动扭矩，
其中，在所述调控单元(20)中借助于所述调控量(TTS)来确定用于所述助力马达(26)的马达转矩的预设值(TRM)，
其特征在于，设有限制元件(22)，在所述限制元件中存有用于所述目标马达转矩(TRA)的上极限值(max)，并且
对于所述预设值(TRM)超过所述上极限值(max)的情况A，所述限制元件(22)将所述上极限值(max)作为目标马达转矩(TRA)发送给所述马达控制器(25)，并且
对于所述预设值(TRM)不超过所述上极限值(max)的情况B，所述限制元件(22)将所述预设值作为目标马达转矩发送给所述马达控制器(25)。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，
-在所述限制元件(22)中存有用于所述目标马达转矩(TRA)的下极限值(min)，所述下极限值的数值比所述上极限值(max)小，并且
-对于所述预设值(TRM)低于所述下极限值(min)的情况C，所述限制元件(22)将所述下极限值(min)作为目标马达转矩(TRA)发送给所述马达控制器(25)，并且
-对于所述预设值(TRM)不低于所述下极限值(min)并且不超过所述上极限值(max)的情况D，所述限制元件(22)将所述预设值(TRM)作为目标马达转矩(TRA)发送给所述马达控制器(25)。
3.根据上述权利要求之一所述的控制方法，其特征在于，所述上极限值(max)和/或所述下极限值(min)取决于引入的所述调控量(TTS)。
4.根据上述权利要求之一所述的控制方法，其特征在于，所述上极限值(max)和/或所述下极限值(min)取决于车速(v)。
5.根据上述权利要求之一所述的控制方法，其特征在于，设有产生阻尼信号和稳定信号的阻尼元件(23)和稳定元件(24)，其中，所述限制元件(22)、所述阻尼元件(23)和所述稳定元件(24)的输出信号的总和作为目标马达转矩(TRA)发送到所述马达控制器(25)。
6.根据上述权利要求之一所述的控制方法，其特征在于，安全函数(27)进行所述限制元件(22)、所述阻尼元件(23)和所述稳定元件(24)的输出信号的冗余的计算。
7.根据上述权利要求之一所述的控制方法，其特征在于，所述安全函数(27)没有完全冗余地计算所述控制器(20)的计算过程。
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