CN103003133B - 转向系统中方向盘扭振的补偿方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转矩调节器的一种调节，其可以如此地实现对该转矩调节器的控制，使得出现的方向盘扭振可以得到补偿。为此，按本发明的一个实施方式探测出扭杆转矩。利用可变频的干扰变量及状态变量计算器根据所探测到的扭杆转矩确定一个补偿转矩。该补偿转矩或者一个相当于该补偿转矩的信号于是被用来对转矩调节器进行控制。

Description

转向系统中方向盘扭振的补偿方法和装置

技术领域

本发明涉及一种补偿方法，用于在车辆中的转向系统运行过程中实现方向盘扭振的补偿，该转向系统包含能被控制的转矩调节器。

本发明还涉及一种补偿装置，用于转向系统中方向盘扭振的补偿，该转向系统包含能被控制的转矩调节器。

背景技术

在车辆上特别是当在车轮上存在失衡现象时便会发生方向盘扭振。方向盘扭振也称之为“摆振”或“平坦路面振动”。这种方向盘扭振通常是利用不同措施抑制或减小的，因为觉察其有干扰性。例如已知通过结构性措施例如采用减振元件来部分地补偿由于失衡产生的振动。此外还知道，配置附属的电子执行器和/或传感器，并通过相应地控制该执行器以减小方向盘扭振。

电动转向系统（EPS）具有一个称之为EPS电动机的转矩调节器。为了减小方向盘扭振，已知的做法是配置EPS电动机的合适控制装置。例如可利用一个转矩传感器来探测出实际存在的扭杆转矩。转向力矩的高频部份被认定是干扰性的，并经过一条与车辆行驶速度和转向速度以及与车辆行驶速度和转向速度以及与转矩有关的特性曲线加以减缓。在此仍有时会将所希望的路面反馈误认为是有干扰的，因而被消除或至少被减小。这一点对转向感觉有负面作用，而且可能带来与安全相关的缺点，这是因为对驾驶者不能再提供关于路面的可能重要的信息。这样一种转向系统例如在EP1839998A1中公开过。

此外，在EP1650106B1中介绍了一种减小方向盘扭振的方法，其中，利用一个电动机在合适的位置上将反向振动导入到转向系统中。这样便可部分地补偿产生的扭振。按此已知的方法需要一个实际的方向盘转矩，该转矩可在一个合适大小的时间窗口中针对周期性的振动的存在加以检验。该方法需要一个附加的转矩传感器以及借助一种自相关函数或互相关函数进行费时间的补偿转矩的计算。

在US2009/0000857A1中公开了一种抑制方法，用于抑制方向盘扭振。按此已知的方法，可求出一个支持转向的电动机的转子位置速度。利用这一数值，便可借助一个频率估算单元、一个相位校正单元以及一个安置在其上的、需要已计算出的频率和相位作为输入参数的振动抑制单元来计算出一个补偿电流。由于对转向过程的伺服连接之故，转子位置速度则只有条件地适合用作测量参数。特别在齿条上的低的力水平情况下，转子位置速度则难以用作为足够精确的测量参数。

JP2004-161073公开了一种借助于扭杆转矩的FFT（快速傅里叶变换算法）检测方向盘扭振的方法。若根据该已知的方法检定一种方向盘扭振，则可总体上提高系统减振作用。这然而具有缺点，即总体的转向感觉恶化了。由EP1975040B1中已知对上述检测方法的改进，据此通过下述措施可更有效地求得FFT，即只在窄的频带内根据实际车速计算FFT。

US2009/0125186A1中公开了方向盘扭振的另一种补偿方法，依此法求得一个经过滤波的扭杆转矩，并且为了补偿而引入一个与经过滤波的扭杆转矩相应但相位移动了180°的补偿参量。

发明内容

本发明的任务是提供一种方法和一种装置，该方法和装置在对转向感觉无不利影响的情况下能够实现对方向盘扭振的尽可能完全的补偿。

上述任务是通过独立的权利要求中述及的特征加以解决的；其它有利的发展见各项从属权利要求中所述。

根据本发明，提供对转矩调节器、例如EPS电动机的调节，其可以如此实现对转矩调节器的控制，使得产生的方向盘扭振可以完全地、但无论如何大体上完全地得到补偿。为此，根据本发明的一个实施方式可探测出一个扭杆转矩。利用一种可变频的干扰变量及状态变量计算器，根据已探测到的扭杆转矩，便可求得一个补偿转矩。该补偿转矩，更确切地说一个相当于该补偿转矩的信号，于是可以在控制转矩调节器时加以使用。

根据本发明，采用一种可变频的干扰变量及状态变量计算器，其指的是一种可用于可变频率的所谓的“干扰观察器”，该干扰观察器也称为DOFV。干扰观察器例如在下述文件中作了介绍：2008年7月6日至11日在韩国首尔举行的第17届IFAC世界大会上，KatsuhikoFuwa,TatsuoNarikiyo和HisashiKandoh提出的报告：AConstructionofDisturbanceObservertoCopewithFrequencyVariationandItsApplicationtoVibrationSuppressionControlSystem，见该会议科研报告汇编。利用这种干扰观察器，便能减小具有已知的和不变的频率的干扰。在方向盘扭振的情况下，干扰频率取决于实际的车速或实际的车轮速度。因此，根据本发明采用了一种DOFV，该干扰观察器（DOFV）即使在变化的频率情况下也能可靠地工作。一种DOFV是一种调节技术方法，利用它便可从对一种具有可变频率的正弦形干扰、一个调节变量及可能的其它测量参数的了解而计算出一个附加的调节变量，该附加的调节变量可以抑制或补偿具有可变频率的正弦形干扰。一种DOFV例如在下述文件中作了介绍：“TatsuoNarikiyo,KatsuhikoFuwa和TakeshiMurano：ImplementationofDisturbanceAttenuationSystemBasedonFrequencyEstimation；2008年7月6日至11日在韩国首尔举行的第17届IFAC世界会议报告汇编”。

在频率可变的干扰变量及状态变量计算器中储存了一个经过认证的模型，该模型描述从转矩调节器的转矩即例如从EPS电动机的电动机转矩至扭杆转矩的传递特性。这种模型特别是包含与相关转矩或相关转矩信号的振幅和相位相关的传递特性。从那些相当于车轮速度的信号中，即例如从车轮速度本身、车辆速度或车轮角速度中，可以求得一个实际干扰的频率。为了确定干扰的实际干扰振幅及相位，为可变频的干扰变量及状态变量计算器提供一个优选经过滤波的扭杆转矩。扭杆转矩的滤波可根据本发明的一个优选的具体实施方式，利用一个可变频的带通滤波器予以执行，可变频的带通滤波器的中心频率与实际的车辆速度或车轮速度相对应地设定。

为了达到方向盘扭振的完全补偿或大致完全补偿，即使当（由于补偿之故）在实际测定的扭杆转矩中根本不再存在干扰信号时，仍须维持补偿。若不维持补偿，那恐怕当然首先就不能求得补偿转矩。因此，在下一个计算步骤中仍会再测量一个方向盘扭振，这又会导致产生一个补偿信号。因而不可能是一次完全的补偿。根据本发明，现在反馈所求得的补偿转矩，并在重新确定补偿转矩的情况下与实际的扭杆转矩一起加以考虑。（之前时间段的）补偿转矩的反馈优选完全在可变频的干扰变量及状态变量计算器内进行。通过这种内部的反馈，所以在计算干扰变量时，便可全面地考虑已经获得补偿的份额。这可以实现对干扰信号的正确计算，虽然干扰正好由于在之前时间段中所确定的补偿转矩之故而在测量信号中即在实际测得的扭杆转矩中不再是可见到的。

根据本发明，此外既可测定干扰信号的振幅，又可测定干扰信号的相位。这一过程是利用描述传递特性的、经过认证的并储存在可变频的干扰变量及状态变量计算器中的模型来执行的。此外还可利用传递特性的模型来确定用于补偿干扰变量所需的电动机转矩。可变频的干扰变量及状态变量计算器还包含正弦形干扰的模型。通过扭杆转矩的滤波的连接，例如利用可变频的带通滤波器和可变频的干扰变量及在其中储存了正弦形干扰模型的状态变量计算器，便可有效地防止对转向感觉产生负面影响。

特别有利的做法是，例如设置在转向系统的控制装置中的、并作为模块实施的用于补偿方向盘扭振的补偿方法不是永久处于激活状态的，因为这不必要地需要计算时间。因此有利地根据实际车速、方向盘角度以及实际干扰信号的振幅来推断出方向盘扭振的存在。由于方向盘扭振通常只存在于一个狭窄范围的速度带中以及在一直向前行驶或近乎一直向前行驶时，所以本发明提出的方法的激活只在该时间窗口内是需要的。为了确定干扰信号的振幅优选采用一个模型或一个观察器。这种“估算的”干扰信号振幅具有当前足够的精确性。

如此确定的干扰信号振幅还可用于存储在可变频的干扰变量及状态变量计算器内的传递特性模型的适配以及还可用在其它包含在可变频的干扰变量及状态变量计算器中的功能的适配。为了上述适配，例如在转向系统的控制装置中存储可变频的干扰变量及状态变量计算器的一个定标的（skaliert）参数组，该参数组与相应的转向系统的批量生产中的偏差相匹配。根据一个实际的补偿质量或根据虽然补偿却仍然存在的方向盘扭振的振幅，定标因数便可按本发明的一个特别优选的具体实施方式加以适配并且因此在计算单元中进行适配。

本发明的一些优选的实施方式都包含在对于方向盘扭振重要的频率范围内“电动机转矩到扭杆转矩”传递特性的一种明确的模型化，不仅在振幅特性方面也在相位特性方面，例如通过在试车台上转向系统的测量形式的有效离线参数化和随即对有关参数的计算。因此便可达到下述目的：在所有重要的频率上，均已可能有方向盘扭振的一种大约50%的补偿，而在车辆自身中不需要应用。

通过已补偿的干扰信息的以模型为基础的反馈，甚至可达到方向盘扭振的近乎100%的补偿，至少与准确的相位和振幅相结合。这种甚高的补偿质量通过在线采用本发明提出的可变频的干扰变量及状态变量计算器得到进一步改善，以达到最佳适配于批量生产中的偏差，特别是考虑到转化系统的老化。为此特别采用这样的传递模型，该模型也可用于补偿信号的反馈，例如通过一个已定标的参数组的合适定标。

本发明的另一个优点在于：可以继续使用一种常见的传感装置，该传感装置例如包含一个用于探测一种实际扭杆转矩的传感器及一个用于探测车速或车轮速度的传感器。由于功能的大部分都是在一个用于干扰变量计算的完整模型内加以实现的，而且可变频的干扰变量及状态变量计算器既含有以模型为基础的反馈，又含有传递特性模型，所以能够执行一种很有计算效率的干扰变量及状态变量计算器换算。通过这种不可分离的模块设计用于按照振幅和相位计算补偿转矩，例如以一种利用加法和乘法的简单的状态空间模型的形式，便可达到实现一种甚为有效的在线计算。此外，本发明还能够实现作为正弦信号的干扰变量的一种显式，从而达到对干扰的一种单频的、严格选择性的抑制，而不会影响转向感觉。

附图说明

本发明的其他特征、用途和优点见下面关于本发明的一些实施例的说明，各实施例都将参照附图加以解释。附图表示：

图1车辆中一种转向系统的示意图；

图2本发明的第一实施方式的示意图；

图3在一个对于方向盘扭振重要的频率范围内一个转向系统的示例性的相位特性曲线。

具体实施方式

图1中示出一种电动转向系统1，该转向系统包含一个转向装置2和一个控制装置3。在控制装置3中设置微处理机4，该微处理机经过数据导线、例如总线系统与存储元件5相连。在存储元件5中设计了一些存储区，在这些存储区中储存了用于执行本发明提出的方法的功能手段、例如按计算机程序形式的功能手段。此外，在存储元件5中还储存了核区和预定的参数或其它数值。

控制装置3经过一条信号导线6而与转矩调节器7相连，该转矩调节器例如设计成电动机，因此对电动机即转矩调节器7的控制可通过控制装置3来执行。电动机经过一个传动装置8而作用于扭杆9。在扭杆9上安置了转向机构例如方向盘10。

转向装置还具有一个转向器传动机构11，该转向器传动机构是作为齿条转向器传动机构设计的。转向器传动机构11是经过车辆每侧上的一个小齿轮12a和一个齿条12b而与一个转向拉杆系绕13相连，该系统分别与一车轮相配合作用。

利用传感器15可以探测出扭杆转矩M_TB，利用传感器16可以探测出转向角ang_LR。此外，转向装置还具有一个传感器17，利用该传感器可以探测出车辆速度v或探测出一个与车速相当的参数例如车轮转速或车轮角速度。

经过传感器15、16和17所探测出的值都经过在图1中未示出的数据导线输送给控制装置3。这些数据导线可按已知的多种不同形式设计。优选在控制装置3和传感器或执行器之间安置一个用于通信的总线系统。

通过控制装置3的合适编程，便可在图1中所示的转向系统上执行本发明提出的方法，据此本发明既可通过控制装置3也可通过相应的计算机程序18加以实现。控制装置即表示本发明提出的装置，计算机程序同样代表本发明如同本发明提出的方法，计算机程序被编程用于本方法的执行。

采用图1中所示的转向系统1来执行本发明提出的方法。为此，控制装置3例如以相应方式加以程序化。利用本发明提出的方法，可按照一个可行的实施方式实现车辆上方向盘扭振的完全补偿，其中利用转矩调节器7，亦即例如利用EPS的伺服电动机，将合适的反向振动导入转向装置2中，然后再参照一个从扭杆9中提取的干扰信号来计算那些反向振动。为此优选不需要辅助传感装置，从而为实施本发明提出的方法也就不需要修改现有的传感装置，这也可降低成本。

在图2中，参照一个方框图示出本发明的一个可行的具体实施方式。为了控制转矩调节器7，在图2中示出了一个可变频的干扰变量及状态变量计算器20，其具有明确定义的正弦形式的干扰变量和内反馈，以之用于考虑已经得到补偿的干扰信号部分，该信号例如作为计算机程序18而被存储在控制装置3中。利用可变频的干扰变量及状态变量计算器20，在考虑到相位特性和振幅特性的情况下，并在转矩调节器7和扭杆9之间使用传递特性的一种定标的模型21的条件下，确定一个补偿转矩。定标的模型21根据一个优选的具体实施方式在线地也就是在转向系统1的运行过程中适配于转向系统1的批量生产中的偏差（deviationsinseriesproduction）和老化，从而保证实现方向盘扭振的最佳补偿。

对本发明而言非常重要的是，采用可变频的干扰变量及状态变量计算器20，在该干扰变量及状态变量计算器中存储了从电动机转矩到扭杆转矩的传递特性的参数化模型21。根据一个在确定时间点t所求得的实际扭杆转矩M_TB（t），利用可变频的干扰变量及状态变量计算器20，便可求得一个补偿转矩M_KOMP（t），依据该补偿转矩产生一个用于控制转矩调节器7的信号，这就导致对现有方向盘扭振的补偿。例如借助于传感器15所求得的扭杆转矩M_TB（t）优选利用一个可变频的带通滤波器22加以滤波，借以例如消除一种对现有系统有干扰的高频干扰。这种经过如此滤波的扭杆转矩M_Tbfilt（t）为了进一步处理而提供给可变频的干扰变量及状态变量计算器（20）。

可变频的带通滤波器22的频率调定是利用一个激励频率求得器23实现的，该激励频率求得器从探测到的速度v（t）例如车轮转速或车轮速度或车辆车速测定出一个激励频率f_o（t）。所求得的激励频率f_o（t）还可用于调定可变频的干扰变量及状态变量计算器20的频率而被提供给后者。为了当一个方向盘扭振由于根据本发明执行在扭杆转矩M_TB（t）中的补偿而不能再被确定时仍可保证补偿转矩M_KOMP（t）的保持，就得通过一个优选在可变频的干扰变量及状态变量计算器20中集成的补偿转矩M_KOMP（t-1）的反馈对已计算出的补偿转矩M_KOMP（t-1）进行考虑以用于计算补偿转矩M_KOMP（t）。这种反馈是在考虑到模型21的情况下实现的，也就是在考虑到在针对转矩调节器7和扭杆9之间的相位特性和振幅特性的传递特性的情况下实现的。

根据本发明的在图2中示出的特别有利的具体实施形式，实现补偿的适配。为此，在一个适应程序段25中改变一个已定标的参数组26，借以补偿转向系统1的老化或者说补偿批量生产中的偏差，进而保证本发明提出的方法的最佳效率。参数组例如被储存在控制装置3中。现在特别是转向系统的老化对电动机转矩-扭杆转矩的传递特性的影响至关重要。因此，利用定标的参数组26而特别是对模型21进行适配。认定转向系统1的老化是根据一个实际的振幅A_MTB（t）而在适应程序段25中执行的，该实际的振幅优选是利用一个振幅估测单元27由设计的转矩M_TBKonst（t）形成。M_TBKonst（t）表示干扰量值，该干扰量值可从M_TBfilt（t）和通过由M_Komp（t-1）的反馈计算出的、已被补偿的在扭杆转矩中的干扰部份的相加获得。若补偿不是有效的，则设计的转矩M_TBKonst（t）相当于滤波的扭杆转矩M_TBfilt（t）。而在有效的补偿情况下，相反地必须重新设计干扰信号。在这种情况下，设计转矩M_TBkonst（t）因此受制于反馈，而过滤的扭杆转矩M_TBsfilt（t）则仅能提供微小的帮助。如此求得的剩余振动的振幅A_MTB（t）是补偿质量的一个尺度，从而给出一个答复：是否要执行对于转向系统的批量生产中的偏差的适配，或者是否要根据转向系统的老化执行适配。

按在图2中所示的实施例，还附带地设置一个方向盘扭振-识别单元24。该识别单元能够根据是否实际存在方向盘扭振而激活或者去激活（deactivate）补偿转矩M_KOMP（t）的产生。方向盘扭振通常只存在于一个狭窄范围的速度带中以及在一直向前行驶时，因此只在该时间窗口内才需要激活该功能以确定补偿转矩。方向盘扭振-识别单元24按图2中实施例所示的实施形式包含一个模块28，在该模块中可以检验一个例如利用传感器16所实际探测到的方向盘角ang_LR（t），借以确定该实际的方向盘角是否在预定的限度内。因此便可确定，车辆是否实际在一直向前行驶或近乎一直向前行驶。在模块29中可以检验实际的激励频率f_o（t），借以确定该频率是否处于预定的频率限度内，从而可推断出车辆是否在某个速度范围移动。

在模块30中可检验出实际的振幅A_MTB（t）是否处于预定的限度内。利用模块28、29和、30所检验出的结果被送至模块31中，该模块最后促使可变频的干扰变量及状态变量计算器20的激活或去激活。为此可做如下设定：在模块31中利用模块28、29和30所测定的分析结果利用一种逻辑的“和运算”加以组合。据此方向盘扭振-识别单元24为了下述情况可激活补偿转矩M_KOMP（t）的确定：一个实际的转向角在可预定的转向角限度内移动、一个实际的激励频率在预定的频率限度内部并且所探测到的扭杆转矩的实际振幅处于预定的振幅限度内部。当存在这三个条件时，便可推断出方向盘扭振的存在，并激活补偿转矩的产生。

本发明的一个特别的优点在于：在确定补偿转矩M_KOMP（t）时，该转矩既可在其振幅方面又可在其相位特性方面精确地确定。仅仅引入一个具有180°相位的补偿转矩不能导致方向盘扭振的完全补偿，因为已确证相位特性曲线在180°时不是恒定的。

在图3中示例性地为一种可行的转向系统1绘示出以激励频率为一方和以相关相位为另一方之间的关系。在此在图3中示意地绘示出在对于方向盘扭振重要的从大约10至大约20Hz的频率范围内一个转向系统的相位特性曲线。按本实施可以看出：在一个大约为10Hz的频率条件下，相位特性曲线在160°；在频率为20Hz条件下，相位特性曲线则在约195°。根据本发明提出的在确定补偿信号时对相位特性曲线的详尽的考虑以及以模型为基础的反馈，可以比已知的方法和装置，大大改善补偿质量。

Claims (17)

1.一种用于在车辆中的包含能被控制的转矩调节器(7)的转向系统(1)的运行过程中补偿方向盘扭振的方法，其中，确定实际的扭杆转矩(M_TB)、根据该实际的扭杆转矩(M_TB)确定补偿转矩(M_Komp)并且根据该补偿转矩(M_Komp)实现对转矩调节器(7)的控制，其特征在于：将所述扭杆转矩(M_TB)或根据此扭杆转矩(M_TB)所形成的变量输送给可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)，所述可变频的干扰变量及状态变量计算器包含正弦形的干扰的模型和包含转矩调节器(7)的转矩的传递特性的模型，并借助于该可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)在使用所述干扰的模型的情况下确定补偿转矩(M_Komp)。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于：在确定补偿转矩(M_Komp)时借助于所述可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)考虑到方向盘扭振的振幅和相位。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在确定补偿转矩(M_Komp)的过程中考虑到方向盘扭振的已获得补偿的份额。

4.按权利要求3所述的方法，其特征在于：将补偿转矩(M_Komp)反馈至所述可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)。

5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：该模型描述至少在对于方向盘扭振重要的频率范围内既与振幅特性也与相位特性相关的传递特性。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于：只有当利用一种检验方法推断出存在方向盘扭振时才确定补偿转矩(M_Komp)。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于：在下述情况下推断出存在方向盘扭振：车辆速度(v(t))、车轮转速或与车轮转速相关的变量处在一个可预定的范围内并且转向系统至少基本上一直向前行驶运行。

8.按权利要求6或7所述的方法，其特征在于：检验方法包含对扭杆转矩的实际振幅的分析。

9.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：将所探测出的扭杆转矩加以滤波，并且将已滤波的扭杆转矩输送给可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)以确定补偿转矩(M_Komp)。

10.按权利要求9所述的方法，其特征在于：使用可变的带通滤波器(23)作为滤波器，根据车辆速度(V(t))、车轮转速或与车轮转速相关的变量形成一个激励频率(f_o)，并且根据该激励频率(f_o)选择可变的带通滤波器(23)的中心频率。

11.按权利要求1所述的方法，其特征在于：可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)在至少一个变量方面进行参数化，并且通过改变所述至少一个参数实现可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)的至少一个功能的适配，以用于补偿转向系统的批量生产中的偏差和/或用于补偿转向系统的老化。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于：所述至少一个参数根据所确定的补偿质量加以改变。

13.按权利要求12所述的方法，其特征在于：补偿质量能够通过对在扭杆转矩中仍然保留的剩余振动的振幅的分析来确定。

14.按上述权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于：可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)的适配至少包含传递特性的模型的适配。

15.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)设计成不可分开的模块，该模块根据扭杆转矩(M_TB)确定补偿转矩(M_Komp)。

16.一种用于在车辆中的转向系统(1)的运行过程中补偿方向盘扭振的补偿装置，转向系统(1)包含能被控制的转矩调节器(7)和用于确定实际扭杆转矩(M_TB)的装置(15)，并且该补偿装置包含用于根据实际的扭杆转矩(M_TB)确定补偿转矩(M_Komp)的装置和包含用于根据补偿转矩(M_Komp)控制转矩调节器(7)的装置，其特征在于：该补偿装置包含可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)，该可变频的干扰变量及状态变量计算器包含正弦形的干扰的模型和包含转矩调节器(7)的转矩的传递特性的模型，该可变频的干扰变量及状态变量计算器(20)设计成根据扭杆转矩(M_TB)或者一个根据扭杆转矩(M_TB)形成的变量在使用所述干扰的模型的情况下来确定补偿转矩(M_Komp)。

17.按权利要求16所述的补偿装置，其特征在于：该补偿装置具有执行按权利要求1至15中任一项所述的方法所用的手段。