CN103010300B - 助力转向系统的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有频率相关阻尼的惯性补偿。提供一种电动助力转向系统的控制系统。该系统包括马达和与马达通信的控制模块。该控制模块向马达提供补偿命令。该控制模块包括用于基于基本辅助命令和车辆速度确定频率相关阻尼(FDD)系数的频率相关阻尼模块。控制模块包括用于确定多个滤波器系数的系数模块。该滤波器系数基于FDD系数、车辆速度和惯性补偿系数。控制模块包括用于基于多个滤波器系数确定补偿命令的滤波器模块。

Description

助力转向系统的控制系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2011年9月9日提交的美国临时专利申请序列号61/532,933的优先权，其全部内容在此作为参考合并。

技术领域

本发明涉及动力转向系统的控制系统，尤其涉及用于提供基于频率相关阻尼(FDD)系数和惯性补偿系数的补偿命令的控制系统。

背景技术

电动助力转向(EPS)系统通过向转向系统提供特定量的辅助扭矩以辅助驾驶员转向。辅助扭矩通过电马达提供。然而马达向转向系统增加了额外的马达惯性。具体来说，马达惯性可影响转向系统的触觉。因此，由于马达惯性驾驶员可能需要向方向盘施加扭矩以便加速和减速方向盘。这种情况有时被称为惯性感。

发展了各种算法以补偿引入转向系统的额外马达惯性。一种方法具体在马达速度传感器上使用滤波器以仿真确定马达加速度的导数计算。马达加速度乘以马达惯性，马达加速度和马达惯性的乘积表示达到马达惯性的加速度所需的扭矩。然后，扭矩由马达产生。因此，加速或减速方向盘所需的扭矩由马达提供，而不是由驾驶员提供。然而，这种方法的一个缺点是马达的惯性直到马达开始移动才得到补偿。结果是马达初始被加速或减速时缺乏补偿。

另一个缺点是这里通常有其他EPS算法使用滤波后的马达速度。这些算法，如果没有合适地与上述惯性补偿方案相协调，可能得到无法预料的结果。一个这种功能可以被称为为频率相关阻尼，其增加与高频马达速度信号成比例的阻尼补偿扭矩。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种电动助力转向系统的控制系统。该系统包括马达和与马达通信的控制模块。控制模块向马达提供补偿命令。控制模块包括用于基于基本辅助命令和车辆速度确定频率相关阻尼(FDD)系数的频率相关阻尼模块。控制模块包括用于确定多个滤波器系数的系数模块。滤波器系数基于FDD系数、车辆速度和惯性补偿系数。控制模块包括用于基于多个滤波器系数确定补偿命令的滤波器模块。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于控制电动助力转向系统的方法。该方法包括通过控制模块基于基本辅助命令和车辆速度确定频率相关阻尼(FDD)系数。该方法包括通过控制模块基于FDD系数、车辆速度和惯性补偿系数计算多个滤波器系数。该方法包括通过控制模块向马达提供补偿命令。该补偿命令是基于多个滤波器系数的。

这些和其他优点和特征将在以下说明中结合附图变得更加易于理解。

附图说明

在说明书的结论部分处的权利要求中具体指出了并明确要求保护了被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征、优点从以下详细的说明书中结合附图变得易于理解，其中：

图1是根据本发明的示例性实施例的电动助力转向控制系统的框图；

图2是根据本发明的另一个示例性实施例的电动助力转向控制系统的数据流程图；

图3是根据本发明的另一个方面的图2中所示驾驶员速度模块的视图；

图4是根据本发明的又一个方面的图2中所示的频率相关阻尼(FDD)模块的视图；

图5A-5F是根据本发明另一个方面的图2中所示的滤波器系数模块的各种滤波器系数计算框的视图；

图6是根据本发明又一个方面的图2中所示滤波器速度模块的视图；和

图7A-7B是转向系统的示例性滤波后响应的曲线图，其中图7A是示出量级的曲线图且图7B是示出了滤波后响应相位的曲线图。

具体实施方式

现在参考附图，其中本发明将参考特定实施例描述，而不是限制于这些实施例，图1是示例性电动助力转向系统10的示意图。助力转向系统10包括马达20、转向机构22、扭矩传感器26和控制模块30。在图1所示的实施例中，控制模块30与马达20、转向机构22和扭矩传感器26通信。马达20是用于向转向机构22提供辅助扭矩的电马达。转向机构22可以包括连接到上部转向轴40的转向盘38。在一个实施例中，动力转向系统10可以是车辆(未示出)的部分，其中扭矩传感器26检测驾驶员施加在方向盘38上的扭矩量。

控制模块30控制动力转向系统10的操作。现在参考图2，示出了用来控制图1中助力转向系统10的图1中控制模块30的示例性实施例的数据流程框图。在各种实施例中，控制模块30可以包括一个或多个子模块和数据库。如这里使用的，术语模块和子模块表示专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或组合的)和内存，或组合逻辑电路。如可以理解的，图2中示出的子模块可以组合和/或进一步划分。控制模块30的输入可以从马达20、转向机构22、扭矩传感器26产生，从其他控制模块(未示出)产生，可以建模得到，和/或可以预先确定。

参考图1-2，控制模块30接收作为输入的方向盘扭矩40、马达速度42、基本辅助命令44和车辆速度46。方向盘扭矩40可以通过图1中所示的扭矩传感器26监测。马达速度42基于图1中所示马达20的速度。基本辅助命令44表示由马达20应用的用于驾驶员辅助的扭矩量。基本辅助命令44是方向盘扭矩40和车辆速度46的函数。控制模块30包括用来确定提供给马达20的补偿命令60的驾驶员速度模块50、频率相关阻尼(FDD)模块52、滤波器系数模块54、滤波器速度模块56、和惯性补偿模块58(图1所示)。

驾驶员速度模块50接收作为输入的方向盘扭矩40和马达速度42，并基于这些输入确定比例驾驶员速度值62。特别地，图3是驾驶员速度模块50的示例性示意图。块100将方向盘扭矩40转换为角坐标下测量的扭杆扭曲角102。在一个方法中，扭杆刚度常数104可以用来确定扭杆扭曲角102(例如，如果图1中所示扭矩传感器26是扭杆型扭矩传感器)。扭杆扭曲角102传送到导数块106。导数块106接收作为输入的扭杆扭曲角102和预先测量的扭杆扭曲角108以确定扭杆扭曲速度110。扭杆扭曲速度110发送到滤波器112。滤波器112用来减少扭杆扭曲速度110中的噪声。在一个方法中，滤波器112可以是第一阶滤波器，然而可以理解的是其他类型的滤波器也可以使用。扭杆扭曲速度110发送到块114，其中扭杆扭曲速度110转换到马达坐标。特别地，马达对方向盘比116被发送到块114以将扭杆扭曲速度110转换到马达坐标。

在马达坐标中的扭杆扭曲速度110和马达速度42被发送到缩放块120。缩放块120还接收作为输入的方向盘122的缩放因子和马达速度124的缩放因子(缩放因子122和124可以作为查询表存储在内存中)。缩放块120基于马达速度42、扭杆扭曲速度110、用于方向盘速度122的缩放因子和用于马达速度124的缩放因子确定比例驾驶员速度62。比例驾驶员速度62允许在马达20(图1所示)开始移动之前产生惯性补偿命令。这是因为扭矩传感器26(图1所示)可以表示在马达20实际开始移动之前驾驶员施加在方向盘38上的力量(例如，方向盘扭矩40)。

参考图2，FDD模块52接收作为输入的基本辅助命令44和车辆速度46，并基于这些输入确定FDD系数64。在图4中详细示出了FDD模块52。现在参考图4，基本辅助44发送到量级块130。基本辅助44的量级132然后发送到滚动FDD表136和静止FDD表138。如果车辆是运动的(例如非零车速)滚动FDD表136就是确定FDD系数64的查询表。如果车辆的静止的(例如零车速)静止FDD表138就是确定FDD系数64的查询表。还提供混合表140，其确定在0和1之间的基于车速46的比例因子142。例如，混合值1表示FDD系数64是静止FDD系数144(例如基于静止FDD表138)，且混合值0表示FDD系数64是滚动FDD系数146(例如基于转动FDD表136)。比例因子142和静止FDD系数144发送乘法器150。乘法器150的乘积152和滚动FDD系数146被发送到求和点154以确定FDD系数64。

参考图2，惯性补偿模块58接收作为输入的车辆速度46和FDD系数64以确定惯性补偿系数k。图5A-5B示出了用于确定惯性补偿系数k的示例性方法。图5A是计算频率中点Ω的方法的示例性示意图。频率中点Ω通常表示图7中所示的在频率相关阻尼和惯性补偿值之间的中点。频率中点Ω通过发送车辆速度46到频率查询表200确定以确定相应的频率值。

图5B示出了用于基于频率中点Ω计算惯性补偿系数k的示例性方法。惯性补偿系数k补偿马达20的惯性(图1中所示)以及通过FDD系数64的计算增加给系统的惯性。频率中点Ω在块206内求平方，并发送到求和点210。求和点210的输出发送乘法器212以及块214，其确定求和点210的输出的平方根216。平方根216和FDD系数64被发送到块218。应当注意FDD系数64可以将惯性影响引入转向系统10。提供块218以补偿通过FDD系数64引入的惯性效应。块218的输出220(例如用于FDD系数64产生的惯性效应的补偿值)发送到求和点222。

惯性补偿值224也被发送到求和点222。惯性补偿值224表示实际物理系统的惯性(例如转向系统10)，求和点的输出226被发送到乘法器212。基于车辆速度46的惯性补偿比例因子225还可以发送到乘法器212。在一个方法中，惯性补偿比例因子225通常从大约0到大约2的范围。乘法器212接收作为输入的求和点210的输出、输出226、和惯性补偿比例因子224以确定惯性补偿系数k。

参考图2，滤波器系数模块54接收作为输入的FDD系数64、车辆速度46、和惯性补偿系数k。在图2所示的具体实施例中，滤波器系数54计算标记a0，a1，a2，b0，b1和b2的六个系数。应当注意尽管图2中示出了六个系数，也可以计算多于六个系数(例如，通过滤波器系数模块54通常计算至少六个系数)。系数a0，a1，a2，b0，b1和b2基于转向系统10的FDD系数和惯性补偿系数或值(图5B中所示参考数字224)。

系数a0，a1，a2，b0，b1和b2用来确定惯性补偿和频率相关阻尼如何组合在一起。例如，现在参考图7A-7B，示出了组合的惯性补偿和频率相关阻尼的示例性滤波后响应，其中图7A是示出了量级的曲线图和图7B是示出了滤波后响应相位的曲线图。图7A-7B所示的曲线图出了用于惯性补偿和频率相关阻尼的大致频率范围。特别地，在图7A-7B所示示例性实施例中，惯性补偿开始在大约10Hz到大约20Hz之间过渡到频率相关阻尼。

图5C-5F示出一种计算系数a0，a1，a2，b0，b1和b2的方法。图5C示出了用于确定系数b0的示例性方法。在图5C所示的实施例中，FDD时间常数230和惯性补偿系数k相乘并发送到块232。FDD时间常数230、FDD系数64、和频率中点Ω相乘并发送到块232。FDD系数64与增益因子234相乘(例如2)且也发送到块232。块232的输出236与增益因子240(例如2)相乘以确定系数b0。而且，图5C所示的方法还可以用来计算系数b2，除了负号250变化为正号，且正号252变化为负号(而且，应当注意b0步等于-b2)。

图5D是用于确定系数b1的示例性方法。在图5D所示的实施例中，FDD系数64乘以增益因子(例如8)以确定系数b1。

图5E是用于确定系数a0的示例性方法。在图5E所示的实施例中，FDD时间常数230和频率中点Ω相乘并发送到块260。常数262(例如2)还发送到块260。块260的输出264被块266平方以确定系数a0。在图5E中所示的方法可以用来计算系数a2，除了负号270变化为正号。

图5F是用于确定系数a1的示例性方法。在图5F中所示的实施例中，FDD时间常数230和频率中点Ω相乘然后在块272中平方。块272的输出发送到块274。常数276(例如4)也发送到块274。块274的输出乘以增益因子278(例如2)以确定系数a1。

参考图2，系数a0，a1，a2，b0，b1和b2和比例驾驶员速度62发送到滤波器速度模块56。图6是滤波器速度模块56的示例性示意图。提供滤波器300，其接收系数a0，a1，a2，b0，b1和b2和比例驾驶员速度62并确定补偿命令60。在一个实施例中，滤波器300可以是第二阶滤波器，然而，应当理解可以使用其他类型的滤波器。

通常参考图1-7B，所述转向系统10具有使用各种系数(例如系数a0，a1，a2，b0，b1和b2)将惯性补偿和频率相关阻尼组合在一起的协调响应。通过主动将惯性补偿和频率相关阻尼组合在一起，两个函数可以同时存在于同样的系统上，因此解决原本由各个函数单独解决的各种问题。具体来说，例如，频率相关阻尼函数通常增加惯性到转向系统10。由频率相关阻尼函数产生的额外惯性使用图1-7B所述的方法补偿(例如，通过惯性补偿系数k)。此外，如图2所示，比例驾驶员速度62允许频率相关阻尼和惯性补偿指令在马达20(如图1所示)开始移动之前产生。这是因为扭矩传感器26(如图1所示)可以指示在马达20实际开始移动之前驾驶员施加在方向盘38上的力量。因此，不像一些当前可获得的方法，这些方法仅使用马达速度，当马达20开始加速和减速时可以补偿马达20的惯性。此外，当与当前获得的其他方法相比，马达20的惯性补偿可以更多的指示驾驶员行为(例如，施加在方向盘38上的扭矩)。

尽管仅仅结合有限的实施例详细描述了本发明，应当理解的是本发明不受限于所公开的实施例。而且，本发明可以改变以合并以前未描述的但是都符合本发明的精神和范围的任意变化、变型、替换或等同方式。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，应当理解的是本发明的各方面可以包括仅仅一些所述的实施例。因此，本发明不应看作是由前述说明所限制。

Claims (13)

1.一种助力转向系统的控制系统，包括：

马达；

与马达通信的控制模块，该控制模块向马达提供补偿命令，其特征在于，该控制模块包括：

用于基于基本辅助命令和车辆速度确定频率相关阻尼(FDD)系数的频率相关阻尼模块；

用于确定多个滤波器系数的系数模块，所述滤波器系数基于频率相关阻尼(FDD)系数、车辆速度和惯性补偿系数；和

用于基于所述多个滤波器系数确定补偿命令的滤波器模块。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，包括确定比例驾驶员速度值的驾驶员速度模块，其中比例驾驶员速度值发送到滤波器模块，其中比例驾驶员速度基于马达速度、扭杆扭曲速度、用于方向盘速度的缩放因子和用于马达速度的缩放因子，并且补偿命令基于比例驾驶员速度。

3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，扭矩传感器检测施加在方向盘上的扭矩量以确定方向盘扭矩。

4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，使用至少六个滤波器系数来确定补偿命令。

5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，多个滤波器系数中的至少一个基于频率中点，且其中频率中点通过发送车辆速度到频率查询表以确定相应频率值来确定。

6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，包括确定惯性补偿系数的惯性补偿模块，其中多个滤波器系数中的至少一个基于惯性补偿系数，其中惯性补偿系数基于频率中点、频率相关阻尼(FDD)系数和惯性补偿值。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，惯性补偿值表示助力转向系统的一部分惯性。

8.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，频率相关阻尼(FDD)系数引入惯性效应到动力转向系统，且其中FDD补偿值基于惯性效应确定。

9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，惯性补偿系数基于FDD补偿值。

10.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，滤波器模块包括至少第二阶滤波器。

11.一种控制助力转向系统的方法，其特征在于，包括：

基于基本辅助命令和车辆速度通过控制模块确定频率相关阻尼(FDD)系数；

基于频率相关阻尼(FDD)系数、车辆速度、和惯性补偿系数通过控制模块确定多个滤波器系数；和

通过控制模块提供补偿命令给马达，补偿命令基于所述多个滤波器系数。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括通过控制模块确定比例驾驶员速度值，其中比例驾驶员速度值发送到滤波器模块，其中比例驾驶员速度基于马达速度、扭杆扭曲速度、用于方向盘速度的缩放因子和用于马达速度的缩放因子，并且补偿命令基于比例驾驶员速度。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，多个滤波器系数中的至少一个基于频率中点，且其中频率中点通过发送车辆速度到频率查询表以确定相应频率值来确定。