CN103140406B

CN103140406B - 电动助力转向设备

Info

Publication number: CN103140406B
Application number: CN201180047443.0A
Authority: CN
Inventors: 铃木浩
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: US8983730B2; EP2621789B1; CN103140406A; JP5521954B2; US20130218417A1; WO2012042351A1; EP2621789A1; JP2012071759A

Abstract

一种电动机，该电动机具有在两个系统之间被共用的定子和转子。ECU（控制装置）通过彼此独立地将驱动电力供给至电动机线圈而对电动机转矩进行控制。当ECU判定车辆在不平坦的道路上行驶时，ECU通过使两个系统中的除了根据转向转矩和车辆速度而执行控制助力转矩的转矩控制的系统之外的另一个系统的电动机的至少两相短路而使电动机执行制动操作。

Description

电动助力转向设备

技术领域

本发明涉及一种电动助力转向设备。

背景技术

电动助力转向设备（EPS）通过使用电动机作为驱动源使转向轴旋转而向转向系统提供助力。车辆中的这种EPS根据车辆的行驶状态通过控制单个的电动机来改变其助力特性。然而，通过单个的电动机执行的控制在设定助力特性以精细地适于各种道路状况——从平坦的沥青道路（平坦道路）到例如石块路（Belgianroad）等的恶劣或凹凸不平的道路——方面具有局限性。因此，为了进一步提高助力特性设定中的自由度，EPS设置有从方向盘延伸至转向轮的转向系统中的两个驱动源（例如，日本专利申请公开No.2005-247214（JP-A-2005-247214））。日本专利申请公开No.2005-247214（JP-A-2005-247214）中示出的EPS使用了例如转向柱助力式EPS（转向柱式EPS）和小齿轮助力式EPS（小齿轮式EPS）作为两个驱动源，并且根据车辆的行驶状态控制转向柱式EPS的电动机以及小齿轮式EPS的电动机，以提高助力特性设定中的自由度。

然而，日本专利申请公开No.2005-247214（JP-A-2005-247214）中描述的EPS具有转向柱式EPS和小齿轮式EPS通过中间轴和接头互联的结构。因此，当车辆在不平坦的道路上行驶时，从路面向转向轮反向输入的力作用到中间轴和接头上，从而产生转向柱式EPS与小齿轮式EPS之间的扭曲，并且由扭曲引起的振动或旋转通过转向柱式EPS传递到方向盘。附带地，来自转向轮的力的反向输入被由小齿轮式EPS的机械摩擦和电动机的惯性产生的反作用限制。然而，由于转向轮同样通过中间轴和接头联接到转向柱式EPS，因此反向输入的较大的力特别是不可避免地传递到了方向盘。因此，发生失去对方向盘的控制或方向盘的振动，从而失去了车辆的直线向前方向的稳定性。

发明内容

本发明提供了一种电动助力转向设备，该电动助力转向设备不仅在平坦的道路上行驶期间而且在不平坦的道路上行驶期间都提高了车辆的直线向前方向的稳定性。

本发明的第一方面涉及一种电动助力转向设备，包括：转向力助力装置，该转向力助力装置基于由彼此独立地设置的两个系统的电动机线圈产生的磁动势而提供助力；以及控制装置，该控制装置用于通过对电动机线圈的电力供给来控制转向力助力装置的操作。控制装置包括：指令装置，该指令装置用于产生用于电力供给的电流指令值，所述电流指令值用以产生与助力相对应的电动机转矩；控制信号输出装置，该控制信号输出装置用于基于电流指令值为彼此独立的两个系统输出控制信号；以及彼此独立的两个系统的驱动电路，驱动电路基于控制信号将三相驱动电力输出至分别与驱动电路相对应的电动机线圈。当预定条件得到满足时，控制信号输出装置将控制信号输出至驱动电路，使电动机线圈的三相中的至少两相短路。

根据前述方面，在判定车辆在不平坦的道路上行驶的情况下（当预定条件满足时），在两个系统中的一个系统的电动机的三相中的至少两相之间产生短路，以产生制动操作（能耗制动）。因此，由于在不平坦的道路上行驶而输入的外部干扰能量能够通过电动机的内电阻以产生热量的方式被消耗，从而抑制了方向盘的摇晃（失去对方向盘的控制）以及方向盘的振动。因此，能够保持直线向前方向的稳定性并且能够改善转向感觉。

在前述方面中，当从转向轮至转向力助力装置的力的反向输入大于或等于预定值时，预定条件可得到满足。

在前述方面中，预定条件可以根据路面状况得到满足，路面状况基于安装有电动助力转向设备的车辆的速度以及该车辆的竖向加速度而判定。

在前述方面中，当预定条件得到满足时，控制信号输出装置可以将控制信号输出至驱动电路，使两个系统中的不执行助力操作的至少一个系统的电动机线圈的三相中的至少两相短路。

根据前述结构，当判定车辆在不平坦的道路上行驶时，使两个系统中的一个系统执行根据转向转矩和车辆速度来控制助力转矩的已知的转矩控制，而在不执行助力操作的另一系统中，电动机线圈的至少两相被短路以产生制动操作。因此，能够提高车辆直线向前方向的稳定性并且改善转向感觉。

在前述方面中，当预定条件得到满足时，控制信号输出装置可以将用于继续执行助力控制的控制信号输出至两个系统中的执行助力操作的至少一个系统的电动机线圈。

在前述方面中，其中，两个系统的电动机线圈具有在两个系统之间被共用的定子和转子。

根据本发明的上述方面，能够提供在平坦的道路上行驶期间以及在不平坦的道路上行驶期间都提高了车辆的直线向前方向的稳定性的电动助力转向设备。

附图说明

下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术意义和工业意义进行描述，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为电动助力转向设备（EPS）总结构图；

图2为电动机的总结构图；

图3为EPS的控制方框图；

图4同样为EPS的控制方框图；以及

图5为示出了助力控制的处理过程的流程图。

具体实施方式

下文中将参照附图描述本发明的实施方式。如图1所示，在本发明的实施方式的电动助力转向设备（EPS）1中，固定有方向盘2的转向轴3通过齿条-小齿轮机构4联接到齿条轴5。转向操作所涉及的转向轴3的旋转通过齿条-小齿轮机构4转换成齿条轴5沿两个相反方向中的任一方向的线性运动。附带地，本实施方式中的转向轴3由联接在一起的转向柱轴3a、中间轴3b和小齿轮轴3c组成。由转向轴3的旋转引起的齿条轴5的线性运动通过连接到齿条轴5的两个端部的拉杆6传输到转向节（未示出），从而改变转向轮7的转向角度，也就是说，改变车辆的行驶方向。

此外，EPS1还包括：作为转向力助力装置的EPS致动器10，其为转向系统提供用于在转向操作中进行辅助的助力；以及作为控制装置的ECU11，其用于控制EPS致动器10的致动。

在本实施方式中，EPS致动器10构造为所谓的转向柱式EPS致动器，其用作驱动源的电动机12通过减速机构13以传动的方式联接到转向柱轴3a。EPS致动器10在减小旋转速度的同时将电动机12的旋转传输到转向柱轴3a，由此为转向系统提供电动机转矩作为助力。

另一方面，ECU1连接到转矩传感器14和车辆速度传感器15。根据从这些传感器的输出信号检测到的转向转矩τ和车辆速度V，ECU11计算将要向转向系统提供的助力（目标助力）。然后，为了使EPS致动器10产生目标助力，ECU11通过对用作驱动源的电动机12的电力供给而对EPS致动器10的致动进行控制，也就是说，控制向转向系统提供的助力（电动助力控制）。

下面，将描述实施方式的EPS的电结构。如图2所示，实施方式中的电动机12通过围绕单个定子22缠绕两个独立系统的电动机线圈21A和21B而形成。具体地，两个系统中的第一系统的电动机线圈21A（21ua、21va和21wa）以及第二系统的电动机线圈21B（21ub、21vb和21wb）就相位（U、V和W）中的相应的一个各自缠绕在定子22的齿23（23u、23v和23w）中的相应的一个上。然后，在齿23（23u、23v和23w）的径向内侧处，转子24被可旋转地支承。

具体地，实施方式中的电动机12具有两个系统的电动机线圈21A和21B共用的定子22和转子24。转子24基于由围绕齿23（23u、23v和23w）缠绕的电动机线圈21A和21B产生的磁动势而旋转。然后，实施方式中的ECU11通过向电动机线圈21A和21B彼此独立地供给驱动电力来控制电动机12的电动机转矩。

如图3所示，实施方式中的ECU11包括：两个驱动电路26A和26B，其与电动机线圈21A和21B相对应地彼此独立地设置；以及微型计算机27，其分别向驱动电路26A和26B彼此独立地输出控制信号Smc_a和Smc_b。

具体地，驱动电路26A通过电力线28A（28ua、28va和28wa）连接到第一系统的电动机线圈21A，并且驱动电路26B通过电力线28B（28ub、28vb和28wb）连接到第二系统的电动机线圈21B。另外，微型计算机27输出的控制信号Smc_a被输入到驱动电路26A，并且微型计算机27输出的控制信号Smc_b被输入到驱动电路26B。附带地，在实施方式中，每个驱动电路26A和26B均使用由三个基本单元（三个臂）组成的已知的PWM逆变器，所述三个基本单元（三个臂）各自包括一对串联连接的开关元件，并且所述三个基本单元（三个臂）与三相相对应并且并联连接。微型计算机27输出的控制信号Smc_a和Smc_b限定了三相臂的占空比。实施方式中的ECU11将驱动电路26A和26B基于控制信号Smc_a和Smc_b而输出的驱动电力彼此独立地供给至相应的电动机线圈21A和21B。

将对此进行详细描述。如图4所示，实施方式中的微型计算机27包括：助力控制部30，该助力控制部30产生与对电动机12进行的电力供给有关的以电流指令值Iq＊，该电流指令值Iq＊用以产生与目标助力相对应的电动机转矩；以及控制信号输出部31，该控制信号输出部31基于电流指令值Iq＊执行两个系统的控制信号Smc_a和Smc_b的输出。

在本实施方式中，作为指令装置的助力控制部30基于由转矩传感器14检测的转向转矩τ以及由车辆速度传感器15检测的车辆速度V来计算与前述目标输助力相对应的电流指令值Iq＊。具体地，助力控制部30计算出这样的电流指令值Iq＊：使得转向转矩τ越大或车辆速度V越小，则产生越大的助力。然后，助力控制部30将基于转向转矩τ和车辆速度V的电流指令值Iq＊输出至控制信号输出部31，作为与对电动机12的电力供给有关的电流指令值Iq＊。

另一方面，构成控制信号输出装置的控制信号输出部31接收流经两个系统的电动机线圈21A和21B（参见图2）的电流的相电流值Iu_a、Iv_a和Iw_a和相电流值Iu_b、Iv_b和Iw_b以及电动机12的旋转角度θ的输入。附带地，在本实施方式中，如图3所示，相电流值Iu_a、Iv_a和Iw_a以及相电流值Iu_b、Iv_b和Iw_b由分别设置在两个系统的电力线28A和28B上的电流传感器32A（32ua、32va和32wa）和32B（32ub、32vb和32wb）独立地检测，而电动机12的旋转角度θ由两个系统共用的旋转角度传感器33检测。然后，控制信号输出部31输出与实施方式中设置的控制信号驱动电路26A和26B相对应的控制信号Smc_a和Smc_b。

将对此进行更详细的描述。实施方式中的控制信号输出部31包括：与第一系统（包括图3中示出的驱动电路26A、电动机线圈21A和电力线28A的系统）相对应的电流控制部35A和PWM转换部36A；以及与第二系统（包括图3中示出的驱动电路26B、电动机线圈21B和电力线28B的系统）相对应的电流控制部35B和PWM转换部36B。

此外，控制信号输出部31包括指令调停部37，该指令调停部37将从助力控制部30输入的电流指令值Iq＊输出为第一电流指令值Iq＊_a或第二电流指令值Iq＊_b。然后，电流控制部35（35A和35B）分别基于输入的电流指令值Iq＊_a和Iq＊_b独立地执行电流反馈控制。

具体地，每个电流控制部35（35A和35B）均将两个系统中的相应的一个系统的相电流值Iu_a、Iv_a和Iw_a或相电流值Iu_b,Iv_b和Iw_b转换成根据电动机12的旋转角度θ的d-q坐标系中的d轴电流值和q轴电流值（d-q转换）。此外，电流指令值Iq＊被输入作为q轴电流指令值（d轴电流指令值为“0”）。然后，电流控制部35（35A和35B）通过在三相交流电流坐标系上对d-q坐标系中的通过执行电流反馈控制获得的d轴电压指令值和q轴指令值进行映射（d-q逆转换）来计算两个系统中的相应的一个系统的相电压指令值Vu＊_a、Vv＊_a和Vw＊_a以及相电压指令值Vu＊_b、Vv＊_b和Vw＊_b。

然后，每个PWM转换部36（36A、36B）均基于从电流控制部35（35A和35B）中的相应的一个输入的相电压指令值Vu＊_a、Vv＊_a和Vw＊_a或相电压指令值Vu＊_b、Vv＊_b和Vw＊_b来执行用于两个系统中的相应的一个系统的驱动电路26A或26B的控制信号Smc_a或Smc_b的输出。

此外，如图4所示，本实施方式中的微型计算机27设置有能够检测车辆所行驶的道路的状况的行驶道路状况检测部39。本实施方式中的行驶道路状况检测部39基于由车辆速度传感器15和加速度传感器（未示出）提供的车辆速度V和车辆的竖向加速度G来判定车辆正在行驶的道路的状况。

下面，将描述实施方式中的EPS的控制。如图4所示，实施方式中的微型计算机27设置有能够检测与电动机线圈21A和21B相对应的系统的电力供给路径（参见图2）中发生通电故障的异常检测部38。

具体地，实施方式中的异常检测部38接收：流经两个系统的电动机线圈21A和21B的电流的相电流值Iu_a、Iv_a和Iw_a和相电流值Iu_b、Iv_a和Iw_b、示出了由控制信号Smc_a和Smc_b限定的相位的占空比的占空信号Sduty_a和Sduty_b、以及电动机12的旋转角速度ω的输入。然后，用作检测装置的异常检测部38基于前述状态量针对每相分别检测各个系统中通电故障的发生。

也就是说，对任一相而言，如果相电流值示出了非通电状态而占空信号Sduty_a或Sduty_b显示应当出现通电状态，则异常检测部38能够判定在该相中已经发生通电故障。然后，实施方式中的异常检测部38还添加基于电动机的旋转角速度ω的速度条件，并且由此排除高速旋转状态（此时逆电压（reverseelectromotivevoltage）的影响变得明显），以便能够准确地检测通电故障的发生。

此外，在本实施方式中，由异常检测部38进行的异常检测的结果被输入到控制信号输出部31作为异常检测信号。然后，如果在与电动机线圈21A和21B相对应的两个系统中的一个中检测到发生通电故障，则实施方式中的控制信号输出部31优先向两个系统中的另一个的驱动电路输出控制信号。

将对此进行详细描述。如在图5中的流程图中所示出的，在实施方式中的控制信号输出部31中，指令调停部37首先判定输入到指令调停部37的异常检测信号S_tr是否显示检测到了通电故障（步骤501）。如果信号显示检测到了通电故障（步骤501为是），则指令调停部37随后判定通电故障是否已经发生在与电动机线圈21A相对应的第一系统中（步骤502）。然后，如果通电故障是发生在第一系统中（步骤502为是），则指令调停部37停止第一系统中的电力供给（步骤503），并且优先向与电动机线圈21B相对应的第二系统的驱动电路26B输出控制信号Smc_b（步骤504）。

另一方面，如果在步骤502中，指令调停部37判定出通电故障发生在第二系统中（步骤502为否），则指令调停部37停止第二系统中的电力供给（步骤505），并且优先向第一系统的驱动电路26A输出控制信号Smc_a（步骤506）。此外，在实施方式中，如果在步骤501中，指令调停部37判定出异常检测信号S_tr没有显示发生通电故障（步骤501为否），则在步骤510中，指令调停部37也优先向第一系统的驱动电路26A输出控制信号Smc_a（随后进行描述）。

实施方式中的设置在控制信号输出部31中的各个电流控制部35（35A和35B）计算两个系统中的相应的一个系统的相电压指令值Vu＊、Vv＊和Vw＊，以便在任一系统中都没有检测到通电故障发生的正常状态期间供给如上所述的三相驱动电力。由电流控制部35计算的相电压指令值Vu＊、Vv＊和Vw＊与异常检测信号S_tr一起被输入到PWM转换部36中。具体地，在实施方式中的控制信号输出部31中，如果输入的异常检测信号S_tr显示“没有检测到相应的一个系统中发生通电故障”，则行驶道路状况检测部39判定车辆是否在不平坦的道路上行驶。如果判定出车辆在普通的平坦道路上行驶，则电流控制部35B为了断开第二系统的三个相位的电动机线圈而对相应的PWM转换部36B进行控制，使得PWM转换部36B输出产生驱动电路26B的PWM逆变器中的三相臂的上臂元件和下臂元件（即，上开关元件和下开关元件）的整体断开状态的控制信号Smc_b（普通控制）。

另一方面，如果判定出车辆在不平坦的道路上行驶，则电流控制部35B对第二系统的PWM转换部36B进行控制，使得PWM转换部36B输出产生驱动电路26B的PWM逆变器中的上臂元件或下臂元件的整体接通状态(on-state)的控制信号Smc_b，以便使至少两个相位的电动机线圈短路。

将对此进行详细描述。如在图5中的流程图中所示出的，当基于由车辆速度传感器15和加速度传感器（未示出）输入的车辆速度V和车辆的竖向加速度G而产生的行驶模式检测信号S_rd显示车辆在普通的平坦路面上行驶时（步骤507为否），本实施方式中的控制信号输出部31断开第二系统的三个相位的电动机线圈（步骤508）。随后，PWM转换部36A将控制信号Smc_a输出至第一系统的驱动电路26A（步骤510），以便通过第一系统继续执行助力控制。如果行驶道路状况检测部39显示检测到车辆在不平坦的道路上行驶（步骤507为是），则电流控制部35B以制动模式（例如，制动电流流经逆变器的上臂元件或下臂元件的能耗制动）驱动第二系统（步骤509）。随后，第一系统的电流控制部35A将控制信号Smc_a输出到第一系统的驱动电路26A以便继续执行助力控制（步骤510）。

根据实施方式，能够获得如下作用和效果。本实施方式中的电动机具有由两个系统的电动机线圈公用的定子和转子，并且如上所述，转子根据由围绕齿缠绕的电动机线圈产生的磁动势而旋转。本实施方式中的ECU（控制装置）构造成通过彼此独立地向单独的电动机线圈驱动电力来控制电动机转矩。也就是说，本实施方式中的ECU包括：两个驱动电路，其与电动机线圈相对应的彼此独立地设置；以及微型计算机，其将控制信号彼此独立地输出至驱动电路。

根据前述结构，当车辆在普通的平坦道路上行驶时，两个系统中的一个系统执行根据转向转矩和车辆速度来控制助力转矩的已知的转矩控制，并且另一系统通常使电动机线圈断开，并因此不操作电动机。当判定出车辆在不平坦的道路上行驶时，在另一系统的电动机线圈的至少两相之间产生短路，以产生制动操作（能耗制动）。因此，由于在不平坦的道路上行驶而输入的外部干扰能量能够通过电动机的内电阻以产生热量的方式被消耗，从而抑制了方向盘的摇晃（失去对方向盘的控制）以及方向盘的振动。因此，能够保持直线向前方向的稳定性并且能够改善转向感觉。

此外，由于定子和转子设置成被两个系统所共用的这种电动机结构，因此能够降低电动机的成本。在执行助力控制的系统的逆变器中发生通电故障的情况下，另一正常的系统用于执行已知的转矩控制以继续转向助力操作。因此，通过停止对已经发生通电故障的系统供给电力，并且切换到由正常的另一系统执行的助力控制，能够在不发生转矩脉动的情况下继续进行转向。

附带地，前述实施方式可以进行如下改变和改型。

（a）尽管在前述实施方式中，本发明实施为转向柱助力式EPS1，但本发明也可以应用于小齿轮助力式EPS和齿条助力式EPS。

（b）在前述实施方式中，EPS致动器10使用以下电动机12作为驱动源：该电动机12具有由两个系统的电动机线圈21A和21B共用的定子（stator）22和转子24。然而，这不是限制性的。例如，本发明可以实施为每个电动机线圈均具有其自己的定子或其自已的转子的构造。此外，本发明还适用于采用两个电动机作为驱动源的结构。

（c）此外，每个系统的电动机线圈均可以设置成具有线圈的相位彼此移位（shift）的关系。

（d）尽管在前述实施方式中，当车辆在不平坦的道路上行驶时，第二系统的电动机线圈的至少两相被短路，使得电动机以制动模式被驱动，但第二系统的电动机线圈的短路和开路可以间歇地重复，使得电动机线圈交替地以制动状态和自由状态被控制。此外，第二系统的电动机线圈的控制可以为以下PWM控制：其中电动机线圈的状态根据电动机的旋转速度而从间歇地接通状态改变成短路状态，或也可以为以下控制：其中电动机线圈的状态根据电动机旋转的波动周期而从间歇地接通状态改变成短路状态。

（e）尽管在前述实施方式中，当车辆在普通路面上行驶时，第二系统的电动机线圈是断开的，但第二系统可以被控制成使得在这样的行驶状态期间第二系统的电动机转矩输出变为零。

Claims

1.一种电动助力转向设备(1)，包括：转向力助力装置(10)，所述转向力助力装置(10)基于由彼此独立地设置的两个系统的电动机线圈(21A，21B)产生的磁动势而提供助力；以及控制装置(11)，所述控制装置(11)用于通过对所述电动机线圈(21A，21B)的电力供给来控制所述转向力助力装置(10)的操作，所述电动助力转向设备(1)的特征在于：

所述控制装置(11)包括：指令装置(30)，所述指令装置(30)用于产生用于所述电力供给的电流指令值，所述电流指令值用以产生与所述助力相对应的电动机转矩；控制信号输出装置(31)，所述控制信号输出装置(31)用于基于所述电流指令值为彼此独立的所述两个系统输出控制信号；以及彼此独立的所述两个系统的驱动电路(26A，26B)，所述驱动电路(26A，26B)基于所述控制信号将三相驱动电力输出至分别与所述驱动电路(26A，26B)相对应的所述电动机线圈(21A，21B)，并且

当预定条件得到满足时，所述控制信号输出装置(31)将所述控制信号输出至所述驱动电路(26A，26B)，使所述两个系统中的一个系统继续执行助力操作，并且使两个系统中的不执行助力操作的另一个系统的电动机线圈的三相中的至少两相短路。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向设备(1)，其中，当从转向轮至所述转向力助力装置(10)的力的反向输入大于或等于预定值时，所述预定条件得到满足。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向设备(1)，其中，所述预定条件根据路面状况得到满足，所述路面状况基于安装有所述电动助力转向设备(1)的车辆的速度以及所述车辆的竖向加速度来判定。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电动助力转向设备(1)，其中，所述两个系统的电动机线圈(21A，21B)具有在所述两个系统之间被共用的定子(22)和转子(24)。