CN103237712B - 电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

一种电动助力转向组件，其包括：将方向盘可操作地连接到车辆的负重轮的转向机构；适合于产生指示由转向机构的一部分（2）承载的扭矩的第一输出信号的扭矩感测装置（5）；用于产生指示转向机构的所述部分的角速度的第二输出信号的装置；可操作地连接到转向机构的电动马达（1）；适合于接收两个输出信号并且从其产生表示将由马达施加到转向机构的扭矩的总扭矩需求信号的信号处理单元（6）；以及适合于响应扭矩需求信号将驱动电流提供给马达的马达驱动级。总扭矩需求信号包括取决于第二输出信号的阻尼分量。用于产生偏航阻尼分量的装置包括具有一个极点和一个零点的滤波器，并且在使用中第二信号通过滤波器以产生阻尼分量，选择极点和零点的频率使得滤波器提供在极点和零点之间的频带，在所述频带内经滤波的第二信号和速度信号的相位相比于在所述频带外部进一步异相或同相。

Description

电动助力转向系统

技术领域

本发明涉及这样一种类型的电动助力转向系统，其中电动马达适合于将辅助扭矩施加到诸如转向柱的转向部件，从而减小控制车辆所需的驾驶员用力。

背景技术

在简单的电动助力转向系统中提供扭矩传感器，该扭矩传感器布置成使得测量转向柱中的扭矩水平。控制器根据这种测量来计算辅助扭矩需求信号的值，该值指示将由附连到转向柱的电动马达生成的扭矩。马达将与驾驶员所需一样的扭矩施加到转向柱并且因此减小转动方向盘所需的力气。

在激发车辆偏航模式瞬时响应的某些驾驶操控中，这种简单布置出现问题—导致车辆所谓的“摆尾”。这些操控典型地是驾驶员对驾驶盘的“无支撑”作用（例如旋转“轻打”）的结果，其中驾驶员施加快速驾驶盘角度变化，但是未用任何显著施加的扭矩将它进行到底，或者可能在启动快速转动之后释放驾驶盘。

在这样的情况下期望驾驶盘以最小的超调量或振动量快速地返回中心“直行”位置。然而，一般而言，具有EPS动态系统的典型车辆在它的自由旋转响应中受到阻尼。通常通过将“轻打”或扭矩脉冲施加到方向盘并且主观评定它的随后旋转响应来评估这种特性。更高的精度和速度对所述评定有改善作用，并且方向盘返回中心时的超调或振动有损所述评定。

美国专利5257828描述了一种用以阻尼具有EPS的车辆的自由响应的控制策略。采用转向柱速度的比例控制器的形式，该算法通过车辆速度相关增益对转向柱的旋转速度进行比率换算并且从否则将作为辅助扭矩需求信号提供的值减去比率换算出的值。该策略因此用于以自由和强制模式抵抗转向系统的旋转。所以必须谨慎地选择车辆速度相关增益的水平以提供足够的自由响应阻尼但在强制模式下不会引起“粘滞”过阻尼转向感觉。

在美国专利5919241(德尔福，1999)所公开的备选策略中，在由车辆速度相关增益对柱速度信号进行比率换算并且从辅助扭矩需求减去所得到的偏航阻尼扭矩需求之前，将具有大约2Hz的拐角频率的低通滤波器应用于柱速度信号。低通滤波器的加入明显地减小在拐角频率之上的柱速度频率对偏航阻尼扭矩需求的贡献。所以增加柱速度响应的带宽，改善方向盘返回中心的速度并且减小强制驾驶员输入的“粘滞”感觉。

国际专利申请WO2009030905将并行路径加入原始“线性”偏航阻尼策略，其中在与线性偏航阻尼扭矩需求相加之前将旋转速度的平方由车辆速度相关增益进行比率换算。偏航阻尼扭矩需求与柱速度的二次方相关表示它对正常低速转向输入提供很少的阻力，但是对典型地触发最差返回中心行为的罕见高速转向输入提供明显更多的阻力。该功能因此实现强制模式下的感觉和自由模式下的返回中心行为之间的更好平衡。

欧洲专利1211158将高通滤波器应用于经比率换算的柱速度以产生“惯性补偿”扭矩需求。将所得到的扭矩加入辅助扭矩需求以通过增大高频辅助扭矩来改善转向感觉。将经高通滤波的柱速度相关项加入辅助扭矩需求导致柱速度响应的带宽的增加，由此改善方向盘返回中心的速度并且减小强制驾驶员输入的“粘滞”感觉。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种电动助力转向组件，其包括：将方向盘可操作地连接到车辆的负重轮的转向机构；适合于产生指示由所述转向机构的一部分承载的扭矩的第一输出信号的扭矩感测装置；用于产生指示所述转向机构的所述部分的角速度的第二输出信号的装置；可操作地连接到所述转向机构的电动马达；适合于接收所述两个输出信号并且从其产生表示将由所述马达施加到所述转向机构的扭矩的总扭矩需求信号的信号处理单元；以及适合于响应所述扭矩需求信号将驱动电流提供给所述马达的电机驱动级，其特征在于，所述总扭矩需求信号包括取决于所述第二输出信号的阻尼分量，用于产生偏航阻尼分量的装置包括具有一个极点和一个零点的滤波器，所述第二输出信号通过所述滤波器以产生所述阻尼分量，选择所述极点和所述零点的频率使得所述滤波器提供在所述极点和所述零点之间的频带，相比于在所述频带之外的所述第二输出信号和滤波器输出之间的恒定相位偏移，在所述频带内所述第二输出信号和所述滤波器的输出之间存在附加相位滞后或超前。

所以转向系统包括从通过单极点/单零点滤波器（通常被称为“超前/滞后”滤波器）的柱速度信号导出的扭矩阻尼分量。申请人意识到这样的滤波器的使用相对于使用低通滤波器或高通滤波器的现有技术提供显著益处。阻尼分量可以提供偏航阻尼分量。超前/滞后滤波器本身可以以下形式表达：

其中Κ是固定增益项，并且ω₁和ω₀分别是极点和零点的拐角频率。

所述极点的拐角频率可以高于所述零点的拐角频率。这提供极点和零点之间的频带中的附加相位超前。

备选地，所述极点的拐角频率可以低于所述零点的拐角频率。

增益项Κ可以在值上是固定的，或者可以取决于车辆行为的参数，例如车辆速度。

滤波器可以布置成使得经滤波的第二输出信号与第二输出信号的增益的比率在极点/零点频率之上的频率下比在极点/零点频率之间更高。

备选地，滤波器可以提供在极点/零点频率之上比在极点/零点频率之间更低的增益。

超前/滞后滤波器可以接收与柱的速度的平方相关的项（所谓的二次方项）作为输入。除了接收是柱速度的线性函数的项作为输入之外，这也是可以的。

总扭矩需求信号可以包括取决于指示车辆的驾驶员所需要的扭矩的第一输出信号的值的辅助扭矩分量。这可以被加入阻尼信号，或者可以从辅助扭矩信号减去所述阻尼信号。组合是加还是减将在不同系统之间变化，但是总阻尼分量将减小总扭矩需求信号的幅度。

根据第二方面，提供一种产生用于电动助力转向系统中的扭矩阻尼分量的方法，所述方法包括以下步骤：

生成第一柱速度项，所述第一柱速度项包括柱速度和第一比率换算函数的乘积；以及

产生阻尼扭矩分量，所述阻尼扭矩分量取决于所述第一柱速度项；

其特征在于，产生阻尼扭矩的步骤包括使所述第一柱速度项通过具有一个极点和一个零点的超前/滞后滤波器。

所述方法还可以包括生成第二柱速度项的步骤，所述第二柱速度项包括柱速度的平方或更高阶因数和第二比率换算函数的乘积，并且产生阻尼扭矩分量的步骤可以包括产生取决于所述第一柱速度项和第二柱速度项之和的分量。

本发明的第一方面的装置的特征可以包含到本发明的第二方面中。例如所使用的滤波器的极点的拐角频率可以比零点的拐角频率更高，或者极点的拐角频率可以低于零点的拐角频率。

该方法可以附加地包括生成可以与第一扭矩阻尼分量组合的另外的阻尼分量。它也可以包括生成可以与阻尼分量组合以提供总扭矩需求值的辅助扭矩分量。

附图说明

现在将参考附图仅仅通过例子描述本发明的一个实施例，其中

图1是根据本发明的电动助力转向系统的第一实施例的示意图；

图2是示出图1的线性偏航阻尼分量的传递函数的方块图；

图3的（a）是图1的线性偏航阻尼分量的伯德图，绘制了频率与幅度的关系，（b）绘制频率与相位的关系；

图4是偏航阻尼分量的等效电路表示；

图5是图1的偏航阻尼分量的备选等效电路表示；

图6是根据本发明的电动助力转向系统的第二实施例的方块图；以及

图7是根据本发明的电动助力转向系统的第三实施例的示意图。

具体实施方式

在附图的图1中示出典型的电动助力转向系统。该系统包括通过（可选的）齿轮箱4作用于转向柱2的一部分的电动马达1。电动马达1可以作用于将转向柱连接到负重轮的转向齿轮的不同部分，例如齿条和小齿轮。转向柱在一端连接到方向盘3，该方向盘可以由驾驶员转动以转动负重轮并且因此转向车辆。当然，这不被认为限制我们寻求的本发明的保护范围，并且可以预见本发明得以应用的其它动力助力转向系统。

转向柱2承载一多输出传感器5，所述多输出传感器适合于测量当方向盘（未显示）和因此转向柱抵抗由车辆负重轮（也未显示）提供的阻力被转动时由车辆的驾驶员产生的转向柱2所承载的扭矩。指示扭矩的输出信号T从传感器5馈送到以虚线显示的控制器6的第一输入，所述控制器包括信号处理单元7。

多输出传感器5也产生转向柱轴的角速度Ncol的测量。如图1中所示这是扭矩传感器5的一体部分，但是可以是独立装置。输出Ncol被馈送到控制器6的第二输入。

此外提供产生指示车辆速度的输出信号U的可选的车辆速度传感器8，所述输出信号被馈送到控制器6的第三输入。

总共三个输入值传送到信号处理单元：柱速度Ncol、车辆速度U和柱扭矩T。

控制器6作用于它接收的三个信号以在输出节点8处产生传送到马达驱动级（未显示）的扭矩需求信号TD作为它的输出。马达驱动级将扭矩需求信号转换成用于电动马达1的驱动电流。

为了产生被馈送到马达驱动级的总扭矩需求信号TD，处理单元典型地包括多个算法或部件，其中的每一个产生相应的扭矩需求分量。这些分量中的一些是辅助扭矩分量，并且表示帮助驾驶员转动方向盘的扭矩（即，与驾驶员所做的扭矩需求一样地工作）。其它是阻尼分量，用于减小所产生的扭矩需求的水平以提供改善的转向感觉，或有助于模拟液压转向系统的行为，或可能补偿不想要的转向效应或控制不想要的车辆动态行为。这些分量在加法器模块9中组合以产生总扭矩需求信号TD，但是它们可以以其它方式组合，可能彼此相减。

总扭矩需求信号TD的值对应于将由电动马达1施加到转向柱的辅助扭矩的量。该值将从一方面对应于用于马达的最大输出扭矩的最小值、通过需求信号为零时的零扭矩，变化到另一方面的最大马达扭矩。

由信号处理装置产生的分量中的第一个是辅助扭矩分量TA，其具有取决于驾驶员通过方向盘施加到转向柱的扭矩的量的值。剩余分量中的一个特别是偏航阻尼分量10，其用于在轻打操控期间阻尼车辆响应。

辅助扭矩信号TA根据由扭矩传感器5测量的转向柱中的扭矩导出。这在本领域中是公知的并且因此将不在这里详细地描述。测得扭矩和辅助信号之间的关系是基本线性的。然而，其它可能的关系也可以用于将扭矩映射到辅助信号。在两种情况下，当扭矩增加时辅助信号的幅度增加。

偏航阻尼分量TY基本上是柱速度的函数，并且通过使柱速度信号通过具有单一极点和单一零点的滤波器产生。这样的过滤器被称为超前或滞后滤波器。这以示意性形式在附图的图2中显示。从辅助扭矩信号减去该分量，（但是它们可以加在一起）使得当转向柱速度增加时总扭矩需求信号TD的值更低。

图3是相对于超前/滞后滤波器的输入的偏航阻尼分量的频率与幅度和相位的关系的伯德图。一个迹线11a、11b对应于其中极点拐角频率高于零点拐角频率的滤波器（超前滤波器）。另一个迹线12a、12b对应于其中极点拐角频率低于零点拐角频率的滤波器（滞后滤波器）。作为参考，也显示了对应于没有滤波的线性阻尼增益的迹线13a、13b和简单低通滤波器14a、14b的使用。在建议方案中，使柱速度通过由一个零点和一个极点组成的滤波器以产生偏航阻尼扭矩需求。滤波器的拐角频率及其dc增益可以根据车辆速度进行调节。然后将阻尼扭矩加入辅助扭矩需求（或者可以从其减去）以提供总辅助扭矩需求。

超前/滞后滤波器本身可以以下形式表达：

通过设定ω₀小于ω₁获得滞后滤波器，而通过设定ω₀大于ω₁获得超前滤波器。通过代替线性阻尼增益（US5257828）或低通滤波器（专利US5919241）将超前/滞后滤波器应用于柱速度输入生成偏航阻尼扭矩需求的一个优点在于可以独立地控制在较低或较高频率下的阻尼的水平。所以该装置相比现有技术对转向感觉和自由响应行为提供更大控制。例如如果在将“轻打”施加到方向盘之后驾驶员想要具有快速返回中心和随后低频振荡的良好阻尼的自由响应，则滞后滤波器优于线性阻尼增益和低通滤波器方法。

线性阻尼增益引起在所有频率上的恒定阻尼。这意味着没有对柱速度的低频和高频阻尼的独立控制。因此，阻尼扭矩在所有频率下对抗阻尼扭矩需求。对于以最小超调和随后振荡快速返回中心的“快打测试”，阻尼扭矩将在更高频率下比在更低频率下提供更低的阻力。换句话说，高频振荡模式的阻尼相比于线性阻尼增益将减小。低通滤波器在高频下具有恒定的衰减（roll-off）并且因此在快打测试期间比纯线性阻尼增益提供更快的初始响应。然而低通滤波器的较高相位滞后在低频下降低阻尼。

对于滞后滤波器，与具有相同拐角频率的低通滤波器相比，能够减小低频相位滞后的幅度，但是通过减小高频增益仍然允许快速初始响应。在图3中示出这种比较。

如果驾驶员想要缓慢返回中心和随后低频振荡的良好阻尼，超前滤波器优于线性阻尼增益或低通滤波器。阻尼更好的原因是更高的幅度和相位超前，如图3中所示。因此柱速度的带宽同样减小。在“快打”测试方面，这样的滤波器将减小所有共振模式的阻尼，并且因此在初始快打之后方向盘的返回将变慢并且随后低频振荡将快速消失。

超前/滞后滤波器可以与4中一样并且等效地与5中一样进行重新设计。5中的方案是产生阻尼分量TY，该阻尼分量包括作为柱速度的线性阻尼增益的第一分量D1和作为经高通滤波的柱速度的惯性补偿增益的第二分量IC1。

从柱速度到阻尼扭矩的传递函数如下：

由于超前/滞后滤波器的拐角频率ω₀和ω₁可以基于滤波器系数的值进行调节，因此可以独立地控制柱速度的低频和高频响应。这提供改善的转向感觉和时间响应，有效地在单一阻尼分量中组合惯性补偿和偏航阻尼。

图6显示变型，其中阻尼分量TY取决于柱速度的二次方值。在通过滤波器之前对二次方项和线性项求和导致图6中的配置。该配置提供的优点是独立地控制低幅度和高幅度柱速度的比率换算。这样的效果是加入经低通滤波的二次方阻尼项，进一步阻尼低频高幅度柱速度振荡。

图6中的配置的另一个变型是加入未滤波的二次方阻尼项，如图7中所示。加入未滤波的二次方阻尼项的效果是增加在所有频率上的高幅度振荡的阻尼。

Claims (8)

1.一种电动助力转向组件，其包括：将方向盘可操作地连接到车辆的负重轮的转向机构；适合于产生指示由所述转向机构的一部分承载的扭矩的第一输出信号的扭矩感测装置；用于产生指示表示所述转向机构的所述部分的角速度的信号的第二输出信号的装置；可操作地连接到所述转向机构的电动马达；适合于接收所述两个输出信号并且从这些信号产生表示将由所述马达施加到所述转向机构的扭矩的总扭矩需求信号的信号处理单元；以及适合于响应所述总扭矩需求信号将驱动电流提供给所述马达的马达驱动级，其特征在于，所述总扭矩需求信号包括取决于所述第二输出信号的阻尼分量，用于产生偏航阻尼分量的装置包括具有一个极点和一个零点的滤波器，所述第二输出信号通过所述滤波器以产生所述阻尼分量，选择所述极点和所述零点的频率使得所述滤波器提供在所述极点和所述零点之间的频带，在所述频带内经滤波的第二输出信号和速度信号的相位相比于在所述频带内进一步异相或同相。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向组件，其中所述极点的拐角频率高于所述零点的拐角频率。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向组件，其中所述极点的拐角频率低于所述零点的拐角频率。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电动助力转向组件，其中超前/滞后滤波器呈以下形式：

$\frac{K(s+{\mathrm{\ω}}_1)}{(s+{\mathrm{\ω}}_0)}$

其中ω₁和ω₀分别是极点和零点的拐角频率，并且其中增益项K和拐角频率取决于车辆行为的一个或更多个参数。

5.根据权利要求1所述的电动助力转向组件，其中超前/滞后滤波器接收与柱的速度的平方相关的项作为输入。

6.根据权利要求1所述的电动助力转向组件，其中总扭矩需求信号还包括取决于车辆的驾驶员所需要的扭矩的辅助扭矩分量。

7.一种产生用于电动助力转向系统中的扭矩阻尼分量的方法，所述方法包括以下步骤：

生成第一柱速度项，所述第一柱速度项包括柱速度和第一比率换算函数的乘积；以及

产生阻尼扭矩分量，所述阻尼扭矩分量取决于所述第一柱速度项；

其特征在于，产生阻尼扭矩分量的步骤包括使所述第一柱速度项通过具有一个极点和一个零点的超前/滞后滤波器。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括生成第二柱速度项的步骤，所述第二柱速度项包括柱速度的平方或更高阶因数和第二比率换算函数的乘积，并且产生阻尼扭矩分量的步骤可包括产生取决于所述第一柱速度项和第二柱速度项之和的分量。