CN103419834B

CN103419834B - 电动式动力转向系统和方法

Info

Publication number: CN103419834B
Application number: CN201310189345.1A
Authority: CN
Inventors: K.L.奥布利扎杰克; J.D.索波奇
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: DE102013208955A8; DE102013208955A1; US20130311042A1; US8725354B2; CN103419834A

Abstract

本发明涉及电动式动力转向系统和方法。用于交通工具的电动式动力转向系统包括联接方向盘到可转向元件的转向机构。第一致动器与控制器通信并且操作地连接到转向机构以响应于来自控制器的第一信号而辅助可转向元件的移动。该系统还包括第二致动器，其与控制器通信，与第一致动器分开，且在第一致动器和方向盘之间可操作地连接到转向机构以响应于来自控制器的第二信号而叠加扭矩。

Description

电动式动力转向系统和方法

技术领域

1.技术领域

本发明的主题涉及交通工具的电动式动力转向系统和方法。

背景技术

2.相关技术的描述

交通工具例如汽车的动力转向系统长期以来被用于辅助交通工具的操作者（即驾驶员）转动交通工具的车轮。这些系统传统上利用液压流体来辅助转向齿条的移动。这种液压动力转向系统经常使用流体泵。流体泵可通过带被连接到交通工具的发动机或被连接到电动马达。流体泵可始终提供流体流给依赖扭矩的限制孔桥和液压致动器，其提供了转向助力。由于这些系统中的非零压力下的持续流动，这些系统通常被称为开心式液压系统，所以只要发动机正在运行发动机就得花费能量来操作该流体泵。这是对燃料使用的浪费，因为不是一直需要对转向系统的动力辅助。

如图1中所示，现代电动式动力转向系统110使用电动致动器132而不是液压致动器来提供辅助给转向柱118（例如，辅助柱的电动系统）或齿条122（例如，辅助齿条的电动系统）。辅助柱的电动系统110的示例示出在图1中，并且包括转向柱118和齿条122，它们连接方向盘112到交通工具车轮114。电动致动器132被操作地连接到转向柱118以提供助力。因此，不需要始终运行的液压流体泵，并且助力仅在需要时被提供。因此，节省了能量并且增加了交通工具的燃料效率。

不幸的是，电动式动力转向系统经常遇到驾驶员感知问题。例如，由驾驶员施加的气力的量可能没有在心理物理学上与交通工具车轮的实际转动和对阻力气力或感知的交通工具响应性的的预测一致。照此，转向可能让驾驶员感觉到“太松”、“太硬”、“迟钝”、所要求的气力过高、和/或要求的气力过低。在这种现有系统中的路面车轮移动和交通工具的操作者施加的气力之间的关系在图2中示出。

因此，期望提供一种电动式动力转向系统，其实现了驾驶员气力、交通工具响应、和基于性能的主观印象的对气力和响应的预期之间的更好的关联。另外，本发明的其它令人满意的特征和特点将从下面对本发明的具体描述和所附的权利要求并结合附图以及本发明的该背景技术而变得易于理解。

发明内容

提供了一种电动式动力转向系统，其用于具有方向盘和至少一个可转向元件的交通工具。该系统包括控制器以用于接收与交通工具相关的至少一个输入。转向机构被操作地连接到方向盘和至少一个可转向元件。转向机构允许至少一个可转向元件响应于交通工具的使用者对方向盘的旋转而移动。第一致动器与控制器通信并且操作地连接到转向机构以响应于来自控制器的第一信号而辅助可转向元件的移动。该系统还包括第二致动器，其与控制器通信，与第一致动器分开，且在第一致动器和方向盘之间可操作地连接到转向机构以响应于来自控制器的第二信号而应用扭矩。

还描述了提供动力转向给交通工具的方法。该交通工具包括方向盘、至少一个可转向元件和转向机构。转向机构可操作地连接方向盘和至少一个可转向元件以允许至少一个可转向元件响应于交通工具的使用者对方向盘的旋转而移动。该方法包括在控制器处接收与交通工具相关的输入。该方法还包括响应于在第一致动器处从控制器接收的第一信号而用第一致动器辅助可转向元件的旋转。该方法还包括响应于在与第一致动器分开的第二致动器处从控制器接收的第二信号来用第二致动器应用扭矩。

本发明还提供了如下方案：

方案1.一种电动式动力转向系统，其用于具有方向盘和至少一个可转向元件的交通工具，所述系统包括：

控制器，用于接收与交通工具相关的至少一个输入；

转向机构，可操作地连接方向盘和至少一个可转向元件以允许至少一个可转向元件响应于交通工具的操作者对方向盘的旋转而移动；

第一致动器，与所述控制器通信并且操作地连接到所述转向机构以响应于来自所述控制器的第一信号而辅助可转向元件的移动；以及

第二致动器，与所述控制器通信，其与所述第一致动器分开，并且操作地连接到所述转向机构以用于响应于来自所述控制器的第二信号而应用扭矩。

方案2.如方案1所述的系统，其中所述第二致动器被设置在所述第一致动器和方向盘之间。

方案3.如方案1所述的系统，还包括扭矩传感器，其操作地连接到所述转向机构并与所述控制器通信以测量在所述转向机构处的扭矩量并发出指示在所述转向机构处的扭矩量的扭矩信号。

方案4.如方案3所述的系统，其中所述第二致动器在所述扭矩传感器的上游和下游可操作地连接到所述转向机构。

方案5.如方案3所述的系统，其中所述第二致动器被操作连接在所述扭矩传感器和方向盘之间。

方案6.如方案3所述的系统，其中所述扭矩传感器被设置在所述第一致动器和方向盘之间。

方案7.如方案1所述的系统，其中所述转向机构包括：

转向柱，其可响应于所述方向盘的旋转而旋转；

小齿轮，其联接到所述转向柱并可响应于所述转向柱的旋转而旋转；以及

齿条，其可操作地连接到至少一个可转向元件并接合所述小齿轮以响应于小齿轮的旋转而致动至少一个可转向元件。

方案8.如方案7所述的系统，其中所述第一致动器操作地连接到所述转向柱。

方案9.如方案7所述的系统，其中所述第一致动器操作地连接到所述齿条。

方案10.如方案7所述的系统，还包括扭矩传感器，其成一条直线地与所述转向柱连接并与所述控制器通信以测量在所述转向柱处的扭矩量并发出指示在所述转向柱处的扭矩量的扭矩信号。

方案11.如方案10所述的系统，其中所述第二致动器在所述扭矩传感器的上游和下游可操作地连接到所述转向柱。

方案12.如方案1所述的系统，还包括交通工具速度传感器，用于感测交通工具的速度并提供对应所述交通工具的速度的交通工具速度信号给所述控制器。

方案13.如方案1所述的系统，还包括角位置传感器，用于感测所述方向盘和至少一个可转向元件中的至少一者的角位置并提供对应该角位置的信号给所述控制器。

方案14.一种提供动力转向给交通工具的方法，所述交通工具具有方向盘，至少一个可转向元件，和操作地连接所述方向盘和至少一个可转向元件以允许至少一个可转向元件响应于所述交通工具的使用者对所述方向盘的旋转而移动的转向机构，所述方法包括：

在控制器处接收与交通工具相关的输入；

响应于在第一致动器处从控制器接收的第一信号而用第一致动器辅助可转向元件的旋转；

响应于在与第一致动器分开的第二致动器处从控制器接收的第二信号来用第二致动器应用扭矩。

方案15.如方案14所述的方法，还包括测量在转向机构处应用的扭矩量的步骤并且其中所述在控制器处接收与交通工具相关的输入的步骤包括接收指示在转向机构处应用的扭矩量的扭矩信号。

方案16.如方案15所述的方法，还包括：

计算由第一致动器应用的第一扭矩；和

计算由第二致动器应用的第二扭矩。

方案17.如方案16所述的方法，还包括：

产生对应要被应用的第一扭矩的第一信号；以及

产生对应要被应用的第二扭矩的第二信号。

方案18.如方案17所述的方法，还包括确定方向盘和至少一个可转向元件中至少一者的角位置，并且其中所述在控制器处接收与交通工具相关的输入的步骤包括在控制器处接收指示所述角位置的信号。

方案19.如方案18所述的方法，其中计算要由第一致动器应用的第一扭矩包括至少基于由所述操作者应用的扭矩量和所述角位置计算要由第一致动器应用的第一扭矩。

附图说明

将很容易理解所公开的主题的其它优点，因为在结合附图考虑下面的具体描述时可更好地理解这些其它优点，附图中：

图1是根据现有技术的电动式动力转向系统的简化表示；

图2是示出了根据现有技术的在电动式动力转向系统中的路面车轮动态移动和驾驶员瞬时气力之间的关系的曲线图；

图3是根据本文公开的电动式动力转向系统的第一实施例的简化表示；

图4是根据本文公开的电动式动力转向系统的第二实施例的简化表示；以及

图5是示出了根据本文公开的在电动式动力转向系统中的路面车轮动态移动和驾驶员瞬时气力之间的潜在关系的曲线图。

具体实施方式

参照附图，其中在所有的几幅附图中，同样的附图标记指示同样的零件，本文中示出并描述了电动式动力转向（EPS）系统310。

参照图3或4，系统310可与具有方向盘312和至少一个可转向元件314的交通工具（未示出）一起使用。在图示的实施例中，交通工具是汽车（未示出），其中可转向元件314是两个车轮。不过，在其它的实施例中，交通工具可以是船（未示出），其中可转向元件314是舵。在又一实施例中，交通工具可以是飞机（未示出），其中可转向元件314是飞行控制表面，例如，方向舵、副翼或其它表面。在这种实施例中，“方向盘”可被认为是飞机的操作杆。为了易读的目的，至少一个可转向元件314此后将被简称为“可转向元件314”。

系统310包括转向机构316。转向机构316被构造成操作地连接方向盘312和可转向元件314以允许可转向元件314响应于交通工具用户对方向盘312的旋转而移动。在图示的实施例中，转向机构316包括了转向柱318。转向柱318在近端和远端（未标有附图标记）之间延伸。近端被联接到方向盘312，使得转向柱318可响应于方向盘312的旋转而旋转。小齿轮320被联接到转向柱318的远端。小齿轮320包括多个齿（未标记）。小齿轮320可响应于转向柱318的旋转而旋转，并且因此，可响应于方向盘312的旋转而旋转。

在图示的实施例中还有，转向机构316包括齿条322。齿条322包括多个齿（未标记），这些齿与小齿轮320的齿接合。如此，齿条322响应于小齿轮320的旋转而移动。齿条322被操作地连接到可转向元件314。具体来说，在图示的实施例中，齿条322被联接到一对拉杆324，并且每个拉杆324被联接到可转向元件314中的其中一个，例如，车轮中的其中一个。因此，交通工具的可转向元件314可响应于方向盘312的旋转而被转动。

系统310包括控制器326。控制器326影响系统310的操作。控制器326可用微处理器、微控制器、专用集成电路（ASIC）、或接收输入和/或数据、执行计算、并提供控制信号以控制各种设备的其它计算设备来实施。不过，控制器326可由非计算设备，例如模拟电路和/或继电器，来实施。控制器326包括至少一个输入（未示出）以接收数据、信号、和/或与交通工具相关的信息。

系统310可包括交通工具速度传感器328以感测交通工具的速度。有多种技术用来感测交通工具的速度，例如感测交通工具的车轮的旋转速度。交通工具速度传感器328还提供对交通工具的速度对应的数据。该数据可被编码成交通工具速度信号。交通工具速度传感器328与控制器326通信，其接收由交通工具速度传感器328产生的交通工具速度信号。交通工具速度信号可以是模拟信号，其中该信号的电特征与交通工具的速度相关。替换地，交通工具速度信号可以是数字信号，这例如通过交通工具通信总线（未示出）传输。

图示的实施例的系统310还包括扭矩传感器330，其被操作地连接到转向机构316以测量在转向柱318中存在的扭矩量。在图示的实施例中，扭矩传感器330与转向柱318成一条直线地连接。如此，扭矩传感器330被设置在方向盘312和小齿轮320之间。扭矩传感器330可由扭力杆（未示出）和至少一个感测元件（未示出）来实施，此后简称为“感测元件”。感测元件感测扭力杆中的扭转量。感测元件可被实施为一对旋转编码器（未示出）。当然，其它的技术可被用来实施扭矩传感器330，本领域技术人员基于本文中的描述能够意识到这些。

扭矩传感器330还提供与感测的扭矩量对应的数据。该数据可被编码成扭矩信号并可以是模拟和/或数字信号。所图示的实施例的扭矩传感器330与控制器326通信并传输所测量的扭矩量给控制器326。

系统310也可包括一个或多个角位置传感器331，来测量方向盘312和/或可转向元件314的角位置。在图示的实施例中，角位置传感器331所提供的数据反应了可转向元件314（例如交通工具的车轮）从笔直的前进位置旋转的量。这些角位置传感器331的实际实施方式通常感测齿条322或小齿轮320的移动。这些实施方式包括将角位置传感器331集成到齿条332内，从齿条332前进到方向盘312，和/或在中间连接元件处直到相对顺从的构件限制了合乎要求地定义纯运动学关系的能力。这些实施方式构成了惯例，如本领域技术人员所意识到的。

系统310还包括第一致动器332。第一致动器332操作地连接到转向机构316。第一致动器332和转向机构316之间的操作连接可至少部分地由齿轮333实现。在图示的实施例中，扭矩传感器330被沿着转向柱318设置在第一致动器332和方向盘312之间。换句话说，扭矩传感器330被设置在方向盘312的下游并且第一致动器332被设置在扭矩传感器330的下游。

在图示的实施例中，第一致动器332操作地连接到转向柱318。这种构造可被称为“柱安装电动式动力转向”。在另一实施例中（未示出），第一致动器332操作地连接到齿条322。这种构造可被称为“齿条安装电动式动力转向”。

由于第一致动器332到转向机构316的操作连接，和转向机构316到可转向元件314的操作连接，第一致动器332也可辅助可转向元件314的移动。更具体地说，第一致动器332可提供辅助给，或简单地说“辅助”，试图移动可转向元件314的操作者。

在图示的实施例中的第一致动器332包括电动马达（未单独地标记）以提供受控量的扭矩给转向机构316。第一致动器332的致动响应于第一信号而完成。第一致动器332与控制器326通信。第一信号由控制器326产生并由第一致动器332接收。下面更具体地描述第一信号的特征的确定。

系统310还包括第二致动器334。第二致动器334被操作地连接到转向机构316并与第一致动器332分开。如此，第二致动器334独立于第一致动器332产生的扭矩而应用扭矩。在图示的实施例中，第二致动器334沿着转向柱318被设置在扭矩传感器330和方向盘312之间。

由于第二致动器332到转向机构316的操作连接，第二致动器334也可在与转向柱318的单个附接点处应用扭矩，如图3中所描述，或在两个附接点处应用一定量的扭矩差，如图4中所描述。类似的构造对齿条安装电动式动力系统来说也是可行的，在该系统中附接实施在扭矩传感器的上游和下游，通常安装在齿条组件的输入轴处。更具体地说，第二致动器334可调节对试图移动可转向元件314的操作者的辅助。例如，有时并且取决于状态，第二致动器334可通过沿着与操作者所提供的扭矩相反的方向提供扭矩给转向机构316来提供适度水平的阻力给转向机构316的转动。进而，并且有时，第二致动器334可提供适度水平的增加的助力。

在图示的实施例中的第一致动器334包括电动马达（未单独地标记）以提供受控量的扭矩给转向机构316。第二致动器334的致动响应于第二信号而完成。而且，由第二致动器334所施加的扭矩的量或水平响应于第二信号的特征而完成。第二致动器334与控制器3326通信。第二信号由控制器326产生并由第二致动器334接收。下面更具体地描述第二信号的特征的确定。

在第一实施例中，如图3中所示，第二致动器334操作地连接在扭矩传感器330和方向盘312之间。换句话说，第二致动器334被设置在方向盘312的下游和扭矩传感器330的上游。齿轮336可被实施以实现第二致动器334和转向机构316之间的操作连接。

在第二实施例中，如图4中所示，第二致动器334在扭矩传感器330的上游和下游操作连接到转向机构316。换句话说，第二致动器334被设置成跨过扭矩传感器330。再换句话说，第二致动器334设置成平行于扭矩传感器330。

具体来说，第二致动器334到转向机构316的操作连接可用第一组齿轮338和第二组齿轮440实现。第一组齿轮338在扭矩传感器330的一侧联接第二致动器334到转向机构316，而第二组齿轮440在扭矩传感器330的另一侧联接第二致动器334到转向机构316。不过，第二致动器334可与扭矩传感器330集成，因此不需要齿轮传动装置。这种集成构造不会显著地给系统310增加静态阻力或摩擦。

在包括第二致动器334的实施例中，由扭矩传感器330提供的扭矩信号将反映操作者应用的扭矩和第二致动器334应用的扭矩。如此，控制器326可从测量的扭矩中减去第二致动器334所应用的扭矩以确定操作者应用的实际扭矩。

图示实施例的控制器326包括计算功能以计算由第一致动器332和第二致动器334应用到转向机构316的扭矩量。这种计算可考虑与交通工具相关的任何输入，这些输入由控制器326接收。例如，对由致动器332、334应用的扭矩量的计算可响应于由交通工具速度传感器328感测的交通工具速度、由扭矩传感器330感测的扭矩、由角位置传感器331感测的可转向元件314的角位置、方向盘312的角位置、和/或它们的导数和积分。取决于所测量的运动、扭矩、得到的信号、和它们的组合，附条件的扭矩应用也是可行的。

在图示的实施例中，下面的转换函数可被用于计算由致动器332、334应用的扭矩量：

,

其中T₁是由第一致动器332应用的扭矩；T₂是由第二致动器334应用的扭矩，SWT是由驾驶员应用的扭矩，由扭矩传感器330所测量；_RW是路面车轮的角度，即，可转向元件314；而H₁₁、H₃₁₂、H₂₁、和H₃₃₂₂是转换函数。而且，在图示的实施例中，由第一致动器332和第二致动器334所应用的扭矩被编码在第一和第二信号中，并且被从控制器326分别传输到第一致动器332和第二致动器334。换句话说，第一和第二信号由控制器326产生，其对应于由第一致动器332和第二致动器334要应用的扭矩量。

图5图示了系统310的实施例中的可转向元件314（例如，路面车轮）动态移动（y轴）和操作者提供的气力（x轴）之间的关系和本文描述的方法。系统310和本文描述的方法能提供区域546内的任何地方的可转向元件314（例如，路面车轮）动态移动和操作者气力之间的关系，如所示。如此，系统310和方法可提供所感知的驾驶员气力和交通工具响应之间的更好的关联。

已在本文中通过说明的方式描述了本发明，并且应该理解，所使用的术语是在描述的文字含义下被使用而不是限制含义。显然地，鉴于上述的教导，对本发明的许多改进和改变都是可行的。在所附权利要求的范围内，本发明可以和具体描述不同的方式被实践。

Claims

1.一种电动式动力转向系统，其用于具有方向盘和至少一个可转向元件的交通工具，所述系统包括：

控制器，用于接收与交通工具相关的至少一个输入；

第二致动器，与所述控制器通信，其与所述第一致动器分开，并且操作地连接到所述转向机构以用于响应于来自所述控制器的第二信号而应用扭矩，从而所述第二致动器能调节对所述操作者的辅助，其中所述调节包括所述第二致动器通过沿着与所述操作者所提供的扭矩相反的方向提供扭矩给所述转向机构；

其中所述第二致动器被设置在所述第一致动器和方向盘之间。

2.如权利要求1所述的系统，还包括扭矩传感器，其操作地连接到所述转向机构并与所述控制器通信以测量在所述转向机构处的扭矩量并发出指示在所述转向机构处的扭矩量的扭矩信号。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述第二致动器在所述扭矩传感器的上游和下游可操作地连接到所述转向机构。

4.如权利要求2所述的系统，其中所述第二致动器被操作连接在所述扭矩传感器和方向盘之间。

5.如权利要求2所述的系统，其中所述扭矩传感器被设置在所述第一致动器和方向盘之间。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述转向机构包括：

转向柱，其可响应于所述方向盘的旋转而旋转；

7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一致动器操作地连接到所述转向柱。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述第一致动器操作地连接到所述齿条。

9.如权利要求6所述的系统，还包括扭矩传感器，其成一条直线地与所述转向柱连接并与所述控制器通信以测量在所述转向柱处的扭矩量并发出指示在所述转向柱处的扭矩量的扭矩信号。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述第二致动器在所述扭矩传感器的上游和下游可操作地连接到所述转向柱。

11.如权利要求1所述的系统，还包括交通工具速度传感器，用于感测交通工具的速度并提供对应所述交通工具的速度的交通工具速度信号给所述控制器。

12.如权利要求1所述的系统，还包括角位置传感器，用于感测所述方向盘和至少一个可转向元件中的至少一者的角位置并提供对应该角位置的信号给所述控制器。

13.一种提供动力转向给交通工具的方法，所述交通工具具有方向盘，至少一个可转向元件，和操作地连接所述方向盘和至少一个可转向元件以允许至少一个可转向元件响应于所述交通工具的使用者对所述方向盘的旋转而移动的转向机构，所述方法包括：

在控制器处接收与交通工具相关的输入；

响应于在与第一致动器分开的第二致动器处从控制器接收的第二信号来用第二致动器在所述第一致动器和所述方向盘之间向所述转向机构应用扭矩，从而所述第二致动器能调节对所述使用者的辅助，其中所述调节包括所述第二致动器通过沿着与所述使用者所提供的扭矩相反的方向提供扭矩给所述转向机构。

14.如权利要求13所述的方法，还包括测量在转向机构处应用的扭矩量的步骤并且其中所述在控制器处接收与交通工具相关的输入的步骤包括接收指示在转向机构处应用的扭矩量的扭矩信号。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

计算由第一致动器应用的第一扭矩；和

计算由第二致动器应用的第二扭矩。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

产生对应要被应用的第一扭矩的第一信号；以及

产生对应要被应用的第二扭矩的第二信号。

17.如权利要求16所述的方法，还包括确定方向盘和至少一个可转向元件中至少一者的角位置，并且其中所述在控制器处接收与交通工具相关的输入的步骤包括在控制器处接收指示所述角位置的信号。

18.如权利要求17所述的方法，其中计算要由第一致动器应用的第一扭矩包括至少基于由所述操作者应用的扭矩量和所述角位置计算要由第一致动器应用的第一扭矩。