CN104859712A - 在电动助力转向系统中用以移除或降低扭矩补偿效果的惯性补偿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在电动助力转向系统中用以移除或降低扭矩补偿效果的惯性补偿，特别是提供了一种控制动力转向系统的方法。所述方法基于手轮扭矩信号且在相对较低频率范围内不改变手轮扭矩信号而生成基础扭矩命令。所述方法基于动力转向系统的电机的电机惯性生成电机惯性补偿命令。所述方法基于基础扭矩命令和电机惯性补偿命令生成辅助扭矩命令。所述方法基于辅助扭矩命令操作动力转向系统的电机生成扭矩。

Description

在电动助力转向系统中用以移除或降低扭矩补偿效果的惯性补偿

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2014年2月26日提交的美国临时专利申请序列号No.61/944,740的优先权，该文献通过参考方式全文引入本文中。

背景技术

电动助力转向(EPS)系统的现有补偿结构通常使用电动动力控制系统的扭矩回路补偿。在这种现有的EPS系统中，扭矩补偿器通常是陷波滤波器，被用在扭矩路径中用以确保系统保持稳定。然而，扭矩补偿器的应用可使得EPS系统对由于相位滞后等引起的转向感觉的干扰或者影响很敏感。补偿器也可以引起居中感不那么精确。补偿器也可以对感觉，诸如路感、扭矩脉动等具有其它副作用。此外，这些项目的大部分的频谱/频率组成(frequency content)通常对应于补偿器的频率。因此，稳定性以转向感觉为代价或通过牺牲转向感觉而实现。

对比而言，在功能方面与EPS系统等效/相同的液压动力转向(HPS)系统，不具有任意的扭矩路径补偿，或者HPS系统在较高频率所具有的机械补偿。

对具有较高频率的HPS系统不进行机械补偿。较高频率补偿倾向于是在听觉范围之中(例如，高于80赫兹(Hz))，并且因此，不会负面地影响对应于转向感觉范围的较低频率(例如，小于10Hz)。此外，在很多方面(例如，居中感、路感等)，HPS系统仍然被认为具有“优越感(premium feel)”。

发明内容

在本发明的一个实施例中，提供了一种控制动力转向系统的方法。该方法基于手轮扭矩信号而生成了基础扭矩命令，而没有在相对较低的频率的范围改变手轮扭矩信号。该方法基于动力转向系统的电机的电机惯性来生成了电机惯性补偿命令。该方法基于基础扭矩命令和电机惯性补偿命令而生成了辅助扭矩命令。该方法操作所述动力转向系统的电机，以基于辅助扭矩命令来生成扭矩。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于控制动力转向系统的控制系统。控制系统包括一种用于检测动力转向系统的电机的可观测条件的传感器。该控制系统还包括控制模块。该控制模块被配置成用以基于手轮扭矩信号来生成基础扭矩命令，且在相对较低频率的范围中不改变手轮扭矩信号。控制系统还被配置成基于动力转向系统的电机的电机惯性来生成电机惯性补偿命令。该控制系统还被配置成基于基础扭矩命令和电机惯性补偿命令来生成辅助扭矩命令。该控制系统还被配置成基于辅助扭矩命令来操作电机以生成扭矩。

在本发明的又一个实施例中，提供了一种用于控制动力转向系统的控制系统。该系统包括第一模块，其被配置成用以基于手轮扭矩信号来生成基础扭矩命令，且在相对较低频率的范围中不改变手轮扭矩信号。该系统还包括第二模块，其被配置成用以基于动力转向系统的电机的电机惯性来生成电机惯性补偿命令。该系统还包括第三模块，其被配置成用以基于基础扭矩命令和电机惯性补偿命令来生成辅助扭矩命令。该系统还包括第四模块，其被配置成用以基于辅助扭矩命令来操作动力转向系统的电机以生成扭矩。

这些和其它的优点以及特征将结合附图从以下的说明变得更加显而易见。

附图说明

本发明涉及的主体在基于说明书结论得出的权利要求中被特别地指出并且清楚地记载。本发明的前述及其它特征和优点结合附图从以下详细说明而显而易见，其中：

图1示出了根据本发明各个实施例的转向系统的功能框图；

图2示出了根据本发明各个实施例的控制模块的示意图；

图3为根据本发明各个实施例的扭矩开环配置中的示例性转向系统的示意图；

图4示出了本发明各个实施例中转向系统的各种扭矩开环波特图/伯德图(bode plot)；

图5示出了根据本发明各个实施例中转向系统的简化示意图；

图6示出了根据本发明各个实施例的对应于频率响应矢量的波特图；

图7示出了根据本发明各个实施例的代表频率响应的波特图；

图8示出了根据本发明各个实施例显示出设计对比的波特图；

图9示出了根据本发明各个实施例显示出设计对比的波特图；

图10示出了表示根据本发明各个实施例的方程的多种替代实施方式的对比的波特图；

图11示出了根据本发明各个实施例的双线性加速度传感系统；

图12示出了根据本发明各个实施例基于观测器的模型的示例性物理表示；

图13使出了根据本发明各个实施例基于观测器的模型的示例性实施方式；

图14为示出了根据本发明各个实施例的观测器的实施方式的框图；

图15示出了根据本发明各个实施例，能够变换相位交点频率(phaSe cross overfrequency)的转向系统模型的波特图；以及

图16示出了流程图，其示出了根据本发明各个实施例用于控制动力转向系统的方法。

具体实施方式

下面的说明仅仅作为示例，且非旨在对本发明、其应用或者使用加以限制。应该理解的是，在所有附图中，对应的附图标记表示相同或者对应的部分和特征。

电子动力系统经常采用扭矩补偿器，通常是陷波滤波器(也被称为带阻滤波器)，在扭矩路径中确保证系统保持稳定。应该理解的是，提供必要稳定性的较深的陷波滤波器(例如，那些在陷波频率呈现出更多增益衰减的)，通常在陷波频率处使得系统的抗干扰性能降低/下降。此外，应该认识到闭环系统在增益很低时不能抗干扰，因为其位于陷波中心频率。此外，如果它们的增益和相位特征干扰了操作者输入的频率范围，则陷波滤波器也可能影响系统的闭环响应(例如，输入阻抗)。较低频率敏感度的负面效果以由机械部件中的摩擦所引起的干扰的形式而被传送到驾驶者并被驾驶者感受到。扭矩补偿器可以设计为，例如在较高车速下具有相位超前特性。这种补偿器也干扰在较低频率下的转向感且让人不快。本发明实施例的系统和方法不具有扭矩补偿器，或者所具有的扭矩补偿器具有较高频率动态。

通过说明，本发明的示例性实施例，在此描述，且可以应用于在车辆转向系统中电机的扭矩控制系统。随着优选实施例被示出和描述，本领域技术人员将理解到本发明不限于本文所公开的实施例，也不限于采用了具有扭矩补偿的电机的任意控制系统。

现在参考图1，本发明将参考特定实施例进行说明，而并未对其进行限定，示出了包括转向系统12的车辆10示例实施例。在一些实施例中，转向系统12包括联接到转向轴16的手轮14。在一个示例实施例中，转向系统12为电动动力转向(EPS)系统，其进一步包括联接到转向系统12的转向轴16上、以及到车辆10的拉杆20，22上的转向辅助单元18。转向辅助单元18包括，例如，可以通过转向轴16联接到转向促动器电机和传动装置(下文将其称为转向促动器)的齿条和齿轮转向机构(未示出)。操作期间，随着车辆操作者(驾驶者)转动手轮14，转向辅助单元18的电机提供了用以移动所述拉杆20，22的辅助，拉杆20，22继而分别移动所述转向节/转向关节(steering knuckle)24，26，转向节24，26分别联接到车辆10的路面轮28，30。尽管图1中示出了EPS系统并其在本文中对其进行说明，应该理解的是本发明的转向系统12可以包括各种受控制的转向系统，它们包括但不限于具有液压配置的转向系统，以及由线性配置进行的转向。

如图1所示，车辆10还包括检测并且测量所述转向系统12和/或车辆10的可观测条件的各种传感器31-33。传感器31-33基于可观测条件而生成传感器信号。在某些实施例中，传感器31-33可包括，例如，手轮扭矩传感器、手轮角度传感器、电机速度传感器、电机加速度传感器、电机惯性扭矩传感器、和其它传感器。传感器31-33将信号发送到控制模块40。应该注意的是，尽管为了简化展示而将三个传感器描述为安置在转向系统12内的某些位置处，传感器的数量可以多于或者少于三个，并可被安置在转向系统12或车辆10中的其它不同位置。

在一些实施例中，控制模块40基于一个或多个传感器信号并且进一步地基于辅助扭矩计算系统和本发明的方法来控制转向系统12和/或车辆10的操作。一般来说，本发明一些实施例的控制模块40生成了在系统中提供必要稳定性的辅助扭矩命令，而不依赖于用于过滤手轮扭矩信号的陷波滤波器。更特别地，一些实施例的控制模块40不使用陷波滤波器或者将陷波滤波器的频率推到更高频率(如，高于70Hz)。在一些实施例中，控制模块40包括电机惯性补偿器以提供系统稳定性并消除对陷波滤波器的需要。

图2示出了根据本发明示例性实施例的图1中的控制模块40的简化示意图。如图所示，控制模块40可包括数据库(datastore)以及子模块，诸如基础扭矩命令发生器202、电机扭矩补偿器204、加法单元206、以及命令发生器208。如本文所用，术语模块和子模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、的、专用的、或者成组的)和执行一种或多种软件或者硬件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其它适宜部件。如可以理解的是，附图中所示子模块可以组合和/或再分开。如可以理解的是，附图中所示子模块可以实施为单个控制模块40(如所示)或者多个控制模块(未示出)。对控制模块40的输入可以由车辆10的传感器生成，可以在控制模块40(例如，通过其它子模块(未示出))内而被建模，可以从其它控制模块(未示出)接收，和/或可以被预先设定。

基础扭矩命令发生器202基于手轮扭矩信号212生成了基础扭矩命令214。基础扭矩命令214限定了将要由图1中的转向辅助单元18的电机所生成的辅助扭矩的量。在一些实施例中，基础扭矩命令发生器202包括扭矩补偿器216，其补偿在较高频率范围(例如，70Hz)中的反馈扭矩。即，在一些实施例中，扭矩补偿器216作为陷波滤波器而实施，其频率的变化范围在70Hz以上。

电机惯性补偿器204基于电机状态信号218生成了惯性补偿扭矩命令220。在一些实施例中，电机状态信号218包括指示着电机(未在图2中示出)速度的电机速度信号。电机速度信号由电机速度传感器(例如，图1中的传感器31-33之一)生成。在这些实施例中，电机惯性补偿器204基于以下方程来生成了惯性补偿扭矩命令220：

$\mathrm{IC}=\left(J_{\mathrm{mot}}\right)\left(s\right)\left(\frac{(s+a*2\mathrm{\π})}{{(s+b*2\mathrm{\π})}^2}\right)\left(\frac{b^{2}2\mathrm{\π}}{a}\right)---\left(1\right)$

从方程(1)中，应该注意到的是，输入(即，电机速度218)和输出(即，IC，惯性补偿扭矩命令220)都在电机坐标中。‘s’项(即方程右侧的第二项)表示电机速度的变化量/微分(即，角加速度α)，以及参数a和b当需要的时候提供了动态效应。方程(1)的推导将会在下文参考图3-6作出详细说明。

在一些实施例中，电机状态信号218包括了指示电机的电机角加速度的电机加速度信号。电机加速度信号由电机加速传感器(例如，图1中传感器31-33之一)生成。在这些实施例中，电机惯性补偿器204基于以下方程生成惯性补偿扭矩命令220：

$\mathrm{IC}=\left(J_{\mathrm{mot}}\right)\left(\frac{(s+a*2\mathrm{\π})}{{(s+b*2\mathrm{\π})}^2}\right)\left(\frac{b^{2}2\mathrm{\π}}{a}\right)---\left(2\right)$

与方程(1)相对照，在方程(2)中，推导项‘s’不是必须的，因为公式的输入值是来自电机加速度传感器的电机角加速度测量值。方程(2)可以用各种方式执行。应该注意到的是，不管方程(2)如何执行，这种测量值的带宽(以45°相位滞后而测量)，包括取样效果，在某些实施例中需要为至少250Hz。方程(2)的推导以及示例电机加速度传感器的结构和功能性细节将参考图7-11在下文更为详细地说明。

在一些实施例中，电机状态信号218包括惯性扭矩信号，其是电机惯性和电机加速度的乘积。在一些实施例中，这个惯性扭矩信号由电机惯性扭矩传感器(例如，图1中的传感器31-33之一)生成。示例性电机惯性扭矩传感器的结构和功能细节将参考图12-14在下文更为详细地说明。

命令生成器208接收辅助扭矩命令，该命令是基础扭矩命令214和惯性补偿扭矩命令220经由加法单元206相加并对该单元作出响应而得到的，该命令生成器生成了命令信号222以控制电机针对转向系统12。在一些实施例中，命令生成器208输出电机信号，该输出电机信号指定了将要施加到转向辅助单元18的电机上的电压，以便使电机生成所需的辅助扭矩。为了说明和解释的简化，所述命令发生器208的细节(例如，PI控制器)对本领域技术人员来说应当是知晓的，在本说明书中被省略。

图3为图1中的转向系统12的示意图，其包括了图1和2中的控制模块40。特别地，图3示出了根据本发明一些实施例的扭矩开环配置。在图3中，转向系统12包括Gc块302、Gv块304、加法单元306、发送时间延迟单元308、以及PI控件310。

Gc块302表示图2中的基础扭矩命令发生器202，而Gv块304表示图2中的电机惯性补偿器204。块302和304实现了函数传递来计算增益Gc和Gv。在一些实施例中，Gv块304是在电机速度路径中，并被设计为使得排除了Gc块的扭矩补偿器部分(例如，扭矩补偿器216)，或者被推到更高频率(例如，70Hz)。

ΔT₁，ΔT₂和ΔT₃块314，316和318分别表示在扭矩路径320、速度路径312和电流路径322中的取样效果。在这些取样操作中的固有延时影响了一些实施例中Gv块304的设计。块324被示出在扭矩路径320中，以便用于得到下图4中所示的波特图，其与典型反馈结构的负反馈特性是一致的。

发送时间延迟块308表示在数字计算中发送延时的效果。块308接收来自加法单元306的叠加信号，并将当前的控制命令328输出到PI控制块310。PI控制块310基于电流控制命令328和来自电流路径322的反馈电流(即，汲取到电机的实际电流)而确定了电机电压命令330。PI控制块310将电机电压命令330输出到电机电子模型块326，这将最终的扭矩命令334输出到EPS 3-级质量装置(3-mass plant)(3M)模型336来关闭所述回路。在速度路径312中的块338，表示电机速度测量动态以及在电机速度路径312中取样的效果。在扭矩路径320中的块340表示扭矩传感器测量动态以及取样效果。

图4显示了本发明的各个实施例中各种扭矩开环回路波特图。应该注意到的是，相位交点频率(即，相位图到达-180°时的频率)对于闭环稳定性是很重要的。在由曲线405表示的基础转向系统(即，在图3中没有Gv块304)的情况下，交点频率稍稍比20Hz更小。在对应的量级图(即曲线455)在0dB以上的情况，转向系统在闭环回路中将会不稳定(即，当图3中所示扭矩路径闭合的时候)，且可能需要图3的Gc块302中的扭矩补偿器来用于提供稳定性。相反，相位图中的曲线430不会跨越过-180°。因而，转向系统在Gc块302中不具有扭矩补偿器的情况下将会是稳定的。

当命令的扭矩被强制为是与由电机所提供的辅助扭矩相等时(即当加法单元306的输出被设定为由电机所生成的最终扭矩334)，获得曲线410。即，在相位交点频率获得了约10Hz的相位位移(从曲线405到曲线410)。因而，由此可见，如果电机被理想的扭矩生成机器所取代，则在Gc块302中排除扭矩补偿器的目标不可实现，因为跨越过-180°的曲线410-即转向系统不稳定。

在一些实施例中，曲线430通过移除取样(图3的ΔT₁块314)以及在生成所述扭矩命令(由Gc块302实现)中的相关联延迟而获得。结果，相位交点频率被移动几Hz，最多移动到曲线415。那么，在图3的测量块338和340(即，抗混叠滤波器等)中移除测量动态产生了曲线425，这示出了交点频率的另一个10Hz的变化。

在由从曲线405移动到曲线425而显示出的这些增量提高、以及从对应量值图中的曲线455到470的移动的情况下，则可以总结为，如果电机的物理惯性(在3M模型336中)被降低到接近于0的值，则相位交点频率移位了一个很大的频率差值。从-180°以上到以下的穿越不会发生，直到在100Hz处，如由图4中的曲线430所示。结果，如果系统被设计为用以获得曲线430，则转向系统在Gc块302中不具有任何扭矩补偿器的情况下将会是稳定的。

从图4中所示波特图的上述描述中，可以总结出，在交点频率的大部分移位是因为移除了电机惯性而造成的。特别地，曲线430表示效果的积聚/叠加。曲线425显示了如果只有电机惯性降低，则交点频率将会是什么情况。曲线425显示了当该电机惯性通过移除取样效应、延时、电机动态、和扭矩测量动态而被降低的时候基础曲线405在何处将会移动。曲线425和基础曲线405之间的比较显示了交点频率由于移除了惯性效应而已被移位了大约40Hz。将曲线425与基础曲线405相对比，揭示出了惯性效应使得交点频率的移位比移除所有其它效果的组合来说更多。

已经辨识到电机惯性的移除最大程度地改变了基础曲线405，现在将对各个实施例中的惯性补偿设计(即，Gv块304)进行说明。特别地，惯性补偿的几种不同替换方案，包括基于电机速度的设计、基于电机加速度的设计，以及基于观测器的设计现在都将加以说明。

图5示出了图1和3中所述转向系统12的简化示意图。如图所示，转向系统12被建模为包括E1和E2块502和504。需要注意到的是，图5中所示E1和E2块502和504为了确定E1和E2而执行了传递功能，这表示延时、取样、测量动态、和促动器动态。在一些实施例中，由图3中所示转向系统12所计算出的Gc是固定增益。在一些实施例中，所计算出的增益Gc可以替换为浴盆曲线(如，U形曲线)。对应于E1和E2块的波特图在图6中示出。特别地，图6的左半部分显示了E1的波特图，而图6的右半部分显示了E2的波特图。

在一些实施例中，使用了与图6所示波特图对应的频率响应矢量。同样，根据部件E1和E2的开环传递在一些实施例中用公式表示。基于代数操作，开环传递函数可以从以下三个方程中推导出来：

Y＝E₁T_c (3)

T_c＝G_cU+G_vU_v (4)

U_v＝E₂T_c (5)

其中，Tc为辅助扭矩命令，其是加法单元206的输出。利用来自方程(5)的E₂T_C替换方程(4)中的Uv，推导出下面的方程：

$T_c=G_c+G_v{E}_2{T}_c=\frac{G_c}{1-G_v{E}_2}U---\left(6\right)$

那么，从方程(3)和(6)，推导出以下方程：

$Y=\frac{G_c{E}_1}{1-G_v{E}_2}U---\left(7\right)$

开环传递函数T_O可以使用方程(7)推导出，如下方程：

$T_o=\frac{Y}{U}=\frac{G_c{E}_1}{1-G_v{E}_2}---\left(8\right)$

在一些实施例中，T_O被设定为与图4中所示的目标曲线430对应的频率响应矢量。那么，针对G_v根据T_O、E₁、E₂以及辅助路径增益而求解所述方程(8)，，得到了下式：

$G_v=\frac{T_o-G_c{E}_1}{T_o{E}_2}---\left(9\right)$

图7示出了基于方程(9)而确定的Gv的频率响应。为了以数字方式设计和执行Gv，这个频率响应应当与模拟s域中的传递函数相匹配并追随数字版本到达z域。首先，确定的是在非常低的直流电流(DC)增益可以被忽略。其次，波特图中所示10Hz附近的尖头信号(blip)也可以被忽略。另一方面，20dB/十进斜坡和10Hz之后的额外相位超前不会被忽略。斜坡意味着，输入(例如，电机速度)需要被求微分以形成电机加速度。10Hz之后的相位超前补偿了在转向系统中的延时和取样效果。图7中量级图中的实曲线702表示用于模拟实施的图，而量级图中的虚线704表示用于数字实施的图。虚线显示了以每十进制20dB的数量上的增加。相似地，图7中相位图中的实曲线706表示用于模拟实施的图，而由虚线椭圆708所包围起来的实线的部分表示用于数码实施的图。

基于上述讨论，针对Gv块304的基于电机速度的设计是基于如下方程(10)：

$\mathrm{Gv}=\frac{s[s+35\left(2\mathrm{\π}\right)]}{{[s+35\left(2\mathrm{\π}\right)]}^2}---\left(10\right)$

在一些实施例中，方程(10)中的项s表示微分，35Hz处的0开始了在10Hz处超前的显著相位。200Hz处的两个极点是出于实施的原因，且两个极点防止噪音。图8中所示波特图显示了上述设计(即，方程(10)中的传递函数)与G_v的计算版本的配合是多么紧密地匹配的。特别地，图8中的曲线805表示所设计的G_v，而曲线810表示Gv的计算版本。图9中所示波特图确认了：所设计的G_v以所需模式影响了开环扭矩频率响应。据显示，新设计与目标相比，提供了额外的相位超前。应该注意到的是，尽管理论上是稳定的，目标不会突然生成鲁棒稳定系统。所设计系统中额外的相位超前将会生成这样的稳定系统。

为了实现针对所述电机和所述转向系统的物理配置/构造的设计，方程(10)的传递函数被标准化从而形成如下方程：

$G_v=\frac{s(s+35*2\mathrm{\π})}{{(s+200*2\mathrm{\π})}^2}=\left(\frac{35}{{200}^{2}2\mathrm{\π}}\right)\left(\frac{s(s+35*2\mathrm{\π})}{{(s+200*2\mathrm{\π})}^2}\right)\left(\frac{{200}^{2}2\mathrm{\π}}{35}\right)---\left(11\right)$

方程(11)最右侧的第一项非常接近电机坐标中的电机惯性J_mot(例如，在3dB之内)。因此，G_v现在可被称为惯性补偿(IC)。IC可以归纳为方程(1)；

$\mathrm{IC}=\left(J_{\mathrm{mot}}\right)\left(s\right)\left(\frac{(s+a*2\mathrm{\π})}{{(s+b*2\mathrm{\π})}^2}\right)\left(\frac{b^{2}2\mathrm{\π}}{a}\right)---\left(1\right)$

从方程(1)应注意到，输入(即，电机速度218)和输出(即IC，惯性补偿扭矩命令220)都在电机坐标中。s项(即方程右侧中第二项)表示电机速度的微分(即角加速度α)，而参数a和b则在需要的时候提供动态效果。方程(1)的右侧表示IC传递函数。传递函数的第一项为电机惯性J_mot，而IC传递函数剩余的项表示电机加速度。

以上已描述了基于电机速度的设计，现在将对基于电机加速度的设计进行说明。在基于电机加速度的设计中，假设具有用于测量转子的旋转加速度的传感器(例如，图1中传感器31-33之一)。惯性补偿可以利用方程(2)计算：

$\mathrm{IC}=\left(J_{\mathrm{mot}}\right)\left(\frac{(s+a*2\mathrm{\π})}{{(s+b*2\mathrm{\π})}^2}\right)\left(\frac{b^{2}2\mathrm{\π}}{a}\right)---\left(2\right)$

在方程(2)中，推导项(即方程(1)中的s项)不是必需的，因为输入到算式中的是电机角加速度。方程(2)可以用各种方式实施。应该注意到的是，不管方程(2)如何执行，这种测量(以45°相位滞后而测量)的带宽，包括取样效果，在某些实施例中需要为至少250Hz。图10示出的波特图，显示了方程(2)的若干替换方案的比较。这些实施方式满足了最小的250Hz的需求。

在一些实施例中，线性加速计被用来测量电机加速度。图11显示了双线性加速计感测系统1100的示意图。应注意到的是，转子轴的竖直加速度被这个双感测系统的两个传感器所抵消，因为一个传感器寄存正值，而另一个传感器寄存负值。旋转加速度基于以下方程而感测：

$\mathrm{\α}=\frac{a_1+a_2}{2r}---\left(12\right)$

在一些实施例中，方程(12)在微处理器(未示出)中执行。

在一些实施例中，磁选感测系统被用于测量电机加速度。在磁性传感感测系统中，信号由以下形式的磁性感测元件所生成：ωsin(θ)和ωcos(θ)，其中ω是电机速度而θ是电机位置。这些信号在硬件中或专用微处理器中处理，以形成电机角加速度α。惯性扭矩信号J乘以α，且如果需要，一些相位超前补偿将会增加到这些实施例中的辅助扭矩路径。

已经描述了基于电机加速度的设计，现在将描述基于观测器的设计。在一些实施例中，线性传感器或者观测器被用于生成惯性扭矩J乘以α。为了利用这种方式，一种合并了所观察的(或者所估计)惯性扭矩量的模型是有用的。图12显示了这种模型的示例性物理表示。

模型的边界(即输入和输出(I/O_s))被如此选择使得：模型不会过大，但是同时，I/O_s是可以访问的。输入是扭杆底部处的位置，旋转角度θc(及其导数)以及电磁扭矩，τ_e(经由电机电流i_q的测量值而可得出)。输出是电机位置θ_m，其也从变换需要而得知。模型的动态由以下公式(13)和(14)表示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m\\ {\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -\frac{k_3}{J_m}& -\frac{b_3+b_m}{J_m}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_m\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ \frac{1}{J_m}& \frac{k_3}{J_m}& \frac{b_3}{J_m}\end{array}\right]*{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_e\\ {\mathrm{\θ}}_c\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_c\end{array}\right]}_{25}---\left(13\right)$

${\mathrm{\θ}}_m=\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_m\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_e\\ {\mathrm{\θ}}_c\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_c\end{array}\right]---\left(14\right)$

其中b₃，k₃，b_m和J_m分别是是电机轴线阻尼、刚度、电机至地面阻尼、和电机惯性。矢量 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_m\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_e\\ {\mathrm{\θ}}_c\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_c\end{array}\right],$ 和θ_m，分别是状态、输入、和输出矢量，且它们分别被称为X，u和Y，如下面的三个方程(15)，(16)和(17)中所示：

$X=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_m\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_m\end{array}\right]---\left(15\right)$

$u=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_e\\ {\mathrm{\θ}}_c\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_c\end{array}\right]---\left(16\right)$

Y＝θ_m(17)

呈ABCD格式的状态方程为如下方程(18)和(19)：

$\stackrel{\·}{X}=A*X+B*u---\left(18\right)$

Y＝C*X+D*u (19)

图13显示了基于观测器的模型的示例性实施方式。如图所示，电机机械系统1302和观测器1304都接收了相同的输入矢量，u。符号^表示所观察或者估计的型式的惯性扭矩量。在实际和所观察到的输出矢量之间的差异被用作通过观测器增益矢量L向观测器的额外输入。

图14为方块图，显示了根据本发明各个实施例的观测器的示例性数字化实施方式。特别地，图14示出了观测器1400。在一些实施例中，观测器1400包括增益单元1416-1432，加法单元1434，零阶保持单元1436和数字积分器1438和1439。每一个数字积分器包括增益单元1432，加法单元1434，和单元延时1440。

观测器1400将电机位置1402，电磁扭矩1404，扭杆底部位置1406和扭杆底部速度1408作为输入，并且输出了电机惯性乘以电机加速度估计值1410。电机位置估计值1412和电机速度估计值1414分别为数字积分器1438和1439的输出。在一些实施例中，增益1428和1430在矢量L中都被设定为一百。较大的增量趋向于降低在实际的和所观察到的数量之间的差异。注意到的是，扭杆底部速度1408由零增益1424而失效，因为输入不会是直接可获取/可用的，而是通过计算得到。为了使用观测器1400的这些数字实施方式，应该至少知道电机子系统参数诸如b₃，k₃，b_m和J_m的近似值。

图15显示了波特图，当观测器被合并到所述转向系统模型内时，波特图示出了所述转向系统模型能够移位所述相位交点频率。该图指示了可以避免扭杆底部速度。然而，在一些实施例中，数字观测器必须在一定间隔下运行(例如，500微秒)，以便具有足够的带宽并且有效。

现在参考图16，流程图示出了用于控制动力转向系统的方法，其中控制模块40可以被配置为用以执行该方法。如按照本公开内容可以理解的是，方法中的操作顺序不限于如图16中所示的顺序执行，但是可以根据本公开内容且以一个或多个可适用的变化顺序而被执行。在一些实施例中，该方法可以被计划/排程为基于预定事件而运行，和/或在车辆10的操作期间持续运行。

在块1610处，控制模块40生成了基于手轮扭矩信号而在相对较低频率的范围内不改变手轮扭矩信号的情况下来生成基础的扭矩命令。在一些实施例中，相对较低频率的范围在70Hz以下。即，控制模块40避免了过滤来自具有陷波滤波器的电机的手轮扭矩信号。在一些实施例中，控制模块通过利用扭矩补偿器用于在相对较高频率的范围改变手轮扭矩信号来对手轮扭矩信号进行过滤而生成了基础扭矩命令。在一些实施例中，相对较高频率的范围高于70Hz。

在块1620中，控制模块40基于所述动力转向系统的电机的电机惯性而生成了电机惯性补偿命令。在一些实施例中，控制模块40通过基于电机的电机速度来确定电机惯性而生成了电机惯性补偿命令。在一些实施例中，控制模块40通过区分电机的电机速度来确定电机的电机加速度从而确定了电机惯性。比如，控制模块40可以运用上文所述的方程(1)。在一些实施例中，控制模块40通过接收来自两个线性加速计传感器(例如，双线性加速计感测系统1100)的电机加速度而确定了电机惯性，所述线性加速计传感器测量了电机的电机加速度。利用所接收到的电机加速度，控制模块40可运用上述方程(2)。在一些实施例中，控制模块40通过接收来自线性观测器的电机惯性扭矩来生成了电机惯性补偿命令，所述线性观测器基于扭杆底部位置来确定所述电机惯性扭矩。

在块1630处，控制模块40基于基础扭矩命令和电机惯性补偿命令而生成了辅助扭矩命令。在块1640处，控制模块40操作所述动力转向系统的电机来基于辅助扭矩命令而生成扭矩。

虽然已结合仅有限数量的实施例来详细说明了本发明，应该易于理解的是，本发明不限于这些所公开的实施例。而是，本发明可以被修正为合并了迄今为止未在本文中描述的任意数量的变形、改变、替换或者等效布置，但是这些布置是与本发明的精神和范围相当的/相应的。此外，虽然已经描述了本发明的一些实施例，可以理解的是，本发明的某些方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不会被视为受限于前述描述。

Claims (15)

1.控制动力转向系统的方法，所述方法包括：

基于手轮扭矩信号且在相对较低频率范围内不改变手轮扭矩信号而生成基础扭矩命令；

基于所述动力转向系统的电机惯性生成电机惯性补偿命令；

基于基础扭矩命令和电机惯性补偿命令生成辅助扭矩命令；以及

基于辅助扭矩命令操作所述动力转向系统的电机来生成扭矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其中生成基础扭矩命令包括避免利用陷波滤波器过滤来自电机的手轮扭矩信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中生成基础扭矩命令包括利用扭矩补偿器用于在相对较高频率的范围改变手轮扭矩信号来对手轮扭矩信号进行过滤。

4.根据权利要求3的方法，其中相对较低的频率范围低于70Hz，而相对较高的频率范围高于70Hz。

5.根据权利要求1所述的方法，其中生成电机惯性补偿命令包括基于电机的电机速度而确定电机惯性。

6.根据权利要求5所述的方法，其中确定电机惯性包括区分电机的电机速度以确定电机的电机加速度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中确定电机惯性包括接收来自对电机的电机加速度进行测量的两个线性加速计传感器的电机的电机加速度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中生成电机惯性补偿命令包括接收来自线性观测器的电机惯性扭矩，所述观测器基于扭杆底部位置而确定电机惯性扭矩。

9.用于控制动力转向系统的控制系统，所述系统包括：

传感器，用于检测所述动力转向系统的电机的可观测条件；

控制模块，配置为用以：

基于手轮扭矩信号且在相对较低频率范围内不改变手轮扭矩信号而生成基础扭矩命令；

基于所述动力转向系统的电机的电机惯性而生成电机惯性补偿命令；

基于基础扭矩命令和电机惯性补偿命令而生成辅助扭矩命令；以及

基于辅助扭矩命令而操作电机以生成扭矩。

10.根据权利要求9所述的系统，其中控制模块配置为用以通过避免利用陷波滤波器过滤来自电机的手轮扭矩信号而生成基础扭矩命令。

11.根据权利要求9所述的系统，其中控制模块配置为用以通过利用扭矩补偿器用于在相对较高频率的范围改变手轮扭矩信号来对手轮扭矩信号进行过滤，从而生成基础扭矩命令，其中相对较低的频率范围低于70Hz，而相对较高的频率范围高于70Hz。

12.根据权利要求9所述的系统，其中控制模块配置为用以通过基于从传感器所接收的电机的电机速度而确定电机惯性，从而生成电机惯性补偿命令。

13.根据权利要求12所述的系统，其中控制模块配置为用以通过区分电机的电机速度来确定电机的电机加速度，从而确定电机惯性。

14.根据权利要求9所述的系统，其中控制模块配置为用以通过接收来自传感器的电机的电机加速度而确定电机惯性，传感器包括测量电机的电机加速度的两个线性加速计传感器。

15.根据权利要求9所述的系统，其中控制模块配置为用以通过从传感器接收电机惯性扭矩而生成电机惯性补偿命令，传感器包括基于扭杆底部位置而确定电机惯性扭矩的线性观测器。