CN106068219A - 车辆用转向角检测装置及搭载了该车辆用转向角检测装置的电动助力转向装置 - Google Patents

车辆用转向角检测装置及搭载了该车辆用转向角检测装置的电动助力转向装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种车辆用转向角检测装置及搭载了该车辆用转向角检测装置的电动助力转向装置。该车辆用转向角检测装置通过基于来自被设置在转向轴上的角度传感器的角度信息和来自电动机的旋转角传感器的角度信息来进行游标运算以便获得广范围的角度信息，并通过比较简单的结构和处理在短时间内检测出确定了中立点的转向角度。本发明的车辆用转向角检测装置具备游标运算单元、中立周期确定单元和中立点确定单元，其中，该游标运算单元基于转向轴角度和电动机角度来进行游标运算；该中立周期确定单元基于由游标运算单元进行游标运算而得到的基准角度来确定包括中立点在内的中立周期；该中立点确定单元根据中立周期和被存储起来的中立点值来确定中立点，并输出确定了中立点的转向角度。

Description

车辆用转向角检测装置及搭载了该车辆用转向角检测装置的电动助 力转向装置
技术领域
本发明涉及一种车辆用转向角检测装置及搭载了该车辆用转向角检测装置的电动助力转向装置。该车辆用转向角检测装置通过基于来自被设置在转向轴上的角度传感器的角度信息和来自电动机的旋转角传感器的角度信息来进行游标运算以便获得广范围的角度信息，并通过比较简单的处理在短时间内检测出确定了中立点的转向角度(转向角)。
背景技术
利用电动机的旋转力对车辆的转向机构施加转向辅助力(辅助力)的电动助力转向装置，将电动机的驱动力经由减速装置由齿轮或皮带等传送机构，向转向轴或齿条轴施加转向辅助力。为了准确地产生转向辅助力的扭矩，现有的电动助力转向装置(EPS)进行电动机电流的反馈控制。反馈控制调整电动机外加电压，以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值之间的差变小。电动机外加电压的调整一般通过调整PWM(脉冲宽度调制)控制的占空比(Duty)来进行。
如图1所示，对电动助力转向装置的一般结构进行说明。转向盘(方向盘)1的转向轴(柱轴或方向盘轴)2经过减速齿轮3、万向节4a和4b、转向齿轮齿条机构5、转向横拉杆6a和6b，再通过轮毂单元7a和7b，与转向车轮8L和8R连接。另外，在转向轴2上设有用于检测出转向盘1的转向扭矩的扭矩传感器10，用于辅助转向盘1的转向力的电动机20通过减速齿轮3与转向轴2连接。电池13对用于控制电动助力转向装置的控制单元(ECU)30进行供电，同时，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元30。控制单元30基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Th和由车速传感器12检测出的车速Vel，进行作为辅助(转向辅助)指令的电流指令值的运算，根据通过对电流指令值实施补偿等而得到的电压控制值Vref，来控制供给电动机20的电流。此外，车速Vel也能够从CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)等处获得。
控制单元30主要由CPU(也包含MCU或MPU等)构成，该CPU内部由程序执行的一般功能，如图2所示。
参照图2来说明控制单元30的功能和动作。如图2所示，由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Th和由车速传感器12检测出的车速Vel被输入到用于运算出电流指令值Iref1的电流指令值运算单元31中。电流指令值运算单元31基于被输入进来的转向扭矩Th和车速Vel使用辅助图(アシストマップ)等运算出作为供给电动机20的电流的控制目标值的电流指令值Iref1。电流指令值Iref1经过加法单元32A被输入到电流限制单元33中；被限制了最大电流的电流指令值Irefm被输入到减法单元32B中；减法单元32B运算出电流指令值Irefm与被反馈回来的电动机电流值Im之间的偏差I(＝Irefm-Im)；该偏差I被输入到用于进行转向动作的特性改善的PI控制单元35中。在PI控制单元35中被进行了特性改善的电压控制值Vref被输入到PWM控制单元36中，再经过作为驱动单元的逆变器37来对电动机20进行PWM驱动。电动机电流检测器38检测出电动机20的电流值Im，由电动机电流检测器38检测出的电流值Im被反馈到减法单元32B中。逆变器37作为驱动元件使用场效应晶体管(FET)，由FET的电桥电路构成。
另外，在加法单元32A对来自补偿单元34的补偿信号CM进行加法运算，通过补偿信号CM的加法运算来进行系统的补偿，以便改善收敛性和惯性特性等。补偿单元34先在加法单元344将自对准扭矩(SAT)343与惯性342相加，然后，在加法单元345再将在加法单元344得到的加法结果与收敛性341相加，最后，将在加法单元345得到的加法结果作为补偿信号CM。
在这样的电动助力转向装置中，为了检测出转向盘角度，在现有技术中，搭载了专用的转向角度传感器(转向角传感器)。但是近年来，为了实现提高可靠性、功能冗余化以及降低成本等要求，有时也需要搭载也可以作为扭矩传感器的角度传感器。
一般而言，车辆(汽车)的转向盘被设计为从中立点向左右旋转1圈半左右。也就是说，转向盘可以从左端到右端旋转约3圈。因此，为了适当地检测出转向盘角度，需要搭载与多匝(マルチターン)对应的可以检测出3圈以上的广范围的角度的转向角度传感器。换算成角度的话，相当于1080°(360°×3)以上，如果考虑余量(マージン)的话，期望可以检测出1400°左右。为了满足这个要求，在现有技术中，构建内置了减速机构等的角度感应器，并将其作为转向角度传感器。但是，由于设置减速机构等的话会使构造变得复杂，并且也需要花费成本，所以省略转向角度传感器的设置，并被要求提供用于替代的传感器。
另一方面，在使用无刷直流电动机的电动助力转向装置中，为了确保电动机的整流精度，将作为高精度的旋转角传感器的分解器(レゾルバ)设置在电动机轴上。尽管分解器的角度检测精度很高，但是分解器的可以检测出的角度范围比较窄，一般而言，该范围为电角度的一个周期，所以分解器不适合用于广范围的角度检测。因此，例如，在基于被配置在电动机和转向轴之间的减速机构的减速倍率为“18.5”，基于电动机极对数的倍率为“3”的情况下，以总计55.5倍的倍率检测出转向轴的角度变化并将其作为分解器角度的变化。也就是说，在转向盘从左端到右端旋转3圈的转向系统中，分解器角度会在166.5个周期中重复角度变化。因此，仅仅基于分解器角度的话，就很难估计出转向盘角度，并且，还存在需要花费一定程度以上的时间来执行某种估计处理等问题。这里，某种估计处理是指诸如基于转向扭矩和车轮速度等的估计处理、从一端到另一端的估计处理、SAT转向角估计处理之类的估计处理。
还有，为了实现近年来的提高可靠性、功能冗余化以及降低成本等要求，有时也需要将也可以作为扭矩传感器的角度传感器搭载在转向轴上。在这种情况下，作为扭矩传感器为了获得必要的分辨率，需要在例如40°周期、20°周期等的检测范围内可以检测出转向轴的角度。但是，即使在40°周期可以检测出角度，在转向盘从左端到右端旋转3圈的转向系统中，会在27个周期中重复角度变化，所以如果不进行与分解器角度的场合同等的处理的话，就会估计不出转向盘角度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5401875号公报
专利文献2：日本专利第5195132号公报
专利文献3：日本专利第5181817号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
作为现有的车辆用转向角检测(估计)装置，例如有日本专利第5401875号公报(专利文献1)、日本专利第5195132号公报(专利文献2)以及日本专利第5181817号公报(专利文献3)中所记载的技术方案。在专利文献1中所记载的车辆用转向角检测装置中，基于电动机角度传感器来进行绝对转向角估计，分别存储并运算右转向方向的角度(θrmax)和左转向方向的角度(θrmin)，然后估计中点转向角。还有，在专利文献2中所记载的车辆用转向角估计装置中，通过基于两轮的旋转速度信息和SAT信息来进行运算，以便进行转向角估计。另外，在专利文献3中所记载的车辆用转向角检测装置中，将相对转向角存储在EEPROM中，当电源恢复时，通过比较SAT和存储值来进行运算，以便进行转向角估计。
尽管可以通过简单的结构来实现专利文献1的装置，但因为如果不把转向盘打到左右的转向齿条端头(ラックエンド)为止的话，就会估计不出中立点，所以存在不一定总是可以估计出中立点的问题。还有，在专利文献2和专利文献3中所记载的装置中，因为绝对转向角的中立点的精度取决于SAT的估计精度，所以需要以尽可能高的精度来进行SAT的估计，从而除了处理的复杂性之外，还存在诸如估计处理所需的时间变长、行驶条件变得严格(例如，估计处理所需的车速必须高等)等问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种车辆用转向角检测装置及搭载了该车辆用转向角检测装置的电动助力转向装置，该车辆用转向角检测装置通过基于来自被设置在转向轴上的角度传感器的角度信息和来自电动机的旋转角传感器的角度信息来进行游标运算以便获得广范围的角度信息，并通过比较简单的结构和处理在短时间内检测出确定了中立点的转向角度。
解决技术问题的手段
本发明涉及一种车辆用转向角检测装置，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：具备游标运算单元、中立周期确定单元和中立点确定单元，所述游标运算单元基于转向轴角度As和电动机角度Am来进行游标运算；所述中立周期确定单元基于由所述游标运算单元进行游标运算而得到的基准角度Av来确定包括中立点在内的中立周期；所述中立点确定单元根据所述中立周期和被存储起来的中立点值来确定所述中立点，并输出确定了所述中立点的转向角度Sag。
本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即：所述中立周期确定单元的所述中立周期的确定使用被估计或测定出的SAT值；或，所述中立点值被存储在EEPROM中；或，所述转向轴角度As为转向轴的转向盘侧或转向齿轮侧的角度，与电动机连接的旋转角传感器输出所述电动机角度Am；或，所述中立点确定单元基于所述中立点值从所述中立周期来进行用于确定所述中立点的处理。
还有，本发明涉及一种电动助力转向装置，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：搭载了上述车辆用转向角检测装置中的任意一种车辆用转向角检测装置，并基于由该车辆用转向角检测装置检测出的所述转向角度Sag来进行转向辅助控制；或，通过比较所述转向角度Sag和由其他的已有的转向角传感器输出的角度信号来相互监视彼此的输出，当异常或故障发生时，通过所述比较可以即时检测出所述异常或所述故障。
发明的效果
根据本发明的车辆用转向角检测装置，因为对来自被设置在转向轴上的转向轴角度传感器(扭矩传感器)的角度信号和来自与电动机连接的旋转角传感器(分解器等)的角度信号进行游标运算，所以可以检测出更广范围的转向轴角度。与现有技术相比，本发明的车辆用转向角检测装置可以更简单地在更短的时间内检测(估计)出转向角度。因为本发明的车辆用转向角检测装置基于通过游标运算而被扩大的基准角度来确定包括转向角度的中立点在内的中立周期，并基于被存储起来的中立点值来确定中立点，所以可以检测(估计)出确定了中立点的转向角度。
通过将本发明的车辆用转向角检测装置搭载在电动助力转向装置上，就可以基于确定了中立点的转向角度来进行转向辅助控制。
附图说明
图1是表示电动助力转向装置的概要的结构图。
图2是表示电动助力转向装置的控制系统的结构例的结构框图。
图3是表示本发明的整体结构的结构框图。
图4是表示本发明的运算处理的结构例的结构框图。
图5是表示本发明的运算处理的动作例的流程图。
图6是用于说明游标运算的波形图。
图7是用于说明游标运算的波形图。
图8是表示转向轴角度与SAT之间的关系的一个示例的特性图。
图9是表示转向轴角度与基准角度之间的关系的一个示例的特性图。
具体实施方式
在电动助力转向装置(EPS)中，为了检测出转向盘角度，在现有技术中，搭载了专用的转向角度传感器。但是近年来，为了实现提高可靠性、功能冗余化以及降低成本等要求，有时也需要搭载也可以作为扭矩传感器的角度传感器。在这种情况下，作为扭矩传感器为了获得必需的高分辨率，搭载例如转向轴40°周期、20°周期等的角度传感器。本发明基于这样的转向轴40°周期、20°周期等的转向轴的角度信息和来自经由减速机构(减速齿轮)与转向轴连接的电动机的旋转角传感器(例如，分解器)的角度信息来进行游标运算，获得比起40°周期、20°周期来还要广的范围(例如，240°周期)的角度信息(基准角度)，通过比现有技术更简单的结构和处理在短时间内检测出转向角度。
具体而言，本发明通过游标运算来扩大来自转向轴角度传感器(扭矩传感器)的角度信号和来自旋转角传感器(分解器)的角度信号，基于被扩大的基准角度来确定大概含有转向角度的中立点吧的中立周期。因为被扩大的基准角度可以检测出充分广的转向盘角度范围，所以，例如，也可以将含有中立点特有的“行驶中SAT值≒0”的周期估计成含有中立点的中立周期。这可以在车辆行驶的时候被即时判断，并且，也可以通过非常简单的处理在短时间内完成。还有，通过将“真正的中立点在含有中立点的中立周期的哪里”这种信息预先存储在诸如EEPROM之类的存储单元中，就可以一确定了含有中立点的中立周期，同时也就确定了中立点。
下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。
图3示出了本发明的整体结构。如图3所示，转向轴角度传感器(扭矩传感器)22被设置在与转向盘1连接的转向轴2上，经由减速齿轮3被设置在转向轴2上的电动机20设有电动机旋转角传感器(分解器)21。尽管在图3中，转向轴角度传感器22被设置在转向轴2的转向盘1侧，但在本发明中也可以将转向轴角度传感器22设置在转向轴2的转向齿轮侧。由电动机旋转角传感器21检测出的电动机角度Am和由转向轴角度传感器22检测出的转向轴角度As被输入到游标运算单元100中，游标运算单元100基于电动机角度Am和转向轴角度As运算出广范围(例如，240°周期)的基准角度Av。
图4示出了转向角度检测的运算处理的结构例。如图4所示，转向轴角度As(例如，40°周期)和电动机角度Am(电角度周期)被输入到游标运算单元100中，由游标运算单元100运算出的基准角度Av被输入到中立周期确定单元110中。被估计或测定出的SAT值SATv被输入到中立周期确定单元110中。还有，由中立周期确定单元110确定好的包括中立点在内的中立周期的角度信号Avn被输入到中立点确定单元120中，同时，被存储在存储单元(例如EEPROM)中的中立点值Np也被输入到中立点确定单元120中。中立点确定单元120输出含有被确定好的中立点的转向角度Sag(±∞°)。
在这样的结构中，参照图5的流程图来说明其动作例。
本动作例的前提条件是电动机减速比为“18.5”，电动机极对数为“3”。但在本发明中，除了这个前提条件以外的电动机减速比和电动机极对数的组合也是可能的，例如，电动机减速比也可以为诸如“16”、“20.5”、“20.333···”(＝61÷3)之类的值，电动机极对数也可以为诸如“2”、“4”、“5”之类的值。游标运算后得到的基准角度Av的角度范围取决于电动机减速比和电动机极对数的组合。还有，将从转向轴角度传感器22中获得的转向轴角度As的周期设为40°周期，将从电动机20的旋转角传感器21中获得的电动机角度Am的周期设为360°周期的电气角度信号。这些周期(40°周期、360°周期)仅仅是一个示例而已，在本发明中也可以使用其他的周期信号的关系。
游标运算单元100首先输入转向轴角度As(步骤S1)，然后再输入电动机角度Am(步骤S2)。在本发明中也可以把这个输入顺序反过来。游标运算单元100基于转向轴角度As和电动机角度Am进行游标运算(步骤S3)。
游标运算的目的是使用转向轴角度As和电动机角度Am，运算出周期比哪个都要长的角度信号的基准角度Av。在游标运算的流程中，首先预先将以下的值设定为系统固有值。
(1)将电动机角度Am的最大值统一到转向轴角度As的单位后，再将其设为Am'm。也就是说，最大值Am'm＝360÷3÷18.5≒6.486···。
(2)还有，将转向轴角度As的最大值设为Asm(＝40)。
(3)接下来，将最大值Am'm和最大值Asm的最小公倍数设为AI的话，则最小公倍数AI＝LCM(Am'm，Asm)＝240。
(4)将最小公倍数AI除以最大值Asm后获得的值作为Ac的话，则除法结果Ac＝AI÷Asm＝6。
(5)然后，将最大值Am'm除以除法结果Ac后获得的值作为Ap的话，则除法结果Ap＝Am'm÷Ac＝1.081···。
根据以上步骤就可以求出作为系统固有值的电动机角度Am的最大值Am'm、转向轴角度As的最大值Asm、最小公倍数AI、最小公倍数AI除以最大值Asm后获得的除法结果Ac和最大值Am'm除以除法结果Ac后获得的除法结果Ap。
接下来，利用通过以上步骤而求出的系统固有值来进行下述运算(a)～(d)以便求出指标值(インデックス値)Ai。
(a)将电动机角度Am统一到转向轴角度As的单位后，再将其设为Am'。也就是说，电动机角度Am'＝Am÷3÷18.5。
(b)将转向轴角度As对最大值Am'm求余后获得的值作为As'。也就是说，余数(剰余値)As'＝mod(As，Am'm)。
(c)将电动机角度Am'和余数As'之间的差与“Ap÷2”相加后得到的值对最大值Am'm求余后获得的值作为Ad。也就是说，余数Ad＝mod(Am'－As'+Ap÷2，Am'm)。
(d)将余数Ad除以除法结果Ap再将小数点以下的部分舍去后获得的值设为指标值Ai。也就是说，指标值Ai＝INT(Ad÷Ap)。
游标运算单元100使用通过上述运算而求出的指标值Ai、转向轴角度As和最大值Asm来进行下述式1的运算，求出被扩大的角度信号的基准角度Av，然后再输出基准角度Av(步骤S4)。
式1
Av＝As+Asm×Ai
转向盘角度与电动机角度Am'、余数As'、余数Ad以及指标值Ai之间的关系如图6所例示。还有，转向盘角度与转向轴角度As、基准角度Av以及指标值Ai之间的关系如图7所例示。
基准角度Av被输入到中立周期确定单元110中，被估计或测定出的SAT值SATv也被输入到中立周期确定单元110中(步骤S5)。中立周期确定单元110基于SAT值SATv来确定基准角度Av的中立周期(步骤S6)。继续进行中立周期的确定直到中立周期的确定结束为止(步骤S7)。转向盘角度与SAT值SATv之间的关系例如图8所示。因为斜率随车速而变化，图8示出了车速为50km/h和100km/h的情况下的示例。从图8可知，当转向盘角度为0°时，SAT值SATv大概显示0。因此，可以将SAT值SATv显示0的转向盘角度当作中立点来对待。可以利用公知的方法来估计SAT值SATv，也可以通过进行直接测定来求出SAT值SATv。
在假定上述240°周期的游标运算后得到的基准角度Av位于转向盘角度的－100°～+140°情况下，转向盘角度与基准角度Av之间的关系如图9所示。在这种情况下，当转向盘角度为－340°～－100°的场合，从图8可知，没有SAT值SATv显示0，所以可以判断在此范围内没有中立点。同样，当转向盘角度为140°～380°的场合，也可以判断没有中立点。另一方面，当转向盘角度为－100°～140°的场合，有时SAT值SATv显示0或0附近，在此瞬间，可以判断在这个转向盘角度的范围内有中立点。这些显示了可以容易地检测出在转向盘角度的广范围内，在周期性地重复0°～240°的变化的基准角度Av的各个周期中的哪个周期中含有转向盘中立点。
如上述那样当中立周期的确定结束的时候(步骤S7)，中立周期就被确定好了，包括中立点在内的中立周期的角度信号Avn被输入到中立点确定单元120中，中立点确定单元120从ECU内等的存储单元(例如EEPROM)中读取中立点值Np后并输入(步骤S10)。将转向盘中立点的基准角度Av的值作为中立点值Np预先存储在存储单元中。例如在图9的情况下，将100°这个值作为中立点值Np预先存储起来，然后，可以从先求出的包括中立点在内的角度信号Avn的周期中，将角度信号Avn显示100°的位置作为中立点来确定(步骤S11)。通过这样做，就可以省略在中立点的估计中最花费时间的估计精度高的处理，可以在更短的时间内确定好中立点。
当中立点确定单元120基于中立点值Np确定好了中立点之后(步骤S12)，输出转向角度Sag(步骤S13)。电动助力转向装置基于转向角度Sag来进行转向辅助控制。
也就是说，搭载了上述车辆用转向角检测装置，并基于由该车辆用转向角检测装置检测出的转向角度Sag来进行转向辅助控制。还有，也可以通过比较转向角度Sag和由其他的已有的转向角传感器输出的角度信号来相互监视彼此的输出。当异常或故障发生时，通过比较转向角度Sag和其他的转向角传感器的角度信号，可以即时检测出异常或故障。
附图标记说明
1 转向盘(方向盘)
2 转向轴(柱轴、方向盘轴)
10 扭矩传感器
12 车速传感器
13 电池
20 电动机
21 电动机旋转角传感器(分解器)
22 转向轴角度传感器(扭矩传感器)
30 控制单元(ECU)
31 电流指令值运算单元
33 电流限制单元
34 补偿单元
35 PI控制单元
36 PWM控制单元
37 逆变器
40 CAN
41 非CAN
100 游标运算单元
110 中立周期确定单元
120 中立点确定单元

Claims (7)

1.一种车辆用转向角检测装置，其特征在于：
具备游标运算单元、中立周期确定单元和中立点确定单元，
所述游标运算单元基于转向轴角度As和电动机角度Am来进行游标运算；
所述中立周期确定单元基于由所述游标运算单元进行游标运算而得到的基准角度Av来确定包括中立点在内的中立周期；
所述中立点确定单元根据所述中立周期和被存储起来的中立点值来确定所述中立点，并输出确定了所述中立点的转向角度Sag。
2.根据权利要求1所述的车辆用转向角检测装置，其特征在于：所述中立周期确定单元的所述中立周期的确定使用被估计或测定出的SAT值。
3.根据权利要求1或2所述的车辆用转向角检测装置，其特征在于：所述中立点值被存储在EEPROM中。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的车辆用转向角检测装置，其特征在于：所述转向轴角度As为转向轴的转向盘侧或转向齿轮侧的角度，与电动机连接的旋转角传感器输出所述电动机角度Am。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的车辆用转向角检测装置，其特征在于：所述中立点确定单元基于所述中立点值从所述中立周期来进行用于确定所述中立点的处理。
6.一种电动助力转向装置，其特征在于：搭载了根据权利要求1至5中任意一项所述的车辆用转向角检测装置，并基于由该车辆用转向角检测装置检测出的所述转向角度Sag来进行转向辅助控制。
7.一种电动助力转向装置，其特征在于：搭载了根据权利要求1至5中任意一项所述的车辆用转向角检测装置，并通过比较所述转向角度Sag和由其他的已有的转向角传感器输出的角度信号来相互监视彼此的输出，当异常或故障发生时，通过所述比较可以即时检测出所述异常或所述故障。
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