CN106080750B - 用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，其可以包括：控制器，所述控制器配置为控制电机驱动的助力转向系统模型，以基于在目标转向柱速度与实际转向柱速度之间的接收误差而输出对应于复位控制扭矩命令的目标转向柱速度命令；干扰检测器，所述干扰检测器配置为补偿包括在电机驱动的助力转向系统模型的输出中的干扰，并将补偿的干扰提供至所述控制器的输出，其中，电机驱动的助力转向系统模型的输出可以反馈至所述控制器的输入。

Description

用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年4月28日提交的韩国专利申请第10-2015-0059923号的优先权，该申请的全部内容结合于此用于通过该引用的所有目的。
技术领域
本发明涉及电机驱动的助力转向(MDPS)技术，并且更具体地涉及用于控制MDPS系统的复位的设备。
背景技术
电机驱动的助力转向(MDPS)系统为这样一种装置，其通过使用辅助动力源提供驾驶员在车辆转向的过程中施加至方向盘的一部分转向扭矩，从而促进转向。换言之，MDPS系统可以接收通过直接连接至转向轮的扭矩传感器而监测驾驶员使转向轮转向的意向的信号，并且通过驱动电机而辅助转向力从而基于车辆的当前速度等来提供适当的力。
因此，当驾驶员泊车、停车或缓慢驾驶车辆时，MDPS系统可以产生大的力从而辅助驾驶员。当驾驶员快速驾驶车辆时，MDPS系统可以仅辅助小的力从而维持车辆的稳定性。
为了提供动力，MDPS系统为使用电动机代替通过油压操作的常规液压转向装置的转向装置。MDPS系统根据车辆的速度提供最佳转向力，从而提供环保的效果并且减少燃料消耗。
MDPS系统通过包括用于改进车辆偏航稳定性的阻尼逻辑和用于改进车辆的转向复位的复位逻辑来辅助驾驶员的驾驶。
公开于本发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面致力于提供用于控制车辆中的电机驱动的助力转向(MDPS)系统的复位的设备，所述设备能够改进车辆的复位性能(所述复位性能是MDPS系统的长期问题)，并且执行相对于复位控制的反馈控制，从而根据问题来去除车辆驾驶员的不满。
根据本发明的各个方面，一种用于控制电机驱动的助力转向(MDPS)系统的复位的设备可以包括：控制器，其配置为控制MDPS系统模型，以基于接收的目标转向柱速度与实际转向柱速度之间的误差来输出对应于复位控制扭矩命令的目标转向柱速度命令；干扰检测器，其配置为补偿包括在所述MDPS系统模型的输出中的干扰，并将补偿的干扰提供至所述控制器的输出，其中，所述MDPS系统模型的输出可以反馈至所述控制器的输入。
所述设备可以进一步包括滤波器，其配置为将所述MDPS系统模型的输出滤波，并且将滤波的输出反馈至所述控制器的输入，其中，所述干扰检测器补偿包括在所述滤波器的输出信号中的干扰，并将补偿的干扰反馈至所述控制器的输出。
所述设备可以进一步包括目标柱速度产生器，其配置为基于转向角度和车辆速度来产生所述目标转向柱速度。
所述干扰检测器可以包括：逆模型装置，其包括作为所述MDPS系统模型的输出的输入和传递函数，所述传递函数为用于抑制所述MDPS系统模型的干扰的Q-滤波器的传递函数与所述MDPS系统模型的传递函数的倒数的乘积；增益器，其配置为将所述逆模型装置的输出与用于抑制所述MDPS系统模型的分歧的增益相乘；减法器，其配置为将通过从所述增益器的输出值中减去所述控制器的输出和所述Q-滤波器的传递函数的乘积而获得的值反馈至所述控制器的输出。
所述Q-滤波器可以包括一阶低通滤波器。
所述控制器可以包括超前-滞后控制器。
所述超前-滞后控制器可以包括一阶传递函数。
所述滤波器可以包括一阶低通滤波器。
所述MDPS系统模型可以包括一阶传递函数。
当根据本发明的各个实施方案的用于控制MDPS系统的复位的设备应用于真实车辆测试时，本发明的实施方案可以改进目标转向角速度的跟进性能。
本发明的各个实施方案可以改进车辆(或转向轮)的复位性能或复位速度，并且可以去除转向轮的剩余角度和多阶段现象。
此外，本发明的各个实施方案可以改进车辆的复位性能而无额外成本，并且因此可以去除驾驶员的不满。
应当理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用车辆，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如，源于非石油能源的燃料)。正如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以阐明。
附图说明
图1为通过电机驱动的助力转向(MDPS)系统来显示反馈复位逻辑装置的示例的图。
图2为解释根据本发明的用于控制电机驱动的助力转向(MDPS)系统的复位的示例性设备的图。
图3为更详细地解释图2中显示的用于控制MDPS系统的复位的示例性设备的图。
图4为更详细地描述图3中显示的用于控制MDPS系统的复位的示例性设备的图。
图5为描述通过图4中显示的MDPS系统的简化模型的回路成形方法进行验证的曲线图。
图6为描述图4中显示的MDPS系统模型的传递函数的图。
图7A和图7B为描述根据本发明的目标转向角速度的跟进性能的曲线图。
图8A和图8B为描述根据本发明的车辆的复位性能的曲线图。
应当理解的是，附图并非按比例地绘制，而是图示性地简化呈现各种特征以显示本发明的基本原理。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如，具体尺寸、方向、位置和外形)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各种实施方案，这些实施方案的示例示于附图中并且描述如下。尽管将结合示例性实施方案来描述本发明，但是将理解的是，本说明书并非旨在将本发明限制于那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替选方式、修改方式、等同方式以及其它的实施方案。
相比于本发明的电机驱动的助力转向(MDPS)系统的复位控制为开环控制，并且该开环控制根据车辆速度和转向角度向电机输出对应于使车辆和转向轮复位的扭矩的电流。所述控制为简单且直观的实施方式，但是可能具有的缺点是：由于干扰，例如MDPS系统的硬件摩擦或道路表面状况，使得转向轮不复位至转向轮的中心或中间点。
图1为通过电机驱动的助力转向(MDPS)系统来显示反馈复位逻辑装置的示例的图。
图1的装置可以通过使用MDPS系统的转向柱上的速度控制来改进复位和高速阻尼性能。所述装置可以改进转向轮的多级现象并且最小化复位控制的不均匀性。
图1中显示的装置可以包括目标负载确定设备10和控制器20，所述目标负载确定设备10基于转向角度来确定目标负载或目标柱速度，所述控制器20接收目标负载与估算的实际负载(估算的实际柱速度)之间的误差，并且可以将控制器20的输出值反馈至控制器20的输入以及可以控制(或去除)误差。目标负载确定设备10还可以被称为复位命令产生设备。可以基于MDPS系统的柱扭矩和输出电流来估算实际柱速度。根据柱扭矩与柱速度之间的关系，从控制器20输出的目标柱速度命令可以转换成复位控制扭矩命令，所述复位控制扭矩命令被输入至MDPS系统的电机。
图1的装置的控制逻辑解释如下。
目标负载确定设备10可以基于转向角度来产生复位角命令。
图1的装置可以通过反馈控制来计算复位控制扭矩，并且通过使用去耦控制来确定驾驶员的意愿。
控制器20可以通过反馈控制来执行柱的角速度控制，并且使用比例积分微分(PID)控制器，所述比例积分微分(PID)为反馈控制器。
在控制器20中，根据包括图1的装置的车辆可能需要增益值的调节，并且取决于增益值的目标跟进性能可能不足，或者由于过冲的出现而可能存在调节难度。
图2为解释根据本发明的各个实施方案的用于控制电机驱动的助力转向(MDPS)系统的复位的设备的图。
在图2的设备中，输出(y)可以良好地跟随参考(r)。图2的设备可以不受干扰(d)和噪声(n)的影响，并且可以为尽管存在系统模型的误差(该系统模型为控制对象模型)，仍然能够稳健地跟随参考(r)的控制设备。系统模型可以是电机驱动的助力转向(MDPS)系统模型。
在图2中显示的根据本发明的设备中，可以基于模型来设计作为超前-滞后控制器的控制器，从而保证基本性能。通过干扰检测器(DOB)可以降低干扰的影响。可以例如通过低通滤波器来降低噪声的影响。
图3为更详细地解释图2中显示的用于控制MDPS系统的复位的设备的图。
参考图3，用于控制MDPS系统的复位的设备100包括：控制器110、电机驱动的助力转向(MDPS)系统模型125、滤波器135和干扰检测器130。
控制器110可以控制对MDPS系统建模的MDPS系统模型125，从而基于在目标转向柱速度(或转向柱的目标角速度)与实际转向柱速度(或转向柱的实际角速度)之间的接收的误差(Ref)或接收的误差信号，来输出对应于复位控制扭矩命令的目标转向柱速度命令(或目标柱速度命令)。可以通过减法器105来输入接收的误差(Ref)。控制器110可以控制MDPS系统模型125，以去除误差(Ref)。根据柱扭矩和柱速度之间的关系，可以将目标转向柱速度命令转换成复位控制扭矩命令，所述复位控制扭矩命令被输入至MDPS系统(或MDPS设备)的电机。
实际转向柱速度可以表示MDPS系统(MDPS系统模型)的对应于转向柱的旋转速度的输出值，所述转向柱包括在车辆中并且通过电机旋转。可以通过MDPS系统的电子控制设备(ECU)控制电机。在本发明的各个实施方案中，可以基于通过扭矩传感器测量的转向柱扭矩和MDPS系统的输出电流来估算转向柱的实际速度。可以将复位控制扭矩命令加入从包括在MDPS系统中的ECU输出的控制信号中。MDPS系统可以支援或辅助转向轮(或方向盘)的转向扭矩和用于移动至转向轮的中间位置或中心位置的复位扭矩。控制信号可以是控制转向轮以复位至转向轮的中心位置的信号，并且可以被输出至向转向轮提供复位扭矩的电机，例如电动机。系统模型125可以为控制对象并且可以为MDPS系统模型。
MDPS系统可以包括：扭矩传感器、转向角度传感器和车辆速度传感器，所述扭矩传感器测量驾驶员输入至转向轮的转向扭矩，所述转向角度传感器测量转向轮的转向角度，所述车辆速度传感器测量车辆速度。MDPS系统可以包括：电机、转向齿轮箱、扭矩传感器和ECU。ECU可以通过用扭矩传感器来检测转向轮的旋转量并且根据车辆速度来将电流施加至电机，而控制转向轮的扭矩。
滤波器135可以对MDPS系统模型125的输出(或输出信号)进行滤波，并且通过减法器105将经滤波的输出反馈至控制器110的输入。
干扰检测器130可以补偿或去除包括在滤波器135的输出信号中的干扰，并且将去除干扰的输出信号提供至控制器110的输出(或输出信号)，或者经由减法器115而提供至MDPS系统模型125的输入。可以通过减法器120将干扰(例如，MDPS系统的部件或构件之间的摩擦)提供至MDPS系统模型125。
根据本发明的各个实施方案，在用于控制MDPS系统的复位的设备中可以省略滤波器135。当省略滤波器135时，干扰检测器130可以补偿包括在MDPS系统模型125的输出中的干扰，并将其提供至控制器110的输出，并且MDPS系统模型125的输出可以反馈至控制器110的输入。
图4为更详细地描述图3中显示的用于控制MDPS系统的复位的设备的图。
参考图4，用于控制MDPS系统的复位的设备100可以为反馈控制系统(或反馈复位控制器)，所述反馈控制系统接收目标柱速度与实际柱速度之间的误差，并且使用可以为超前-滞后控制器的控制器110、干扰检测器130以及滤波器135。设备100可以计算(或输出)复位控制扭矩命令，以提供MDPS系统的电机。设备100还可以被称为车辆的MDPS反馈复位逻辑控制系统。柱(或转向柱)可以指示方向盘轴的中间部分。
设备100可以通过基于系统模型的控制来保证跟进性能，并且可以通过干扰检测器130的设计来对干扰执行稳健控制。设备100可以减少调节变量，从而简化MDPS系统的控制。
目标柱速度产生器101可以基于转向角度(或由驾驶员造成的转向角度)和车辆速度来产生(或计算)目标转向柱速度，并提供至减法器102。目标柱速度产生器101可以包括在设备100中并且也可以被称为复位命令产生器。减法器102可以从目标转向柱速度中减去实际转向柱速度，并将结果提供至控制器110。目标柱速度产生器101可以包括存储设备(例如，电可擦除的可编程只读存储器(EEPROM))，所述存储设备存储包括依据转向角度和车辆速度的柱速度值的查找表。可以将作为MDPS系统控制模型125的输出的复位控制扭矩命令添加至从MDPS系统输出的控制信号或输入至电机的信号。
在图4中由C(s)表示的控制器110可以控制MDPS系统模型125，从而保证基本控制性能。
滤波器135(例如，为一阶低通滤波器)可以降低干扰检测器130的灵敏度并且可以用于去除噪声。
干扰检测器130可以降低干扰的作用，并且可以为用于稳健控制设备100的检测器。
图4中所示的控制器110的设计方法描述如下。
[等式1]
在等式1中，Kgain可以表示超前-滞后控制器的增益，a1和b1可以表示超前补偿增益，并且a2和b2可以表示滞后补偿增益。
反馈复位可以不需要快速响应，并且反馈复位的响应可以缓慢。因此，在等式1中，相比于一阶相或常数项，二阶项的影响更弱。因此，在等式1中，可以去除二阶项。通过上述近似方法，可以设计一阶超前-滞后控制器或一阶超前-滞后控制器的传递函数。
图4中所示的干扰检测器130的设计方法解释如下。
干扰检测器130可以通过使用MDPS系统模型(图4中的P(s))的逆模型(图4中的P-1(s))来估算干扰。干扰检测器130可以通过将估算的逆模型反馈至控制器110的输出来去除干扰。
当干扰检测器实际应用于MDPS系统时，可能无法准确地对作为系统模型的MDPS系统建模。由于因果性问题可能无法实现系统模型的逆模型，并且在系统模型和对系统模型建模的建模系统模型之间可能存在误差。此外，由于MDPS系统的测量信号中的噪声，干扰检测器的性能可能变差。
为了解决该问题，图4中所示的Q-滤波器(Q(S))(例如，低通滤波器)包括在MDPS系统中，从而可以实现系统模型的逆模型。Q-滤波器(Q(S))可能是影响MDPS系统(或MDPS系统模型)的稳健性和MDPS系统的干扰抑制性能的因素。干扰检测器130可以将实际系统模型与经建模的系统模型之间的误差视为干扰，并补偿干扰。干扰检测器130可以具有简单的结构和少的计算量，并且因此可以具有高利用率范围。
为了得到干扰检测器130中使用的传递函数(P(s))的倒数，可以通过由如下等式2表示的一阶等式来逼近MDPS系统的三阶模型(系统模型P(s))。
[等式2]
如图5中所示，可以通过回路成形方法来验证等式2。
获得等式2的的过程描述如下。
参考图6，如下计算作为MDPS系统模型125的传递函数并且用于干扰检测的图6为显示包括MDPS系统的转向设备模型的图。
通过如下等式给出与方向盘(或转向轮)相关的微分等式(或动态模型)。
θ1可以为方向盘的转向角度，θ2可以为转向柱的旋转角度，J1可以表示方向盘的惯性转矩，C1可以表示方向盘的粘性阻尼系数，K可以表示弹性系数(或刚度)，τh可以表示由驾驶员施加至方向盘的扭矩。
通过如下等式给出与柱、电机和齿条相关的微分等式。柱也可以被称为转向柱或转向轴。
J2(图6中的Jc)可以表示转向柱的惯性转矩，C2(图6中的Cc)可以表示转向柱的粘性阻尼系数，K可以表示弹性系数(或刚度)，N可以表示连接至MDPS系统的电机的齿轮(例如涡轮)的齿数比，τm可以表示电机的扭矩，r可以表示齿条与小齿轮(rp)之间的齿数比，并且Ftire(图6中的Fload)可以表示来自车辆轮胎并且施加至齿条的力。
与方向盘、柱、电机和齿条相关的微分等式的拉普拉斯变换如下。
(J1s2+C1s+K)θ1＝Kθ2+τh
(J2s2+C2s+K)θ2＝Kθ1+τa-dr
当在拉普拉斯变换等式中代入等式(τa＝Nτm，dr＝rFtire)并且在拉普拉斯变换等式中使θ1归零时，拉普拉斯变换等式可以转换成如下等式。
(J1s2+C1s+K)(J2s2+C2s+K)θ2＝K2θ2+Kτh+(J1s2+C1s+K)(τa-dr)
如果在拉普拉斯变换等式中代入等式(τh＝0和dr＝0)，获得如下
在上述等式中，获得如下
图4中显示的Q-滤波器140可以设计(建模)为如下等式。
等式中的Wc可以表示截止频率。
为了抑制系统由于建模误差造成的偏离，可以将增益(KDOB或K_DOB)施加至作为Q-滤波器140的实施方案的一阶低通滤波器(LPF)。K_DOB可以意指调节变量。
参考图4，如下更详细地描述干扰检测器130。
干扰检测器130包括：逆模型装置160、第一增益器155、减法器150和第二增益器145。
逆模型装置160可以包括作为MDPS系统模型125的输出的输入，并且可以包括传递函数，所述传递函数为用于抑制(或补偿)MDPS系统模型125的干扰的Q-滤波器140的传递函数和MDPS系统模型125的传递函数的倒数的乘积。
第一增益器155可以将逆模型装置160的输出与用于抑制MDPS系统模型125的偏离的第一增益相乘。
减法器150可以从第一增益器155的输出值中减去控制器110的输出与Q-滤波器140的传递函数的乘积。
第二增益器145可以将减法器150的输出值与用于去除干扰的第二增益(DOB增益)的乘积反馈至控制器110的输出。
在本发明的各个实施方案中，可以在干扰检测器130中去除第二增益器145。当去除第二增益器145时，减法器150可以将通过从增益器155的输出值中减去控制器110的输出与Q-滤波器140的传递函数的乘积而获得的值反馈至控制器110的输出。
图4中所示的滤波器135(例如，一阶低通滤波器(LPF))可以设计成如下等式。
等式中的Wc可以表示截止频率。
为了降低干扰检测器130的灵敏度并且消除噪声的影响，可以将滤波器135的传递函数施加至设备100。
图7A和7B为描述根据本发明的目标转向角速度的跟进性能的曲线图。
图7A可以表示使用PID控制器并且在图1中显示的装置的目标转向角速度的跟进性能，并且图7B可以表示根据本发明的用于复位的目标转向角速度的跟进性能。
参考图7A和7B，相比于图1的使用PID控制器的装置，本发明可以控制真实柱速度(或实际柱速度)从而更好地跟进目标柱速度。因此，本发明可以具有出色的响应能力。
图8A和8B为描述根据本发明的车辆的复位性能的曲线图。
图8A为对比根据图1的装置的转向轮的复位速度和根据本发明的转向轮的复位速度的曲线图。
参考图8A，可见当车辆速度为24千米每小时(KPH)时，相比于图1的使用PID控制器的装置，本发明可以更多地增加转向轮的复位速度。
图8B为对比根据图1的装置在蠕变驱动中的复位性能和根据本发明的在蠕变驱动中的复位性能的曲线图。
参考图8B，在车辆的蠕变驱动的过程中，本发明可以消除在转向轮的复位过程中可能产生的剩余角度(如由附图标记210所示的)，并且可以消除复位角速度不均匀的多阶段现象(如由附图标记205所示的)。
如上所述，本发明可以改变开环控制系统的复位控制从而反馈控制，并且因此尽管存在干扰仍然能够使转向轮复位至转向轮的中心。因此，可以改进车辆的复位性能并且可以消除驾驶员的抱怨。
本示例性实施方案中使用的构件、“～设备”、块或模块可以以软件或硬件实现，并且可以以软件和硬件的组合来执行，所述软件例如为在存储器的预定区域中进行的任务、类别、子程序、过程、对象、执行思路或程序，所述硬件例如为现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。构件、“～部分”等可以嵌入计算机可读的存储介质中，并且其一些部分可以分散地分布在多个计算机中。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述出于说明和描述的目的。前面的描述并非旨在穷举，或者将本发明限制为公开的精确形式，且显然的是，根据以上教导若干修改和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述以解释本发明的特定原理及其实际应用，由此使得本领域的其它技术人员能够利用并实现本发明的各种示例性实施方案及其各种可替选方式和修改方式。本发明的范围旨在通过所附权利要求及其等同形式来限定。

Claims (9)

1.一种用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，所述设备包括：
控制器，其配置为控制电机驱动的助力转向系统模型，以基于在目标转向柱速度与实际转向柱速度之间的接收误差，输出对应于复位控制扭矩命令的目标转向柱速度命令；以及
干扰检测器，其配置为补偿包括在所述电机驱动的助力转向系统模型的输出中的干扰，并将补偿的干扰提供至所述控制器的输出，
其中，电机驱动的助力转向系统模型的输出被反馈至所述控制器的输入。
2.根据权利要求1所述的用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，进一步包括滤波器，其配置为对所述电机驱动的助力转向系统模型的输出进行滤波，并且将滤波的输出反馈至所述控制器的输入，
其中，所述干扰检测器补偿包括在所述滤波器的输出信号中的干扰，并将补偿的干扰提供至所述控制器的输出。
3.根据权利要求2所述的用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，进一步包括目标柱速度产生器，其配置为基于转向角度和车辆速度来产生目标转向柱速度。
4.根据权利要求1所述的用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，其中，所述干扰检测器包括：
逆模型装置，其包括作为所述电机驱动的助力转向系统模型的输出的输入和传递函数，所述传递函数为用于抑制所述电机驱动的助力转向系统模型的干扰的Q-滤波器的传递函数与所述电机驱动的助力转向系统模型的传递函数的倒数的乘积；
增益器，其配置为将所述逆模型装置的输出与用于抑制所述电机驱动的助力转向系统模型的分歧的增益相乘；以及
减法器，其配置为将通过从所述增益器的输出值中减去所述控制器的输出与所述Q-滤波器的传递函数的乘积而获得的值反馈至所述控制器的输出，
其中，Q-滤波器的传递函数为：
其中，Wc表示截止频率，KDOB表示增益。
5.根据权利要求4所述的用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，其中，所述Q-滤波器包括一阶低通滤波器。
6.根据权利要求1所述的用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，其中，所述控制器包括超前-滞后控制器。
7.根据权利要求6所述的用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，其中，所述超前-滞后控制器包括一阶传递函数。
8.根据权利要求2所述的用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，其中，所述滤波器包括一阶低通滤波器。
9.根据权利要求1所述的用于控制电机驱动的助力转向系统的复位的设备，其中，所述电机驱动的助力转向系统模型包括一阶传递函数。
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