CN106794865A - 用于控制电致动器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对电致动器进行控制的方法，其中通过控制器确定伺服电动机的操纵变量T1，以从作为状态变量的实际位置X开始到达作为目标位置的目标位置Xd，以及其中基于所述操纵变量T1计算所述电致动器的控制值，其中，利用公式(I)和公式(II)通过使用所述目标位置的二阶时间导数d²Xd/dt²和实现的控制改变ΔX|_T‑ΔX|₀计算所述伺服电动机的所述操纵变量T1。(I) ΔX|_T＝目标位置‑时间τ处的实际位置的差(II) ΔX|₀＝目标位置‑时间t＝t0处的实际位置的差。

Description

用于控制电致动器的方法

技术领域

本发明涉及具有权利要求1前序部分特征、用于对电致动器进行控制的方法，以及在优选实施例中，涉及用于对具有权利要求17前序部分特征、用于机动车辆的机电转向系统进行控制的方法。

背景技术

针对例如在机动车辆的操作中产生的动态干扰变量和最小控制偏差，利用P控制器、PI控制器或PID控制器的传统控制方法不能很好地适用于高动态需求。

在具有电动辅助的转向系统(也称为电伺服转向系统)中，例如，使用循环球式机构以将电动机的转动运动转换为齿条的轴向运动。除了方向盘和齿条之间的机械连接外，电动机还可以用作电辅助驱动器或用于线控转向式转向。在线控转向式转向系统中，由驾驶员对方向盘设定的转向需求并非在直接机械路径上而是在电路径或液压路径上传递到可转向车轮。根据现有技术，通过转向转矩传感器对驾驶员施加到方向盘的转向转矩进行测量。根据源于转向转矩传感器的与转向转矩有关的信息，将控制指令传递到电动机的致动装置。在线控转向式转向系统的情形中，对驾驶员施加的转向角度(而非施加的转向转矩)进行测量并且由该转向角度确定用于电动机的控制指令以致动转向。控制算法计算电动机的所需转矩以将齿条移动到期望位置中。

优选地，控制算法或控制方法设计为使得在控制电伺服转向系统的情形中与齿条的位置对应的电驱动器的位置遵循预定目标值，该预定目标值具有尽可能小的时间延迟以及没有过大的摆动。此外，期望位置控制具有对内部和外部干扰变量不太敏感的稳健的控制响应。

传统上，利用P、PI或PID控制器建立前文提到的传统控制系统上的这些控制算法，这些控制算法基于对车辆转向的线性、时不变的数学描述。控制的质量主要取决于数学模型的准确性和系统的线性度。在用于机动车辆的转向系统的情形中，这些传统控制方法一般不适于满足机动车辆操作的高动态需求。传统控制系统仅仅能在有限程度内处理系统的线性度偏差或与时间有关的错误(例如，由取决于道路和负荷状态等的车辆动力学中的改变引起的线性度偏差或与时间有关的错误)。这些内部和外部干扰变量对转向系统的稳定性和控制准确性具有显著影响。

发明内容

因此，本发明的目标是提供具有改善的控制准确性和较小的过大摆动的、用于对电致动器进行控制的控制方法以及相应的控制算法。

通过具有权利要求1特征的方法以及具有权利要求17特征的转向系统实现上述目标。本发明的有益改进在从属权利要求中进行阐释。

因此，一种用于控制电致动器的方法，其包括以下步骤：

-通过控制器确定致动电动机的操纵变量T1，

-以从作为状态变量的位置X开始，

-到达作为目标位置的目标位置Xd，以及其中

-基于所述操纵变量T1计算所述电致动器的控制值，

其中，通过使用所述目标位置的二阶时间导数d²Xd/dt²和实现的控制改变ΔX|_T-ΔX|₀计算所述致动电动机的所述操纵变量T1，其中

ΔX|_τ＝目标位置-时间τ处的实际位置，以及

ΔX|₀＝目标位置-时间t＝t0处的实际位置。

目标位置Xd不应当理解为静态值而是取决于相应行驶状态的值。具体地，输入的转向角度在行程期间是可变的，因此，可以由时间的函数表示。

通过该控制，致动器以具有改善的控制准确性和较低的过大摆动的方式被致动。

可以设置为通过使用所述实际位置的时间导数dX/dt计算所述致动电动机的所述操纵变量T1。

还可以设置为通过使用在所述目标位置Xd和所述实际位置X之间的偏差ΔX的时间积分计算所述致动电动机的所述操纵变量T1。

在优选实施例中，对所述操纵变量T1进行如下计算

其中，Y是总和并且具有被加数P＝μ*a1*K1*(ΔX-ΔX|₀)和以及其中对变量进行如下定义：

UV＝传动比或控制器增益，

K1，a1＝调谐参数，

F2＝加权函数，

U2＝加权因数，

μ＝加权因数。

可以设置为变量X具有被加数其中，变量a2是调谐参数以及η是加权因数。

所有加权因数(例如已经介绍的加权因数μ和η)对在软件中的实施仅仅起到次要作用。它们可以容易地具有数值1。物理上，它们用于适应量纲单位。

此外，为了改善控制性能，可以设置为变量Y具有被加数和/或其中U1是加权因数以及F1是加权函数。

优选地，可以设置为变量Y具有两个被加数和

变量Y还可以具有被加数

此外，变量Y还可以具有被加数其中，β1是调谐参数。

此外，变量Y可以具有被加数其中，U3是另外的加权因数以及F2是另外的加权函数。

在优选实施例中，所述致动电动机的所述操纵变量T1进行如下计算且Y＝P+DD+I1+D1+D2+I2+S。

可以设置为F1和/或F2是常数函数。

此外，可以设置为通过cos(ω3*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+cos(ω2*t)]和/或sin(ω3*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+sin(ω2*t)]确定F1和/或F2，其中，q1和q2是另外的加权因数。

提出的用于对电致动器进行控制的方法特别适用于对机电转向系统进行控制。

优选地，所述致动器的状态变量X是齿条的位置和/或车轮的枢转角度。

在有益的实施例中，所述致动器是通过齿轮机构(例如滚珠丝杠传动装置或蜗轮机构)将驱动转矩传递到所述齿条的电动机。

在优选实施例中，所述操纵变量T1是所述致动电动机的转矩输出，其中，基于所述操纵变量T1确定供应到所述致动电动机的目标电流值和/或目标电压值。然而，还可以想到并且可行的是，直接使用被供应到电动机的绕组的电流和/或电压作为操纵变量。然后，必须在以上介绍的计算规则中设置相应的转换因数。

如权利要求1至3中阐释的控制方法还适用对用于机动车辆的转向运动的期望转矩进行控制。在该情形中，可以使用抵消驾驶员施加在方向盘上的转向运动的相反转矩(＝恢复转矩或实际转矩)作为表示状态变量的位置X，该相反转矩作为对驾驶员引入方向盘的转向运动的反应而与驾驶员对抗。然后，致动电动机的转矩输出或被供应到电动机的电流用作操纵变量T1。因此，想要对抗转向运动的期望目标转矩被相应地用作目标位置Xd。期望的目标转矩可以由例如转向轴的转速和/或转向轴的转速的变化得出。此外，例如机动车辆的速度等其他参数可以用于确定目标转矩。该值可以存储成预定表格形式或在运行时间利用函数计算。该值可以通过使用现有技术中的已知转矩传感器直接确定。

还提供机电电动机车辆转向系统，其具有被设定为实施至少一个前述方法的控制器。

附图说明

以下，将通过附图更详细地阐释本发明的优选实施例，其中：

图1和图3示出机电转向系统的示意图，根据图1在方向盘和可转向车轮之间具有机械联接以及根据图3在方向盘和可转向车轮之间具有线控转向式设计而没有机械联接，以及

图2示出图1或图3的机电转向系统的控制的示意图。

具体实施方式

图1示出具有电动辅助的转向系统1的示意图，该转向系统具有方向盘2、转向柱3a和3b、托架4、致动器5和齿条6。在该示例中示出机电动力转向系统，其中，存在从方向盘2到转向机构20以及最终到车轮8的机械通道。方向盘2连接到转向柱3a。转向柱3a安装在托架4中使得该转向柱能够轴向地和竖直地移动。经由可转动地固定联接到转向柱3a的下转向柱3b，将方向盘的转动传递到转向机构20中，通过该方式实施齿条6的轴向移动以及因此车轮8的枢转。为了辅助转向运动，使用致动器5(其经由控制器21驱动)的电动辅助并且辅助车轮8的枢转。在托架4中还布置转向传感器(未示出)，该转向传感器检测转向柱3a的当前转动角度以及由此检测方向盘2的当前转动角度(即，位置)。在该示例中，转向柱3a的当前转动角度β(也称为转向角度)表示与目标位置Xd关联的变量。为了通过齿条6的轴向位移表示车轮的枢转，使齿条在其自由端处连接到横杆7并且经由这些横杆7联接到可转向车轮8。将齿条6在其纵向上可移动地安装在转向壳体(未示出)中。用于辅助转向运动的致动器5具有致动电机M(未示出)和齿轮机构。通过电机的驱动轴(未示出)将来自致动电机M的输出转矩传递到齿条6以及由此传递到车轮8。由于即将被传递的力很大，所以电机的驱动轴通常经由滚珠丝杠传动装置(未具体示出)作用在齿条上。然而，如现有技术中足够熟知的，还可以想到以及可行的是其他联接机构。经由电子控制器21致动致动器5。为了该致动，控制器经由信号线接收来自转向传感器的信号并且在相应控制单元中评估所述信号。

根据本发明的教导还可以应用于具有液压动力辅助的伺服转向系统以及应用于线控转向类型的伺服转向系统。线控转向类型的伺服转向系统在方向盘2和转向机构20之间没有机械通道。这将在示例中通过不存在下转向柱3b的转向系统来提供，如图3所示。然后，齿条6还可以形成为没有齿的推力杆，在与图3对应的示例中，仅经由致动器5移动该推力杆。

图2示出图1或图3的机电动力转向系统的控制单元9的示意图。在转向传感器10中对驾驶员施加到方向盘2的转向角度β进行测量。由此，在信号处理单元24中确定目标位置Xd。将被确定的目标位置Xd和作为实际值X的齿条6的实际位置或车轮8的枢转角度传递到控制单元。在该示例中，提供车辆速度V和/或施加到方向盘的转矩T_TS和/或另外测量的或计算的变量22作为可能的另外输入变量。在输入变量的预处理11之后，接下来进行最终产生输出变量23的控制部段12。在后处理13之后，输出变量构成目标变量，即，电动机的致动转矩T1。在根据本发明的控制系统中，在相应的时间确定电动机的相应的致动转矩T1。然后基于该致动转矩T1，以已知的方式确定电驱动器(PWM)14中的相应的目标电流I并且将该目标电流供应到施加转矩的电动机15。可以将具体的处理步骤16设置为与控制部段并列，该处理步骤也能够对致动转矩T1产生影响。

基于在位置偏差中实现的变化(ΔX-ΔX|₀)以及基于目标位置的二阶时间导数(即，致动加速度)，在控制部段中确定致动转矩T1。

如果实际位置的时间导数和/或目标位置的二阶时间导数用于计算实际转矩T1，则可以实现进一步改进。

此外，如果在确定致动转矩T1中还包括积分致动变化以及已经消耗的转向功以及致动方向的时间积分形式的波动，则可以进一步改进控制。

在示出的实施例中，电动机T1的致动转矩由以下项的总和 计算:

·成比例项(P)：

P＝μ*a1*K1*(ΔX-ΔX|₀)

在位置偏差中实现的变化乘以常数第一因数K1的乘积；

·双差分项(DD)：

目标位置Xd的二阶时间导数与第二因数F2的乘积，其中第二因数F2是常数或由函数表示。该项DD对应于致动加速度；

·第一积分项(I1)：

从致动位置偏差开始的时间间隔乘以常数第一因数K1并且乘以两个常数μ*a1和η*a2；该项对应于瞬间消耗的致动功；

·第二积分项(I2)：

在致动位置偏差中的时间变化的时间积分乘以常数第一因数K1和第二常数a2；该项用作对已经累积的波动或在致动位置偏差中的变化的测量；

·第一差分项(D1)：

实现的致动变化中的时间变化乘以常数第一因数K1的乘积；

·第二差分项(D2)：

位置的时间变化与第一常数U1乘以第一因数F1的乘积，其中第一因数F1是常数或由函数表示。该项对应于致动速度；

·致动方向的积分波动(S)：

致动位置偏差的速度和致动位置偏差的积分方向的总和的积分。该项对应于控制系统的损失，具体为摩擦。

根据以下说明定义公式中和描述中的缩写：

X＝实际位置

Xd＝目标位置

ΔX|_τ＝目标位置-在时间τ处的实际位置

ΔX|₀＝目标位置-在时间t＝t0处的实际位置

UV＝传动比-控制器增益

K1，a1，a2，β1＝调谐参数

ω1，ω2，ω3＝角频率值(优选地ω1＝3/s，ω2＝1/s，ω3＝2/s，其中，“s”表示量纲单位秒。)

U1，U2，q1，q2＝加权因数。这里，优选地，调谐参数和角频率值和加权因数均不等于零。

该控制的特别优选实施例的出发点是Lyapunov稳定性定理。Lyapunov定理说明系统通过使能量连续地从该系统移除而变得稳定。在被动系统的情形中，通常通过摩擦实施该能量的移除。根据Lyapunov定理，这里操纵变量表示为项S。项S对应于人为产生的摩擦，根据Lyapunov稳定性定理，该摩擦抵消外部不稳定影响。

S可以用作对控制的质量的测量。如果该符号连续变化，则没有足够准确地设计控制器。然后，可以适当地改变诸如常数和因数等参数。这可以在控制器中自动地实施。利用自动改变，可以实现对相应车辆以及具体对相应驾驶员的适应。为了增加系统动力学，由函数形成因数F1和F2。

在第一实施例中，确定F1和F2如下：

F1＝sin(ω1*t)，F2＝cos(ω3*t)。

在第二实施例中，确定F1和F2如下：

F1＝sin(ω1*t)+λ*|ΔX|*[sin(ω2*t)]，以及

F2＝cos(ω3*t)+λ*|ΔX|*[cos(ω2*t)]。

其中，λ是另外的加权因数。

在优选实施例中，给定F1和F2如下：

F1＝sin(ω1*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+sin(ω2*t)]，以及

F2＝cos(ω3*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+cos(ω2*t)]。

能够想到并且可行的是，通过cos函数替换F1中的sin函数以及同时通过sin函数替换F2中的cos函数。

此外，能够想到并且可行的是，在控制器中使F1和/或F2使用用于F1和F2的前述函数的任意组合。具体地，可以使用常数变量或上述函数中的一个用于F1，以及同样地，可以使用常数变量或上述函数中的一个用于F2。

函数F1和F2将正弦或余弦激励施加到目标变量，以及在优选实施例的情形中，施加指数式衰减。因此，可以遵循方法“持续激励”。

当车辆启动或例如如果操纵变量是零时，在控制中将时间t设定为从t返回t0。在机动车辆运动停止后的每一次运动开始时，还可以将时间t从t重新设定为t0。

在另外的实施例中，还可以额外地使用第二双差分项DD2：

其中，U3是另外的加权因数。

然后，计算操纵变量T1如下：

此外，在实施例中可以设置对转矩、车辆速度、转向角度、转向角速度以及另外的变量的其他具体处理，例如用于安全功能或在预处理11中或在具体的处理步骤16中起作用的其他功能。还可以想到并且可行的是，基于其他测量变量或计算变量(例如，转矩和/或车辆速度和/或转向角度和/或转向角速度和/或其他变量)改变调谐参数。

当然，为了通过控制器计算操纵变量T1，不必考虑所有列举出的项。正如之前已经描述的，可以单独地或在极广泛的组合范围中考虑上述项。因此，在改善的文本内，已经表明不总是需要项S来表示控制。根据待控制的系统的复杂性，基于权利要求1中介绍的控制方法已经能够实现与现有技术相比改善的控制性能。通过添加其他项(例如在权利要求中和说明书中阐释的)，控制性能可以被改善并且适用于更复杂的系统。

用于对用于机动车辆的机电伺服转向系统进行控制的、根据本发明的方法甚至在发生线性度偏差或对系统的时变扰动时，电驱动器也具有非常高的控制准确性和非常低的过大摆动。尽管该控制仅仅处理用于参数的上限值而非准确值，但是通过根据本发明的方法实现电驱动器的操纵变量的高精度。

Claims (17)

1.一种用于对电致动器进行控制的方法，其包括以下步骤：

-通过控制器确定致动电动机的操纵变量T1，

-以从作为状态变量的位置X开始，

-到达作为目标位置的目标位置Xd，以及其中

-基于所述操纵变量T1计算所述电致动器的控制值，

其特征在于，通过使用所述目标位置的二阶时间导数d²Xd/dt²和实现的控制改变ΔX|_T-ΔX|₀计算所述致动电动机的所述操纵变量T1，其中

ΔX|_τ＝目标位置-时间τ处的实际位置，以及

ΔX|₀＝目标位置-时间t＝t0处的实际位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使用所述实际位置的时间导数dX/dt计算所述致动电动机的所述操纵变量T1。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过使用在所述目标位置Xd和所述实际位置X之间的偏差ΔX的时间积分计算所述致动电动机的所述操纵变量T1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述操纵变量T1进行如下计算

$T1=\frac{1}{UV}*\left\{Y\right\},$

其中，Y是总和并且具有被加数P＝μ*a1*K1*(ΔX-ΔX|₀)和以及其中对变量进行如下定义：

UV＝传动比或控制器增益，

K1，a1＝调谐参数，

F2＝加权函数，

U2＝加权因数，

μ＝加权因数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，变量X具有被加数 其中，变量a2是调谐参数以及η是加权因数。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，变量Y具有被加数和/或其中U1是加权因数以及F1是加权函数。

7.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，变量Y具有被加数

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，变量Y具有被加数其中，β1是调谐参数。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于，变量Y具有被加数其中，U3是另外的加权因数以及F2是另外的加权函数。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述致动电动机的所述操纵变量T1进行如下计算且Y＝P+DD+I1+D1+D2+I2+S。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的方法，其特征在于，F1和/或F2是常数函数。

12.根据权利要求4至10中任一项所述的方法，其特征在于，通过cos(ω3*t)+λ*|ΔX|*[e^(-q1*(^{t-t0)-q2*|ΔX|)}+cos(ω2*t)]确定F1和/或F2，其中，λ、q1和q2是另外的加权因数。

13.根据权利要求4至10中任一项所述的方法，其特征在于，通过sin(ω3*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+sin(ω2*t)]确定F1和/或F2，其中，λ、q1和q2是另外的加权因数。

14.根据前述权利要求中任一项所述的、用于对具有辅助电驱动器的机动车辆转向系统进行控制的方法，其特征在于，所述致动器的状态变量X是齿条(6)的位置和/或车轮的枢转角度。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述致动器是通过滚珠丝杠传动装置将驱动转矩传递到所述齿条的电动机。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述操纵变量T1是所述致动电动机的转矩输出，其中，基于所述操纵变量T1确定供应到所述致动电动机的目标电流值和/或目标电压值。

17.一种机电电动车辆转向系统，其具有被设置为实施根据前述权利要求1至16中任一项所述的方法的控制器。