CN106945718A - 电动助力转向系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动助力转向系统及其控制方法。一种电动助力转向(MDPS)系统可包括：扭矩传感器，被配置为测量由驾驶员的转向操作引起的转向扭矩；转向角传感器，被配置为测量所述转向操作的转向角；以及控制器，被配置为根据通过转向角传感器测量的转向角确定控制扭矩、基于控制扭矩和通过扭矩传感器测量的转向扭矩计算输入扭矩、并且基于所计算的输入扭矩确定辅助扭矩。

Description

电动助力转向系统及其控制方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月7日提交的韩国申请号10-2015-0173329的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种车辆的动力转向系统，并且更具体而言，涉及一种电动助力转向(MDPS)系统及其控制方法。

背景技术

车辆的动力转向系统是基于动力的转向装置，并且用于辅助驾驶员操作方向盘。传统上，液压助力转向系统已经被用作动力转向。但是，近来，使用电机力的MDPS系统的使用已经增加。这是因为MDPS系统具有比现有的液压助力转向系统更小的重量并且占据更小的面积，并且不需要换油。

MDPS系统使用辅助动力源提供了驾驶员在转向操作期间必须施加到方向盘上的一部分扭矩，从而使得驾驶员能够容易地执行转向操作。也就是说，连接到方向盘的扭矩传感器感测驾驶员的转向意图，并且MDPS系统接收该感测信号并驱动电机，以便提供考虑到车辆的当前速度的合适的力，从而辅助转向力。通常，在车辆的停车操作或低速操作期间，MDPS系统提供大的力以减轻驾驶员的力。但是，在高速操作期间，MDPS系统仅提供小的力以保持车身的稳定性。

MDPS系统包括各种类型的控制逻辑，诸如用于实现驾驶员期望的转向感觉的逻辑，用于提高车辆的稳定性的逻辑，以及用于提高系统的稳定性的逻辑。但是，基于通过扭矩传感器感测的扭矩值被输入到增压函数(boost function)以计算基本辅助扭矩的基本原理，MDPS系统的控制逻辑通过将各种补偿值加到辅助扭矩或从辅助扭矩中减去来确定最终辅助力。

在2010年5月27日公开的韩国专利公开No.10-2010-0056312中公开了本发明的相关技术。

在这种MDPS系统中，当负载由于干扰而改变时，负载变化导致由驾驶员引起的扭矩的变化。负载指示保持与驾驶员引起的扭矩和辅助扭矩的总和平衡的值。这时，与增压增益(boost gain)(增压函数的斜率)成比例地产生克服变化的辅助力。因此，当增压增益增加时，MDPS系统抗干扰。

但是，在传统的辅助扭矩计算方法中，当设定转向感觉的目标值时，确定每个扭矩值的增压增益。转向感觉指示驾驶员感觉转向有多重。因此，由于不能自由地控制增压增益，MDPS系统易受干扰。

此外，由于没有建立转向感觉的目标值和增压增益之间的关系，不根据转向感觉的目标值计算增压增益，而是通过调谐过程确定增压增益，在调谐过程中，重复进行改变增压增益和检查基于改变的增压增益的转向感觉。因此，系统调谐过程需要大量的时间，并且降低了系统调谐过程的准确度。

发明内容

本发明的实施方式涉及一种电动助力转向(MDPS)系统及其控制方法，该系统能够在具有抗干扰性的同时简化系统调谐过程，并且提高系统调谐过程的准确度。

在一个实施方式中，一种电动助力转向(MDPS)系统可包括：扭矩传感器，被配置成测量由驾驶员的转向操作引起的转向扭矩；转向角传感器，被配置为测量所述转向操作的转向角；以及控制器，被配置为根据通过转向角传感器测量的转向角确定控制扭矩、基于控制扭矩和通过扭矩传感器测量的转向扭矩计算输入扭矩、并且基于计算的输入扭矩确定辅助扭矩。

所述控制器可通过从转向扭矩中减去控制扭矩来计算输入扭矩。

可通过考虑增压增益、转向增益和仅考虑转向扭矩的增压增益来得出转向角θ和控制扭矩f_s(θ)之间的关系f_s。

仅考虑转向扭矩的增压增益具有表示为以下等式1的关系：

其中，K_b表示仅考虑转向扭矩的增压增益，M_g表示基于车辆特性的常数，并且S_g表示所述转向增益。

所述关系f_s可通过以下等式2得出：

其中，K_B表示增压增益，K_b表示仅考虑转向扭矩的增压增益，g_v表示常数，并且S_g表示所述转向增益。

计算增压增益的扭矩点和计算仅考虑转向扭矩的增压增益的扭矩点可具有不同的值。

通过将计算所述增压增益的扭矩点代入基于增压增益的增压函数中所获得的值，与通过将计算仅考虑转向扭矩的增压增益的扭矩点代入基于仅考虑转向扭矩的增压增益的增压函数中所获得的值可彼此相等。

可根据转向增益确定计算仅考虑转向扭矩的增压增益的扭矩点。

基于相同的扭矩点，增压增益可具有大于仅考虑转向扭矩的增压增益的值。

在另一个实施方式中，一种MDPS系统的控制方法可包括：通过控制器测量由驾驶员的转向操作引起的转向扭矩；测量所述转向操作的转向角；根据所测量的转向角确定控制扭矩；基于所测量的转向扭矩和所确定的控制扭矩来计算输入扭矩；以及根据所计算的输入扭矩确定辅助扭矩。

在输入扭矩的计算中，所述控制器可通过从转向扭矩减去控制扭矩来计算所述输入扭矩。

附图说明

图1为示出根据本发明实施方式的MDPS系统的配置的方框图。

图2为用于描述根据本发明的实施方式的MDPS系统中的增压增益的视图。

图3为用于描述根据本发明的实施方式的MDPS系统的操作方法的视图。

图4为用于描述根据本发明的实施方式的MDPS系统中的转向增益的视图。

图5为用于描述根据本发明的实施方式的MDPS系统中的增压函数的视图。

图6为用于描述根据本发明实施方式的MDPS系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

在下文中将参照附图详细描述本发明的实施方式。应当注意，附图不是精确地按比例所绘，并且为了描述方便和清楚起见，可夸大线的厚度或部件的尺寸。此外，本文使用的术语通过考虑本发明的功能来定义，并且可以根据用户或操作者的习惯或意图而改变。因此，术语的定义应根据本文阐述的整体公开内容来进行。

图1为示出根据本发明实施方式的MDPS系统的配置的方框图。图2为用于描述根据本发明的实施方式的MDPS系统中的增压增益的视图。图3为用于描述根据本发明的实施方式的MDPS系统的操作方法的视图。图4为用于描述根据本发明的实施方式的MDPS系统中的转向增益的视图。图5为用于描述根据本发明的实施方式的MDPS系统中的增压函数的视图。参考图1到图5，将描述根据本发明实施方式的MDPS系统如下。

如图1所示，根据本发明的实施方式的MDPS系统可包括控制器100，扭矩传感器110和转向角传感器120。

扭矩传感器110可测量由驾驶员的转向操作引起的转向扭矩，并且转向角传感器120可测量驾驶员的转向操作的转向角。

控制器100可根据通过扭矩传感器110和转向角传感器120获得的测量结果计算MDPS系统的辅助扭矩。因此，控制器100可控制电机200以辅助转向力。

更具体而言，控制器100可根据通过转向角传感器120测量的转向角计算控制扭矩，基于通过扭矩传感器110测量的转向扭矩和计算的控制扭矩计算输入扭矩，并且通过将所计算的输入扭矩输入到增压函数(boost function)来确定辅助扭矩。

在传统的MDPS系统中，测量的转向扭矩被直接输入到增压函数。因此，传统的MDPS系统仅具有单个自由度，因此不能改变增压函数(即，传统的MDPS系统不能改变增压增益)。但是，在本实施方式中，MDPS系统另外计算控制扭矩并计算输入到增压函数的输入扭矩。因此，尽管增压增益(boost gain)被改变，MDPS系统可使得驾驶员能够具有相同的转向感觉。

增压增益是增压函数的斜率，其中x轴是驱动器扭矩，y轴是增压，如图2所示。增压增益可以在离散的驱动器扭矩(特定点)处指定并且假定为点之间的线性函数。增压(增压函数)是增压增益曲线的积分。

控制器100可以通过从转向扭矩中减去控制扭矩来计算输入扭矩，并且在这种情况下的MDPS系统的操作可以如图3所示地执行。

也就是说，如图3所示，通过从由用户的操作引起的转向扭矩τ中减去控制扭矩f_s(θ)而获得的值可以被输入到增压函数B，并且作为辅助扭矩输出，并且通过将辅助扭矩和转向扭矩相加获得的值可以被设定为总扭矩。总扭矩可以保持与车辆的负载K_vθ的平衡。也就是说，K_v(＝τ_T/θ)可以定义为总扭矩相对于单位转向角变化的变化。

此外，K_v是恒定值，但是可根据车辆的速度改变。在本实施方式中，诸如增压函数(增压增益)的大多数值可以根据车辆的速度而改变。换句话说，控制器100可根据通过速度传感器(未示出)测量的车辆速度来选择增压函数，并确定辅助扭矩。在下文中，将描述针对一个车辆速度的增压函数和转向增益。但是，可以为每个车辆速度设置不同的增压函数和不同的转向增益。

如上所述，根据本发明的实施方式的MDPS系统可采用基于转向角的控制扭矩并改变增压增益。将转向角设定为变量的原因和用于计算控制扭矩的方法将更详细地描述如下。

首先，用于计算车辆动力学的车辆参数可定义如下。例如，可以定义为横向加速度a_y相对于单位转向角变化的变化。这时，g_v可通过车辆动力学计算表示为以下等式。

这里，L表示车辆的轴距，S_R表示总转向比，V_x表示车速，K_u表示不足转向梯度。总转向比是指轮胎角度与转向角的比率。

也就是说，g_v可根据车辆速度具有不同的值。但是，在特定车辆速度下，g_v可被认为是恒定值。

此外，可定义基于车辆特性的恒定值，即M_g(＝K_v/g_v)。与K_v或g_v不同，M_g可具有恒定值，而与车速无关。

转向增益可被定义为指示转向感觉的目标值的指标。驾驶员感觉转向的程度可根据转向增益而改变。也就是说，转向增益可用作用于调谐MDPS系统的参考值。如图4所示，可针对每个横向加速度设定转向增益的目标值。此外，当对指示横向加速度和转向增益之间的关系的左侧曲线图进行积分时，可获得用于评估MDPS系统的性能的右侧曲线图。

首先，当在用于仅考虑转向扭矩而不考虑转向角的情况下计算辅助扭矩的方法中的增压函数由b表示时，可以建立以下等式。

b(τ)+τ＝K_vθ…(A1)

在这种情况下，当通过动态计算得出增压增益时，增压增益可以表示为下面的等式1。

【等式1】

具体而言，当等式A1相对于θ可隐性微分时，可以得出以下等式。

这时，当对和应用链式法则时，可以建立以下等式。

当在等式A2中代入等式A3和A4时，等式A2可布置如下。因此，可得出等式1。

也就是说，如等式1所示，当在仅考虑转向扭矩的计算辅助扭矩的方法中转向增益不改变时，增压增益可不改变。换句话说，由于转向增益的目标值是固定的，为了确保抗干扰能力，不能改变增压增益(即增压函数)。

因此，为了在增加增压增益以保证抗扰性的同时保持相同的转向增益，需要减小输入到增压函数的值。在本实施方式中，控制扭矩可以设定为这样的值。

也就是说，当根据本发明的实施方式的MDPS系统的增压函数的“B”和f_s满足b(τ)+τ＝K_vθ…(B1)和B(τ-f_s)+τ＝K_vθ…(B2)并且被导出时，可以在增加增压增益的同时维持相同的转向增益。

最后，当执行动力学计算时，可以获得下面的等式2。

【等式2】

在等式2中，K_B表示本实施方式中的增压增益，K_b表示仅考虑转向扭矩的增压增益。

具体而言，当等式B1和B2被布置并且τ-f_s被定义为时，可以导出以下等式。

当等式B3相对于θ可隐性微分，θ保证在等效操作点计算微分系数，等式B3可以表示如下。

然后，当通过链式法则扩展等式B4时，等式B4可以表示如下。

这时，当由K_b表示并且由K_B表示时，等式B5可布置如下。因此，上述等式A4可以重新用于导出等式2。

也就是说，如等式2所示，需要使用转向角作为输入变量来确定控制扭矩。虽然用户改变了增压增益K_B，转向增益可通过控制扭矩不被改变。

此外，由于增压增益K_B具有大的值，可确保抗干扰性。因此，在本实施方式中，基于相同的扭矩点(扭矩断点)，增压增益K_B可具有大于仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的值。例如，根据本发明的实施方式的增压增益K_B可通过将恒定值(例如2)乘以仅考虑转向扭矩的增压增益K_b来获得。

图5示出了基于增压增益K_B的增压函数(增压增益K_B大于仅考虑转向扭矩的增压增益)和基于仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的增压函数。

如在等式2的推导过程期间所证实的，用于推导转向角θ和控制扭矩f_s(θ)之间的关系(即，刚度函数(f_s(θ)))的增压增益K_B与用于导出该关系的仅考虑转向扭矩的增压增益K_b对应于在特定扭矩点处计算的值。

这时，计算增压增益K_B的扭矩点和计算仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的扭矩点可以彼此不同。具体而言，扭矩点可对应于在等式B4中表示的值。

参照图4和图5，将更详细地描述扭矩点之间的关系如下。

如上所述，转向增益的目标值可被设置为每个横向加速度。当图4中指示横向加速度和转向增益之间的关系的左侧曲线图被积分时，可获取图4中指示横向加速度和扭矩之间的关系的右侧曲线图。

也就是说，当设置转向增益时，可确定对应于各个横向加速度的扭矩值。扭矩值可以设定为计算仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的扭矩点。例如，在图4中，0、1.5、2.5和3.8可用作计算仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的扭矩点。

此外，如上所述，计算增压增益K_B的扭矩点可以不同于计算仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的扭矩点。具体而言，通过在基于增压增益K_B的增压函数B中代入计算所述增压增益K_B的扭矩点所获得的值，与通过在基于仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的增压函数b中代入计算仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的扭矩点(例如，0、1.5、2.5或3.8)所获得的值可设定为相同的值。

也就是说，如图5所示，可计算对应于0、1.5、2.5和3.8的新的扭矩点。例如，在图5中，0、0.841、1.6246和2.6829可用作计算增压增益K_B的扭矩点。

换句话说，当横向加速度为0.1(g)时，仅考虑转向扭矩并且被计算以导出刚度函数(stiffness function)的增压增益K_b在1.5Nm的扭矩点处计算，并且被计算以导出刚度函数的增压增益K_B可在0.8741Nm的扭矩点处计算。

这样，当增压增益K_B和仅考虑转向扭矩的增压增益K_b未在不同点处(在这些不同的点，各个增压函数具有相同的值)计算时，刚度函数会变得不准确。因此，转向增益可以通过控制扭矩而改变。因此，上述扭矩点的确定可被认为是保证根据本发明的实施方式的MDPS系统及其控制方法的正常操作的重要因素。

当根据上述方法导出刚度函数时，也可以在断点(break point)处计算所计算的刚度函数。这时，可基于g_v(a_v＝g_vθ)的关系，在各个横向加速度下计算转向角断点。

图6为用于描述根据本发明实施方式的MDPS系统的控制方法的流程图。参照图6，将描述根据本发明实施方式的MDPS系统的控制方法。

如图6所示，在步骤S200，控制器100可测量转向扭矩和转向角。例如，控制器100可测量由驾驶员的转向操作引起的转向扭矩，并且转向角传感器120可测量驾驶员的转向操作的转向角。

然后，在步骤S210，控制器100可根据转向角确定控制扭矩。例如，控制器100可通过将转向角输入到刚度函数f_s(θ)来计算控制扭矩。此外，为了提高计算速度，可以以基于转向角的输出值表的形式储存刚度函数。控制器100可使用该表来确定控制扭矩。

这时，可通过考虑增压增益、转向增益和仅考虑转向扭矩的增压增益来得出刚度函数。更具体而言，刚度函数可以通过上面的等式2导出。

在步骤S210之后，在步骤S220，控制器100可通过从在步骤S200测量的转向扭矩中减去在步骤S210确定的控制扭矩来计算输入扭矩。也就是说，在本实施方式中，增压增益K_B可具有大于仅考虑转向扭矩的增压增益K_b的值。因此，为了形成相同的转向感觉，输入到增压函数的输入扭矩可具有通过从转向扭矩中减去控制扭矩而获得的值。

然后，在步骤S230，控制器100可根据在步骤S220计算的输入扭矩确定辅助扭矩。例如，控制器100可通过将在步骤S220计算的输入扭矩输入到增压函数B来计算辅助扭矩。为了提高计算速度，增压函数还可以以基于输入值的输出值表的形式储存。控制器100可使用该表确定辅助扭矩。

因此，根据本发明的实施方式的MDPS系统及其控制方法可通过根据转向扭矩和基于转向角的控制扭矩计算辅助扭矩来改变增压增益，从而确保抗干扰性。此外，MDPS系统及其控制方法可使用动力学计算通过由车辆建模方法导出的等式来计算控制因素。因此，可以简化系统的调谐过程，并且可以提高调谐过程的准确度。

虽然出于说明的目的公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围和精神的情况下，各种修改，添加和替换是可能的。

Claims (18)

1.一种电动助力转向系统，包括：

扭矩传感器，被配置为测量由驾驶员的转向操作引起的转向扭矩；

转向角传感器，被配置为测量所述转向操作的转向角；以及

控制器，被配置为根据通过所述转向角传感器测量的所述转向角确定控制扭矩、基于所述控制扭矩和通过所述扭矩传感器测量的所述转向扭矩计算输入扭矩、并且基于所计算的输入扭矩确定辅助扭矩。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其中，所述控制器通过从所述转向扭矩中减去所述控制扭矩来计算所述输入扭矩。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其中，通过考虑增压增益、转向增益和仅考虑所述转向扭矩的增压增益来得出所述转向角θ和所述控制扭矩f_s(θ)之间的关系f_s。

4.根据权利要求3所述的电动助力转向系统，其中，仅考虑所述转向扭矩的增压增益具有表示为以下等式1的关系：

$K_b=\frac{M_g}{S_g}-1,$

其中，K_b表示仅考虑所述转向扭矩的增压增益，M_g表示基于车辆特性的常数，并且S_g表示所述转向增益。

5.根据权利要求3所述的电动助力转向系统，其中，所述关系f_s通过以下等式2得出：

$\frac{\∂f_s}{\∂\mathrm{\θ}}=\left(\frac{K_B-K_b}{K_B}\right)\×g_v\×S_g,$

其中，K_B表示所述增压增益，K_b表示仅考虑所述转向扭矩的增压增益，g_v表示常数，并且S_g表示所述转向增益。

6.根据权利要求5所述的电动助力转向系统，其中，计算所述增压增益的扭矩点和计算仅考虑所述转向扭矩的增压增益的扭矩点具有不同的值。

7.根据权利要求6所述的电动助力转向系统，其中，通过将计算所述增压增益的扭矩点代入基于所述增压增益的增压函数中所获得的值，与通过将计算仅考虑所述转向扭矩的增压增益的扭矩点代入基于仅考虑所述转向扭矩的增压增益的增压函数中所获得的值彼此相等。

8.根据权利要求7所述的电动助力转向系统，其中，根据所述转向增益来确定计算仅考虑所述转向扭矩的增压增益的扭矩点。

9.根据权利要求3所述的电动助力转向系统，其中，基于相同的扭矩点，所述增压增益具有大于仅考虑所述转向扭矩的增压增益的值。

10.一种电动助力转向系统的控制方法，包括如下步骤：

通过控制器测量由驾驶员的转向操作引起的转向扭矩；

测量所述转向操作的转向角；

根据所测量的转向角确定控制扭矩；

基于所测量的转向扭矩和所确定的控制扭矩来计算输入扭矩；以及

根据所计算的输入扭矩来确定辅助扭矩。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其中，在所述输入扭矩的计算中，

所述控制器通过从所述转向扭矩中减去所述控制扭矩来计算所述输入扭矩。

12.根据权利要求10所述的控制方法，其中，通过考虑增压增益、转向增益和仅考虑所述转向扭矩的增压增益来得出所述转向角θ和所述控制扭矩f_s(θ)之间的关系f_s。

13.根据权利要求12所述的控制方法，其中，仅考虑所述转向扭矩的增压增益具有表示为以下等式1的关系：

$K_b=\frac{M_g}{S_g}-1,$

其中，K_b表示仅考虑所述转向扭矩的增压增益，M_g表示基于车辆特性的常数，并且S_g表示所述转向增益。

14.根据权利要求12所述的控制方法，其中，所述关系f_s通过以下等式2来得出：

$\frac{\∂f_s}{\∂\mathrm{\θ}}=\left(\frac{K_B-K_b}{K_B}\right)\×g_v\×S_g,$

其中，K_B表示所述增压增益，K_b表示仅考虑所述转向扭矩的增压增益，g_v表示常数，并且S_g表示所述转向增益。

15.根据权利要求14所述的控制方法，其中，计算所述增压增益的扭矩点和计算仅考虑所述转向扭矩的增压增益的扭矩点具有不同的值。

16.根据权利要求15所述的控制方法，其中，通过将计算所述增压增益的扭矩点代入基于所述增压增益的增压函数中所获得的值，与通过将计算仅考虑所述转向扭矩的增压增益的扭矩点代入基于仅考虑所述转向扭矩的增压增益的所述增压函数中所获得的值彼此相等。

17.根据权利要求16所述的控制方法，其中，根据所述转向增益来确定计算仅考虑所述转向扭矩的增压增益的扭矩点。

18.根据权利要求12所述的控制方法，其中，基于相同的扭矩点，所述增压增益具有大于仅考虑所述转向扭矩的增压增益的值。