CN107010099A - 利用估算的马达电流的应急离开转向辅助 - Google Patents

利用估算的马达电流的应急离开转向辅助 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用估算的马达电流的应急离开转向辅助，其中涉及机电式电动车辆的动力转向机构，其通过将电机产生的扭矩传送至转向机构来辅助电动车辆转向，该机构包括：转向控制器，其至少接收表示车辆速度和施加至方向盘的扭矩的信号以及转子位置信号，以确定目标马达扭矩；马达控制器，其从转向控制器接收目标马达扭矩，并将其转换成在固定于定子的坐标系中表示的目标电压；以及马达驱动器，其将目标电压变换成马达电流；至少一个电流测量单元，其测量马达电流，其中，所述机构还包括电流估算单元，其估算目标电流；以及诊断单元，其将估算的目标电流与测量的马达电流进行比较，以识别和修正发生的错误。

Description

利用估算的马达电流的应急离开转向辅助
技术领域
本发明涉及一种机电式电动车辆的动力转向机构，更具体地，涉及这样一种机电式电动车辆的动力转向机构：其能够测量得到马达电流并且估算得到目标电流，从而通过将测量的马达电流与估算的目标电流进行比较来识别和修正发生的错误。本发明还涉及一种在机电式电动车辆的动力转向机构中用于电流反馈控制的方法。
背景技术
在电力转向装置中，通过根据由驾驶员施加至方向盘的转向扭矩来驱动电机，从而将辅助力施加至转向机构。具有反相器的电子控制单元控制马达。反相器将正弦的马达参数(电流、电压、磁通量)输入给马达以用于产生扭矩。通常，通过电流反馈测量来监控电机的输入故障。该电流测量会突然发生故障。一般而言，通过比较两个电流测量通道的信号来检测电流测量中的异常，并且如果差值大于特定的极限，则触发关断。在这种情况下，系统不能确定出哪个电流可用于控制。转向辅助力不再存在，这会使驾驶员感到不适。
EP 1737116A1公开了一种用于电机的控制装置，其中，即使在异常的情况下(即，电流不流经电机的一相，或反相器断开连接等)，也使得适于异常的电流流经电机并且使马达扭矩的输出能够继续。然而，不利的是，该方法不能在电流测量的所有相故障的情况下工作；系统关闭会导致转向辅助损失。
发明内容
本发明的目标是提供具有控制机构的机电式电动车辆的动力转向机构，即使在电流测量故障的情况下，该机构也提供电流给电机。
本发明提供了这样一种机电式电动车辆的动力转向机构：其通过将电机产生的扭矩施加至转向机构来辅助电动车辆的转向，所述机构包括：
转向控制器，其至少接收表示车辆速度v和施加至方向盘的扭矩TTS的信号以及转子位置信号，以获取目标马达扭矩Td，
马达控制器，其接收来自转向控制器的目标马达扭矩Td，并将其转换成在固定于定子的坐标系中所表示的目标电压Uα,d、Uβ,d，
马达驱动器，其将目标电压Uα,d、Uβ,d变换成马达电流IU、IV、IW，
至少一个电流测量单元，其测量马达电流IU、IV、IW，
其中，该机构还包括：电流估算单元，其估算目标电流Idest、Iqest＝I1,est；以及诊断单元，其将目标电流Idest、Iqest＝I1,est与测量电流Iq1、Id1＝I1和/或测量电流Iq2、Id2＝I2进行比较，测量电流是从测量的马达电流IU1、IV1、IW1、IU2、IV2、IW2转换成二维d-q坐标系的，以识别和修正发生的错误。估算的电流信号用于确定是否至少一个电流测量是错误的。如果由于常见原因错误而导致至少一个电流测量不能操作，则其它的电流测量单元能够提供辅助转向。如果由于常见原因错误而导致两个测量单元都不能操作，则将估算的信号用于控制，以提供应急离开(limp aside)。诊断单元能够用作电流反馈控制，将实际电流反馈回至马达控制电路的主回路。
根据本发明，在U-V-W坐标系中测量马达电流IU1、IV1、IW1、IU2、IV2、IW2，并且将马达电流IU1、IV1、IW1、IU2、IV2、IW2转换至d-q坐标系，所述马达电流在d-q坐标系中表示为测量的马达电流Iq1、Id1＝I1、Iq2、Id2＝I2。将上述经变换的测量的马达电流Iq1、Id1＝I1、Iq2、Id2＝I2与估算的目标电流Idest、Iqest＝I1,est进行比较，估算的目标电流Idest、Iqest＝I1,est在旋转的d-q坐标系中由电流估算单元提供。
在优选的实施方案中，该机构包括坐标变换单元，将测量的马达电流IU1、IV1、IW1、IU2、IV2、IW2变换成在二维d-q坐标系中表示的测量电流Iq1、Id1＝I1、Iq2、Id2＝I2。所述坐标变换单元进行变换，意味着将在U-V-W坐标系中测量的马达电流值IU1、IV1、IW1、IU2、IV2、IW2变换成在d-q坐标系中表示的马达电流值表示Iq1、Id1＝I1、Iq2、Id2＝I2。由诊断单元在d-q坐标系中实现估算的目标电流Idest、Iqest＝I1,est与测量的马达电流Iq1、Id1＝I1、Iq2、Id2＝I2之间的比较。通过利用d-q坐标系，能够在任意时刻将估算的电流Idest、Iqest＝I1,est与冗余测量的马达电流Iq1、Id1＝I1进行比较，并且如果期望的话，将估算的电流Idest、Iqest＝I1,est与测量的马达电流Iq2、Id2＝I2进行比较。两个冗余测量的马达电流I1、I2的使用提升了故障安全状态，并且使得能够改善诊断安全性。
有利的是，马达驱动器包括反相器，其将电压Uα,d、Uβ,d变换成三相电压UU、UV、UW＝U2。
在优选的实施方案中，电流估算单元包括马达模型单元，所述马达模型单元输入有基于反相器输出的电压UU、UV、UW的估算的电压UUest、UVest、UWest，并且优选地包括坐标变换，该坐标变换将估算的马达电流变换成固定于马达的转子的二维(d-q)旋转参考系Idest、Iqest。在优选的实施方案中，马达模型至少利用旋转角速度ω和电压UUest、UVest、UWest作为输入参数，而不利用估算的绕组温度TCoil。
在更优选的实施方案中，电流估算单元至少具有转子的旋转角速度ω和估算的电压UUest、UVest、UWest以及估算的绕组温度TCoil作为输入参数。估算的绕组温度TCoil能够基于刚刚输入至马达的电压和/或测量的电流来估算。刚刚是指在坐标变换开始之前的0、1和60秒之间的优选的时间段。更优选地，用于估算绕组温度的时间段在过去的60秒与5分钟之间。
有利地，该机构包括两个冗余电流测量单元。以这种方式，估算的信号用于确定电流测量单元中的一个是否出现故障并且确定哪一个电流测量单元出现故障。将可用信号用于控制。能够保持转向辅助。
在优选的实施方案中，马达驱动器包括一个单分流器，其利用两个独立的运算放大器来重构马达电流。
优选地，马达驱动器包括两个分流器，每个分流器在一条线路上，以重构马达电流IU、IV、IW。
另外，本发明提供了在机电式电动车辆的动力转向机构中用于电流反馈控制的方法，所述方法包括以下步骤：
至少接收表示车辆速度v和施加至方向盘3的扭矩TTS的信号和转子位置信号，
基于接收到的信号来确定目标马达扭矩Td，
将目标马达扭矩Td转换成在固定于定子的坐标系中表示的目标电压Uα,d、Uβ,d，以及
将目标电压Uα,d、Uβ,d转换成马达电流IU、IV、IW，
在至少一个电流测量单元中测量马达电流，
在电流估算单元中估算目标电流Idest、Iqest＝I1,est，
在诊断单元中将估算的目标电流Idest、Iqest＝I1,est与测量的马达电流IU1、IV1、IW1、IU2、IV2、IW2进行比较，
将实际的马达电流Iq,fb、Id,fb＝I2反馈至主回路。
优选地，转子的旋转角速度ω、基于目标电压Uα,d、Uβ,d的估算的电压UUest、UVest、UWest以及估算的绕组温度TCoil为马达模型单元的输入参数。
在有利的实施方案中，该机构包括两个冗余的电流测量单元。
附图说明
以下在附图的帮助下来描述本发明的示例性实施方案。在全部的附图中，相同的附图标记表示相同的部件或者功能相似的部件。
图1为示出了机电式动力转向机构的示意图；
图2为示出了电力转向装置的电结构的框图；
图3为具体示出了图2中的电路的另一个框图；以及
图4仅示出了反相器的示意图。
图5示出了反相器的另一个示意图。
具体实施方式
在图1中，机电式动力转向机构1示意性地示出了转向轴2，转向轴2连接至由驾驶员操作的方向盘3。转向轴2经由小齿轮6而联接至转向齿条5。转向齿条杆4连接至转向齿条5和电动车辆的转向轮(steered wheels)30。转向轴2的旋转借助于小齿轮6而引起转向齿条5的轴向位移，小齿轮6采用抗扭矩方式(torque-proof manner)连接至转向轴2。为了提供转向辅助，安装至齿条壳体的侧面的电机7通过带齿的橡胶带9来驱动滚珠丝杠机构8。经由转向控制器10和包括电机7和马达控制器13的动力辅助致动器11来提供电力辅助。示例中的转向控制器10接收表示车辆速度v的信号和通过车辆操作人员施加至方向盘的扭矩TTS的信号。另外，随着电机7的转子转动，在电机7中产生转子位置信号，并且该转子位置信号被提供至转向控制器10。响应于车辆速度v、操作者扭矩(operator torque)TTS和转子位置信号，控制器10确定目标马达扭矩Td，并将信号提供至马达控制器12，其中，通过PWM(脉宽调制)来计算马达电流。电机7为永磁激励马达。
图2示出了电力转向装置的电结构的框图。转向控制器10接收表示车辆速度v和由车辆操作人员施加至方向盘的扭矩TTS的信号，并且确定出目标马达扭矩Td。将该扭矩Td输入至马达控制器13，马达控制器13确定出PWM的电压输入，并且马达驱动器14通过PWM来产生马达电流IU、IV、IW＝I1。因此，电机7产生扭矩T以补偿操作者扭矩TTS。在电流估算单元15中，通过马达控制器13和马达模型单元16确定出的电压U2来计算估算的电流I1,est。诊断单元17接收估算的电流I1,est、来自转子位置传感器31(RPS传感器)的测量的马达角度以及冗余测量的马达电流I1,1、I1,2(分别通过电流测量单元18、19来测量)，并且将估算的马达电流I1,est与测量的马达电流I1,1、I1,2进行比较。如果在电流测量单元的一个中检测出故障，则没有故障的电流测量单元可以输入转向辅助。为此，将电流I2反馈至马达控制器13的主回路中，作为电流反馈控制。
电力转向装置1的电结构具体地示于图3中。基于目标马达扭矩Td，经由PI控制器20和单元21来确定目标电流Id,d和Iq,d。目标电流Id,d和Iq,d用于确定马达电压状况和马达扭矩。它们表示为固定于电机7的转子的旋转参考系(d-q)。随后，目标电流Id,d和Iq,d通过电流控制器22、23被转换成目标电压Uq,d、Ud,d。之后，坐标变换24将旋转的二维d-q坐标系转换成固定于定子的坐标系Uα,d、Uβ,d。在下一步骤，反相器25将电压变换成电机7的三维坐标系，并且传感器将电压变换成马达电流IU、IV、IW。对于电流反馈控制，在两个电流测量单元18、19中冗余地测量马达电流IU、IV、IW。在坐标系变换260，对测量电流IU1、IV1、IW1、IU2、IV2、IW2进行变换，这意味着转换成旋转的二维d-q坐标系，并且被输入至诊断单元17。反相器25的输出电压UU、UV、UW被传送至电流估算单元15，并且被变换成估算的电压UUest、UVest、UWest，然后输入至马达模型单元16。马达模型单元16从转子的旋转角速度ω、估算的电压UUest、UVest、UWest、估算的绕组温度TCoil以及可能还从马达角度确定出估算的电流I1,est。另外，在马达模型单元16中执行坐标变换16’，以输出估算的电流Idest、Iqest＝I1,est，其中，估算的电流被表示于固定于电机7的转子的旋转参考系(d-q)。估算的电流Idest、Iqest＝I1,est被传送至诊断单元17。诊断单元17将估算的电流I1,est与测量电流Id1、Iq1、Id2、Iq2进行比较。RPS传感器31测量马达角度并且将该信息传送至马达控制器13和反馈回路中的坐标变换单元260，以确定出实际电流Iq,fb；Id,fb＝I2。
估算的电流I1,est表示如果在马达控制器13与反相器25之间的电流计算期间发生错误，则诊断单元17能够确定出的目标电流。诊断单元17将从马达模型单元16接收到的估算的电流I1,est与来自电流测量单元18、19的两个测量电流Id1,q1和Id2,q2进行比较。如果在电流测量单元18、19的一个中检测出故障，则可以利用来自没有错误的电流测量单元18、19的信号来执行转向辅助。为此，电流I2反馈至PI控制器20和单元21之后的马达控制电路的主回路，作为电流反馈控制。在电流测量单元18、19两者都发生故障的情况下，基于估算的电流I1,est，可以通过反馈实际电流I2而对某一时间保持转向辅助。
如图4中所示，伺服电机经由成组的MOSFET 26而通过控制单元来致动，其中，在三相绕组的情况下，一共设置了六个MOSFET 26。每个MOSFET 26将分配的相绕组U、V、W切换至车载电源供应电压或者接地电位(earth potential)。这在高频下发生，使得时间上的平均值在相绕组U、V、W中用作有效电压。两个分流器(shunt)27实施在一个线路上，分别计算马达电流。输出信号1001传送至电流测量单元18、19。如图5中所示，还可以在一个线路上实施一个单分流器27，以计算马达电流。
本发明提供了具有控制装置的机电式电动车辆动力转向机构，其中即使在电流测量单元发生故障的情况下也能提供电流给电机。利用估算信号来确定哪个电流测量通道错误，同时利用保留的信号可以保持辅助。如果两个信号故障，则估算值用于应急离开转向辅助，使得可以将汽车转向安全的地方。本发明增加了转向系统的鲁棒性。

Claims (12)

1.一种机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其通过将电机(7)产生的扭矩施加至转向机构来辅助电动车辆的转向，所述机构(1)包括：
转向控制器(10)，其至少接收表示车辆速度(v)和施加至方向盘(3)的扭矩(TTS)的信号以及转子位置信号，以确定目标马达扭矩(Td)，
马达控制器(13)，其接收来自转向控制器(10)的目标马达扭矩(Td)，并将其转换成在固定于定子的坐标系中所表示的目标电压(Uα,d,Uβ,d)，
马达驱动器(14)，其将目标电压(Uα,d,Uβ,d)变换成马达电流(IU,IV,IW)，
至少一个电流测量单元(18,19)，其测量马达电流(IU,IV,IW)，
其特征在于，所述机构(1)还包括：电流估算单元(15)，其估算目标电流(Idest,Iqest＝I1,est)；以及诊断单元(17)，其将估算的目标电流(Idest,Iqest＝I1,est)与从测量的马达电流(IU1,IV1,IW1,IU2,IV2,IW2)转换至二维d-q坐标系的测量电流(Iq1,Id1＝I1,Iq2,Id2＝I2)进行比较，以识别和修正发生的错误。
2.根据权利要求1所述的机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其特征在于，该机构(1)包括坐标变换单元(260)，其将测量的马达电流(IU1,IV1,IW1,IU2,IV2,IW2)变换成在二维d-q坐标系中表示的测量电流(Iq1,Id1＝I1,Iq2,Id2＝I2)。
3.根据权利要求1所述的机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其特征在于，马达驱动器(14)包括反相器(25)，其将电压(Uα,d,Uβ,d)变换成三相电压(UU,UV,UW＝U2)。
4.根据权利要求2所述的机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其特征在于，电流估算单元(15)包括马达模型单元(16)，其输入基于反相器(25)输出的电压(UU,UV,UW)的估算的电压(UUest,UVest,UWest)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其特征在于，所述机构(1)包括两个冗余电流测量单元(18,19)。
6.根据权利要求3或4所述的机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其特征在于，马达模型单元(16)包括坐标变换(16’)，其将估算的马达电流转换至固定于电机(7)的转子的二维旋转参考系(Idest,Iqest＝I1)。
7.根据权利要求3或5中的一项所述的机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其特征在于，用于马达模型单元(16)的输入参数至少为转子的旋转角速度(ω)和估算的目标电压(UUest,UVest,UWest)以及估算的绕组温度(TCoil)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其特征在于，所述马达驱动器(14)包括两个分流器，从而重构马达电流(IU,IV,IW)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的机电式电动车辆的动力转向机构(1)，其特征在于，诊断单元(17)用作电流反馈控制，将实际电流(I2)反馈至马达控制电路的主回路。
10.一种在机电式电动车辆的动力转向机构(1)中用于电流反馈控制的方法，所述方法包括以下步骤：
至少接收表示车辆速度(v)和施加至方向盘(3)的扭矩(TTS)的信号以及转子位置信号，
基于接收到的信号来确定目标马达扭矩(Td)，将目标马达扭矩(Td)转换成在固定于定子的坐标系中表示的目标电压(Uα,d,Uβ,d)，以及
将目标电压(Uα,d,Uβ,d)转换成马达电流(IU,IV,IW)，
在至少一个电流测量单元(18,19)中测量马达电流，
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
在电流估算单元(15)中估算目标电流(Idest,Iqest＝I1,est)，
在诊断单元(17)中将估算的目标电流(Idest,Iqest＝I1,est)与测量的马达电流(IU1,IV1,IW1,IU2,IV2,IW2)进行比较，
将实际的马达电流(Iq,fb；Id,fb＝I2)反馈至主回路。
11.根据权利要求10所述的在机电式电动车辆的动力转向机构(1)中用于电流反馈控制的方法，其特征在于，转子的旋转角速度(ω)、基于目标电压(Uα,d,Uβ,d)的估算的电压(UUest,UVest,UWest)以及估算的绕组温度(TCoil)为马达模型单元(16)的输入参数。
12.根据权利要求10或11所述的在机电式电动车辆的动力转向机构(1)中用于电流反馈控制的方法，其特征在于，所述机构(1)包括两个冗余电流测量单元(18,19)。
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