CN107207044A - 电动助力转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动助力转向装置。该电动助力转向装置在进行渐变处理的时候，通过逐渐改变扭矩控制的控制扭矩和位置/速度控制的指令值，使得能够平滑地并且无自转向地切换控制。本发明的电动助力转向装置具有用于检测出转向扭矩的扭矩传感器和用于控制用来将用来辅助转向的辅助扭矩赋予给车辆的转向系统的电动机的电动机控制装置，其具备基于所规定的切换契机使电动机的控制方式在控制电动机输出扭矩的扭矩系统的扭矩控制方式与控制转向的转向角的转向角系统的位置/速度控制方式之间切换的功能，在从扭矩控制方式转移到位置/速度控制方式或从位置/速度控制方式转移到扭矩控制方式的时候，根据转向扭矩来分别逐渐改变位置/速度控制方式的转向角指令值以及转向角速度和扭矩控制方式的辅助扭矩程度。

Description

电动助力转向装置
技术领域
本发明涉及一种电动助力转向装置，其具有自动转向控制功能(自动驾驶模式、驻车辅助模式等)和手动转向控制功能，将电动机产生的辅助力赋予给车辆的转向系统。本发明尤其涉及一种电动助力转向装置，其具备使电动机的控制方式在控制电动机输出扭矩的扭矩控制方式与控制转向的转向角的位置/速度控制方式之间切换的功能，能够根据转向扭矩来改变转向角指令值、转向角速度和辅助扭矩程度的渐变处理(渐变时间、增益)。
背景技术
具备电动机控制装置并且利用电动机的旋转力对车辆的转向系统施加转向辅助力(辅助力)的电动助力转向装置(EPS)，将电动机的驱动力经由减速装置由诸如齿轮或皮带之类的传送机构，向转向轴或齿条轴施加转向辅助力。为了正确地产生转向辅助力的扭矩，现有的电动助力转向装置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，一般来说，通过调整PWM(脉冲宽度调制)控制的占空比(duty ratio)来进行电动机外加电压的调整。
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的柱轴(转向轴)2经过减速齿轮3、万向节4a和4b、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，在柱轴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，对转向盘(方向盘)1的转向力进行辅助的电动机20通过减速齿轮3与柱轴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，并且，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元30中。控制单元30基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Ts和由车速传感器12检测出的车速Vs，进行辅助(转向辅助)指令的转向辅助指令值的运算，由通过对转向辅助指令值实施补偿等而得到的电压控制值Vref来控制供应给电动机20的电流。此外，转向角传感器14并不是必须的，也可以不设置转向角传感器14，也可以从与电动机20相连接的旋转传感器处获得转向角。
另外，用于收发车辆的各种信息的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)40被连接到控制单元30，车速Vs也能够从CAN40处获得。此外，用于收发CAN40以外的通信、模拟/数字信号、电波等的非CAN41也可以被连接到控制单元30。
在这样的电动助力转向装置中，尽管控制单元30主要由CPU(也包含MPU、MCU等)构成，但该CPU内部由程序执行的一般功能如图2所示。
参照图2对控制单元30的功能和动作进行说明。如图2所示，来自扭矩传感器10的转向扭矩Ts和来自车速传感器12的车速Vs被输入到电流指令值运算单元31中。电流指令值运算单元31基于转向扭矩Ts和车速Vs并利用辅助图(assist map)等来运算出电流指令值Iref1。运算出的电流指令值Iref1在加法单元32A与来自用于改善特性的补偿单元34的补偿信号CM相加；相加后得到的电流指令值Iref2在电流限制单元33中被限制了最大值；被限制了最大值的电流指令值Irefm被输入到减法单元32B中以便对其和电动机电流检测值Im进行减法运算。
PI控制单元35对在减法单元32B得到的减法结果I(＝Irefm－Im)进行PI(比例积分)控制；经过PI控制后得到的电压控制值Vref被输入到PWM控制单元36中以便运算出占空比；通过被运算出占空比的PWM信号经过逆变器37来对电动机20进行PWM控制。电动机电流检测器38检测出电动机20的电动机电流值Im，检测出的电动机电流值Im被反馈输入到减法单元32B。
另外，补偿单元34先在加法单元34-4将检测出或估计出的自对准扭矩(SAT)34-3与惯性补偿值34-2相加，然后在加法单元34-5将在加法单元34-4得到的加法结果与收敛性控制值34-1相加，最后将在加法单元34-5得到的加法结果作为补偿信号CM输入到加法单元32A以便进行特性改善。
在这样的电动助力转向装置中，近年出现了搭载了自动转向辅助功能(自动驾驶、驻车辅助等)并且切换自动转向控制和手动转向控制的车辆。在这样的搭载了自动转向辅助功能的车辆中，基于来自摄相机(图像)、距离传感器等的数据来设定目标转向角，并且进行使实际转向角追随目标转向角的自动转向控制。
在自动驾驶的场合，基于来自雷达、摄相机、超声波传感器等的信息来识别车辆周边的环境，并且输出能够安全地诱导车辆的转向角指令值。电动助力转向装置通过对实际转向角进行位置控制以便使其追随转向角指令值，从而可以进行自动驾驶。
在具有现有周知的自动转向控制功能和手动转向控制功能的电动助力转向装置中，通过基于预先存储好的车辆的移动距离与转舵角(転舵角)之间的关系来对致动器(电动机)进行控制，从而自动地进行例如倒车驻车和纵队驻车。也就是说，自动转向控制装置通过诸如全景式监控影像系统(Around View Monitor)、超声波传感器之类的定位传感器来识别停车位，并且将转向角指令值输出到EPS一侧。EPS通过对实际转向角进行位置控制以便使其追随转向角指令值，从而将车辆诱导到停车位。
图3示出了具有自动转向控制功能的电动助力转向装置的控制系统。如图3所示，来自定位传感器(超声波传感器等)的各种数据被输入到自动转向指令装置50中，自动转向用转向角指令值θtc经由CAN等被输入到EPS致动器功能内的位置/速度控制单元51中，自动转向指令经由CAN等被输入到EPS致动器功能内的自动转向执行判定单元52中。转向扭矩Ts也被输入到自动转向执行判定单元52中。来自EPS传感器的实际转向角θr以及转向角速度ωr被输入到位置/速度控制单元51中，自动转向执行判定单元52的判定结果被输入到扭矩指令值渐变切换单元54中。还有，EPS传感器的转向扭矩Ts被输入到EPS助力辅助功能内的扭矩控制单元53中，来自扭矩控制单元53的转向辅助扭矩指令值Tc被输入到扭矩指令值渐变切换单元54中。来自位置/速度控制单元51的位置/速度控制扭矩指令值Tp也被输入到扭矩指令值渐变切换单元54中，按照自动转向执行判定单元52的判定结果(自动转向指令的ON/OFF)来切换转向辅助扭矩指令值Tc和位置/速度控制扭矩指令值Tp，然后，作为电动机扭矩指令值输出，经由电流控制系统对电动机进行驱动控制。
就这样，通常的助力辅助的场合成为扭矩控制系统，另一方面，诸如驻车辅助之类的自动驾驶的场合成为转向角等的位置/速度控制系统。在轮流地切换扭矩控制和位置/速度控制的时候，存在因产生控制扭矩的变动而导致不能平滑地切换的问题和因为切换时的扭矩变动成为触发(trigger)所以会产生并非想要的(unintended)自转向(self-steering)的问题。
针对这样的问题，在现有技术中，为了减少扭矩变动，采用使相互之间的控制扭矩逐渐发生变化的(渐变)方法。例如，在日本特开2004-17881号公报(专利文献1)中，如图4所示那样，在自动转向模式在时刻t0被解除的情况下，通过再次设定Sθ＝OFF，并且在该时刻t0之后的规定时间ΔT内单调地减少角度控制比μ，使得即使在控制方式的切换时应该给电动机通电的电流的指令值也变得不会发生急剧的变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-17881号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
然而，在切换扭矩控制和位置/速度控制的时候，不能充分地发挥效果。其原因为在像电动助力转向装置那样的从转向盘可以输入外部干扰的系统的场合，位置/速度控制为了进行扭矩辅助以便抑制外部干扰，当切换到通常的助力辅助控制的时候，有时会发生朝反方向进行辅助的情况。
就这样，尽管在现有技术中，为了减少扭矩变动，采用了使相互之间的控制扭矩逐渐发生变化的(渐变)方法，但在切换扭矩控制和位置/速度控制的时候，不能充分地发挥效果。
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电动助力转向装置，其在进行用来切换控制方式的渐变处理(fade processing)的时候，通过以与转向扭矩相感应的方式逐渐改变扭矩控制的控制扭矩和位置/速度控制的指令值，使得能够平滑地并且无自转向(self-steeringless)地切换控制方式。
(二)技术方案
本发明涉及一种电动助力转向装置，其具有用于检测出转向扭矩的扭矩传感器和用于控制用来将用来辅助转向的辅助扭矩赋予给车辆的转向系统的电动机的电动机控制装置，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：具备基于所规定的切换契机使所述电动机的控制方式在控制电动机输出扭矩的扭矩系统的扭矩控制方式与控制所述转向的转向角的转向角系统的位置/速度控制方式之间切换的功能，在从所述扭矩控制方式转移到所述位置/速度控制方式的时候，以与所述转向扭矩相感应的方式分别逐渐改变所述位置/速度控制方式的转向角指令值以及转向角速度和所述扭矩控制方式的辅助扭矩程度；或，在从所述位置/速度控制方式转移到所述扭矩控制方式的时候，以与所述转向扭矩相感应的方式分别逐渐改变所述位置/速度控制方式的转向角指令值以及转向角速度和所述扭矩控制方式的辅助扭矩程度。
本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即：设有特性运算单元，所述特性运算单元在所述所规定的切换契机的ON/OFF时，根据所述转向扭矩，运算出用来赋予所述扭矩系统的第1渐变特性的渐变增益信号F1、用来赋予所述转向角系统的第2渐变特性的渐变增益信号F2和用来赋予所述转向角速度的第3渐变特性的渐变增益信号F3；或，当所述切换契机被启动的时候，根据所述渐变增益信号F2使所述位置/速度控制的渐变后转向角指令值从实际转向角逐渐变化到转向角指令值，根据所述渐变增益信号F1使所述辅助扭矩程度从100％逐渐变化到0％，根据所述渐变增益信号F3使所述转向角速度从0％逐渐变化到100％，以所述位置/速度控制方式来工作；或，当所述切换契机被关闭的时候，根据所述渐变增益信号F2使所述位置/速度控制的渐变后转向角指令值从转向角指令值逐渐变化到实际转向角，根据所述渐变增益信号F1使所述辅助扭矩程度从0％逐渐变化到100％，根据所述渐变增益信号F3使所述转向角速度从100％逐渐变化到0％，以所述扭矩控制方式来工作；或，将渐变增益的过去值设为FG(z-1)，将指数增益设为A，将渐变比率设为FR，通过A×FG(z-1)+FR的形式来计算出所述渐变增益信号F1、F2和F3；或，通过自动转向执行判定单元来执行所述所规定的切换契机；或，所述自动转向执行判定单元由运算单元、图判定单元和诊断单元构成，所述运算单元输入转向角指令值，运算出角速度以及角加速度，所述图判定单元通过使所述转向角指令值、所述角速度和所述角加速度分别与车速相对应的判定图来进行判定，所述诊断单元基于所述图判定单元的判定结果来进行诊断；或，还设有用于对转向盘的惯性和摩擦进行补偿的外部干扰观测器；或，所述外部干扰观测器基于所述转向系统的反转模型的输出与用于进行频带限制的低通滤波器的输出之间的差来估计出外部干扰估计扭矩；或，所述转向系统的惯性和摩擦的值分别等于或大于所述反转模型的惯性和摩擦的值。
(三)有益效果
根据本发明的电动助力转向装置，因为使渐变后转向角指令值从实际转向角逐渐变化到转向角指令值，并且对实际转向角进行位置控制以及速度控制以便使其追随渐变后的转向角指令值以及转向角速度，所以能够使位置/速度控制的扭矩指令值自动并平滑地发生变化，从而可以获得对驾驶员来说是很平稳的手感。
还有，在进行从自动转向切换到扭矩控制的渐变处理的时候，即使产生了过大的扭矩变动，因为以与转向扭矩相感应的方式逐渐改变转向角指令值和转向角速度，所以位置/速度控制自动地补偿起因于扭矩控制的过大的助力辅助。因此，能够抑制像驾驶员失去对转向盘的控制那样的不好的状况。
另外，根据本发明的电动助力转向装置，能够以平滑的动作来进行尊重驾驶员的意思的自动转向驾驶(位置/速度控制)与基于扭矩控制的通常转向之间的切换，在自动驾驶中，当驾驶员感到危险并且强烈地操纵了转向盘的时候，能够迅速地中断自动驾驶并且切换到通常的扭矩控制。通过设置外部干扰观测器，可以更进一步提高效果。
附图说明
图1是表示电动助力转向装置(柱轴助力式)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示例的结构框图。
图3是表示具有驻车辅助模式(自动转向)功能的电动助力转向装置的控制系统的结构示例的结构框图。
图4是表示现有的电动助力转向装置的动作系统的特性图。
图5是表示电动助力转向装置(单小齿轮助力式)的概要的结构图。
图6是表示电动助力转向装置(双小齿轮助力式)的概要的结构图。
图7是表示电动助力转向装置(双小齿轮助力式(变形示例))的概要的结构图。
图8是表示电动助力转向装置(齿条同轴助力式)的概要的结构图。
图9是表示电动助力转向装置(齿条偏移助力式)的概要的结构图。
图10是表示本发明的结构示例的结构框图。
图11是表示自动转向执行判定单元的结构示例的结构框图。
图12是表示判定图(转向角指令值、角速度、角加速度)的示例的特性图。
图13是表示传感器的安装示例与本发明所使用的实际转向角之间的关系的图。
图14是表示本发明的动作示例的流程图。
图15是表示自动转向判定单元的动作示例的一部分的流程图。
图16是表示本发明的动作示例的时序图。
图17是表示指数增益的一个示例的特性图。
图18是表示指数增益的其他示例的特性图。
图19是用来说明本发明的效果(渐变处理)的特性图。
图20是用来说明本发明的效果(渐变处理)的特性图。
图21是表示外部干扰观测器的结构示例的结构框图。
图22是表示在设置了外部干扰观测器的情况下的效果示例的特性图。
具体实施方式
在电动助力转向装置中的现有的扭矩渐变控制中，在轮流地切换扭矩控制和位置/速度控制的时候，存在不能平滑地切换控制的问题和产生并非想要的自转向的问题。因此，本发明通过根据转向扭矩来逐渐改变扭矩控制的控制扭矩(辅助扭矩程度)和位置/速度控制的指令值(转向角指令值、转向角速度)，也就是说，通过根据转向扭矩对扭矩控制的控制扭矩(辅助扭矩程度)和位置/速度控制的指令值(转向角指令值、转向角速度)进行渐变处理，从而实现了平滑地并且无自转向地切换控制的处理。
本发明具备基于所规定的切换契机(例如，自动转向指令)使电动机的控制方式在控制电动机输出扭矩的扭矩控制方式与控制转向的转向角的位置/速度控制方式之间切换的功能，并且根据转向扭矩来改变渐变处理(渐变时间、增益)，从而实现了平滑并且无自转向的渐变处理。
下面，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。
尽管除了图1所示的柱轴助力式电动助力转向装置之外，本发明还可以应用于在图5中示出了其概要结构的单小齿轮助力式电动助力转向装置、在图6中示出了其概要结构的双小齿轮助力式电动助力转向装置、在图7中示出了其概要结构的双小齿轮助力式(变形示例)电动助力转向装置、在图8中示出了其概要结构的齿条同轴助力式电动助力转向装置以及在图9中示出了其概要结构的齿条偏移助力式电动助力转向装置，但下面对柱轴助力式电动助力转向装置进行说明。
图10示出了本发明的结构示例。如图10所示，转向扭矩Ts被输入到扭矩控制单元102中，并且还作为可变参数被输入到自动转向执行判定单元120和特性运算单元140中，来自扭矩控制单元102的转向辅助扭矩指令值Tc被输入到扭矩系统的扭矩渐变单元103中。还有，来自CAN等的转向角指令值θtc被输入到自动转向执行判定单元120中，在自动转向执行判定单元120中经过运算处理后得到的转向角指令值θt与实际转向角θr一起被输入到转向角系统的转向角指令值渐变单元100中。并且，自动转向执行判定单元120输出作为判定结果的自动转向指令的ON/OFF(启动/关闭)，自动转向指令的ON/OFF被输入到扭矩渐变单元103、转向角指令值渐变单元100、转向角速度渐变单元105和特性运算单元140中。
实际转向角θr被输入到转向角指令值渐变单元100和位置/速度控制单元101中，转向角速度ωr被输入到转向角速度渐变单元105中。来自转向角指令值渐变单元100的渐变后转向角指令值θm以及来自转向角速度渐变单元105的渐变后转向角速度ωm被输入到位置/速度控制单元101中。还有，特性运算单元140基于转向扭矩Ts运算出的扭矩系统的渐变增益信号F1被输入到扭矩渐变单元103中，特性运算单元140基于转向扭矩Ts运算出的转向角系统的渐变增益信号F2被输入到转向角指令值渐变单元100中，特性运算单元140基于转向扭矩Ts运算出的转向角速度系统的渐变增益信号F3被输入到转向角速度渐变单元105中。
扭矩渐变单元103中的扭矩渐变后的转向辅助扭矩指令值Tg被输入到加法单元104中，来自位置/速度控制单元101的位置/速度控制扭矩指令值Tp也被输入到加法单元104中，在加法单元104得到的加法结果被作为电动机扭矩指令值输出。电动机扭矩指令值被输入到电流控制系统130中，经由电流控制系统130对电动机131进行驱动控制。
当来自自动转向执行判定单元120的自动转向指令变成了ON的时候，或者，当来自自动转向执行判定单元120的自动转向指令变成了OFF的时候，特性运算单元140分别运算出用于进行扭矩渐变的渐变增益信号F1、用于进行转向角指令值渐变的渐变增益信号F2和用于进行转向角速度渐变的渐变增益信号F3，针对各个要素进行与转向扭矩Ts相对应的渐变(时间、增益)。
还有，自动转向执行判定单元120为如图11所示那样的结构，转向角指令值θtc被输入到运算单元121中，运算单元121基于转向角指令值θtc运算出角速度ωtc和角加速度αtc。角速度ωtc和角加速度αtc被输入到使用判定图来进行判定的图判定单元122中，转向角指令值θtc和车速Vs也被输入到图判定单元122中。图判定单元122具备具有图12(A)所示那样的特性A1或B1的转向角指令值θtc用的判定图#1、具有图12(B)所示那样的特性A2或B2的角速度ωtc用的判定图#2和具有图12(C)所示那样的特性A3或B3的角加速度αtc用的判定图#3。
关于转向角指令值θtc的判定图#1的特性为这样的特性，即，当车速Vs小于低速的车速Vs1的时候，转向角指令值θtc为一定值θtc0，当车速Vs等于或大于车速Vs1的时候，转向角指令值θtc像特性A1或特性B1那样减少。关于角速度ωtc的判定图#2的特性为这样的特性，即，当车速Vs小于低速的车速Vs2的时候，角速度ωtc为一定值ωc0，当车速Vs等于或大于车速Vs2的时候，角速度ωtc像特性A2或特性B2那样减少。还有，关于角加速度αtc的判定图#3的特性为这样的特性，即，当车速Vs小于低速的车速Vs3的时候，角加速度αtc为一定值αc0，当车速Vs等于或大于车速Vs3的时候，角加速度αtc像特性A3或特性B3那样减少。判定图#1～#3的特性均可以被调节，它们也可以为线性地减少的特性。
图判定单元122判定转向角指令值θtc是否超过判定图#1的特性值范围，判定角速度ωtc是否超过判定图#2的特性值范围，并且还判定角加速度αtc是否超过判定图#3的特性值范围。判定结果MD被输入到诊断单元123中，诊断单元123根据基于时间、次数的诊断的结果来输出自动转向指令的ON/OFF，并且，自动转向指令的ON/OFF被输入到输出单元124中。输出单元124只有在自动转向指令被启动(ON)的时候输出转向角指令值θt。
尽管转向角指令值θt与实际转向角θr一起被输入到转向角指令值渐变单元100中，但在本发明中如下所述那样计算出实际转向角θr。
关于具备扭力杆23的机构，例如图13所示那样的传感器被安装在柱轴2(2A(输入一侧)、2B(输出一侧))上，检测出操舵转向角。也就是说，作为角度传感器的霍尔IC传感器21和扭矩传感器输入一侧转子的20°转子传感器22被安装在柱轴2的转向盘1一侧的输入轴2A上。霍尔IC传感器21输出296°周期的AS_IS角度θh。没有被安装在扭力杆23上而是被安装在转向盘1一侧的20°转子传感器22输出20°周期的柱轴输入一侧角度θs，柱轴输入一侧角度θs被输入到转向角运算单元132中。还有，扭矩传感器输出一侧转子的40°转子传感器24被安装在柱轴2的输出轴2B上，40°转子传感器24输出柱轴输出一侧角度θo，柱轴输出一侧角度θo被输入到转向角运算单元132中。柱轴输入一侧角度θs和输出柱轴输出一侧角度θo均在转向角运算单元132中被运算成绝对角度，转向角运算单元132输出绝对角度的柱轴输入一侧的转向角θr以及柱轴输出一侧的转向角θr1。
尽管在本发明中将柱轴输入一侧的转向角θr作为实际转向角来进行说明，但也可以将柱轴输出一侧的转向角θr1作为实际转向角来使用。
在这样的结构中，参照图14以及图15的流程图和图16的时序图对其动作示例进行说明。
在自动转向指令没有被启动的情况下(步骤S1)，实施辅助扭矩程度为100％的通常转向，也就是说，实施扭矩控制(步骤S17)。然后，通过自动转向执行判定单元120在时刻t2自动转向指令被启动的话(步骤S1)，则从该时刻t2起，开始进行EPS的第1渐变处理(步骤S2)。此时，特性运算单元140基于转向扭矩Ts运算出渐变增益信号F1～F3，渐变增益信号F1被输入到扭矩渐变单元103中，渐变增益信号F2被输入到转向角指令值渐变单元100中，渐变增益信号F3被输入到转向角速度渐变单元105中(步骤S3)。基于渐变增益信号F1～F3分别设定渐变处理时间以及渐变增益特性。特性运算单元140按照下述式1计算出渐变增益信号F1，按照下述式2计算出渐变增益信号F2，按照下述式3计算出渐变增益信号F3。
式1
F1＝A1×FG(z-1)+FR1
其中，FR1为用来决定在控制周期中变化的渐变的比率的渐变比率，A1为用来决定指数的斜率的指数增益，FG(z-1)为渐变增益的过去值。
式2
F2＝A2×FG(z-1)+FR2
其中，FR2为用来决定在控制周期中变化的渐变的比率的渐变比率，A2为用来决定指数的斜率的指数增益，FG(z-1)为渐变增益的过去值。
式3
F3＝A3×FG(z-1)+FR3
其中，FR3为用来决定在控制周期中变化的渐变的比率的渐变比率，A3为用来决定指数的斜率的指数增益，FG(z-1)为渐变增益的过去值。
在式1～式3中，在将指数增益A1～A3均设定为“1.0”的时候，渐变特性成为直线。还有，通过根据转向扭矩Ts来改变指数增益A1、A2、A3，以便控制渐变处理的时间、增益。在时刻t2～t4的渐变处理中，指数增益A1与扭矩渐变相关联，例如，如图17所示，当转向扭矩Ts小于规定值T11的时候，指数增益A1为一定值A12，当转向扭矩Ts等于或大于规定值T11并且等于或小于规定值T12(＞T11)的时候，指数增益A1逐渐减少到值A11(＜A12)，当转向扭矩Ts大于规定值T12的时候，指数增益A1成为一定值A11。还有，指数增益A2与转向角指令值渐变相关联，例如，如图18所示，当转向扭矩Ts小于规定值T21的时候，指数增益A2为一定值A21，当转向扭矩Ts等于或大于规定值T21并且等于或小于规定值T22(＞T21)的时候，指数增益A2逐渐增加到值A22(＞A21)，当转向扭矩Ts大于规定值T22的时候，指数增益A2成为一定值A22。
还有，尽管上述式3适用于转向角速度，但在图16的示例中，在从时刻t2到时刻t3的期间直线性地逐渐变化(A3＝0)，在时刻t3之后到时刻t4的期间为一定值。
此外，图17和图18中的转向扭矩T11以及T21、转向扭矩T12以及T22也可以为相同的值，还有，减少特性以及增加特性也可以为非线性或函数。另外，也可以根据手感能够自由地进行调节。
转向角指令值渐变单元100按照渐变增益信号F2使位置/速度控制的渐变后转向角指令值θm从实际转向角θr逐渐变化到转向角指令值θt(步骤S4)。还有，扭矩渐变单元103按照渐变增益信号F1使扭矩程度从100％逐渐变化到0％(步骤S5)。转向角速度渐变单元105按照渐变增益信号F3使渐变后转向角速度ωm到时刻t3为止从0％逐渐变化到100％(步骤S6)。之后，重复进行上述动作直到第1渐变处理结束(时刻t4)为止(步骤S7)。
此外，渐变区间(渐变时间)内的位置/速度控制的指令值渐变、扭矩控制的程度渐变和转向角速度的渐变的顺序是任意的。还有，图16的时序图没有示出渐变处理时间(时刻t2～t4)随着转向扭矩Ts发生变化。
在这样的第1渐变处理结束的时刻t4之后，从扭矩控制切换到自动转向(位置/速度控制)，继续进行自动转向(步骤S8)。
然后，通过自动转向执行判定单元120自动转向指令被关闭(OFF)的话(时刻t5)，或者，驾驶员在自动转向中操纵转向盘，转向扭矩Ts超过某个阈值，自动转向指令被关闭的话(时刻t5)，自动转向结束(步骤S10)，开始进行第2渐变处理(步骤S11)。
在这种情况下，特性运算单元140也按照上述式1～式3运算出基于转向扭矩Ts的渐变增益信号F1～F3，渐变增益信号F2被输入到转向角指令值渐变单元100中，渐变增益信号F1被输入到扭矩渐变单元103中，渐变增益信号F3被输入到转向角速度渐变单元105中(步骤S12)。
因此，转向角指令值渐变单元100使位置/速度控制的渐变后转向角指令值θm从转向角指令值θt逐渐变化到实际转向角θr(步骤S13)，扭矩渐变单元103使扭矩程度从0％逐渐变化到100％(步骤S14)，转向角速度渐变单元105使渐变后转向角速度ωm从100％逐渐变化到0％(步骤S15)。继续进行该第2渐变处理直到时刻t63为止(步骤S16)。在渐变处理结束的时刻t63之后，从自动转向切换到通常转向的扭矩控制(步骤S17)。
在这种情况下的第2渐变处理中，也根据上述式1～式3来分别运算出渐变增益信号F1～F3。也就是说，在这一次的第2渐变处理中，进行下述式4～式6的运算。
式4
F1＝A2×FG(z-1)+FR2
式5
F2＝A1×FG(z-1)+FR1
式6
F3＝A3×FG(z-1)+FR3
在这种情况下的渐变增益信号F1以及F3的指数增益A2以及A3分别成为图18所示的特性，渐变增益信号F2的指数增益A1成为图17所示的特性。
此外，尽管在图16中，将位置/速度控制的转向角指令值渐变特性设定为指数曲线，将扭矩控制的扭矩渐变设定为直线(线性)，但也可以为非线性特性或函数特性，并且，还可以根据手感对它们自由地进行调节。关于转向角速度的渐变也是相同的。还有，图16的从时刻t3到时刻t4的期间为自动转向区间，示出了偏差为0。
自动转向执行判定单元120的动作示例如图15的流程图所示那样，自动转向执行判定单元120内的运算单元121输入来自CAN等的转向角指令值θtc(步骤S20)，基于转向角指令值θtc运算出角速度ωtc和角加速度αtc(步骤S21)。角速度ωtc和角加速度αtc被输入到图判定单元122中，车速Vs也被输入到图判定单元122中(步骤S22)，图判定单元122首先判定与车速Vs相对应的转向角指令值θtc是否在图12(A)所示的判定图#1的特性值范围内，也就是说，首先判定与车速Vs相对应的转向角指令值θtc是否位于图12(A)的特性线的下侧(步骤S23)，与车速Vs相对应的转向角指令值θtc在判定图#1的特性值范围内的话，则接下来判定与车速Vs相对应的角速度ωtc是否在图12(B)所示的判定图#2的特性值范围内，也就是说，接下来判定与车速Vs相对应的角速度ωtc是否位于图12(B)的特性线的下侧(步骤S24)。然后，与车速Vs相对应的角速度ωtc在判定图#2的特性值范围内的话，则接下来判定与车速Vs相对应的角加速度αtc是否在图12(C)所示的判定图#3的特性值范围内，也就是说，接下来判定与车速Vs相对应的角加速度αtc是否位于图12(C)的特性线的下侧(步骤S25)。所有的判定对象都在特性范围内的话，则自动转向执行判定单元120启动自动转向指令(步骤S31)，将转向角指令值θtc作为转向角指令值θt输出到转向角指令值渐变单元100(步骤S32)。
还有，在上述步骤S23中与车速Vs相对应的转向角指令值θtc没有在图12(A)所示的判定图#1的特性值范围内的时候，在上述步骤S24中与车速Vs相对应的角速度ωtc没有在图12(B)所示的判定图#2的特性值范围内的时候，在上述步骤S25中与车速Vs相对应的角加速度αtc没有在图12(C)所示的判定图#3的特性值范围内的时候，诊断单元123将变成该范围外的次数与所规定的次数阈值进行比较，或者，将变成该范围外的时间与所规定的时间阈值进行比较(步骤S30)。并且，在等于或小于阈值的情况下，转移到上述步骤S31，启动自动转向指令。还有，在次数或时间超过阈值的情况下，关闭自动转向指令(步骤S33)，切断转向角指令值θt以便使其不输出(步骤S34)。
此外，可以适当地变更上述步骤S23～步骤S25的顺序。
如图19所示那样，当自动转向指令被启动的时候(时刻t10)，开始进行渐变处理。渐变后转向角指令值θm从实际转向角θr逐渐变化到转向角指令值θt。因为对实际转向角θr进行位置/速度控制以便使其追随渐变后转向角指令值θm，所以能够使位置/速度控制的扭矩指令值平滑地发生变化，从而可以获得对驾驶员来说是很平稳的手感。此外，图19(B)示出了位置的偏差出现在扭矩。
另一方面，如图20所示那样，在进行从自动转向切换到扭矩控制的渐变处理的时候(时刻t20)，即使在时刻t21之后产生了过大的转向扭矩变动，因为使渐变后转向角指令值θm从转向角指令值θt逐渐变化到实际转向角θr，所以位置/速度控制自动地补偿过大的转向扭矩变动。因此，也变得不会发生像驾驶员失去对转向盘的控制那样的状况。也就是说，在本发明中，如图20(A)所示那样，因为对实际转向角θr进行位置/速度控制以便使其追随渐变后转向角指令值θm，所以峰值的发生会延迟，根据渐变后转向角指令值θm与实际转向角θr之间的差分来生成位置/速度控制扭矩指令值Tp，从而平滑地收敛。然而，在现有技术的控制中，如图20(A)的虚线所示那样，因为从扭矩的峰值起开始进行渐变，所以没有平滑地收敛。还有，对扭矩(加速度)进行两次积分后得到的位置θr成为像图20(A)所示的虚线那样的轨迹，转向盘会更大地动作起来。
此外，尽管在上述实施方式中，从扭矩控制到位置/速度控制的渐变处理以及从位置/速度控制到扭矩控制的渐变处理的双方均基于转向扭矩运算出渐变增益特性，改变渐变处理(渐变时间、增益)，但也可以至少在从位置/速度控制到扭矩控制的渐变处理中执行的话就可以了。
还有，在本发明中，如图21所示那样，在位置/速度控制单元101内设有外部干扰观测器150，外部干扰观测器150对转向盘的惯性和摩擦进行补偿，以便使得驾驶员的转向盘手动输入不受妨碍。还有，外部干扰观测器150基于电动机的电流来估计出驾驶员的扭矩输入，还作为高速检测出手动输入的扭矩传感器发挥功能。
图10的位置/速度控制单元101由图21所示的位置/速度反馈控制单元170和外部干扰观测器150构成。也就是说，位置/速度控制单元101的输入为渐变后转向角指令值θm，位置/速度控制单元101的输出为位置/速度控制扭矩指令值Tp，状态反馈变量成为转向角θr和转向角速度ωr。位置/速度反馈控制单元170由用于求出渐变后转向角指令值θm与转向角θr之间的转向角偏差的减法单元171、用于对转向角偏差进行位置控制的位置控制器172、用于求出来自位置控制器172的角速度与转向角速度ωr之间的速度偏差的减法单元173和用于对速度偏差进行速度控制的速度控制器174构成，速度控制器174的输出被加法输入到外部干扰观测器150内的减法单元154中。还有，外部干扰观测器150由用传递函数“(J2·s+B2)/(τ·s+1)”表示的控制对象的转向的反转模型(inversion model)151、用于输入位置/速度控制扭矩指令值Tp并进行频带限制的低通滤波器(LPF)152、用于求出外部干扰估计扭矩Td＊的减法单元153和用于通过减法来输出位置/速度控制扭矩指令值Tp的减法单元154构成。此外，低通滤波器152的传递函数为“1/(τ·s+1)”。
成为控制对象的转向系统160由用于将未知的外部干扰扭矩Td与位置/速度控制扭矩指令值Tp相加的加法单元161、用传递函数“1/(J1·s+B1)”表示的转向系统162和用于对来自转向系统162的角速度ωr进行积分(1/s)并输出转向角θr的积分单元163构成。转向角速度ωr被反馈到位置/速度反馈控制单元170，并且还被输入到积分单元163中，转向角θr被反馈到位置/速度反馈控制单元170。
传递函数的J1为转向系统162的惯性，B1为转向系统162的摩擦，J2为反转模型151的惯性，B2为反转模型151的摩擦，τ为所规定的时间常数，它们具有下述式7以及式8的关系。
式7
J1≧J2
式8
B1≧B2
外部干扰观测器150基于转向的反转模型151的输出与LPF152的输出之间的差来估计出未知的外部干扰扭矩Td，作为估计值求出外部干扰估计扭矩Td＊。外部干扰估计扭矩Td＊被减法输入到减法单元154中，通过减法单元154从速度控制器174的输出中减去外部干扰估计扭矩Td＊，就可以进行稳健的位置/速度控制。然而，稳健的位置/速度控制会产生即使实施了驾驶员的介入但转向盘停不下来的矛盾。为了改善这种情况，通过作为转向的反转模型151输入分别小于或等于实际的转向系统162所具有的惯性J1和摩擦B1的惯性J2和摩擦B2，以便能够从表面上看起来驾驶员感觉到的转向盘的惯性和摩擦变小。因此，能够使驾驶员针对自动转向易于进行转向介入。
还有，通过监控外部干扰观测器150的外部干扰估计扭矩Td＊，就可以检测出驾驶员的转向扭矩，以便替代扭矩传感器。尤其在扭矩传感器为数字信号的情况下，由于通信迟延等的影响，有时驾驶员的转向介入的检测会延迟。与扭矩传感器相同，在外部干扰估计扭矩Td＊持续了一定时间超过阈值的情况下，则判断为进行了转向介入，这样就可以进行渐变处理。
图22(A)以及图22(B)示出了设置了外部干扰观测器150的场合的有关从位置/速度控制到扭矩控制的渐变处理中的角度以及扭矩的特性。驾驶员朝与基于自动驾驶的转向角指令值θt的方向相反的方向转向转向盘，自动转向被关闭(开始进行渐变处理)的话，则松手。图22示出了惯性和摩擦为J1＞J2并且B1＞B2的场合和惯性和摩擦为J1＝J2并且B1＝B2的场合的此时的外部干扰观测器150的特性。图22(A)示出了设置了外部干扰观测器150的场合的实际转向角θr的变化示例，图22(B)示出了设置了外部干扰观测器150的场合的转向扭矩Ts以及位置/速度控制扭矩指令值Tp的变化示例。
通过设置外部干扰观测器150，能够获得更加平滑的转向感，并且，可以进行高速的控制切换。还有，通过减小惯性和摩擦，就可以容易地进行转向介入。
附图标记说明
1-转向盘(方向盘)；2-柱轴(转向轴或方向盘轴)；10-扭矩传感器；12-车速传感器；20、131-电动机；30-控制单元(ECU)；40-CAN；41-非CAN；50-自动转向指令装置；51、101-位置/速度控制单元；52、120-自动转向执行判定单元；53-扭矩控制单元；54-扭矩指令值渐变切换单元；100-转向角指令值渐变单元；102-扭矩控制单元；103-扭矩渐变单元；105-转向角速度渐变单元；130-电流控制系统；140-特性运算单元；150-外部干扰观测器。

Claims (11)

1.一种电动助力转向装置，其具有用于检测出转向扭矩的扭矩传感器和用于控制用来将用来辅助转向的辅助扭矩赋予给车辆的转向系统的电动机的电动机控制装置，其特征在于：
具备基于所规定的切换契机使所述电动机的控制方式在控制电动机输出扭矩的扭矩系统的扭矩控制方式与控制所述转向的转向角的转向角系统的位置/速度控制方式之间切换的功能，
在从所述扭矩控制方式转移到所述位置/速度控制方式的时候，以与所述转向扭矩相感应的方式分别逐渐改变所述位置/速度控制方式的转向角指令值以及转向角速度和所述扭矩控制方式的辅助扭矩程度。
2.一种电动助力转向装置，其具有用于检测出转向扭矩的扭矩传感器和用于控制用来将用来辅助转向的辅助扭矩赋予给车辆的转向机构的电动机的电动机控制装置，其特征在于：
具备基于所规定的切换契机使所述电动机的控制方式在控制电动机输出扭矩的扭矩系统的扭矩控制方式与控制所述转向的转向角的转向角系统的位置/速度控制方式之间切换的功能，
在从所述位置/速度控制方式转移到所述扭矩控制方式的时候，以与所述转向扭矩相感应的方式分别逐渐改变所述位置/速度控制方式的转向角指令值以及转向角速度和所述扭矩控制方式的辅助扭矩程度。
3.根据权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于：设有特性运算单元，所述特性运算单元在所述所规定的切换契机的ON/OFF时，根据所述转向扭矩，运算出用来赋予所述扭矩系统的第1渐变特性的渐变增益信号F1、用来赋予所述转向角系统的第2渐变特性的渐变增益信号F2和用来赋予所述转向角速度的第3渐变特性的渐变增益信号F3。
4.根据权利要求3所述的电动助力转向装置，其特征在于：当所述切换契机被启动的时候，根据所述渐变增益信号F2使所述位置/速度控制的渐变后转向角指令值从实际转向角逐渐变化到转向角指令值，根据所述渐变增益信号F1使所述辅助扭矩程度从100％逐渐变化到0％，根据所述渐变增益信号F3使所述转向角速度从0％逐渐变化到100％，以所述位置/速度控制方式来工作。
5.根据权利要求3所述的电动助力转向装置，其特征在于：当所述切换契机被关闭的时候，根据所述渐变增益信号F2使所述位置/速度控制的渐变后转向角指令值从转向角指令值逐渐变化到实际转向角，根据所述渐变增益信号F1使所述辅助扭矩程度从0％逐渐变化到100％，根据所述渐变增益信号F3使所述转向角速度从100％逐渐变化到0％，以所述扭矩控制方式来工作。
6.根据权利要求4或5所述的电动助力转向装置，其特征在于：将渐变增益的过去值设为FG(z-1)，将指数增益设为A，将渐变比率设为FR，通过A×FG(z-1)+FR的形式来计算出所述渐变增益信号F1、F2和F3。
7.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：通过自动转向执行判定单元来执行所述所规定的切换契机。
8.根据权利要求7所述的电动助力转向装置，其特征在于：
所述自动转向执行判定单元由运算单元、图判定单元和诊断单元构成，
所述运算单元输入转向角指令值，运算出角速度以及角加速度，
所述图判定单元通过使所述转向角指令值、所述角速度和所述角加速度分别与车速相对应的判定图来进行判定，
所述诊断单元基于所述图判定单元的判定结果来进行诊断。
9.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：还设有用于对转向盘的惯性和摩擦进行补偿的外部干扰观测器。
10.根据权利要求9所述的电动助力转向装置，其特征在于：所述外部干扰观测器基于所述转向系统的反转模型的输出与用于进行频带限制的低通滤波器的输出之间的差来估计出外部干扰估计扭矩。
11.根据权利要求10所述的电动助力转向装置，其特征在于：所述转向系统的惯性和摩擦的值分别等于或大于所述反转模型的惯性和摩擦的值。
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