CN107499373A - 零到低车速下无转矩传感器提供辅助的修改静态轮胎模型 - Google Patents

零到低车速下无转矩传感器提供辅助的修改静态轮胎模型 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种控制电动助力转向系统的方法。所述方法响应于确定一个或多个方向盘转矩传感器未被启用而估计由轮胎和轮胎所接触的地表面引起的转向齿条力。所述方法基于估计的转向齿条力生成转向辅助转矩指令。所述方法使用转向辅助转矩指令来控制电动助力转向系统。

Description

零到低车速下无转矩传感器提供辅助的修改静态轮胎模型
相关申请的交叉引用
本申请是2014年9月15日提交的第14/486,392号美国申请的部分继续申请，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种控制电动助力转向系统的方法以及一种动力转向系统。
背景技术
在车辆的典型的电动助力转向(EPS)系统中，使用方向盘转矩传感器来确定驾驶员所请求的辅助转矩。当方向盘转矩传感器未被启用并且不能正常工作时，EPS系统可能不能提供转向辅助转矩。一些方法为滚动(rolling)车辆速度提供了辅助缺失检测。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供了一种控制车辆的电动助力转向系统的方法。所述方法响应于确定车辆的一个或多个方向盘转矩传感器未被启用，估计由车辆的轮胎和轮胎所接触的地表面引起的转向齿条力。所述方法基于估计的转向齿条力生成转向辅助转矩指令。所述方法使用转向辅助转矩指令来控制电动助力转向系统。
在本发明的另一个实施例中，一种车辆系统包括控制模块和包括一个或多个方向盘转矩传感器的动力转向系统。所述控制模块被配置为响应于确定一个或多个方向盘转矩传感器未被启用而估计由车辆的轮胎和轮胎所接触的地表面引起的转向齿条力。所述控制模块还被配置为基于估计的转向齿条力生成转向辅助转矩指令。所述控制模块还被配置为使用转向辅助转矩指令来控制电动助力转向系统。
从以下结合附图的描述中，这些和其它优点和特征将变得更加明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书的结尾处的权利要求书中被特别指出并明确地要求保护。从以下结合附图的详细描述中，本发明的前述和其它特征以及优点是显而易见的，其中：
图1示出了包括根据本发明的示例性实施例的辅助转矩计算系统的转向系统的功能框图；
图2示出了示出根据本发明的示例性实施例的辅助转矩计算系统的数据流程图；
图3描绘了根据本发明的示例性实施例的齿条负载估计器的数据流程图；
图4示出了根据本发明的示例性实施例的辅助转矩指令生成器的数据流程图；
图5描绘了根据本发明的示例性实施例的基于方向盘角度的缩放模块的数据流程图；
图6示出了根据本发明的示例性实施例的辅助转矩指令生成方法的流程图；
图7描绘了根据本发明的示例性实施例的齿条负载估计器的数据流程图；
图8示出了包括根据本发明的示例性实施例的摩擦估计模块的数据流程图；
图9示出了包括根据本发明的示例性实施例的摩擦学习模块的数据流程图；
图10示出了包括根据本发明的示例性实施例的标志更新器模块的数据流程图；
图11示出了包括根据本发明的示例性实施例的转换器模块的数据流程图；以及
图12示出了包括根据本发明的示例性实施例的混合器模块的数据流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本公开、其应用或用途。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相似或相应的部件和特征。
现在参考图1，其中将参照具体实施例对本发明进行描述，而不限于此，示出了包括转向系统12的车辆10的示例性实施例。在各种实施例中，转向系统12包括耦接到转向轴16的方向盘14。在一个示例性实施例中，转向系统12是电动助力转向(EPS)系统，其还包括转向辅助单元18，转向辅助单元18耦接到转向系统12的转向轴16和车辆10的拉杆20、22。转向辅助单元18例如包括齿条和小齿轮转向机构(未示出)，其可以通过转向轴16耦接到转向执行器马达和齿轮传动装置(以下称为转向致动器)。在操作期间，当方向盘14被车辆操作者(即，驾驶员)转动时，转向辅助单元18的马达提供辅助以移动拉杆20、22，拉杆20、22又分别移动转向节24、26，转向节24、26分别耦接到车辆10的道路车轮28、30。尽管图1示出并且本文描述了EPS系统，但是应当理解，本公开的转向系统12可以包括各种受控的转向系统，包括但不限于具有液压构造的转向系统，以及通过导线构造进行转向。
如图1所示，车辆10还包括检测和测量转向系统12和/或车辆10的可观察状况的各种传感器31-33。传感器31-33基于可观察状况周期性地或连续地生成传感器信号。在各种实施例中，传感器31-33包括例如方向盘转矩传感器、方向盘角度传感器、方向盘速度传感器、道路车轮速度传感器和其它传感器。在一个实施例中，这些传感器中的一些具有用于验证或补充传感器信号的冗余或备用传感器。传感器31-33将信号发送到控制模块40。
在各种实施例中，控制模块40基于一个或多个启用的传感器信号并且还基于本公开的辅助转矩计算系统和方法，来控制转向系统12和/或车辆10的操作。一般而言，当提供方向盘转矩信号的方向盘转矩传感器变为未启用或故障时，本发明的各种实施例中的方法和系统生成辅助转矩指令，而不使用通常指示驾驶员所请求的辅助的方向盘转矩信号。具体地说，所述方法和系统利用修改的静态轮胎模型来估计当车辆静止或以相对较低的速度(例如，每小时约10公里或以下)移动时的齿条负载或转向齿条力。所述方法和系统基于方向盘角度、方向盘速度、车辆速度和先前生成的辅助转矩指令生成缩放因子。所述方法和系统通过用缩放因子缩放估计的转向齿条力来生成辅助转矩指令。
图2描绘了图1的用于控制图1的转向系统12和/或车辆10的控制模块40的数据流程图。在各种实施例中，控制模块40可以包括一个或多个子模块和数据存储，例如齿条负载估计器202和辅助转矩指令生成器204。如本文所使用的，术语模块和子模块是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其它合适的组件。可以理解，图2所示的子模块可以组合和/或进一步分割，以类似地生成辅助转矩指令。可以理解，图2所示的子模块可以被实现为单个控制模块40(如图所示)或多个控制模块(未示出)。对控制模块40的输入可以从车辆10(图1)的传感器生成，可以在控制模块40内(例如，由其它子模块(未示出))建模，可以从其它控制模块(未示出)接收和/或可以预定义。
众所周知，由车辆的一个或多个轮胎和轮胎所接触的地表面在轮胎平面(通过操纵方向盘)相对于所述表面旋转时引起齿条负载或转向齿条力。为了将方向盘转向所需的位置，除了转动方向盘的转矩之外，还必须通过转矩来克服转向齿条力。齿条负载估计器202被配置为估计转向齿条力并且基于方向盘角度或位置信号206、方向盘速度信号208和车辆速度信号210生成指示转向齿条力的估计的转向齿条力信号212。方向盘角度信号206、方向盘速度信号208和车辆速度信号210分别指示由图1的各种传感器31-33检测到的方向盘角度值、方向盘速度值和车辆速度值。在一些实施例中，可以基于根据不同时间点处的方向盘角度值来计算方向盘速度值的算法，根据方向盘角度信号206导出方向盘速度信号208，而不是由方向盘速度传感器生成方向盘速度信号208。在一些实施例中，齿条负载估计器202利用修改的静态轮胎模型来估计转向齿条力。将在下面参照图3进一步描述关于齿条负载估计器202和修改的静态轮胎模型的更多细节。
辅助转矩指令生成器204生成辅助转矩指令214，其是指示辅助转矩的量的周期性或连续信号。辅助转矩指令214用于命令图1的转向辅助单元18在车辆静止或以相对低的速度移动(例如，每小时约10公里(kph)或更低)时生成辅助转矩以帮助车辆的驾驶员。具体地，辅助转矩指令生成器204基于方向盘角度信号206、方向盘速度信号208和车辆速度信号210生成缩放因子。辅助转矩指令生成器204通过用缩放因子缩放估计的转向齿条力信号212来生成辅助转矩指令214。将在下面参考图4进一步描述关于辅助转矩指令生成器204的更多细节。
在一些实施例中，由混合器220将辅助转矩指令214与另一个辅助转矩指令216混合，辅助转矩指令216也不使用方向盘转矩传感器的方向盘转矩信号生成。具体地说，基于根据方向盘角度信号估计的车辆的横向加速度，由控制模块40的其它子模块(未示出)生成辅助转矩指令216。在一些实施例中，混合器220通过添加指令来混合辅助转矩指令214和216。在2014年4月28日提交的序列号为14/263,162的美国专利申请中描述了生成辅助转矩指令216，其全部内容通过引用并入本文。在这些实施例中，将辅助转矩指令214和216的混合作为辅助转矩指令218发送到马达。
图3描绘了图2的使用修改的静态轮胎模型来估计转向齿条力的齿条负载估计器202的数据流程图。van der Jagt,Pim的“Prediction of Steering Efforts DuringStationary or Slow Rolling Parking Maneuvers(静止或慢速滚动停车操纵期间的转向力预测)”，Ford der Forschungszentrum Aachen GmbH，1999年10月27日，中描述了用于估计方向盘转矩的静态轮胎模型，其全部内容通过引用并入本文。在本公开中，该静态轮胎模型被称为“Van der Jagt静态轮胎模型”。在一些实施例中，齿条负载估计器202利用修改后的Van der Jagt静态模型来估计方向盘转矩。
Van der Jagt静态模型包括用于估计由轮胎和轮胎所接触的地表面引起的转向齿条力的以下等式：
Mz＝KΨ·Ψ(等式1)
其中KΨ是轮胎的扭转刚度；Ψ是轮胎的车轮平面的偏航角；并且Mz是由轮胎引起的转向齿条力。不同的轮胎具有不同的扭转刚度。
Van der Jagt静态模型还包括以下两个等式：
如果
如果
其中是车轮平面的偏航角Ψ的时间导数；Ψdef是方向盘旋转时轮胎的扭转挠度(即，变形角度)；是Ψdef的时间导数；Mzmax是轮胎生成的最大转矩；并且sign()是返回输入值的符号(例如，正和负)的函数。等式2定义了当Ψdef的符号与偏航角Ψ的时间导数的符号相同(即，当轮胎的偏转方向和车轮平面的偏航角速度的方向相同)时轮胎的扭转挠度Ψdef的时间导数等式3定义了当Ψdef的符号与偏航角Ψ的时间导数的符号相同(即，当轮胎的偏转方向和车轮平面的偏航角速度的方向相反)时轮胎的扭转挠度Ψdef的时间导数等式2和3示出转向齿条力与方向盘角度之间的非线性。
Van der Jagt静态模型还包括用于估计车辆静止时的转向齿条力的以下等式：
Ψdefm＝Mzmax/KΨ(等式4)
Mz＝KΨ·Ψdef(等式6)
其中Ψdefm是轮胎的最大可能挠度。等式4示出了可以通过将轮胎所能生成的最大转矩除以轮胎的扭转刚度来计算轮胎开始滑动之前的轮胎的最大可能挠度。等式5示出了当方向盘旋转时轮胎的挠度建立。等式6示出了通过将轮胎的扭转刚度乘以轮胎的扭转挠度来估计转向齿条力Mz。
Van der Jagt静态模型还包括用于当车辆以相对较慢的速度(例如10kph或更低)移动时估计转向齿条力的以下等式：
τ＝Xrel/(ω·r)(等式8)
其中τ是时间常数；是Ψdef的时间导数；Xrel是轮胎松弛长度；ω是轮胎转速；并且r是轮胎的滚动半径。在Van der Jagt模型中，假设轮胎滚过轮胎松驰长度时，轮胎具有稳态值的约三分之二(例如，当车辆静止时轮胎的扭转刚度和扭转挠度)。因此，τ指示在时间τ，轮胎具有其稳态值的约三分之二。
在一些实施例中，齿条负载估计器202包括一个或多个子模块和数据存储，例如低通滤波器304和306、最大转矩调节器308和估计模块302。齿条负载估计器202使用修改的Van der Jagt静态模型来估计转向齿条力。具体地说，低通滤波器304和306分别对方向盘角度信号206和方向盘速度信号208进行滤波。低通滤波器304和306从方向盘角度信号206和方向盘速度信号208中去除噪声，并在方向盘角度信号206和方向盘速度信号208中添加时间延迟。该时间延迟使得由于延时使方向盘角度信号206和方向盘速度信号208的相位与轮胎的运动同步，所以使得转向齿条负载的估计更准确。因为轮胎的运动是由方向盘的运动引起的，所以方向盘的运动先于轮胎的运动。
估计模块302通过用方向盘角度值、方向盘速度值和车辆速度值替换Van derJagt静态轮胎模型的等式1-9中的轮胎转向坐标来修改Van der Jagt静态轮胎模型。例如，使用方向盘角度代替轮胎的车轮平面的偏航角Ψ，并且使用方向盘速度代替车轮平面的偏航角Ψ的时间导数
最大转矩调节器308通过调节轮胎可生成的最大转矩值，进一步修改Van derJagt静态轮胎模型的等式。在Van der Jagt静态轮胎模型中，假定地表面是干燥路面。也就是说，假设表面摩擦是常数。为了根据道路摩擦变化、非线性和其它未建模的动力学来估计转向齿条力，最大转矩调节器308缩小轮胎可生成的最大转矩Mzmax。
在一些实施例中，最大转矩调节器308基于方向盘速度生成缩放因子，并且通过将Mzmax乘以缩放因子来缩小Mzmax。具体地说，最大转矩调节器308使用由经验确定的阈值方向盘速度值。阈值方向盘速度用于确定方向盘速度是否指示车辆处于低摩擦表面。也就是说，在一些实施例中，如果方向盘速度大于阈值方向盘速度，则最大转矩调节器308确定车辆处于低摩擦表面上(例如，在结冰的道路上)，并将缩放因子设定为一个小的值(例如，1/20或0.05)。如果方向盘速度小于或等于阈值方向盘速度，则最大转矩调节器308确定车辆不在低摩擦表面上并将缩放因子设定为一个值(例如，1)，以便不缩小Mzmax。在一些实施例中，最大转矩调节器308限制缩放因子变化的速率以平滑地缩放Mzmax。例如，最大转矩调节器308将上升速率限制为0.05(即，缩放因子增加，使得Mzmax每单位时间上升0.05倍)，并将下降速率限制为-50(即缩放因子单位时间下降不超过50倍)。最大转矩调节器308将Mzmax乘以缩放因子以缩放Mzmax。最大转矩调节器308将缩放后的Mzmax310发送到估计模块302，估计模块302生成估计的转向齿条力信号212。
图4描绘了图2的辅助转矩指令生成器204的数据流程图。在一些实施例中，辅助转矩指令生成器204包括一个或多个子模块和数据存储，例如基于方向盘速度的缩放模块402、基于方向盘角度的缩放模块404、基于方向盘速度和角度的限制器406、基于车辆速度的缩放模块408、限制器410、延迟模块412和乘法器414和416。
基于方向盘速度的缩放模块402将由辅助转矩指令生成器204预先生成的辅助转矩指令214和方向盘速度信号208作为输入。基于方向盘速度的缩放模块402生成用于缩小估计的转向齿条力信号212的缩放因子420。用缩放因子420来缩放估计的转向齿条力信号212，使得从估计的转向齿条力信号212生成的输出辅助转矩指令214在没有驾驶员向方向盘提供转矩的情况下实现方向盘自然返回中心位置。
在一些实施例中，当方向盘速度小于阈值速度时，基于方向盘速度的缩放模块402将缩放因子420设定为一个值(例如，0.3)，以便将估计的转向齿条力信号212斜降到30％。当方向盘速度大于阈值速度时，基于方向盘速度的缩放模块402设定缩放因子420，以将估计的转向齿条力信号212斜升到全值(例如，大约100％)。当辅助转矩指令214指示与方向盘速度信号208相同方向的辅助转矩时，缩放因子420用于使估计的转向齿条力信号212斜升。当辅助转矩指令与方向盘速度方向相反(即，当辅助转矩指令214和方向盘速度具有不同的符号–象限II和IV)时，缩放因子420用于斜降辅助转矩指令。在上述并入的序列号为14/263,162的美国专利申请中描述了基于方向盘速度的缩放模块402的示例。
基于方向盘角度的缩放模块404将由辅助转矩指令生成器204预先生成的辅助转矩指令214、车辆速度信号210和方向盘角度信号206作为输入。基于方向盘角度的缩放模块404生成用于缩小估计的转向齿条力信号212的缩放因子422。用缩放因子422来缩放估计的转向齿条力信号212，使得从估计的转向齿条力信号212生成的输出辅助转矩指令214在没有驾驶员向方向盘提供的转矩的情况下实现方向盘自然返回到中心。以下参考图5进一步描述基于方向盘角度的缩放模块404的更多细节。
基于方向盘速度和角度的限制器406将方向盘速度信号208和方向盘角度信号206作为输入。基于方向盘速度和角度的限制器406生成缩放因子424以用于缩小估计的转向齿条力信号212。用缩放因子424来缩放估计的转向齿条力信号212，使得从估计的转向齿条力信号212生成的输出辅助转矩指令214不会过度辅助驾驶员(即，不提供多于所需的辅助转矩)。
在一些实施例中，基于方向盘速度和角度的限制器406使用由方向盘角度信号206指示的方向盘角度值索引的第一增益表来确定第一增益值。第一增益表为低于阈值方向盘角度的方向盘角度值返回恒定增益(例如，1)。随着方向盘角度值增加，对于高于阈值方向盘角度的方向盘角度值，第一增益表返回的增益值变小。类似地，基于方向盘速度和角度的限制器406使用由方向盘速度信号208指示的方向盘速度值索引的第二增益表来确定第二增益值。第二增益表为低于阈值方向盘速度的方向盘速度值返回恒定增益(例如，1)。随着方向盘速度值增加，对于高于阈值方向盘速度的方向盘速度值，第二增益表返回的增益值变小。基于方向盘速度和角度的限制器406将第一增益值乘以第二增益值。然后，基于方向盘速度和角度的限制器406将第一增益值和第二增益值的乘积的变化率限制在一定范围内，使得乘积的值平滑地变化。所得到的乘积是缩放因子424。
基于车辆速度的缩放模块408将车辆速度信号210作为输入。基于车辆速度的缩放模块408生成用于缩小估计的转向齿条力信号212的缩放因子426。利用缩放因子426缩放估计的转向齿条力信号212，使得从估计的转向齿条力信号212生成的输出辅助转矩指令214随着车辆速度的增加而逐渐缩小到零。具体地说，在一些实施例中，基于车辆速度的缩放模块408使用由车辆速度信号210指示的车辆速度值进行索引的速度相关增益表来确定速度相关增益。该速度相关增益表返回的增益值随着车辆速度的增加而变大。一旦车辆速度达到阈值车辆速度以上，增益值就会饱和。该基于车辆速度的缩放模块408则将该增益值限制到一个范围(例如，从0到1的范围)。得到的增益值是缩放因子426。
在一些实施例中，乘法器414将四个缩放因子420、422、424和426相乘在一起，并将四个缩放因子的乘积发送到限制器410，限制器410将该乘积限制到一个范围(例如，0到1)。然后，乘法器416通过将估计的转向齿条力乘以四个缩放因子的乘积来生成输出辅助转矩指令214。输出辅助转矩指令214被延迟模块412延迟例如单位时间，然后被提供给基于方向盘速度的缩放模块402和基于方向盘角度的缩放模块404。另外，如上参考图2所示，在一些实施例中，辅助转矩指令214与辅助转矩指令216混合。
图5描绘了图4的基于方向盘角度的缩放模块404的数据流程图。在一些实施例中，基于方向盘角度的缩放模块404包括一个或多个子模块和数据存储，例如增益确定器502、车辆速度相关增益表504、限制器506、减法器508、符号确定器510和512、乘法器514、选择器516、乘法器518、混合器520、限制器522和速率限制器524。如上所述，基于方向盘角度的缩放模块404将由辅助转矩指令生成器204先前生成的辅助转矩指令214、车辆速度信号210和方向盘角度信号206作为输入。
增益确定器502基于车辆速度210确定速度相关增益信号526。具体地，在一些实施例中，增益确定器502使用车辆速度相关增益表504，其由车辆速度信号210指示的车辆速度值索引。速度相关增益表504为低于阈值车辆速度的车辆速度返回常数(例如，1)。随着车辆速度值增加，速度相关增益表504为高于阈值车辆速度的车辆速度值返回的增益值变小。
限制器506将速度相关增益信号526限制到增益值的范围(例如，从0到1的范围)，以生成限制后的速度相关增益信号528。然后，减法器508从常数530(例如，1)中减去限制后的速度相关增益信号528，以生成增益信号532。
符号确定器510和512各自接收输入信号并且基于输入信号值的符号生成符号信号。例如，当输入信号指示负值时，符号确定器生成-1。当输入信号指示正值时，符号确定器生成+1。当输入信号指示为零时，符号确定器生成零。符号确定器510将辅助转矩指令214作为输入信号，并生成符号信号534。符号确定器512将方向盘角度信号206作为输入信号，并生成符号信号536。
乘法器514通过将两个符号信号534和536相乘来生成象限信号538。当象限信号538指示负值时，这意味着辅助转矩指令214的符号不同于方向盘角度215的符号(即，方向盘角度值和辅助转矩值构成两个轴的二维坐标系中的第二象限或第四象限)。也就是说，方向盘被转向至中心位置的左侧，并且由辅助转矩指令214指示的辅助转矩指向右侧，或者方向盘转向中心位置右侧并且辅助转矩指向左侧。当象限信号538指示正值时，意味着辅助转矩指令214的符号与方向盘角度215的符号相同(即，第一象限或第三象限)。也就是说，方向盘被转向至中心位置的左侧，并且由辅助转矩指令214指示的辅助转矩指向左侧，或者方向盘被转向至中心位置的右侧并且辅助转矩指向右侧。当象限信号538为零时，意味着方向盘处于中心位置，或者辅助转矩指令214指示的辅助转矩为零(即，方向盘静止)。
基于象限信号538，选择器516生成增益信号540。具体地，如果象限信号538指示负值，则选择器516选择基于象限的增益值544作为增益信号540。在一些实施例中，基于象限的增益值544是基于不同的可能象限信号值预先确定的。如果象限信号538不指示负值(即，象限信号538指示正值或零)，则选择器516选择常数542(例如，1)作为增益信号540。
乘法器518将来自减法器508的增益信号532与来自选择器516的增益信号540相乘，以生成缩放因子546。混合器520将缩放因子546与来自限制器506的限制后的基于速度的增益信号528相混合(例如，相加)，以生成缩放因子548。限制器522将缩放因子548限制在增益值的范围(例如，从0到1的范围)，以生成限制后的速度因子550。然后，速率限制器524将限制后的缩放因子550的变化率限制在一定范围内，使得限制后的缩放因子550的值随时间平滑地变化。速率限制器524的输出信号是缩放因子422。
现在参考图6，流程图示出了可以由图1的控制模块40执行的辅助转矩指令生成方法。根据本公开可以理解，该方法中的操作顺序不限于如图6所示的顺序执行，而是可以按照适用的方式并且根据本公开以一个或多个变化的顺序执行。在各种实施例中，该方法可以被调度为基于预定事件运行、和/或在车辆10的操作期间连续运行。
在框610处，控制模块40从图1的传感器31-33接收传感器信号。然后，控制模块40在框620确定车辆10的一个或多个方向盘转矩传感器是否被启用或正常运行。控制模块40可以通过例如分析来自传感器的方向盘转矩信号来确定方向盘转矩传感器是否被启用。当控制模块40确定一个或多个方向盘转矩传感器未被启用时，控制模块40进行到框640，这将在下面进一步描述。当控制模块40确定一个或多个方向盘转矩传感器已启用并且至少有一个方向盘转矩传感器信号可用时，控制模块40在框630处使用转矩传感器信号生成辅助转矩指令。
在框640处，控制模块40估计或预测当车辆静止或以低于阈值速度的相对较低的速度移动时，由车辆的轮胎和轮胎所接触的地表面引起的转向齿条力。在一些实施例中，控制模块40使用修改的静态轮胎模型来估计转向齿条力。控制模块40可以分别使用低通滤波器304和306对方向盘角度信号206和方向盘速度信号208进行滤波，以便从这些信号中去除噪声并对信号施加延迟。控制模块40还可以基于车辆速度信号210来缩小轮胎能够生成的转矩的最大值。
在框650处，控制模块40基于在框640处估计的转向齿条力生成辅助转矩指令214。具体地，在一些实施例中，控制模块40使用多个缩放因子的乘积来缩小估计的转向齿条力，以便根据估计的转向齿条力生成辅助转矩指令214。控制模块40基于先前生成的辅助转矩指令214、车辆速度信号210和方向盘角度信号206生成一个缩放因子。控制模块40基于方向盘角度信号206和方向盘速度信号208生成另一个缩放因子。控制模块40基于辅助转矩指令214、车辆速度信号210和方向盘角度信号206生成另一缩放因子。控制模块40基于车辆速度信号210生成另一缩放因子。
在框660处，可选地，控制模块40将在框640处生成的辅助转矩指令与控制模块40可生成的辅助转矩指令相混合。在一些实施例中，控制模块40基于根据方向盘角度信号估计的车辆的横向加速度生成另一个辅助转矩指令216。
在框670处，控制模块40通过将在框630或650处生成的辅助转矩指令或在框660处生成的混合值发送到EPS系统的马达来控制EPS系统。
图7描绘了图2的齿条负载估计器202的数据流程图，其利用修改的静态轮胎模型和示例线性弹簧模型的另一示例来估计转向齿条力。在图示的示例中，估计模块302使用车辆速度210、马达角度704、马达速度706和摩擦系数710来生成估计的转向齿条力212。从转向辅助模块18中的致动器马达获得马达角度704和马达速度706。可替代地或附加地，估计模块302使用方向盘角度206和方向盘速度208作为输入。马达角度704可以通过低通滤波器306，并且马达速度706可以在估计之前通过低通滤波器304。摩擦估计器模块708计算摩擦系数710。
由图7的估计模块202输出的估计转向齿条力212Mz可以指定为
Mz＝Mz1+Mz2，其中(等式10)
Mz1＝μ·KΨ·Ψdef，并且(等式11)
Mz2＝KΨ2·Ψ(等式12)
在上述等式中，Mz表示由Mz1和Mz2组成的估计对准转矩，其中Mz1表示由轮胎刚度引起的转矩分量(参见上述等式6)，Mz2表示由线性弹簧引起的转矩分量。如上所述，Ψ表示轮胎角度，并且KΨ表示角度Ψ处的扭转轮胎刚度。此外，KΨ2表示角度Ψ处的线性弹簧刚度，并且μ表示由摩擦估计器708估计的摩擦系数710。线性弹簧刚度或扭转轮胎刚度表示特别是在低车辆速度时由车辆轮胎经历的滑动引起的转矩。附加地或可替代地，线性弹簧刚度表示由车辆的悬架的特定几何形状引起的转矩。
此外，与等式2和等式3相比，图7的估计模块202可以计算随着马达旋转(Ψdef)，轮胎的扭转挠度的时间导数为
如果
(等式13)以及
如果
此外，与上述等式5相比，在图7的估计模块中，
其中(等式15)
Ψdef＝sign(Ψdef,0).min(Ψdef,max,|Ψdef,0|)，其中(等式16)
Ψdef,max＝μ.Mz1,max/KΨ，并且其中(等式17)
其中τ＝Xrel/(ω,r)(等式18)
因此，图7的示例估计模块202使用摩擦系数710(μ)来估计转向齿条力212(Mz)。在一个或多个示例中，摩擦估计器708以低车辆速度(例如0-20kph)计算摩擦系数710。
图8示出了摩擦估计器708的示例组件和示例数据流。摩擦估计器708包括诸如电子电路的硬件。另外，摩擦估计器708可以包括控制摩擦估计器708的操作的计算机可执行指令。另外，摩擦估计器708可以包括存储在摩擦估计器708的一个或多个组件操作期间生成和使用的预定数据和/或数据的存储器。例如，摩擦估计器708包括诸如速度-快速摩擦转换器810、摩擦学习模块820、速率限制器模块830和摩擦饱和模块840、以及其它组件的组件。
例如，摩擦估计器708接收马达速度(u)作为输入802。在一个或多个示例中，摩擦估计器708在进一步的操作中计算马达速度的绝对值，如框805所示。马达速度被转发到速度-快速摩擦转换器810。速度-快速摩擦转换器810将马达速度值转换为快速摩擦值μfast。在一个或多个示例中，速度-快速摩擦转换器810使用一维查找表来生成μfast值。例如，查找表包括已知静态马达速度值的μfast信号值。对应于当前马达速度的μfast值被转发到摩擦学习模块820和速率限制器830。在一个或多个示例中，确定并连续转发μfast值，因此μfast值可以被称为μfast信号。
速率限制器830限制μfast信号的变化率(或带宽)。例如，速率限制器830可以以与将马达速度输入到摩擦估计器708的频率相比较低的(即受限制的)变化率(或带宽)，将对应的μfast-limited信号输出到摩擦饱和模块840。因此，速率限制器830限制输出信号的变化率(导数)，即，如果速率限制器的输入在一秒内从0变为1，则输出可以在超过一秒钟中从0变为1。因此，使用速率限制器830限制输出的变化率(上升或下降)。通过以这种方式限制变化率(或带宽)，速率限制器830有助于在预定时间段之后改变摩擦系数710并避免摩擦估计的突然变化。摩擦估计的突然变化可能改变估计的转向齿条力212，这可能导致静态/低速辅助218的不期望的改变。
摩擦学习模块820分析μfast信号并将对应的μslow信号输出到摩擦饱和模块840。摩擦学习模块820以比输出μfast信号的频率慢的频率(或速率)计算μslow信号。此外，仅在某些条件下更新μslow信号，如稍后所述。摩擦饱和模块840接收由可变上限和预定下限限制的μfast-limited信号。μslow信号通过摩擦饱和模块840确定施加到μfast-limited信号的上限。摩擦饱和模块840还访问作为估计摩擦系数710的预定的较低阈值水平(极限)的常数(C)，如框835所示。常数C可以在不同示例中具有不同的值，例如0、0.01、0.5等等。摩擦饱和模块840基于来自摩擦学习模块820的μslow信号、由速率限制器830限制的μfast-limited信号和常数C来输出估计的摩擦系数710(μ)。因此，摩擦估计器708使用马达速度来预测摩擦系数710(μ)。
图9示出了摩擦学习模块820的示例性组件和示例数据流。在一个或多个示例中，摩擦学习模块820包括速率限制器910、转换器920和标志更新器930以及其它组件。如上所述，摩擦学习模块820接收μfast信号作为输入。速率限制器910以与输入的μfast信号不同的频率接收输入的μfast信号并输出第二μfast2信号。转换器920接收μfast2信号作为输入并生成对应的μslow信号。转换器920还从标志更新器930接收μupdate-flag作为输入。
标志更新器930根据μslow信号和μfast2信号的先前值，将μupdate-flag的值设定为TRUE(真，1)或FALSE(假，0)。图10描绘了标志更新器930的示例组件和示例数据流。应当理解，图9的标志更新器是示例，并且标志更新器930的其它实现方式是可能的。如果μfast2信号的值≤μslow信号的先前值(即1050的输出)并且如果μfast2信号在减少，则图10所示的标志更新器930将μupdate-flag的值设定为1。例如，如图所示，标志更新器930接收μfast2信号和μslow信号作为输入，并输出μupdate-flag的值，如框1010、1020和1030所示。
所接收的μfast2信号通过单位延迟以提供μfast2信号的先前值，如框1040所示。同时，接收到的μfast2信号通过减法器来确定μfast2信号是否正在减少，如框1060所示。通过从μfast2信号的先前值(延迟信号)中减去μfast2信号的当前值来确定μfast2信号是否正在减少。将减法器的结果与常数(0；零)进行比较，以确定结果的符号(正或负)，如框1070所示。如果符号比较的输出为正，则先前值大于当前值，μfast2信号正在减少(反之亦然)。因此，如果μfast2信号正在减少，则符号比较的输出为1，即为TRUE(真)，否则为0(FALSE，假)。符号比较的输出被提供给诸如AND(与)门的逻辑运算符，如框1080所示。另外，逻辑运算符接收来自关系运算符的输入，该输入将μfast2信号的值与μslow信号的先前值比较，如框1080所示。
例如，接收到的μslow信号通过单位延迟以提供μslow信号的先前值，如框1050所示。关系运算符接收μslow信号的先前值以及μfast2信号的当前值(即接收的μfast2信号)，如框1090所示。关系运算符比较两个输入值，并且如果μfast2信号≤μslow信号值，则输出1(TRUE，真)，否则为0(FALSE，假)(或反之亦然)。因此，逻辑运算符接收两个输入–μfast2信号是否≤μslow信号值的先前值的指示；以及μfast2信号是否正在减少的指示，如框1080所示。如果这两个条件都为真，则标志更新器930将μupdate-flag的值设定为1(TRUE，真)，否则设定为0(FALSE，假)(或反之亦然)。
返回参考图9，转换器920基于μupdate-flag将μfast2信号转换成μslow信号。例如，如果μupdate-flag的值为0(零；假)，则转换器920不执行转换并且保持当μupdate-flag的值为TRUE(真)时的最近输出，并且如果μupdate-flag的值为1(true，真)，则转换器920执行转换(或反之亦然)。图11示出了由转换器920将μfast2信号转换为μslow信号的示例组件和示例数据流。应当理解，图11描绘的转换器920是示例性的，并且其它实现方式可以包括其它转换器。
图11的示例转换器920使用滤波器和衰减将μfast2信号转换为μslow信号。转换器920在接收到μfast2信号后，从常数C1中减去μfast2信号，如框1102所示。常数值可以是例如μfast2信号的最大阈值，例如1，或任何其它预定常数值。如框1110所示，转换器920的饱和块接收减法的输出。饱和块基于预定的上限和预定的下限来限制减法输出的幅度。例如，饱和块将减法输出与上限和下限进行比较。如果减法输出小于下限，则饱和块输出下限。类似地，如果减法输出大于上限，则饱和块输出上限。在其它情况下，饱和块输出减法输出。
来自饱和块的输出传递给选择器，如框1120所示。选择器在饱和块的输出与基于μupdate-flag的延迟输出之间切换。如框1120所示，选择器接收μupdate-flag和延迟输出作为其它输入。如框1130和1140所示，通过将转换器920的滤波器模块的输出通过单位延迟来接收延迟输出。滤波器模块可以是低通滤波器，其接收选择器的输出作为一个输入并且预定的低通频率作为第二输入，如框1140所示。可替代地或附加地，低通滤波器模块根据下式生成输出：
y[n]＝b1.u[n]+b2.u[n-1]–K.a2.y[n–1](等式19)
其中y是滤波器的输出，u是滤波器的输入，在一些实施例中，使用预定的低通频率值来为简单的一阶低通滤波器确定系数(b1、b2和a2)，K可以是0.99与1.0之间的值。当K小于1时，这些参数便于滤波器模块输出y，以相对于时间缓慢衰减为零。当K＝1时，假定输入为常数，则y(输出)保持不变。
如所描述的，转换器模块920接收μupdate-flag作为输入，基于该输入，模块输出被更新为新的μslow值，或者维持为先前值本身(即，输出未被更新)。因此，如果μupdate-flag为真，则转换器920通过数字滤波器来处理μfast2信号以生成新的μslow输出值，并且如果μupdate-flag为假，则转换器920保持输出。可以通过下面的示例数字滤波器等式来描述转换器920的功能。在这些等式中，通过从1减去μfast2信号获得数字滤波器u的输入。另外，从1中减去滤波器的输出y，得到输出μslow。
y[n]＝b1.u[n]+b2.u[n-1]–K.a2.y[n–1]，如果μupdate-flag＝true(真)；和(等式20)
y[n]＝y[n–1]，如果μupdate-flag＝false(假)(等式21)
其中y是滤波器的输出，u是滤波器的输入，n指示当前计算步骤，系数(b1、b2和a2)是基于预定的低通频率值用于简单的一阶低通滤波器的预定参数值，并且K为小于或等于1的值。
因此，图7的估计模块302通过使用弹簧刚度模型修改Van der Jagt静态模型来预测轮胎生成的静态转矩，以提供额外的转矩。另外，图7的估计模块302估计摩擦系数710以计算估计的转向齿条力212。由等式10-18表示修改的Van der Jagt模型。
图12示出了混合两个或更多个辅助转矩指令的混合器220的替代示例。辅助转矩指令生成器204基于估计模块302生成用于静态或低车辆速度(0-20kph)的辅助转矩指令214，估计模块302根据如本文所述的修改的Van der Jagt模型进行操作。辅助转矩指令生成器204还可以生成辅助转矩指令216，辅助转矩指令216可以是用于较高速度(例如>20kph)的车辆的辅助转矩指令。在2014年4月28日提交的序列号为14/263,162的美国专利申请中描述了生成更高速度下的这种辅助转矩指令的示例，其全部内容通过引用并入本文。混合器220混合辅助转矩指令214和216，并将混合指令218发送到马达。
在图12的示例性混合器220中，混合是基于车辆速度进行的。例如，混合器220接收当前车辆速度作为输入，并且基于车辆速度确定缩放因子Sx，如框1210所示。例如，混合器220包括一维查找表，其包括多个车辆速度与缩放因子之间的映射。可替代地，或者附加地，缩放因子可以根据车辆速度的预定线性关系而增加。在一个或多个示例中，缩放因子可以增加，直到车辆速度达到预定阈值，之后，缩放因子可以是常数。在一个或多个示例中，混合器220可以包括将缩放因子限制在预定范围内的饱和块，如框1220所示。例如，预定范围可以是0到1。在这种情况下，缩放因子可以归一化为饱和块的预定范围。
混合器220使用缩放因子和滚动辅助216作为乘法器的输入，如框1230所示。乘法器输出缩放因子和滚动辅助218的乘积。混合器220将预定常数C0添加到缩放因子Sx的负值，并且使用结果(-Sx+C0)作为乘法器的第一输入，乘法器还接收静态/低速辅助214作为第二输入，如框1240和1250所示。混合器220进一步对来自滚动辅助216和静/低速辅助214的两个乘积的输出进行求和，以提供混合辅助指令218，如框1260所示。因此，实施本文描述的技术方案的EPS有助于以改进的方式混合可以根据速度在不同车辆速度下生成的两个或更多个转矩辅助指令。
当由EPS系统提供转矩辅助时，特别是当车辆处于静态或低车辆速度(0-20kph)时，本文所述的技术方案有助于习得应用于轮胎刚度模型的摩擦系数。基于摩擦系数，当检测到低摩擦系数时，本文所述的技术方案保持轮胎模型力的减少。此外，技术方案使用摩擦系数来限制计算出的轮胎卷取(windup)的值(例如，低摩擦减少最大可能的卷取)。通过利用上述确定和使用摩擦系数，EPS辅助系统避免了由于速度反馈引起的低频振荡，并且还避免了高摩擦与低摩擦辅助值之间的不期望的转变。
另外，在确定估计的转向齿条力时，本文描述的技术方案除了轮胎模型之外还包括线性弹簧贡献。线性弹簧贡献有助于EPS系统考虑由于车辆的悬架几何形状而影响方向盘的附加力。通过考虑线性弹簧贡献，EPS系统可以提供额外的辅助，以支持由悬架几何形状引起的附加力，特别是当车辆静止或以低速(0-20kph)行驶时更是如此。
此外，本文描述的技术方案有助于EPS系统根据车辆速度来混合提供给方向盘的多个辅助。例如，技术解决方案有助于EPS系统将来自车辆低速(0-20kph)下使用的轮胎模型的第一辅助指令与来自在较高速度(>20kph)下使用的滚动自行车模型的第二辅助指令进行混合。
此外，本文所述的技术方案有助于EPS系统在具有低摩擦的表面(例如冰)上提供转矩辅助，低摩擦的表面可以导致即使当车辆可能正在滚动(诸如以2-4kph)时，车辆也将车辆速度指示为静态，即0kph。例如，技术解决方案有助于EPS系统根据车辆传感器性能在更低的速度(例如<4kph)下排除辅助。
尽管已经结合仅仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改为包括迄今为止未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些实施例。因此，本发明不被视为受前述描述的限制。

Claims (16)

1.一种控制电动助力转向系统的方法，所述方法包括：
确定转向齿条力以向所述电动助力转向系统施加转矩，其中确定所述转向齿条力包括：基于所述电动助力转向系统的马达的马达速度生成摩擦系数，所述摩擦系数指示轮胎与所述轮胎所接触的地表面之间的摩擦；
基于所述转向齿条力生成转向辅助转矩指令；以及
使用所述转向辅助转矩指令控制所述电动助力转向系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其中响应于确定所述电动助力转向系统的一个或多个方向盘转矩传感器未被启用而生成所述转向齿条力。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述转向齿条力还包括：基于所述马达速度来确定由所述轮胎和所述轮胎所接触的地表面引起的所述转向齿条力的分量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定所述转向齿条力的分量还包括：
使用低通滤波器对马达角度进行滤波，所述马达角度是所述电动助力转向系统的所述马达所经受的力的角度；
使用低通滤波器对所述马达速度进行滤波；以及
使用经滤波的马达角度和经滤波的马达速度来估计所述转向齿条力。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述分量是第一分量，并且确定所述转向齿条力还包括：确定由线性弹簧刚度引起的所述转向齿条力的第二分量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述摩擦系数包括：
将所述马达速度转换成第一摩擦系数值；
基于所述第一摩擦系数值确定所述摩擦系数的上限；以及
缩放第一摩擦值以确定摩擦系数值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述摩擦系数的所述上限是响应于所述第一摩擦系数的值小于所述马达速度的直接先前值而确定的。
8.根据权利要求6所述的方法，其中响应于所述第一摩擦值小于或等于所述摩擦系数的所述上限的延迟值来确定所述摩擦系数的所述上限。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述摩擦系数的所述上限是响应于以下而确定的：
所述第一摩擦系数的值小于所述第一摩擦系数的直接先前值；以及
所述第一摩擦值小于或等于所述摩擦系数的所述上限。
10.一种系统，包括：
动力转向系统，包括一个或多个方向盘转矩传感器；以及
控制模块，被配置为：
确定转向齿条力以向方向盘施加转矩，其中确定所述转向齿条力包括：基于所述动力转向系统的马达的马达速度生成摩擦系数，所述摩擦系数指示轮胎与所述轮胎所接触的地表面之间的摩擦；
基于所述转向齿条力生成转向辅助转矩指令；以及
使用所述转向辅助转矩指令控制所述动力转向系统。
11.一种动力转向系统，包括：
转向辅助单元；以及
控制模块，与所述转向辅助单元耦接，所述控制模块被配置为：
确定转向齿条力以向方向盘施加转矩，其中确定所述转向齿条力包括：基于所述转向辅助单元的马达的马达速度生成摩擦系数，所述摩擦系数指示轮胎与所述轮胎所接触的地表面之间的摩擦；
基于所述转向齿条力生成转向辅助转矩指令；以及
使用所述转向辅助转矩指令控制所述动力转向系统。
12.根据权利要求11所述的动力转向系统，其中响应于确定一个或多个方向盘转矩传感器未被启用而生成所述转向齿条力。
13.根据权利要求11所述的动力转向系统，其中确定所述转向齿条力还包括：基于所述马达速度来确定由所述轮胎与所述轮胎所接触的地表面引起的所述转向齿条力的分量。
14.根据权利要求13所述的动力转向系统，其中所述分量是第一分量，并且确定所述转向齿条力还包括：确定由线性弹簧刚度引起的所述转向齿条力的第二分量。
15.根据权利要求13所述的动力转向系统，其中生成所述摩擦系数包括：响应于所述马达速度的值小于所述马达速度的直接先前值，基于第一摩擦系数值来确定所述摩擦系数的上限。
16.根据权利要求11所述的动力转向系统，其中所述转向辅助转矩指令是第一转向辅助转矩指令，并且所述控制模块还被配置为：
生成第二转向辅助转矩指令；
通过组合所述第一转向辅助转矩指令和所述第二转向辅助转矩指令来生成第三转向辅助转矩指令；以及
使用所述第三转向辅助转矩指令控制所述动力转向系统。
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