CN107592845A - 机电动力转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于机动车辆的机电动力转向系统，其包括电动机(5)，电动机(5)具有定子(9)，其安装有至少两个电绕组集，并且电动机具有转子(8)，其安装有永磁体，电动机(5)辅助转向运动，转向运动由汽车驾驶员引入，其中，主控单元(701、703)基于转向运动确定电动机(5)预定电流，电动机(5)预定电流旨在输出到电绕组集，并且该系统包括至少一个动力控制单元(750)，其提供在主控单元(701、703)中确定的电动机(5)预定电流并且将所述电动机(5)预定电流馈送给电绕组集，其中，根据本发明，对于绕组集中的每一者，提供至少一个驱动器控制系统(702)，其中，所有驱动器控制系统(702)和主控单元(701、703)各自均具有微控制器并且相结合以形成一个组件，并且提供与驱动器控制系统(702)中的一者相连接的至少一个动力驱动器(750)，其中，至少两个动力驱动器(750)布置在动力控制单元(751)中，并且每个动力驱动器(750)被设计为具有功率半导体开关的半桥。

Description

机电动力转向系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的机电动力转向系统。本发明还涉及根据权利要求16的前序部分所述的机电动力转向系统的操作方法。
背景技术
机电动力转向系统的不断发展使得对这些动力转向系统的稳定性和可靠性的要求稳步提高。在这种情况下，特别需要即使在控制系统的传感器和/或零部件或者电动机的零部件发生失效的情况下也可以维持转向辅助功能。
DE10053818A1公开了一种使用冗余伺服电动机的方案，使得在故障的情况下确保冗余，所述伺服电动机具有彼此独立并由两个反相器(inverter)驱动的两个绕组，两个反相器彼此独立并且由冗余控制布置驱动。然而，由于需要彼此分离的两个独立的控制装置，因此所提出的解决方案是非常复杂的。
JP20147784A同样公开了一种提供伺服电动机的方案，使得在故障的情况下确保冗余，所述伺服电动机具有两个绕组，两个绕组彼此独立并由彼此独立的两个反相器驱动。该解决方案也比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机电动力转向系统，其具有改进的冗余性能并且在设计上尽可能简单且节约成本。
该目的通过根据权利要求1所述的机电动力转向系统以及根据权利要求16所述的机电动力转向系统的操作方法来实现。本发明的有利发展在从属权利要求中得以描述。
根据本发明的用于机动车辆的机电动力转向系统包括：
电动机，其具有定子，定子安装有至少两个电绕组集，并且电动机具有转子，转子安装有永磁体，电动机辅助转向运动，转向运动由汽车驾驶员引入至输入装置，以支持机动车上的转向运动，
主控单元，其根据至少一个转向值确定电动机预定电流，电动机预定电流旨在输出到电绕组集，至少一个转向值表征由车辆驾驶员引入的转向运动，主控单元包括基本控制器，
至少一个动力控制单元，其提供在主控单元中确定的电动机预定电流并且将所述电动机预定电流馈送给电绕组集，其中，根据本发明，对于绕组集中的每一者，
提供至少一个驱动器控制系统，其中，所有驱动器控制系统和作为主控单元的一部分的基本控制器各自均具有微控制器并且相结合以形成一个组件，
并且提供与驱动器控制系统中的一者相连接的至少一个动力驱动器，其中，至少两个动力驱动器布置在动力控制单元中，并且每个动力驱动器被设计为具有功率半导体开关的半桥。
结果，整个控制装置可以以更简单且更节约成本的方式来设计。
电动机是无刷DC电动机的形式，也被称为BLDC电动机。这种类型的电动机提供电子换向的选择，其中，各个绕组可以根据转子位置、电动机转速和/或转矩被驱动和被供给电流。结果，电动机特性可以以优化的方式与例如关于启动行为、施加的转矩、转速等的相应操作要求相匹配。
在根据本发明的机电动力转向系统中，基于测量或预定操作参数(例如，与转向轴的角位置相对应的电动机的转子位置以及施加到转向轴的转矩)和/或其他可能的参数，来确定针对由汽车驾驶员输入到转向系统的转向命令的相应操作要求。提供的传感器可以是转矩传感器(转矩传感器单元：TSU)和转子位置传感器(RPS)，转矩传感器和转子位置传感器将其测量值作为预定转向值发送给主控单元，特别是发送给基本控制器。主控单元包括根据预定算法计算电动机预定电流的微控制器，该电动机预定电流指示馈送到各个绕组的电流。根据本发明，包含关于电动机预定电流的所有信息的控制信号(例如，电动机的需求转矩)由主控单元的基本控制器分别发送给驱动器控制系统，该驱动器控制系统分别与电动机的电绕组集相关联。因此，具有两个绕组集的电动机包含两个驱动器控制系统，两个驱动器控制系统接收来自主控系统的基本控制器的控制信号。
驱动器控制系统(也被称为GDU的门驱动器单元)接管对控制信号的处理和转换并且驱动动力驱动器，动力驱动器将由驱动器控制系统发送的弱电流控制信号转换成电动机电流，即，必要时馈送到各个绕组的相对较大的电流。动力控制借助于半桥连接的功率半导体开关(例如，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管))来执行。
根据本发明，驱动器控制系统同样为智能控制系统的形式。这意味着不仅产生由主控单元的基本控制器发射的控制信号，而且每个驱动器控制系统都可以根据预定算法独立地执行控制任务。为此，驱动器控制系统不仅可以经由控制或通信线路与主控单元的基本控制器进行通信，还可以经由直接控制或通信线路彼此直接交换数据。结果，例如可以立即通知第一驱动器控制系统第二驱动器控制系统失效，并且可以根据安装在第一驱动器控制系统中的算法来激活备用或应急控制系统。以这种方式，可以实现可靠的冗余控制。
为了在实践中实现，每个驱动器控制系统可以包括安装有程序的微控制器，该程序控制与基本控制器的数据通信和交换并且还控制驱动器控制系统之间的数据通信和交换。在微控制器相应进行有力设计的情况下，驱动器控制系统可以弥补主控单元或驱动器控制系统的失效，也就是说，所述驱动器控制系统可以接管基本控制器或不活动的驱动器控制系统的控制功能。根据本发明，这可以通过基本控制器和驱动器控制系统两者各自接收来自传感器的所有测量信号(也就是说，通过所述主控单元和驱动器控制系统经由线路与传感器相连接)并且通过所有驱动器控制系统分别连接到主控单元的基本控制器且分别彼此连接(也就是说，通信和控制线路布置在基本控制器和所有驱动器控制系统中的所有微控制器之间)来实现。结果，形成了冗余控制系统。
机电动力转向系统的操作方法可以提供机电动力转向系统的非常鲁棒性的操作，该操作不易受到故障的影响，其中，将至少一个传感器连接到冗余系统，该冗余系统包括基本控制器的至少一个微控制器和驱动器控制系统的一个微控制器，测量信号可以通过所述传感器发射到所有微控制器，其中，在微控制器中的一者发生失效的情况下，其余一个或多个微控制器接管对动力驱动器中的至少一者的驱动。
用于实现该方法的系统有利地包括作为传感器的电动机的旋转位置传感器和/或转矩传感器和/或旋转角传感器。转向轴的角位置和/或借助于方向盘由汽车驾驶员引入到转向轴的转向转矩可以借助于转矩传感器和/或旋转角传感器来检测并且可以输出为电测量值，该电测量值传递到主控单元和所有驱动器控制系统。
为了简化设计，将电气控制系统的尽可能多的元件相结合以形成一个物理单元，并且优选均匀地布置在一个印刷电路板(PCB)上。在这种情况下，设计用于处理和传递信号电流的控制系统的部件，(主控单元或基本控制器和/或驱动器控制系统)优选地与被设计为实现使电动机运动的动力电流的部件(动力驱动器)分开布置。结果，包括基本控制器的主控单元和驱动器控制系统可以具有紧凑的结构，同时可以为动力驱动器提供最佳的冷却效果。
该系统优选地具有一个单一基本控制器。更优选地，该系统具有一个单一主控单元。
动力驱动器中的至少两者有利地布置在共用印刷电路板上。结果，首先可以实现紧凑的结构，其次可以通过热耦合来防止或补偿所使用的半导体部件(例如，功率半导体开关)的不同的热漂移。
然而，在这种情况下，特别优选地将所有动力驱动器布置在单一共用印刷电路板上。除了所述优点之外，该设计对生产也是有利的。
驱动器控制系统中的至少两者布置在共用印刷电路板上同样是有利的。这对于允许有效生产和安装的紧凑设计是有利的。
然而，在这种情况下，优选地是所有驱动器控制系统均布置在单个共用印刷电路板上。
当驱动器控制系统和构成主控单元的基本控制器尽可能地全部布置在单个共用印刷电路板上时，可以实现特别紧凑的结构。
用于输入预定转向值的输入装置优选为控制轮，该控制轮由汽车驾驶员通过旋转来驱动，如已知为现有技术中的方向盘。然而，使用操纵杆或其他输入装置也是可行和可能的。本发明的使用也适用于机电动力转向系统被设计为线控转向系统的情况，其中，该线控转向系统在汽车驾驶员操作的输入装置(例如，控制轮)与转向车轮之间没有机械连接。
优选地预定转向值是被引入到输入装置、优选为控制轮的转矩。
具体而言，在线控转向布置的情况下，不仅如此，还优选将引入到输入装置、优选为控制轮的旋转角定义为预定转向值。
主控单元、特别优选基本控制器有利地连接到CAN总线，适用于控制机电动力转向系统或者控制机电动力转向系统所需的其它信号变量借助于该CAN总线被传输到主控单元，和/或反馈信号从主控单元被传输到机动车辆中的其他控制单元。
借助于车辆中的CAN总线，根据车辆结构中常见的标准化串行双向数据传输协议在互连的控制装置之间交换数据。所述数据的示例特别包括车速、偏航力矩和测量的车辆转向角。以这种方式，大量的转向辅助功能可以引入到系统中。可能的示例包括用于转向控制的上游功能。
在此，以示例的方式提及以下功能：停车辅助功能，特别是自动停车；车道保持辅助功能；自动驾驶功能，其中，汽车驾驶员不执行任何转向动作；车速依赖性辅助；极限转向角(steering lock)的限制的实现；设定操作模式；拉动漂移补偿(相对于行进方向横向倾斜的横风或道路的补偿)；转向系统中的惯性力矩的补偿；汽车驾驶员是否控制控制轮还是放开控制轮的识别；转向系统中和/或行车道上的摩擦补偿；转向系统中机械端位止挡的软件控制保护；为汽车驾驶员带来感觉，以使其沿直线驾驶车辆(＝中心点感觉)；如果期望，车轮从转动位置主动返回到直线位置的主动返回；由底盘、道路或转向系统产生的振动和干扰脉冲的主动阻尼；转向运动的万向头传动装置的旋转不均匀的补偿；滚珠丝杠传动的过载防止；转向系统的转向行为的滞后的补偿等。
电动机优选精确地具有两个绕组集，每个绕组集由三个绕组相U、V、W形成，其也已知为相绕组。然而，提供由三个独立的绕组相U、V、W形成的多于两个绕组集也是可行和可能的。
绕组集优选地始终沿定子的圆周交替布置。
然而，绕组集的绕组相的每一者共同布置在定子上的相同圆周位置处也是可行和可能的。
此外，可以提供转子位置传感器，与电动机的转子或转向轴的角位置和/或电角度位置相对应的测量信号可以通过所述转子位置传感器发送到主控单元或基本控制器和/或驱动器控制系统。转子位置传感器可以优选例如通过相同地补偿传感器元件的失效的两个或多个传感器元件，或者通过可以根据不同的测量方法来操作的传感器元件，进行冗余设计，以便于能够在发生故障的情况下提供备份或应急功能。
有利地提供至少一个转矩传感器和/或旋转角传感器，与转矩位置和/或连接到控制轮的转向轴的角位置相对应的测量信号可以通过所述转矩传感器和/或旋转角传感器发送到主控单元或基本控制器和/或驱动器控制系统。转矩传感器和/或旋转角传感器可以优选例如通过相同地补偿传感器元件的失效的两个或多个传感器元件，或者通过可以根据不同测量方法操作的传感器元件，进行冗余设计，以便于能够在发生故障的情况下提供备份或应急功能。
为了增加冗余度，主控单元的基本控制器有利地经由通信线路连接到驱动器控制系统，并且驱动器控制系统有利地经由通信线路彼此连接。结果，在一个或多个单元发生失效的情况下，其余基本控制器单元和/或驱动器控制单元可以接管对绕组集中的一者的驱动，使得仍然确保机电动力转向系统的辅助功能。因此，基本控制器和驱动器控制系统的微控制器优选形成关于至少一个微控制器的失效的冗余系统。在微控制器上运行的程序特别允许识别系统状态，也就是说，指示基本控制器、驱动器控制系统和连接的传感器是否可用还是已经失效的连续系统诊断。根据诊断结果激活备份或应急模式。
附图说明
本发明的其他特征可以从附图中得到。在图中：
图1示出了机电动力转向系统；
图2示出了根据本发明的装置的一个实施例的示意性框图；
图3示出了图2的细节以用于说明绕组相的驱动；
图4示出了用于说明转向控制的框图；
图5示出了动力驱动器的半桥的示意图；
图6示出了电动机中的绕组相布置的一个实施例的示意图；
图7示出了根据本发明的布置的另一实施例的示意性框图；
图8示出了线控转向设计的机电动力转向系统。
相同的元件或相同作用的元件在附图的描述中由相同的附图标记来表示。
具体实施方式
图1示出了机电动力转向系统1。动力转向系统1包括作为输入装置的控制轮2，机动车辆的汽车驾驶员(未示出)将旋转D引入到该控制轮2，该旋转D将预定转向值定义为来自转矩传感器TS的转矩T。在这种情况下，该旋转被传递到上部转向轴3并被引入至伺服单元4。伺服单元4包括电动机5、减速机构6和控制系统7。由于转子8(参见图6)相对于定子9(参见图6)的旋转，辅助力被附加在由汽车驾驶员施加的转向运动上，因此辅助汽车驾驶员进行转向运动。上部转向轴3的旋转借助于减速机构以伺服单元4辅助的方式传递到输出轴10，并且借助于万向头11通过中间轴12a和12b的相互连接传递到转向机构13。在转向机构13中，旋转借助于转向小齿轮14转换成齿条15的位移，转向小齿轮14以抗旋转的方式连接到中间轴12b。齿条15中的位移导致横拉杆16移位，从而导致车轮17相对于道路18枢转。
该系统也可以被设计为线控转向系统，如图8所示。这里，电动机5例如直接布置在转向机构13中。反馈致动器19为汽车驾驶员提供真正在道路上驾驶车辆的感觉。为此，抵抗上部转向轴3的旋转的相应反作用转矩被施加到反馈致动器19。从上部转向轴3与转向机构之间的转向效果的意义上来说，没有机械连接或联接。操作方式类似于参照图1所述的操作方式，因此不再描述。
图2示意性地示出了控制系统7。图3示出了所述控制系统的细节，这些细节示出了绕组相U、V、W的驱动。在这种情况下，绕组相的名称U、V、W为第一绕组集的绕组相U1、V1、W1和第二绕组集的绕组相U2、V2、W2的总称。
图5示出了包括MOSFET开关751的半桥电路，该半桥电路包含在动力驱动器750中。控制系统7包括布置在共用印刷电路板703a上以构成主控单元703的基本控制器701和两个驱动器控制系统702。两个动力驱动器750布置在共用印刷电路板751a上，以构成动力控制单元751。来自转矩传感器TS和转子位置传感器RPS的测量信号直接提供给驱动器控制系统702，使得所述驱动器控制系统可以使用所述测量信号来确定用于驱动动力驱动器750的包括预定值713在内的驱动信号711、712。在这种情况下，通过在基本控制器701中基于引入的转矩T确定的目标转矩TD，来执行确定过程。目标转矩TD被提供给两个驱动器控制系统702。基于该目标转矩TD借助于电动机5的电角度R，在随电角度旋转的坐标系中确定预定电流id，d；iq，d。在进一步的坐标变换中，在相对于定子9固定的坐标系中计算电压Ua、Uβ的预定值。这些值然后由相应的驱动器控制系统702传递给各个动力驱动器750、反相器。在动力驱动器中，根据这些值确定提供给各个绕组相U1、V1、W1和U2、V2、W1、W2的电动机电流Iu、Iv、Iw。根据已知的脉冲宽度调制过程(＝PWM)来确定电动机电流。
还提供电源801、无线电干扰抑制滤波器802、点火开关控制装置803和系统基本芯片804以示出功能。
CAN总线806借助于接口模块807与主控单元701电连接，使得机动车辆与主控单元701之间可以交换信号。
在动力驱动器750有缺陷和/或驱动器控制系统702和/或绕组被中断的情况下，可以借助于其余单元来驱动电动机5。最终，全功率将不再可用。然而，只有在停车期间和在低速行驶时的操纵过程中才需要电动机5的全功率。在这些情况下，减小的转向辅助确实是不利的，但并不危险。通过这种安全架构，可以有效地防止在高速公路上行驶或在乡村道路上越野驾驶时的危险范围。在这种情况下，使用警告灯和/或警告声音来请求汽车驾驶员尽快停止车辆是可行且可能的。
图7示出了本发明的优选实施例，其中，除了已经在图2中描述的部件之外，还提供了复位控制器704，所述复位控制器704允许系统复位并且以这种方式使系统可以以简单的方式重新启动。此外，箭头示出双向信号连接，在其他单元发生故障的情况下，所述双向信号连接允许从基本控制器701和驱动器控制系统702中选择的仅一个单一控制单元被设计成接管对至少一个动力驱动器750的驱动。在优选实施例中，所述复位控制器704允许从主控单元701和驱动器控制系统702中选择的一个单一控制单元复位。如果这些控制单元中的两者支持其余控制单元复位，这是可以实现的。
图6示出了具有各个绕组相U1、V1、W1和U2、V2、W2的绕组相U、V、W的绕组图。绕组相的绕组集始终以沿定子9的圆周分布的方式交替布置。所述附图示出了用于将具有北极N和南极S的永磁体布置在转子8中的两个可能的变型。
图4使用框图示出了将控制系统7嵌入到用于控制整个机动车辆的系统中。
在框1000中示出了转向控制系统，该头部转向控制系统基于传感器信号、预定值等提供上述转向辅助功能中的一些或所有功能，并且借助于CAN总线706启动控制系统7中并且特别是基本控制器701中的所述转向辅助功能。根据应用专门设计的特定调整级1100布置在基本控制器701与驱动器控制系统702之间以及基本控制器701与传感器块1200之间。这里，信号值(例如，绕组相中的测量电流或测量转矩或测量电角度)与相应机动车辆的传感器特性相匹配。同时，预定值713的输出值与相应使用的电动机5相匹配。用于控制电动机功率的第一控制回路(所谓的电动机控制回路)形成有至驱动器控制系统702的第一信号反馈1201。用于转向控制的第二控制回路(所谓的转向控制回路)形成有至头部转向控制系统1000的第二信号反馈1202。用于转向控制的第三控制回路(所谓的低转向控制回路)形成有至基本控制器701的第三信号反馈1203。以这种方式，可以以与特定类型的车辆相匹配的方式来执行上述转向辅助功能。由于调整级1100，相同的基本控制器701和驱动器控制系统702通常可以用于不同类型的车辆。调整级可以以存储器模块的形式简单地插入到配备插入槽中，其中，存储器模块包含软件代码并且配备有至基本控制器701中的微控制器和驱动器控制系统中的微控制器的限定接口，配备插入槽位于主控单元703的布置有基本控制器701的印刷电路板703a中。结果，可以仅通过更换存储器模块来执行匹配。

Claims (17)

1.一种用于机动车辆的机电动力转向系统，所述机电动力转向系统包括：
电动机，其具有定子，所述定子安装有至少两个电绕组集，并且所述电动机具有转子，所述转子安装有永磁体，所述电动机辅助转向运动，所述转向运动由汽车驾驶员引入至输入装置，以对所述机动车辆施加所述转向运动，
主控单元，其根据至少一个预定转向值确定电动机预定电流，所述电动机预定电流旨在输出到所述电绕组集，所述至少一个预定转向值表征由所述汽车驾驶员引入的所述转向运动，其中所述主控单元包括基本控制器，
至少一个动力控制单元，其提供在所述主控单元中确定的所述电动机预定电流并且将所述电动机预定电流馈送给所述电绕组集，
其特征在于，
对于所述绕组集中的每一者，
提供至少一个驱动器控制系统，其中，所有驱动器控制系统和所述主控单元的所述基本控制器各个均具有微控制器并且相结合以形成一个组件，
提供与所述驱动器控制系统中的一者相连接的至少一个动力驱动器，其中，至少两个动力驱动器布置在所述动力控制单元中，并且每个动力驱动器被设计为具有功率半导体开关的半桥。
2.根据权利要求1所述的机电动力转向系统，其特征在于，所述动力驱动器中的至少两者布置在共用印刷电路板上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所有动力驱动器布置在共用印刷电路板上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所述驱动器控制系统中的至少两者布置在共用印刷电路板上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所有驱动器控制系统布置在共用印刷电路板上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所述驱动器控制系统和所述主控单元的所述基本控制器布置在共用印刷电路板上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所述预定转向值是被引入到所述输入装置的转矩。
8.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所述预定转向值是被引入到所述输入装置的旋转角。
9.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所述主控单元和/或所述基本控制器连接到CAN总线，适用于控制所述机电动力转向系统或者控制所述机电动力转向系统所需的其他信号变量借助于所述CAN总线被传输到所述主控单元，和/或反馈信号从所述主控单元和/或所述基本控制器被传输到所述机动车辆中的其他控制单元。
10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，两个或更多个所述绕组集的各个均由三个独立的绕组相U、V、W形成，其中，所述绕组集始终沿所述定子的圆周交替布置。
11.根据前述权利要求1至9中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，两个或更多个所述绕组集的各个均由三个独立的绕组相U、V、W形成，其中，所述绕组集的绕组相的各个均共同布置在所述定子上的相同圆周位置处。
12.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，提供转子位置传感器，与所述电动机的所述转子的角位置或转向轴的角位置相对应的测量信号能够通过所述转子位置传感器发送到所述主控单元和/或所述驱动器控制系统。
13.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，提供转矩传感器和/或旋转角传感器，与转向轴的转矩位置和/或角位置相对应的测量信号能够通过所述转矩传感器和/或所述旋转角传感器发送到所述主控单元和/或所述基本控制器和/或所述驱动器控制系统。
14.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所述主控单元的所述基本控制器经由通信线路连接到所述驱动器控制系统，并且所述驱动器控制系统经由通信线路彼此连接。
15.根据前述权利要求中任一项所述的机电动力转向系统，其特征在于，所述主控单元的所述基本控制器的微控制器和所述驱动器控制系统的微控制器形成关于所述微控制器中的至少一者的失效的冗余系统。
16.一种根据前述权利要求1至15中任一项所述的机电动力转向系统的操作方法，其特征在于，将至少一个传感器连接到冗余系统，所述冗余系统包括主控单元的基本控制器的至少一个微控制器和所述驱动器控制系统的一个微控制器，测量信号能够通过所述传感器发送到所有微控制器，其中，在所述微控制器中的一者失效的情况下，其余一个或多个微控制器接管对所述动力驱动器中的至少一者的驱动。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述传感器包括电动机或转向轴的旋转位置传感器和/或转矩传感器和/或旋转角传感器。
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