CN109204447A - 具有用于多种操作模式的统一架构的电动助力转向系统 - Google Patents

具有用于多种操作模式的统一架构的电动助力转向系统 Download PDF

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Abstract

描述了用于促进提供马达转矩辅助命令的电动助力转向(EPS)系统的技术方案。示例EPS系统包括第一模块，其被配置为基于EPS系统的操作模式而生成调节信号或调整信号。EPS系统还包括第二模块，其被配置为不考虑EPS系统的操作模式而生成稳定性信号。EPS系统还包括混合模块，其被配置为将稳定性信号与调节信号或调整信号组合，以生成用于EPS系统的辅助马达转矩信号。

Description

具有用于多种操作模式的统一架构的电动助力转向系统
技术领域
本申请总体上涉及电动助力转向(EPS)系统，并且具体涉及在诸如位置控制模式、转矩控制模式、速率控制模式等多种操作模式下运行的EPS系统。
背景技术
电动助力转向(EPS)系统可以以各种控制模式操作以用于各种转向功能和应用。例如，在车辆中的EPS的典型操作期间，EPS可以以转矩控制模式操作。另外，在自主驾驶或自动停车或任何其他这种自主操作期间，EPS可以在位置控制模式下操作。另外，在车辆的受控方向盘返回操作期间，EPS可以以速率控制模式操作。在一个或多个示例中，转矩控制模式被进一步分为两个子方法。首先，执行基于辅助的控制，其中基于驾驶员所施加的转矩量来提供马达转矩；其次，计算参考驾驶员转矩并调节导致EPS达到期望转矩的方向盘转矩。此外，线控转向EPS系统使用转矩控制模式和位置控制模式二者。
在驾驶车辆期间从一种操作模式转换到另一种操作模式因而导致EPS从一种操作模式转换到另一种操作模式。通常，EPS包括用于EPS的每个操作模式的单独模块。在马达惯性、方向盘惯性和系统刚度方面，EPS机械设计有相当大的变化。
因此，期望具有客观且统一的EPS控制架构，其操作与机械参数变化无关，并且给出一致的结果，而不管硬件变化如何。这样一个客观的架构可以导致EPS系统的改进，因为一旦识别出特定EPS系统的权衡值(trade-offs)，则这些权衡值可以直接应用到另一个EPS系统，从而减少系统相关的控制调整工作量。此外，因为客观架构适用于EPS的所有操作模式，所以可以简化EPS的控制和调整。
发明内容
根据一个或多个实施例，一种用于提供马达转矩辅助命令的电动助力转向(EPS)系统，所述助力转向系统包括第一模块，其被配置为基于EPS系统的操作模式而生成调节信号或调整信号。EPS系统还包括第二模块，其被配置为不考虑EPS系统的操作模式而生成稳定性信号。EPS系统还包括混合模块，其被配置为将稳定性信号与调节信号或调整信号组合，以生成用于EPS系统的辅助马达转矩信号。
根据一个或多个实施例，一种用于通过助力转向系统提供马达转矩辅助命令的系统包括调节-调整模块，该调节-调整模块被配置为生成分别对应于助力转向系统的多个操作模式的多个调节信号中的调节信号。该系统还包括稳定性模块，该稳定性模块被配置为不管助力转向系统的操作模式如何而生成稳定性信号。该系统进一步包括混合模块，该混合模块被配置为将稳定性信号与调节信号组合，以生成用于助力转向系统的辅助马达转矩信号。
根据一个或多个实施例，一种用于提供马达转矩辅助命令的电动助力转向(EPS)系统包括稳定性模块，该稳定性模块被配置为不考虑EPS系统的操作模式而生成稳定性信号。EPS系统还包括调节模块，其被配置为基于EPS系统的操作模式生成调节信号。调节模块包括转矩控制模式模块，其在转矩控制操作模式中基于方向盘转矩信号生成调节信号。调节模块还包括速率控制模式模块，其在速率控制操作模式中基于辅助马达速率生成调节信号。调节模块还包括位置控制模式模块，其在位置控制操作模式中基于辅助马达位置生成调节信号。转矩控制模式模块、速率控制模式模块和位置控制模式模块中的每一个具有统一架构，该统一架构包括积分器、控制增益组件和前馈增益组件。EPS系统还包括混合模块，其被配置为将稳定性信号与调节信号组合，以生成用于EPS系统的辅助马达转矩信号。
从以下结合附图的描述中，这些和其他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结尾处的权利要求中被特别指出并清楚地要求保护。根据以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点是显而易见的，其中：
图1描绘了根据示例性实施例的马达控制系统的示意图；
图2示出了示例EPS双质量(two-mass)线性模型；
图3示出了在EPS的多个操作模式中向EPS提供马达转矩的示例统一控制架构；
图4示出了位置控制模式模块的示例组件；
图5示出了速率控制模式模块的示例组件；
图6示出了转矩控制模式模块的示例组件；
图7示出了用于提供基于辅助的转矩控制的转矩模式模块的示例组件；
图8A示出了实现在此描述的统一控制架构的EPS的示例干扰抑制性能；
图8B示出了实现在此描述的统一控制架构的EPS的跟踪带宽性能的示例；
图9示出了实现在此描述的统一控制架构的EPS的示例阶跃响应。
具体实施方式
如本文所使用的，术语模块和子模块是指一个或多个处理电路，诸如专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适组件。可以理解，下面描述的子模块可以被组合和/或被进一步划分。
这里描述的技术方案提供了具有用于不同EPS控制模式的统一控制架构的电动助力转向(EPS)系统，其中所述不同EPS控制模式包括转矩控制模式、速率控制模式和位置控制模式等。该技术方案还利用没有观察者的EPS信号进一步提供位置、速率和转矩的全状态反馈控制。另外，该技术方案有助于将转向感觉的调整与用于基于辅助的转矩控制的稳定性控制相分离。统一架构有助于EPS系统为每种EPS操作模式都包含一个调节/感觉调整部分，以及一个不管EPS操作模式如何而保持不变的共用稳定性部分。EPS系统还可以包括状态处理器，其基于诸如驾驶员手在方向盘上检测(driver hands-on-wheel detection)之类的信号从一个EPS操作模式转换到另一个EPS操作模式。
现在参考附图，其中技术方案将参照具体实施例进行描述，但不限于此。图1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包括联接到转向轴系统16的方向盘14，转向轴系统16包括转向柱、中间轴和必要的接头。在一个示例性实施例中，转向系统12是EPS系统，其进一步包括联接到转向系统12的转向轴系统16以及联接到车辆10的连杆20、22的转向辅助单元18。可替代地，转向辅助单元18可以将转向轴系统16的上部与该系统的下部联接。转向辅助单元18包括例如齿条和小齿轮转向机构(未示出)，其可通过转向轴系统16联接到转向致动器马达19和传动装置。在操作期间，当车辆操作者转动方向盘14时，转向致动器马达19提供辅助来移动连杆20、22，所述连杆进而分别移动分别联接到车辆10的道路车轮28、30的转向节24、26。
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、32、33。传感器31、32、33基于可观察状况生成传感器信号。在一个示例中，传感器31是感测车辆10的操作者施加到方向盘14的输入驾驶员方向盘转矩(HWT)的转矩传感器。转矩传感器基于此生成驾驶员转矩信号。在另一个示例中，传感器32是感测转向致动器马达19的旋转角度和旋转速度的马达角度和速度传感器。在又一示例中，传感器33是方向盘位置传感器，其感测方向盘14的位置。传感器33基于此生成方向盘位置信号。
控制模块40接收从传感器31、32、33输入的一个或多个传感器信号，并且可以接收其他输入，例如车辆速度信号34。控制模块40生成命令信号，以基于一个或多个输入并且进一步基于本公开的转向控制系统和方法来控制转向系统12的转向致动器马达19。本公开的转向控制系统和方法应用信号调节，并且执行摩擦分类以将表面摩擦水平42确定为控制信号，该控制信号可以用于通过转向辅助单元18控制转向系统12的各个方面。表面摩擦水平42也可以作为警报发送给ABS 44和/或ESC系统46以指示表面摩擦的变化，其可以进一步分类为中心滑移(即，以较低的方向盘角度)或偏心滑移(即，以较高的方向盘角度)，如本文所进一步描述的。可以使用例如控制器局域网(CAN)总线或本领域已知的其他车辆网络来执行与ABS 44、ESC系统46和其他系统(未示出)的通信，以交换诸如车辆速度信号34之类的信号。
EPS 12可以表示为具有两个惯性方向盘(HW)和辅助机构(AM)的线性系统模型。通常，AM由组合的马达和齿条惯量组成。图2示出了示例EPS双质量线性模型。马达转矩和驾驶员转矩表示EPS系统12的两个输入，而T形杆转矩(HWT)、马达位置(θm)和马达速率(ωm)表示EPS系统12中的三个输出或测量值。HWT是扭簧k1上的转矩。在双质量机械系统中，系统中将有四个总状态，两个输入惯量各有两个。系统的四个状态即HW位置(θhw)、HW速率(ωhw)、AM位置(θam)和AM速率(ωam)。
双质量模型的物理参数(Jhw，Jam，k1，k3，c1，c3，ch和cm)可以通过使用基于频率响应的系统识别和从EPS传动装置收集数据来测量或估计。图2的双质量模型的线性方程式可以表示为
其中x表示模型的四种状态，y表示测量的输出，并且u表示模型的输入。
例如，x、y和u可以表示为以下向量。
x＝[θhw；ωhw；θam；ωam]
u＝[Td；Tm]；和
y＝[HWT；θm；ωm]
此外，对于双质量模型，方程式1的矩阵Ap、Bp、Cp和Dp表示如下。
在一个或多个示例中，将系统的四个状态从HW位置(θhw)、HW速率(ωhw)、AM位置(θam)和AM速率(ωam)转换为T形杆转矩(HWT)、T形杆转矩的导数(dHWT)、AM位置(θam)和AM速率(ωam)。用于将原始状态集合转换为新的状态集合的示例变换矩阵T如下所示。
因此，较早表达的矩阵被变换如下(使用变换矩阵T)。
Apt＝T*Ap*inverse(T)
Bpt＝T*Bp
Cpt＝Cp*inverse(T)
Dpt＝Dp
基于变换后的矩阵，方程式1可以被变换如下。
y＝Cptxt+Dptu
在新定义的状态xt中，HWT、θam和ωam的三个状态也是测量的输出y。即，状态dHWT(它是HWT的导数)作为在EPS系统12中唯一不是测量的状态。因此，状态dHWT是状态HWT的导数，其可以通过对状态HWT的测量值求导并对导数进行低通滤波来估计，以减小估计信号中的任何噪声。通过直接测量三个状态(HWT、θam和ωam)和通过对第四状态倒数(dHWT)的估计，可以确定EPS系统12的所有状态。因此，基于所有四种状态的确定，本文描述的技术方案采用全状态反馈控制而不发展观察者(因为所有状态都是已知的)。因此，技术方案简化了控制设计，改进了实施本文所述技术方案的EPS系统12。
例如，实施这里描述的技术方案的EPS控制架构可以大致分为两个部分，第一，调节/调整部；第二，稳定性部。此外，架构可以跨EPS系统12的多个操作模式而统一，使得结构的稳定性部在所有操作模式下保持相同，而调节/调整部基于EPS系统12正在运行的操作模式而改变。在一个或多个示例中，控制架构可以是控制模块40的一部分。可选地或另外地，控制架构可以是辅助模块18的一部分。可选地或另外地，实施本文描述的技术方案的控制架构可以是图1中可能示出或可能未示出的任何其他模块的一部分。在一个或多个示例中，控制架构可以是EPS 12本身的一部分。
图3示出了在EPS 12的多个操作模式中向EPS 12提供马达转矩的示例性统一控制架构。除其他组件外，控制架构还包括：调节-调整模块310，稳定性模块360和混合模块390。调节-调整模块310根据EPS 12的操作模式生成调节和/或调整信号。稳定性模块360生成稳定性信号，而与操作模式无关。混合模块390接收稳定性信号和调节和/或调整信号作为输入，并且生成将被发送到EPS 12的马达转矩信号。
例如，驾驶员模型模块395基于作为输入的方向盘位置(θhw)提供驾驶员转矩。在一个或多个示例中，驾驶员模型模块395基于实际的方向盘位置和驾驶员希望在特定驾驶操纵期间的转向所处于的期望方向盘位置来预测驾驶员转矩。例如，可以根据以下来计算(或估计)驾驶员转矩(Tdr)。
Tdr＝Kdr(θdeS-θhw)+Cdr(ωdeS-ωhw)
其中Kdr和Cdr表示驾驶员刚度和驾驶员阻尼，而θdes和ωdes表示期望的驾驶员位置和速率。
调节-调整模块310生成输入到混合模块390的调节和/或调整信号。除其他组件外，调节-调整模块310还包括：状态处理器模块320，转矩模式模块330，位置模式模块340和速率模式模块350。
状态处理器320确定EPS应该在哪个操作模式中操作，并处理从一个操作模式到另一个操作模式的转换。例如，状态处理器320基于诸如驾驶员的手把持/离开方向盘的检测、外部命令等等的信号，来确定从一个操作模式转换到另一个操作模式。基于所确定的操作模式，状态处理器320激活转矩模式模块330、位置模式模块340和速率模式模块350中的至少一个，以生成并输出调节和/或调整信号。因此，调节-调整模块310基于EPS的操作模式生成并输出不同的调节/调整信号。相反，稳定性模块360提供稳定性信号，而与操作模式无关。
例如，在EPS 12正在位置控制模式下操作的情况下，状态处理器模块320激活位置模式模块340。操作的位置控制模式包括根据来自控制模块40的位置命令进行操作的EPS12。例如，位置模式模块用于诸如自主驾驶控制、自动停车、车道辅助等的应用。
图4示出了位置模式模块340的示例组件。可以看出，所示系统是闭环系统。位置模式模块340包括：减法器410，积分器420，增益模块430，前馈增益模块450和加法器模块440。位置模式模块340接收θref和θam作为输入，用于生成调节信号，所述调节信号在这种情况下是位置调节信号(Tm)。积分器420接收来自减法器410的结果以产生积分状态(z)，其中
结合方程式2和3，我们得到下面的方程式。
其中
[Cpos＝[0 0 1 0]]
此外，用于生成位置调节信号Tm的增益矩阵K由K＝[Ks Ki]给出，并且位置模式模块340根据下面的方程式使用前馈来生成Tm。
Tm＝-Ksχpt-Kiz+Kffθref
使用根轨迹理论(其有利于根据增益参数绘制复数s平面中的闭环传递函数的极点)，针对预定闭环极点位置确定增益矩阵K。例如，增益矩阵K通过双质量模型的极点位置来计算，其中A矩阵表示为上面的Aeq矩阵，而B矩阵表示为上面的Beq矩阵。闭环极点是复平面(s平面)中闭环传递函数的极点(或特征值)的位置。例如，增益矩阵K被确定为使得代表闭环系统的A矩阵的(Aeq-Beq*K)的特征值具有预定的闭环极点位置。例如，考虑预定的闭环极点位置为
pl＝[-60+65i，-60-65i，-45+60i，-45-60i，-16]
因此，在这种情况下计算K，使得(Aeq-Beq*K)的特征值由p1给出。此外，一旦基于预定的闭环极点位置计算了Ks和Ki，就调整Kff(前馈增益)以提高性能。在一个或多个示例中，增益K和Kff是车辆速度的函数，因此位置控制性能可以在不同的车辆速度下被不同地优化。此外，跟踪带宽由控制架构的调节-调整模块310中的增益Ki和Kff控制；而噪声、干扰抑制和稳定性由控制架构的稳定性模块360中的增益Ks控制。跟踪带宽是EPS系统跟踪参考信号的能力的指标，所述参考信号例如为期望的位置信号、期望的速率信号、期望的转矩信号、或任何其他期望的性能信号。
在一个或多个示例中，位置控制模式下的双质量EPS闭环系统的预定特征值由复共轭极对表示，而实极表示积分器状态(z)的特征值。通过改变极点位置直接影响EPS 12的双质量模型的闭环性能。例如，减小极点位置的虚部导致EPS 12中的阻尼增加。替代地或另外地，增大极点位置的虚部可以提高稳健性和抗干扰性直至预定阈值。增大虚部高于预定阈值可能导致噪声在操作期间更加可闻。EPS 12的带宽可以通过改变Ki来增加，Ki受特征值极点位置的实部影响。因此，理论上，通过预先确定由EPS 12的双质量模型表示的控制系统的闭环极点，可以实现系统的期望性能。
因此，可以在预定的极点位置与真实世界性能和各种控制度量之间建立直接关联，进而确定控制增益。因此，使用控制架构的技术方案有助于根据真实世界的控制量度和性能来设计控制增益的客观方式。此外，当EPS 12的机械硬件改变时，通过更新表示EPS 12的双质量模型的开环系统以反映硬件，可以重新计算增益以实现基本上相同的闭环极点位置，以给出与之前类似的真实世界性能。因此，通过设计闭环极点位置而不是直接设计增益，本文的技术方案提供了减小机械/硬件变化的影响的客观以及稳健的方式。
在一个或多个示例中，用于向EPS提供马达转矩的闭环系统可以在被指令给EPS的马达转矩处断开。例如，图3指示检查位置399用以断开闭环，以读取马达转矩值并确定使用闭环系统操作的控制架构的性能。例如，可以使用不同组的预定闭环极点位置来确定闭环系统的相应增益值。可选地或另外地，检查位置399可以用于验证闭环系统按照设计进行工作。
例如，考虑使用两个采样极点位置、并且采集并比较诸如EPS 12的频率(Hz)、相位(度)、幅度(dB)的对应性能参数的示例。例如，考虑使用以下采样极点位置。
pl1＝[-60+65i，-60-65i，-45+60i，-45-60i，-16]
pl2＝[-60+35i，-60-35i，-45+30i，-45-30i，-16]
pl1和pl2之间的唯一区别在于与pl1相比，pl2在极点位置具有较低的虚部。通过绘制对应于各个极点位置的采集参数，例如基于较高的低频增益(参见图8A)，可以确定pl1与pl2相比能导致较好的干扰抑制特性，例如位置控制模式中更平滑的方向盘移动。这可以通过使用对应于极点位置pl1和pl2二者的增益在车辆10中进一步验证。可替代地或另外地，基于所采集的参数，可以识别趋势，例如增大虚部导致裕度(margin)减小，这导致车辆10中的振动和可听噪声。
在另一个示例中，考虑以下两组极点位置。
pl1＝[-60+65i，-60-65i，-45+60i，-45-60i，-16]
pl2＝[-60+65i，-60-65i，-45+60i，-45-60i，-10]
这两组中的pl1和pl2之间的唯一区别在于，实极点位置从-16变化到-10(见最右边)。通过绘制对应于各个极点位置的采集参数，可以确定具有对应于pl2的增益的系统与具有极点位置pl1的系统相比具有较小的带宽。这在图8B中示出，与具有pl1的系统相比，具有pl2的系统的建立时间和上升时间增加。这种行为也在车辆10中被复制。
类似地，极点位置直接涉及车辆10中的控制属性，诸如带宽、干扰抑制、可听噪声等。因此，如本文所述的通过极点位置进行控制增益的设计导致直观的控制设计，其是硬件独立且客观的。
另外，图9示出了当θref在2ms内从0变为30度时车辆10中的示例阶跃响应数据，响应的过冲小于5％，而上升时间(达到最终值的90％的时间)为0.15秒，2％建立时间是0.4秒。示例图说明闭环系统离开中心和返回中心的阶跃性能表现出类似的性能。因为轮胎性能取决于转向中心或离开中心而不同，所以示例阶跃响应表示位置模式模块340在预定可接受范围内的干扰抑制。
此外，使用如本文所述的统一架构的位置模式模块340有助于方向盘响应于遵循频率为0.1Hz且幅度为60度的正弦命令的θref而提供平滑且不交错(not jagged)的响应。因此，使用这里所述的统一控制架构，EPS 12在预定可接受范围内提供低频正弦响应。此外，当θref遵循具有1Hz频率和60度幅度的正弦命令时，EPS 12适当地、即在预定可接受范围内跟踪该角度。因此，使用这里所述的统一控制架构，EPS 12在预定可接受范围内提供中频正弦响应。另外，当θref遵循具有3.5Hz频率和30度幅度的正弦命令时，根据带宽的定义(闭环伯德图上的-3db点，或输出幅度是命令的0.707倍处的频率)，EPS 12的带宽是在3.5Hz的预定可接受限度内。因此，使用这里所述的统一控制架构，EPS 12在预定可接受范围内提供高频正弦响应。
如前所述，混合模块390基于来自位置模式模块340的调节信号而生成马达转矩命令。在一个或多个示例中，混合模块390接收附加的基础EPS转矩信号，混合模块390使用该信号来产生马达转矩。在一个或多个示例中，混合模块390从一个或多个基础EPS功能来接收基础EPS转矩信号。例如，基础EPS功能包括但不限于辅助、返回、阻尼等。当EPS 12处于位置控制下时，基础EPS功能可以是激活的，并且因此基础EPS命令可以用作在操作的位置控制模式中对于位置模式模块340的干扰。在一个或多个示例中，混合模块390可以对输入信号进行求和，以生成提供给EPS 12的马达转矩。
例如，辅助功能包括作为方向盘转矩和车辆速度的函数的辅助增益，其中辅助增益与方向盘转矩相乘以生成辅助命令。在设计用于位置控制的状态反馈增益矩阵时，没有考虑用以产生马达转矩命令的来自方向盘转矩的这种增益。因此，闭环系统根据位置模式模块340中的状态反馈增益(Ks和Ki)的期望值(和设计值)，执行每个不同的闭环极点位置。因此，闭环系统的性能不符合设计的闭环极点位置，例如前面描述的pl1和pl2。类似地，阻尼功能在马达速率上具有未说明的(unaccounted)增益，并且返回功能在马达位置上具有未说明的增益。
因此，为了实现期望的闭环极点位置，考虑基础EPS功能增益的值来分别调整矩阵Ks中的HWT、马达位置和马达速率的增益。在一个或多个示例中，动态地确定所述调整。例如，随着基础EPS增益的改变，基础EPS增益被用作输入以连续修改状态增益(Ks和Ki)，并且因此保持闭环极点位置以在位置控制模式中提供调节信号。因此，统一控制架构的位置模式模块340动态地解决基础EPS干扰并且相应地修改控制增益(Ki和Ks)，以便于EPS 12根据位置控制模式中的可接受阈值来执行。在没有这种动态修改的情况下，典型的方案是在位置控制操作模式期间完全切断基础EPS命令(因为它们引起干扰)以从EPS 12获得可接受的性能。
图5示出了速率模式模块350的示例性组件。可以看出，所示出的系统是闭环系统。速率模式模块350在速率操作模式期间被使用，其中EPS 12遵循特定速率命令。例如，速率模式模块350用于在转向返回到中心时调节方向盘的返回速率。例如，当驾驶员将方向盘置于非零角度时，返回促使方向盘返回到中心。在这方面，EPS 12经历轮胎返回力，其确保方向盘从非零角度回到中心。轮胎返回力随车辆速度而变化。因此，自然返回性能随着车辆速度而改变。受控返回促使EPS 12以独立于车辆速度的预定速率返回到中心，并且确保方向盘返回到零(中心)位置。促进这种受控返回包括调节马达速率，这由速率模式模块350进行，如进一步所述。
通过比较图5和图4，可以看出，通过以图5中的速率模式模块350替换图4中的位置模式模块340，闭环系统的公共架构的调节部改变了，而架构的稳定性部保持相同。例如，速率模式模块350包括：减法器510，积分器520，增益模块530，前馈增益模块550和加法器模块540(其与图4中的位置模式模块340的组件类似)。此外，调节部的变化包括：对速率(ωref)而不是位置(θref)发出命令，计算速率误差，并将其积分为Z(而不是图4中的位置误差)。因此，图4的闭环系统的方程式3被重新定义为下面的方程式5，以用于图5的闭环系统。
类似于计算用于位置模式的增益(见方程式4)，在速率模式下，可以通过将Cpos矩阵替换为如下所示的Cvel矩阵来计算增益(Ks和Ki)。
Cvel＝[0 0 0 1]
此外，类似于位置模式模块340，速率模式模块350根据以下方程式使用前馈生成调节信号Tm。
Tm＝-Ksxpt-Kiz+Kffωref
此外，类似于位置模式，针对速率操作模式确定极点位置。用于调节方向盘返回速率的极点位置可以与用于控制方向盘位置的极点位置不同。即，增益集合(Ks、Ki和Kff)对于位置和速率操作模式是不同的，而控制架构是统一的(如图4和5所示)。由于架构保持一致，因此还可以为速率操作模式定义用于位置操作模式的度量标准。此外，位置模式模块340的闭环系统的架构的益处，例如直观性、客观性、对硬件变化的稳健性、以及稳定性与调节的隔离性，也被传递给速率模式模块350。
此外，如关于位置模式模块340所讨论的，基础EPS命令可在速率操作模式中被激活，从而对由速率模式模块350生成的速率控制调节信号造成干扰。为了维持闭环极点位置，状态反馈增益矩阵(Ks和Ki)通过相对于位置模式模块340考虑本文所述的基础EPS增益而被调整。
当驾驶员正在控制方向盘时，转矩模式模块330用于转矩控制操作模式中。在一个或多个示例中，存在两种不同的转矩控制操作。例如，在基于参考转矩的控制中，计算驾驶员应该感觉到的预定转矩以调节方向盘转矩以实现预定转矩水平。在基于辅助的转矩控制中，基于方向盘转矩的量来计算马达转矩，该方向盘转矩的量指示驾驶员施加在方向盘上的作用力的量。在一个或多个示例中，还使用其他EPS功能、例如返回功能和阻尼功能来计算最终马达转矩命令。
图6示出了转矩模式模块330的示例组件，其在参考转矩控制模式中提供调节信号。可以看出所示的系统是闭环系统。再次，将图6与图4和图5比较，可以看出，通过使用图6中的转矩模式模块330，闭环系统的公共架构的调节部改变了，而架构的稳定性模块360保持相同。例如，转矩模式模块330包括：减法器610，积分器620，增益模块630，前馈增益模块650和加法器模块640(其与图4中的位置模式模块340以及图5中的速率模式模块350的组件类似)。此外，调节部的变化包括对方向盘转矩(HWTref)而不是位置(θref)发出命令，以及计算HWT误差并将其积分为Z(代替图4中的位置误差或图5中的速率误差)。因此，图4的闭环系统的方程式3被重新定义为下面的方程式6，用于图6的闭环系统。
在一个或多个示例中，EPS 12的可接受预定性能是为使从马达转矩到方向盘转矩的设备传递函数在原点处具有零值。换句话说，EPS 12的可接受预定性能是不管在稳定状态下施加的马达转矩量如何，只要没有驾驶员转矩，方向盘转矩值就保持为零。因此，为了分析和确定用于参考转矩控制的控制增益(Ki和Ks)，驾驶员模型395用于消除原点处的零值。驾驶员模型395提供驾驶员转矩，如图6所示，并获取方向盘位置(θhw)作为输入。驾驶员模型395基于实际方向盘位置(θhw)和驾驶员在驾驶操纵期间想要转向所处于的估计的期望方向盘位置，来预测驾驶员转矩。
例如，方程式7表示用于驾驶员模型395的方程式，其中Kdr和Cdr分别代表驾驶员刚度和驾驶员阻尼，θdes和ωdes分别代表期望的驾驶员位置和速率。
Tdr＝Kdr(θdes-θhw)+Cdr(ωdes-ωhw)............................(7)
由于添加了来自驾驶员模型395的非零分量，所以闭环系统的定义以及相应的Ap矩阵可以被表示为下面的矩阵Apdrv。Apdrv矩阵也经历变换以重新定义与对矩阵Ap在此描述的相似的状态。下面示出变换后的矩阵Apdrvt。
Apdrvt＝T*Apdrv*inverse(T)
应该注意的是，在矩阵Ap的情况下，驾驶员模型组件未被表示，因为驾驶员可能不会向方向盘施加任何转矩，例如在位置模式中，其中控制器40控制方向盘，而不是驾驶员来控制。可选地或另外地，在速率模式下，方向盘在操纵之后返回到中心，并且因此驾驶员转矩可能不存在。
因此，在由方程式4表示的系统模型中，矩阵Apt被Apdrvt替代，Cpos被Chwt矩阵替代，如下所示。
Chwt＝[1 0 0 0]
因此，类似于位置模式模块340和速率模式模块350，转矩模式模块330根据以下方程式使用前馈生成调节信号Tm。
Tm＝-Ksxpt-Kiz+KffHWTref
类似于其他控制模式，根据用于参考转矩控制的期望的闭环极点位置来计算控制增益(Ks和Ki)。例如，闭环极点位置可以如下。
pl＝[-120+80i，-120-80i，-7+25i，-7-25i，-40]
而且，可以基于该环路的预定带宽来选择Kff。如本文所述，复共轭极对表示双质量EPS闭环系统(图2)的特征值。对于参考转矩控制模式下的极点位置，复共轭极点的实部表示积分器状态的特征值。在一个或多个示例中，EPS 12使用预定闭环极点位置，其在参考转矩控制模式中直接与EPS闭环性能相关。例如，积分状态特征值的增大使闭环的带宽增大。带宽是双质量系统跟踪参考信号的能力的指标，所述参考信号在这种情况下是期望的转矩信号。
例如，可以使用复共轭极对(考虑，-7+25i和-7-25i)中的一个来调整EPS 12中的阻尼水平。例如，增大极点的实部的幅度(减小实部的值)或减小极点的虚部增大了转向感的阻尼，反之亦然。复共轭极对还可以用于消除驾驶员试图使车辆转向所引起的驾驶员阻抗零点，从而增强转向感。因此，例如通过在参考转矩控制模式中直接操纵驾驶员感觉，选择极点位置对双质量EPS系统的闭环性能具有直接且客观的影响。
此外，如本文所述，可以使用复共轭极对的虚部来增加闭环系统的干扰抑制特性。因此，选择控制系统的闭环极点的能力有助于实现来自EPS系统的期望性能。因此，这里描述的技术方案有助于EPS系统或车辆的设计者/制造者，使其具有可用于实现来自EPS系统(和/或车辆)的期望性能的设计空间。
因此，在此描述的技术方案有助于向EPS系统提供用于在位置控制、速率控制和参考转矩控制模式中操作的统一控制架构，其中统一架构使用共同的稳定性模块360，并且对每个操作模块具有交换模块，例如位置模式模块340、速率模式模块350和转矩模式模块330。EPS系统通过将EPS系统建模为闭环双质量系统来促进统一的控制架构。使用所述技术方案的EPS系统通过配置闭环系统的复极点位置，进一步有助于配置EPS的性能参数。
此外，在基于辅助的转矩控制(其中基于所测量的方向盘转矩来计算马达转矩或者换句话说是提供给驾驶员的辅助量)中，基于如辅助、返回、滞后、阻尼、摩擦补偿等EPS功能来确定马达转矩命令。通常，稳定性补偿滤波器确保EPS系统在闭环中稳定。然而，为了使用这里描述的统一控制架构，这里描述的技术方案使用如图7所示的架构来提供基于辅助的转矩控制。如图所示，该控制架构将EPS控制架构的感觉调整组件与EPS控制架构的稳定性组件分开。
例如，在图7所示的改型架构中，闭环系统的性能和行为可以通过使用状态反馈(稳定性模块360中的Ks)改变EPS系统的现有特征值来修改。感觉调整可以通过修改如辅助、返回、阻尼等基础EPS功能进行调节。如本文之前所述，闭环EPS的稳定性可通过在马达转矩命令处断开环路来评估。
如图7所示，在辅助转矩模式下，转矩模式模块包括辅助模块、返回模块、阻尼模块或任何其他这样的EPS功能模块的示例性组件。与图4、图5和图6中的模块相比较，辅助转矩模式下的控制架构不包括积分状态(例如积分器620)。因此，在该架构中，用于计算反馈增益而没有积分状态的方程式4可以表示如下。
在这种情况下，由于不存在控制增益Ki，所以仅计算控制增益Ks。例如，基于EPS12的预定极点位置(例如具有如下所示的四个极点位置的示例极点位置集合)，如前所述计算增益Ks。
pl＝[-120+80i，-120-80i，-7+25i，-7-25i]
应该理解，这里列出的极点位置仅仅是示例，并且根据EPS 12的期望性能可以使用不同的预定极点位置。
因此，这里描述的技术方案有助于用于不同EPS操作模式的统一EPS控制架构，所述不同EPS操作模式例如为转矩控制模式、速率控制模式和位置控制模式。该技术方案进一步有助于在没有观察者的情况下使用EPS信号进行位置、速率和转矩的全状态反馈控制。此外，对于基于辅助的转矩控制操作模式，该技术方案将计算用于调整转向感觉的信号与计算用于稳定性控制的信号分开。该技术方案有助于控制器或状态处理器基于诸如驾驶员手在方向盘上检测的信号，从一个EPS操作模式转换到另一个操作模式。信号可以从车辆或EPS系统中使用的一个或多个传感器接收。这里描述的技术方案通过为每个EPS操作模式分离调节/感觉调整模块，同时不管EPS操作模式如何而保持稳定模块不变，来促进统一的控制架构。
该技术方案还利用使用闭环极点位置的统一控制架构来帮助配置EPS的性能。闭环极点位置包括表示期望性能参数的复共轭极对，其根据双质量EPS闭环系统的特征值而设置。复共轭对中的实极表示用于生成调节信号的积分器状态。极点位置用于确定不同工作模式下的增益矩阵、Ki和Ks。另外，EPS使用前馈增益矩阵Kff来进一步改善性能，其中所使用的Kff可对于每种操作模式而变化。在一个或多个示例中，极点位置与EPS的性能/控制度量之间的相关性通过减小极点位置的虚部而有助于增加EPS系统中的阻尼。此外，或者可选地，通过增大极点位置的虚部来改善EPS的鲁棒性和抗干扰性。在某些情况下，增大虚部可能会导致可听见的噪声。此外，通过减小实特征值极点位置以改变Ki，EPS可以增大跟踪带宽。
因此，本文描述的技术方案有助于EPS系统使用将稳定性控制与调节/调整控制分开的统一控制架构，来控制EPS系统的方向盘的转矩、位置和/或速率。使用技术方案的EPS系统使用统一的架构，而不考虑操作模式，如速率模式、转矩模式和位置模式。使用本文描述的统一架构的EPS系统基于闭环极点位置的配置而符合可接受的预定频率和带宽参数。闭环极点位置使得EPS系统使用相应的增益矩阵(Ki和Ks)。因此，该EPS系统有助于在自主、半自主以及手动(非自主)模式下操作。
图8A、图8B和图9示出了实现这里描述的统一控制架构的EPS的示例性能。该示例性能是通过在将马达转矩命令输入到EPS之前打开环路来捕获EPS的性能参数而确定的。可以理解的是，尽管所示性能是基于在位置控制模式下捕获的性能参数，但是可以为其他操作模式生成类似的性能可视化。
本技术方案可以是任何可能的技术细节整合水平的系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(或多个介质)，其上具有用于使处理器执行本技术方案的各方面的计算机可读程序指令。
这里参照根据技术方案的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本技术方案的各个方面。应该理解，流程图和/或框图中的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以通过计算机可读程序指令来实现。
附图中的流程图和框图示出了根据本技术方案的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个框可表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，方框中提到的功能可以不按照附图中指出的顺序发生。例如，实际上，连续示出的两个框可以基本上同时执行，或者框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统来实现，或者执行特殊用途硬件和计算机指令的组合。
还将意识到，在此例示的执行指令的任何模块、单元、组件、服务器、计算机、终端或设备可以包括或以其他方式访问计算机可读介质，诸如存储介质、计算机存储介质或数据存储设备(可移除和/或不可移除)，例如磁盘、光盘或磁带。计算机存储介质可以包括以用于存储信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。这样的计算机存储介质可以是设备的一部分或可访问或可连接到其上。这里描述的任何应用或模块可以使用可以被这样的计算机可读介质存储或以其他方式保持的计算机可读/可执行指令来实现。
尽管仅结合有限数量的实施例来详细描述技术方案，但应当容易理解的是，技术方案不限于这些公开的实施例。相反，可以对技术方案进行修改以结合迄今为止未描述但与技术方案的精神和范围相称的任何数量的变化、更改、替换或等同布置。另外，尽管已经描述了技术方案的各种实施例，但应该理解，技术方案的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。相应地，技术方案不被视为受前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种用于提供马达转矩辅助命令的电动助力转向EPS系统，所述EPS系统包括：
第一模块，被配置为基于所述EPS系统的操作模式生成调节信号或调整信号；
第二模块，被配置为生成稳定性信号，而不管所述EPS系统的操作模式如何；以及
混合模块，被配置为将所述稳定性信号与所述调节信号或调整信号组合，以生成用于所述EPS系统的辅助马达转矩信号。
2.根据权利要求1所述的电动助力转向EPS系统，其中所述EPS系统的操作模式是包括位置控制模式、转矩控制模式和速率控制模式的群组中的一个。
3.根据权利要求1所述的电动助力转向EPS系统，其中所述第二模块基于方向盘转矩、辅助马达位置和辅助马达速率而生成所述稳定性信号。
4.根据权利要求1所述的电动助力转向EPS系统，其中所述第一模块进一步包括：
转矩控制模式模块；
速率控制模式模块；
位置控制模式模块；以及
状态处理器模块，其基于所述操作模式来激活所述转矩控制模式模块、所述速率控制模式模块和所述位置控制模式模块中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的电动助力转向EPS系统，其中所述速率控制模式模块基于辅助马达速率和参考马达速率而生成所述调节信号。
6.根据权利要求4所述的电动助力转向EPS系统，其中所述位置控制模式模块基于辅助马达位置和参考马达位置而生成所述调节信号。
7.根据权利要求4所述的电动助力转向EPS系统，其中所述转矩控制模式模块是基于参考转矩的模块，其基于方向盘转矩信号和参考方向盘转矩信号而生成所述调节信号。
8.根据权利要求4所述的电动助力转向EPS系统，其中所述转矩控制模式模块是基于辅助的模块，所述基于辅助的模块基于方向盘转矩信号、辅助马达位置信号和辅助马达速率信号而生成所述调整信号。
9.根据权利要求4所述的电动助力转向EPS系统，其中所述转矩控制模式模块、所述速率控制模式模块和所述位置控制模式模块中的每一个具有统一架构。
10.根据权利要求9所述的电动助力转向EPS系统，其中所述统一架构包括积分器、控制增益组件和前馈增益组件。
11.一种用于通过助力转向系统提供马达转矩辅助命令的系统，所述系统包括：
调节-调整模块，被配置为生成分别对应于所述助力转向系统的多个操作模式的多个调节信号中的调节信号；
稳定性模块，被配置为生成稳定性信号，而不管所述助力转向系统的操作模式如何；以及
混合模块，被配置为将所述稳定性信号与所述调节信号组合，以生成用于所述助力转向系统的辅助马达转矩信号。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述操作模式是包括位置控制模式、转矩控制模式和速率控制模式的群组中的一个。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述稳定性模块基于方向盘转矩、辅助马达位置和辅助马达速率而生成所述稳定性信号。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述调节模块进一步包括：
转矩控制模式模块；
速率控制模式模块；
位置控制模式模块；以及
状态处理器模块，所述状态处理器模块基于操作模式来激活所述转矩控制模式模块、所述速率控制模式模块和所述位置控制模式模块中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述速率控制模式模块基于参考马达速率或参考马达位置中的至少一个以及辅助马达速率而生成所述调节信号，其中所述转矩控制模式模块是基于参考转矩的模块，所述基于参考转矩的模块基于方向盘转矩信号和参考方向盘转矩信号而生成所述调节信号。
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