CN109720405A - 电动机驱动动力转向系统及其控制方法 - Google Patents

电动机驱动动力转向系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种MDPS(电动机驱动动力转向)系统及其控制方法，包括：车速传感器，被配置为感测车速；横摆率传感器，被配置为感测车辆的倾斜状态，并输出横摆率值；横向加速度传感器，被配置为感测作用在车辆的横向方向上的横向加速度；MDPS控制器，被配置为分别从车速传感器、横摆率传感器和横向加速度传感器接收车速、横摆率值和横向加速度，并通过估计柱扭矩来计算辅助扭矩。本发明的MDPS系统及其控制方法在MDPS系统中扭矩传感器发生故障时可最大限度地提高稳定性和可靠性。

Description

电动机驱动动力转向系统及其控制方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年10月27日提交的、申请号为10-2017-0141461的韩国申请优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种MDPS(Motor Driven Power Steering，电动机驱动动力转向)系统及其控制方法，更具体地，涉及一种MDPS系统及其控制方法，即使MDPS系统中的扭矩传感器发生故障也能够产生驾驶员所需的辅助扭矩，从而最大限度地提高了稳定性和可靠性。
背景技术
通常，MDPS系统表示使用电动机在驾驶员的转向方向上提供辅助扭矩的转向系统，从而使得驾驶员能够容易地操纵方向盘。
与现有的液压动力转向(hydraulic power steering,HPS)系统不同，MDPS系统可以根据车辆的行驶状况自动控制电动机的操作，从而改善转向性能和转向感。
MDPS系统包括：扭矩传感器，用于测量驾驶员的转向扭矩，输入到方向盘；转向角传感器，用于确定方向盘的转向角；以及车速传感器，用于测量车速，以确定车辆的行驶状况。
当扭矩传感器在安装有MDPS系统的车辆行驶期间发生故障时，MDPS系统可能提供不适当的辅助力，这可能会干扰驾驶员的转向。因此，MDPS系统切换到手动模式。
然而，当MDPS系统突然切换到手动模式时，驾驶员可能在转向期间感觉到强烈的差异感。
例如，当MDPS系统在低速转弯时突然切换到手动模式时，驾驶员突然感觉到很大的差异感，同时车辆的驾驶稳定性可能会降低。在这种情况下，可能会发生事故。
在2008年8月27日公布的题为“用于校正扭矩传感器零点的方法”的公开号为2008-0078428的韩国专利中公开了本发明的相关技术。
这种MDPS系统必须使用由扭矩传感器感测的驾驶员扭矩量，以便根据驾驶员的转向意图使车辆转向。因此，当扭矩传感器发生故障时，MDPS系统可以切换到手动模式。在这种情况下，MDPS系统不能执行转向。
发明内容
本发明的实施例涉及一种MDPS系统及其控制方法，即使MDPS系统中的扭矩传感器发生故障，其可以通过基于横摆率值、横向加速度和车辆速度估计虚拟柱扭矩来产生驾驶员所需的辅助扭矩，从而最大限度地提高了稳定性和可靠性。
在一个实施例中，MDPS系统可以包括：车速传感器，被配置为感测车辆速度；横摆率传感器，被配置为感测车辆的倾斜状态，并输出横摆率值；横向加速度传感器，被配置为感测作用在车辆的横向方向上的横向加速度；MDPS控制器，被配置为分别从车速传感器、横摆率传感器和横向加速度传感器接收车速、横摆率值和横向加速度，并通过估计柱扭矩来计算辅助扭矩。
MDPS控制器可包括：柱扭矩估计单元，被配置为基于车辆的动态模型估计行为值，通过基于所述行为值计算轮胎横向力来计算齿条力，并通过所述齿条力估计柱扭矩；以及辅助扭矩计算单元，被配置为基于车速、转向角和所述柱扭矩估计单元估计的柱扭矩来计算辅助扭矩。
柱扭矩估计单元可包括：行为估计单元，被配置为接收所述车速、横摆率值和横向加速度，并基于所述车辆的动态模型估计所述行为值；轮胎横向力计算单元，被配置为基于由所述行为估计单元估计的所述行为值来计算前轮胎横向力和后轮胎横向力；齿条力计算单元，被配置为通过将通过轮胎横向力计算单元计算的前轮胎横向力和后轮胎横向力乘以转弯刚度校正增益来计算齿条力；柱扭矩计算单元，被配置为通过对所述齿条力计算单元计算的所述齿条力进行逆变换来计算柱扭矩。
行为估计单元可基于所述车辆的动态模型通过外部卡尔曼滤波器估计行为值。
所述行为值可包括车辆的侧滑、转向角和估计的横摆率值中的一个或多个。
MDPS控制器可以包括：PID控制单元，被配置为分别从转向角传感器和电动机角度传感器接收转向角和电动机角度，并且计算电动机位置控制值，使得电动机角度遵循转向角；输出选择单元，被配置为根据车速选择性地输出通过PID控制单元计算的电动机位置控制值和通过辅助扭矩计算单元计算的辅助扭矩。
MDPS控制器还可包括同步单元，该同步单元被配置为当车辆起动时使转向角传感器的转向角与电动机角度传感器的电动机角度同步。
输出选择单元可以在车速小于预设速度时输出电动机位置控制值作为最终辅助扭矩，并且当车速等于或大于预设速度时输出辅助扭矩作为最终辅助扭矩。
在另一个实施例中，MDPS系统的控制方法可以包括：当车速等于或大于预设车速时，由MDPS控制器接收车辆速度、横摆率值和横向加速度，并基于车辆的动态模型估计行为值；由MDPS控制器基于估计的行为值计算前轮胎和后轮胎横向力；由MDPS控制器通过将前轮胎横向力和后轮胎横向力乘以转弯刚度校正增益来计算齿条力；由MDPS控制器通过对齿条力进行逆变换来计算柱扭矩；并且，由MDPS控制器基于计算出的柱扭矩、车速和转向角计算辅助扭矩。
在估计行为值时，MDPS控制器可以基于车辆的动态模型通过外部卡尔曼滤波器估计所述行为值。
所述行为值可包括车辆的侧滑、转向角和估计的横摆率值中的一个或多个。
所述控制方法还可包括：当车速小于预设车速时，由MDPS控制器接收转向角和电动机角度，并通过PID控制来计算电动机位置控制值，使得电动机角度遵循转向角。
所述控制方法还可以包括：当车辆起动时，由MDPS控制器使转向角传感器的转向角与电动机角度传感器的电动机角度同步。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的MDPS系统的框图。
图2是示出根据本发明的实施例的MDPS系统的转向角和柱扭矩的模拟结果的曲线图。
图3是示出根据本发明的实施例的MDPS系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明实施例的MDPS系统及其控制方法。应当注意，附图不是精确的比例，并且仅为了描述方便和清楚起见，可能夸大线的粗细或部件的尺寸。此外，本文使用的术语是考虑了本发明的功能来定义的，并且可以根据用户或操作者的习惯或意图来改变。因此，术语的定义应根据本文所述的总体公开内容进行。
图1是示出根据本发明的实施例的MDPS系统的框图。图2是示出根据本发明的实施例的MDPS系统的转向角和柱扭矩的模拟结果的曲线图。
如图1所示，MDPS系统可包括横摆率传感器10、横向加速度传感器20、车速传感器30和MDPS控制器100。
横摆率传感器10可以感测车辆的倾斜状态，并且将横摆率值输出到MDPS控制器100。
横向加速度传感器20可以感测作用在车辆的横向方向上的横向加速度，并且将感测到的横向加速度输出到MDPS控制器100。
车速传感器30可以感测车辆的速度，并将感测到的速度输出到MDPS控制器100。
MDPS控制器100可以从横摆率传感器10、横向加速度传感器20和车速传感器30接收横摆率值、横向加速度和车辆速度，并且通过估计柱扭矩来计算辅助扭矩。
柱扭矩可以指当驾驶员操作方向盘(未示出)以进行左/右转弯或改变车道时施加到转向轴(未示出)的扭矩。因此，扭矩传感器(未示出)可以感测柱扭矩以确定驾驶员的转向意图。然而，当扭矩传感器发生故障或未安装在车辆中时，MDPS控制器100可基于车辆速度、横摆率值和横向加速度通过车辆的动态模型估计柱扭矩来计算辅助扭矩。
因此，MDPS控制器100可包括柱扭矩估计单元110和辅助扭矩计算单元120。
柱扭矩估计单元110可以基于车辆的动态模型估计行为值，通过基于行为值计算轮胎横向力来计算齿条力，并且通过齿条力估计柱扭矩。
柱扭矩估计单元110可包括行为估计单元112、轮胎横向力计算单元114、齿条力计算单元116和柱扭矩计算单元118。
行为估计单元112可以接收车辆速度、横摆率值和横向加速度，并且基于车辆的动态模型估计行为值。
此时，行为值可包括侧滑、转向角和估计的横摆率值中的一个或多个。
当行为估计单元112接收车速、横摆率值和横向加速度并且基于车辆的动态模型估计车辆的侧滑和转向角时，可以使用扩展卡尔曼滤波器来防止由横摆率传感器10或横向加速度传感器20产生的噪声引起的差异感或振动感。
当车辆以低速行驶时，横摆率传感器10或横向加速度传感器20的信号可能不会产生或不稳定。因此，行为估计单元112可以使用通过扩展卡尔曼滤波器估计的横摆率值来估计更稳定的柱扭矩。
轮胎横向力计算单元114可以基于由行为估计单元112估计的行为值来计算前轮胎横向力和后轮胎横向力。
齿条力计算单元116可以通过将由轮胎横向力计算单元114计算的前轮胎横向力和后轮胎横向力乘以转弯刚度校正增益来计算齿条力。
由轮胎横向力计算单元114计算的前轮胎横向力和后轮胎横向力可以非常类似于驾驶员驾驶车辆时所需的辅助扭矩的模式。然而，由于根据车辆行为的横摆率值的变化与驾驶员的实际柱扭矩变化不完全一致，因此齿条力计算单元116可以通过将转弯刚度校正增益乘以前轮胎横向力和后轮胎横向力来计算齿条力，以使横摆率值与根据车辆行为驾驶员所需的柱扭矩模式相匹配。
图2示出了当将估计柱扭矩、实际柱扭矩和转向角进行比较时，模拟结果与驾驶员的实际转向模式一致。
柱扭矩计算单元118可以通过对由齿条力计算单元116计算的齿条力进行逆变换来计算柱扭矩。
辅助扭矩计算单元120可以基于车速、转向角和柱扭矩估计单元110估计的柱扭矩来计算辅助扭矩。
MDPS控制器100还可包括PID控制单元150，其从转向角传感器40和电动机角度传感器50接收转向角和电动机角度，并计算电动机位置控制值，使得电动机角度遵循转向角。
当横摆率传感器10和横向加速度传感器20的值收敛到零而车速小于预设速度或车辆停止时，在驾驶员没有辅助扭矩提供的情况下，只有柱形方向盘可以从小齿轮顶部处的扭力杆扭转。在这种情况下，可以改变位于小齿轮底部的驱动电动机(未示出)的电动机角度。
当转向角传感器40的转向角和电动机角度传感器50的电动机角度彼此不同时，PID控制单元150可以计算电动机位置控制值，使得电动机角度遵循转向角。然后，PID控制单元150可以在驾驶员操纵车辆的方向上控制电动机位置。结果，可以产生驾驶员所需的辅助扭矩。
对于该操作，MDPS控制器100还可包括同步单元140，用于在车辆起动时使转向角传感器40的转向角与电动机角度传感器50的电动机角度相互同步。
由于转向角传感器40是绝对角度传感器，因此当车辆起动时，转向角传感器40可以根据方向盘的位置输出转向角。然而，由于电动机角度传感器50无法知道绝对位置，所以电动机角度传感器50可以识别并存储车辆起动期间转向角传感器40的绝对角度作为电动机角度传感器50的当前位置，然后考虑到齿轮比使转向角和电动机角度同步。因此，电动机角度传感器50可以通过基于同步的当前位置通过编码器更新改变的位置来提供电动机角度。
MDPS控制器100还可包括输出选择单元130，其根据车速选择性地输出由PID控制单元150计算的电动机位置控制值和由辅助扭矩计算单元120计算的辅助扭矩。
当车速小于预设速度时，输出选择单元130可输出由PID控制单元150计算的电动机位置控制值作为最终辅助扭矩，因为横摆率传感器10或横向加速度传感器20没有输出信号。当车速等于或大于预设速度时，输出选择单元130可输出辅助扭矩作为最终辅助扭矩，辅助扭矩基于由柱扭矩估计单元110计算的柱扭矩计算。
此时，可以根据通过扩展卡尔曼滤波器稳定地估计横摆率值的速度来设置预设车速。在本实施例中，预设车速可以设定为20kph，但是更改为各种值。
如上所述，即使扭矩传感器损坏，根据本发明的实施例的MDPS系统可以通过基于横摆率、横向加速度和车辆速度估计虚拟柱扭矩来产生驾驶员所需的辅助扭矩，从而最大限度地提高稳定性和可靠性。此外，MDPS系统可以在没有扭矩传感器的情况下通过估计柱扭矩来产生辅助扭矩，这使得可以减少部件数量和制造成本。
图3是示出根据本发明的实施例的MDPS系统的控制方法的流程图。
如图3所示，根据本发明实施例的MDPS系统的控制方法可以从步骤S10开始，其中MDPS控制器100确定车速是否等于或大于预设车速。
此时，可以根据通过扩展卡尔曼滤波器稳定地估计横摆率值的速度来设置预设车速。在本实施例中，预设车速可以设定为20kph，但是更改为各种值。
当在步骤S10确定车速小于预设车速时，MDPS控制器100可以通过计算电动机位置控制值来输出最终辅助扭矩，使得电动机角度遵循转向角，因为横摆率传感器10或横向加速度传感器20没有输出信号。
首先，在步骤S80，MDPS控制器100可以在车辆起动时使转向角传感器40的转向角与电动机角度传感器50的电动机角度同步。
由于转向角传感器40是绝对角度传感器，因此当车辆起动时，转向角传感器40可以根据方向盘的位置输出转向角。然而，由于电动机角度传感器50无法知道绝对位置，所以电动机角度传感器50可以识别并存储车辆起动期间转向角传感器40的绝对角度作为电动机角度传感器50的当前位置，然后在考虑齿轮比的情况下使转向角和电动机角度同步。因此，电动机角度传感器50可以通过基于同步的当前位置通过编码器更新改变的位置来提供电动机角度。
在步骤S90，基于在转向角传感器40和电动机角度传感器50同步之后输入的转向角和电动机角度，MDPS控制器100可以计算电动机位置控制值，使得电动机角度遵循转向角。
然后，在步骤S100，MDPS控制器100可以将在步骤S90计算的电动机位置控制值作为最终辅助扭矩输出到驱动电动机(未示出)。因此，可以在驾驶员的转向方向上产生驾驶员所需的辅助扭矩。
另一方面，当在步骤S10确定车速等于或大于预设车速时，MDPS控制器100可从横摆率传感器10、横向加速度传感器20和车速传感器30接收横摆率值、横向加速度和车速，并在步骤S20基于车辆的动态模型估计行为值。
行为值可包括侧滑、转向角和估计的横摆率值中的一个或多个。
当MDPS控制器100接收车速、横摆率值和横向加速度并且基于车辆的动态模型估计车辆的侧滑和转向角时，可以使用扩展卡尔曼滤波器来防止由横摆率传感器10或横向加速度传感器20产生的噪声引起的差异感或振动感。
在步骤S20估计行为值之后，MDPS控制器100可以在步骤S30基于估计的行为值计算前轮胎横向力和后轮胎横向力。
当车辆在计算前轮胎横向力和后轮胎横向力的同时以低速行驶时，由于车辆的行为特性，横摆率传感器10或横向加速度传感器20可以不输出信号或输出不稳定信号。因此，MDPS控制器100可以使用通过扩展卡尔曼滤波器估计的横摆率值。
在步骤S30计算前轮胎横向力和后轮胎横向力之后，MDPS控制器100可以通过将计算出的前轮胎横向力和后轮胎横向力乘以转弯刚度校正增益来计算齿条力。
此时，计算的前轮胎横向力和后轮胎横向力可以非常类似于驾驶员驾驶车辆时所需的辅助扭矩的模式。然而，由于根据车辆行为的横摆率值的改变与驾驶员的实际柱扭矩变化不完全一致，因此MDPS控制器100可以通过将转弯刚度校正增益乘以前轮胎横向力和后轮胎横向力来计算齿条力，以使横摆率值与根据车辆行为驾驶员所需的柱扭矩模式相匹配。
在步骤S40计算齿条力之后，在步骤S50，MDPS控制器100可以通过对计算的齿条力逆变换来计算柱扭矩。
在步骤S50计算柱扭矩之后，MDPS控制器100可以在步骤S60基于计算的柱扭矩、车辆速度和转向角计算辅助扭矩。
然后，在步骤S70，MDPS控制器100可以将计算出的辅助扭矩作为最终辅助扭矩输出到驱动电动机，从而产生驾驶员所需的辅助扭矩。
如上所述，即使扭矩传感器发生故障，根据本发明的实施例的MDPS系统的控制方法也可以通过基于横摆率、横向加速度和车辆速度估计虚拟柱扭矩来产生驾驶员所需的辅助扭矩，从而最大限度地提高稳定性和可靠性。此外，MDPS系统的控制方法可以在没有扭矩传感器的情况下通过估计柱扭矩来生成辅助扭矩，这使得可以减少部件数量和制造成本。
尽管出于说明性目的公开了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (13)

1.一种电动机驱动动力转向MDPS系统，包括：
车速传感器，被配置为感测车速；
横摆率传感器，被配置为感测车辆的倾斜状态，并输出横摆率值；
横向加速度传感器，被配置为感测作用在所述车辆的横向方向上的横向加速度；和
MDPS控制器，被配置为分别从所述车速传感器、所述横摆率传感器和所述横向加速度传感器接收所述车速、所述横摆率值和所述横向加速度，并通过估计柱扭矩来计算辅助扭矩。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动动力转向MDPS系统，其中所述MDPS控制器包括：
柱扭矩估计单元，被配置为基于车辆的动态模型估计行为值，通过基于所述行为值计算轮胎横向力来计算齿条力，并通过所述齿条力估计所述柱扭矩；和
辅助扭矩计算单元，被配置为基于所述车速、转向角和由所述柱扭矩估计单元估计的所述柱扭矩来计算所述辅助扭矩。
3.根据权利要求2所述的电动机驱动动力转向MDPS系统，其中所述柱扭矩估计单元包括：
行为估计单元，被配置为接收所述车速、所述横摆率值和所述横向加速度，并基于所述车辆的动态模型估计所述行为值；
轮胎横向力计算单元，被配置为基于由所述行为估计单元估计的所述行为值来计算前轮胎横向力和后轮胎横向力；
齿条力计算单元，被配置为通过将通过所述轮胎横向力计算单元计算的所述前轮胎横向力和后轮胎横向力乘以转弯刚度校正增益来计算所述齿条力；和
柱扭矩计算单元，被配置为通过对通过所述齿条力计算单元计算的所述齿条力进行逆变换来计算所述柱扭矩。
4.根据权利要求3所述的电动机驱动动力转向MDPS系统，其中，所述行为估计单元基于所述车辆的动态模型通过外部卡尔曼滤波器估计所述行为值。
5.根据权利要求2所述的电动机驱动动力转向MDPS系统，其中所述行为值包括所述车辆的侧滑、转向角和估计的横摆率值中的一个或多个。
6.根据权利要求2所述的电动机驱动动力转向MDPS系统，其中所述MDPS控制器包括：
PID控制单元，被配置为分别从转向角传感器和电动机角度传感器接收转向角和电动机角度，并计算电动机位置控制值，使得电动机角度遵循转向角；和
输出选择单元，被配置为根据所述车速选择性地输出通过所述PID控制单元计算的所述电动机位置控制值和通过所述辅助扭矩计算单元计算的所述辅助扭矩。
7.根据权利要求6所述的电动机驱动动力转向MDPS系统，其中，所述MDPS控制器还包括同步单元，被配置为当所述车辆启动时使所述转向角传感器的所述转向角与所述电动机角度传感器的所述电动机角度同步。
8.根据权利要求6所述的电动机驱动动力转向MDPS系统，其中，当车速小于预设速度时，所述输出选择单元输出所述电动机位置控制值作为最终辅助扭矩，并且当所述车速等于或大于预设速度时，输出所述辅助扭矩作为最终辅助扭矩。
9.一种MDPS系统的控制方法，包括：
当车速等于或大于预设车速时，由MDPS控制器接收车速、横摆率值和横向加速度并基于车辆的动态模型估计行为值；
由所述MDPS控制器基于估计的行为值计算前轮胎横向力和后轮胎横向力；
由所述MDPS控制器通过将所述前轮胎横向力和后轮胎横向力乘以转弯刚度校正增益来计算齿条力；
由所述MDPS控制器通过对所述齿条力进行逆变换来计算柱扭矩；和
由所述MDPS控制器基于所计算的柱扭矩、所述车速和转向角计算辅助扭矩。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其中，在估计行为值时，所述MDPS控制器基于所述车辆的动态模型通过外部卡尔曼滤波器估计所述行为值。
11.根据权利要求9所述的控制方法，其中，所述行为值包括所述车辆的侧滑、转向角和估计的横摆率值中的一个或多个。
12.根据权利要求9所述的控制方法，还包括：当所述车速小于预设车速时，由所述MDPS控制器接收转向角和电动机角度，并通过PID控制来计算电动机位置控制值，使得所述电动机角度遵循所述转向角。
13.根据权利要求9所述的控制方法，还包括：当车辆启动时，由所述MDPS控制器使转向角传感器的转向角和电动机角度传感器的电动机角度同步。
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