CN109911000A - 用于估算车辆的方向盘转矩的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作机动车辆的方法，包括：基于驾驶员与作为电动助力转向系统的一部分的方向盘的相互作用来感测出感测转矩，感测转矩是使用转矩传感器所感测的；使用基于电动助力转向系统的转向系统模型的状态变量来计算驾驶员方向盘转矩；以及通过控制器控制从转向系统模型计算出的驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的感测转矩之间的差异收敛至零。

Description

用于估算车辆的方向盘转矩的方法
技术领域
本发明涉及一种用于估算车辆的方向盘转矩的方法。
背景技术
电动助力转向系统(例如，马达驱动助力转向或者MDPS系统)是一种用于基于行驶速度来改变转向力的车辆速度敏感型助力转向设备。在该系统中，电动助力转向模块的ECU通过基于车辆速度控制转向角和马达的操作来给驾驶员提供最佳转向感觉。
作为电动助力转向系统的示例的MDPS系统被分类为柱式(其中，马达被安装在转向柱上)和齿条式(其中，马达被安装在连接至转向轴的齿杆上)。
电动助力转向系统基于转矩传感器(其用于感测耦接至转向柱的扭力杆的转矩)的转矩感测值来计算驾驶员转动方向盘的意图(驾驶员转矩)。
例如，如在图1中示出的，扭力杆20耦接至连接至方向盘10的转向轴12，并且转矩传感器22被安装在扭力杆20的上端和下端。在这种配置中，转矩传感器22感测扭力杆20的转矩以及用作驾驶员方向盘转矩(其是由驾驶员施加以转动方向盘的转矩)的转矩。
然而，当驾驶员实际上转动方向盘时，转矩传感器的基于机构的非线性特性的转矩感测值和驾驶员方向盘转矩(驾驶员的转向的意图)可能根据转矩传感器在电动助力转向系统中的位置而不同。因此，当基于来自转矩传感器的转矩感测信号来控制电动助力转向系统时，难以准确地估算驾驶员方向盘转矩(驾驶员的转向的意图)。因此，转矩传感器的转矩感测值不得已而被看作是驾驶员方向盘转矩并且用于控制电动助力转向系统的各个部件。
发明内容
本发明涉及一种用于估算车辆的方向盘转矩的方法。具体实施例涉及一种能够准确地估算由操作方向盘的驾驶员施加的转矩以便提高电动助力转向系统的反馈控制的精确度的用于估算车辆的方向盘转矩的方法。
如果能够准确地知晓作为由驾驶员实际上施加以转动方向盘的转矩的驾驶员方向盘转矩，则能够通过电动助力转向(MDPS)系统的各种控制逻辑来更加准确地且直观地补偿驾驶员方向盘转矩，并且因此能够控制电动助力转向(MDPS)系统的性能。
本发明的实施例可以解决问题并且提供一种用于估算车辆的方向盘转矩的方法，该方法能够通过精确地辅助电动助力转向系统来提高使车辆转向的性能，这通过基于电动助力转向系统的动态特性和驾驶员模型通过电动助力转向系统的行为来准确地估算鉴于驾驶员的方向盘转矩(驾驶员的转向意图)，使得可以将方向盘转矩反映至电动助力转向系统的反馈控制逻辑。
例如，一种用于估算车辆的方向盘转矩的方法包括：为用于设计电动助力转向系统的转向系统建模；构建用于使用转向系统建模中的状态变量来计算驾驶员方向盘转矩的转向系统模型；以及通过控制器控制从转向系统模型计算出的驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的转矩之间的差异收敛至零。
本发明的实施例可以提供以下效果。
首先，能够通过准确地估算鉴于驾驶员的方向盘转矩(驾驶员的转向意图)来精确地辅助电动助力转向系统，使得可以将方向盘转矩反映至电动助力转向系统的反馈控制逻辑。
也就是说，通过以用于直接操作方向盘的驾驶员作用力(而不是由转矩传感器所感测到的转矩)来代替作为驾驶员反馈信号的驾驶员转矩，能够提高电动助力转向系统的反馈控制的控制精确度，并且因此能够更加精确地辅助转向力。
其次，当通过转矩传感器来感测转矩时，即使驾驶员将手从方向盘上移开，由于转向柱组件的重量和惯性，也可能存在失真，但该失真可以通过本发明的驾驶员方向盘转矩估算器来补偿。
第三，当研发诸如自动泊车、保持车道、高速路上的自动驾驶、无人自动驾驶等技术时，本发明可以用于确定使驾驶员直接操作方向盘的条件。
附图说明
当结合附图来进行如下详细描述时，本公开的上述和其它目的、特征以及其它优点将得到更加清楚地理解，在附图中：
图1是示出了电动助力转向系统的配置的示意图；
图2是示出了根据本发明的车辆的方向盘转矩估算器的视图；以及
图3是示出了用于估算本发明的车辆的方向盘转矩的方法的转向系统模型的建模示例的示意图。
具体实施方式
下文将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。
本发明的实施例可以配置一种驾驶员转矩估算器，该驾驶员转矩估算器考虑到在驾驶员转动方向盘时的实际驾驶员方向盘转矩Tdriver与由转矩传感器所感测到的作为驾驶员方向盘转矩的转矩Tsensor之间的差异使用转向系统建模中所包括的部件的状态变量来估算实际驾驶员方向盘转矩，使得所估算的驾驶员方向盘转矩Tdriver与由转矩传感器所感测到的转矩Tsensor之间的差异可以用于补偿被输入至电动助力转向系统的反馈控制器的目标转向转矩，并且电动助力转向系统的转向力可以得到精确地辅助。
图2是示出了用于估算本发明的车辆的方向盘转矩的方法的视图，其中，附图标记“100”表示驾驶员转矩估算器。
驾驶员转矩估算器将从待在下文描述的转向系统建模中的部件的状态变量所估算出的驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的转矩之间的差异收敛至零。
参照图2，驾驶员转矩估算器100包括：转向系统模型102，该转向系统模型102估算并输出驾驶员方向盘转矩；以及控制器104，该控制器104执行控制以用于将由转向系统模型102估算出的驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的转矩之间的差异收敛至零。
图3是示出了用于估算本发明的车辆的方向盘转矩的方法的转向系统模型的建模示例的视图。
首先，使用键合图等来对用于设计电动助力转向系统的转向系统进行建模，该转向系统包括：方向盘10；扭力杆20，该扭力杆20耦接至连接至方向盘10的转向轴12；转矩传感器(未示出)，该转矩传感器用于感测扭力杆的转矩；马达24；以及减速器26，该减速器26用于辅助被施加至转向轴的转向力；等等。
在图3中示出的转向系统建模中的部件的状态变量被定义为如下：
JSW：方向盘的惯性
ωSW：转向轴的角速度
TSW：方向盘转矩[＝驾驶员转矩(Tdriver)]
ku：扭力杆的刚度
bu：转向柱的顺度(阻尼常数)
qu：扭力杆的位移角(扭转角)
PSW：方向盘的动量(瞬间转矩)的变化率
gG：减速器的齿数比
ωm：马达的角速度
接下来，构建用于使用转向系统建模中的状态变量来估算驾驶员方向盘转矩的转向系统模型。
为此，方向盘的动量的变化率PSW和扭力杆的位移角qu被归纳为方程式1和2，方程式1和2是在转向系统建模中形成的运动方程式。
【方程式1】
在方程式1中，TSW是方向盘转矩[＝驾驶员转矩(Tdriver)]，qu是扭力杆的位移角(扭转角)，ku是扭力杆的刚度，bu是转向柱的顺度(阻尼常数)，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
【方程式2】
其中，PSW是方向盘的动量(瞬间转矩)的变化率，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
接下来，从方程式1和2推导出驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的作为驾驶员方向盘转矩的转矩之间的关系以计算驾驶员方向盘转矩，并且该关系可以表达为如下方程式3。
【方程式3】
在方程式3中，Tdriver是驾驶员方向盘转矩(＝TSW)，qu·ku是由转矩传感器所感测到的转矩，PSW是方向盘的动量(瞬间转矩)的变化率，bu是转向柱的顺度(阻尼常数)，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
因此，可以通过在方程式3中转置由转矩传感器所感测到的转矩来计算驾驶员方向盘转矩Tdriver。
驾驶员方向盘转矩Tdriver是由驾驶员转矩估算器100的转向系统模型102计算和输出的。
接下来，控制器104控制由转向系统模型102计算出的驾驶员方向盘转矩Tdriver与由转矩传感器所感测到的转矩Tsensor之间的差异收敛至零。
如上文所描述的，控制器104输出差异收敛至零的驾驶员方向盘转矩，使得驾驶员方向盘转矩被输入至电动助力转向系统的反馈控制器，因而能够更加精确地辅助电动助力转向系统的转向力。

Claims (20)

1.一种用于估算车辆的方向盘转矩的方法，所述方法包括：
为用于设计电动助力转向系统的转向系统建模；
构建用于使用来自转向系统建模中的状态变量来计算驾驶员方向盘转矩Tdriver的转向系统模型；以及
通过控制器控制从所述转向系统模型计算出的驾驶员方向盘转矩Tdriver与由转矩传感器所感测到的转矩Tsensor之间的差异收敛至零。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转向系统模型是通过以下步骤构建的：
从所述转向系统建模中的所述状态变量来归纳方向盘的动量的变化率PSW和扭力杆的位移角qu；以及
使用方向盘的动量的变化率PSW和扭力杆的位移角qu来归纳驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的转矩之间的关系，以便计算驾驶员方向盘转矩。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，方向盘的动量的变化率PSW被归纳为：
其中，TSW是方向盘转矩，该方向盘转矩等于驾驶员方向盘转矩Tdriver，qu是扭力杆的位移角，ku是扭力杆的刚度，bu是转向柱的顺度，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，扭力杆的位移角qu被归纳为：
其中，PSW是方向盘的动量的变化率，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，驾驶员方向盘转矩通过以下方程式来计算：
其中，Tdriver是驾驶员方向盘转矩，qu·ku是由转矩传感器所感测到的转矩，PSW是方向盘的动量的变化率，bu是转向柱的顺度，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
6.一种操作车辆的方法，所述方法包括：
基于驾驶员与作为电动助力转向系统的一部分的方向盘的相互作用来感测出感测转矩，所述感测转矩是使用转矩传感器所感测的；
使用基于所述电动助力转向系统的转向系统模型的状态变量来计算驾驶员方向盘转矩；以及
通过控制器控制从所述转向系统模型计算出的驾驶员方向盘转矩与由所述转矩传感器所感测到的感测转矩之间的差异收敛至零。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：基于所控制的差异来控制所述车辆的转向。
8.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：构建所述转向系统模型。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述转向系统模型是通过以下步骤构建的：
从转向系统建模中的状态变量来归纳方向盘的动量的变化率和扭力杆的位移角qu；以及
使用方向盘的动量的变化率和扭力杆的位移角来归纳驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的感测转矩之间的关系，以便计算驾驶员方向盘转矩。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，方向盘的动量的变化率PSW被归纳为：
其中，Tdriver是驾驶员方向盘转矩，Tsensor是感测转矩，qu是扭力杆的位移角，ku是扭力杆的刚度，bu是转向柱的顺度，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，扭力杆的位移角qu被归纳为：
其中，PSW是方向盘的动量的变化率，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，驾驶员方向盘转矩通过以下方程式来计算：
其中，Tdriver是驾驶员方向盘转矩，qu·ku是由转矩传感器所感测到的转矩，PSW是方向盘的动量的变化率，bu是转向柱的顺度，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，所述转向系统模型包括：通过从转向系统建模中的状态变量归纳方向盘的动量的变化率和扭力杆的位移角所构建的模型；以及驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的感测转矩之间的关系，所述关系使用方向盘的动量的变化率和扭力杆的位移角来计算驾驶员方向盘转矩。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，方向盘的动量的变化率PSW被归纳为：
其中，Tdriver是驾驶员方向盘转矩，Tsensor是感测转矩，TSW是方向盘转矩，该方向盘转矩等于驾驶员方向盘转矩Tdriver，qu是扭力杆的位移角，ku是扭力杆的刚度，bu是转向柱的顺度，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，扭力杆的位移角qu被归纳为：
其中，PSW是方向盘的动量的变化率，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，驾驶员方向盘转矩通过以下方程式来计算：
其中，Tdriver是驾驶员方向盘转矩，qu·ku是由转矩传感器所感测到的转矩，PSW是方向盘的动量的变化率，bu是转向柱的顺度，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
17.一种用于操作车辆的方法，所述方法包括：
使用转向系统建模中的状态变量来构建用于计算驾驶员方向盘转矩的转向系统模型，所述转向系统模型是通过从所述转向系统建模中的所述状态变量归纳方向盘的动量的变化率和扭力杆的位移角以及通过驾驶员方向盘转矩与由转矩传感器所感测到的转矩之间的关系所构建的，所述关系使用方向盘的动量的变化率和扭力杆的位移角来计算驾驶员方向盘转矩；
基于驾驶员与所述方向盘的相互作用来感测出感测转矩；以及
基于所述转向系统模型和所述感测转矩使所述车辆转向。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，方向盘的动量的变化率PSW被归纳为：
其中，TSW是方向盘转矩，该方向盘转矩等于驾驶员方向盘转矩Tdriver，qu是扭力杆的位移角，ku是扭力杆的刚度，bu是转向柱的顺度，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，扭力杆的位移角qu被归纳为：
其中，PSW是方向盘的动量的变化率，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，驾驶员方向盘转矩通过以下方程式来计算：
其中，Tdriver是驾驶员方向盘转矩，该驾驶员方向盘转矩等于TSW，qu·ku是由转矩传感器所感测到的转矩，PSW是方向盘的动量的变化率，bu是转向柱的顺度，JSW是方向盘的惯性，gG是减速器的齿数比，并且ωm是马达的角速度。
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