CN110001758A - 车用转向操纵装置 - Google Patents

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CN110001758A CN201811469675.5A CN201811469675A CN110001758A CN 110001758 A CN110001758 A CN 110001758A CN 201811469675 A CN201811469675 A CN 201811469675A CN 110001758 A CN110001758 A CN 110001758A
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马克西姆·莫雷隆
罗伯特·富克斯
田村勉
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Abstract

本发明提供一种车用转向操纵装置，自动转向操纵解除控制部包含在满足转移控制开始条件时将在该时刻由角度控制部设定的角度控制用目标扭矩作为转移控制开始时的角度控制用目标扭矩存储的机构；以及根据转移控制开始时的角度控制用目标扭矩和由路面负荷推断部推断的路面负荷扭矩运算转移控制时用的目标自动转向操纵扭矩，使用与角度偏差对应的值的绝对值对转移控制用的目标自动转向操纵扭矩和目标辅助扭矩进行加权加法运算从而运算目标马达扭矩，根据该目标马达扭矩控制电动马达的机构。

Description

车用转向操纵装置
相关申请的交叉引用
本申请主张于2017年11月29日提出的日本专利申请第2017-229229号的优先权，并在此引用包括说明书、附图和说明书摘要的全部内容。
技术领域
本发明涉及能够使用相同的电动马达实现自动控制转向操纵角的自动转向操纵控制、和手动控制转向操纵角的手动转向操纵控制(辅助控制)的车用转向操纵装置。
背景技术
日本特开2004-256076号公报公开了能够使用相同的促动器(电动马达)实现自动控制转向操纵角的自动转向操纵控制、和手动控制转向操纵角的手动转向操纵控制的车用转向操纵装置。日本特开2004-256076号公报记载的发明中，要利用促动器对转向轴施加的转向操纵扭矩(以下称为目标促动器扭矩Tt)用下式a表示。
Tt＝Kasst·Tasst+Kauto·Tauto…式a
上述式a中，Tasst是目标辅助扭矩，Tauto是用于进行自动转向操纵控制的目标转向操纵扭矩(以下称为目标自动转向操纵扭矩)，Kasst和Kauto分别是加权系数。促动器以产生与目标促动器扭矩Tt一致的扭矩的方式来控制。
手动转向操纵控制时，Kauto为零，所以Tt＝Kasst·Tasst。手动转向操纵控制中，系数Kasst设定为1，所以Tt＝Tasst。自动转向操纵控制时，根据上述式a，运算目标促动器扭矩Tt。自动转向操纵控制中，若未施加来自驾驶员的转向操作，则除了自动转向操纵控制开始和结束时以外，其它时候转向操纵扭矩为0，所以目标辅助扭矩Tasst为0。自动转向操纵控制中没有由驾驶员执行的方向盘转向操作时，系数Kauto设定为1，所以Tt＝Tauto。
日本特开2004-256076号公报记载的发明中，在自动转向操纵控制中检测到转向操纵介入的情况下，开始用于从自动转向操纵控制移至手动转向操纵控制的转移控制。该转移控制中，每经过规定时间，使Kauto的值减少规定值K1并且使Kasst的值增加规定值K2。但是，Kauto的值在低于0时固定于0，Kasst的值在超过1时固定于1。然后，使用更新后的Kauto和Kasst运算目标促动器扭矩Tt，控制促动器使从促动器产生与运算出的目标促动器扭矩Tt一致的扭矩。这样，当Kauto的值为0并且Kasst的值为1，转移控制结束。
日本特开2004-256076号公报记载的转移控制中，Kauto的值相对于时间逐渐减少，Kasst的值相对于时间逐递增加。然后，当在Kauto的值为0且Kasst的值为1时，转移控制结束。由此，在解除自动转向操纵控制时，能够抑制目标促动器扭矩Tt的变动，所以能够减少驾驶员感到的不协调。然而，日本特开2004-256076号公报记载的发明中，转移控制开始之后到结束为止的时间(转移控制时间)始终恒定，所以无法通过驾驶员的转向操纵操作使转移控制时间变化。因此，例如存在紧急时无法迅速进行从自动转向操纵控制向手动转向操纵控制切换的担忧。
发明内容
本发明的目的之一在于提供能够通过驾驶员的转向操纵操作使转移控制时间变化的车用转向操纵装置。
本发明的一实施方式的车用转向操纵装置的结构特征是包含：电动马达，其对车辆的转向机构施加转向操纵力；设定机构，其设定用于使目标转向操纵角与实际转向操纵角之间的角度偏差接近零的角度控制用目标扭矩；推断机构，其推断所述电动马达的驱动对象从路面受到的路面负荷扭矩；自动转向操纵控制机构，其根据由所述设定机构设定的角度控制用目标扭矩、和由所述推断机构推断的路面负荷扭矩设定目标自动转向操纵扭矩，根据该目标自动转向操纵扭矩控制所述电动马达从而进行自动转向操纵控制；手动转向操纵控制机构，其根据与转向操纵扭矩对应的目标辅助扭矩控制所述电动马达从而进行手动转向操纵控制；以及自动转向操纵解除机构，其根据所述自动转向操纵控制机构所进行的自动转向操纵控制中的驾驶员的转向操纵操作，将自动转向操纵控制切换为手动转向操纵控制，所述自动转向操纵解除机构包含转移控制机构，在满足至少包含转向操纵扭矩的绝对值为第一规定值以上这样的条件在内的转移控制开始条件时，所述转移控制机构进行转移控制，所述转移控制机构包含：第一控制机构，其在满足所述转移控制开始条件的时刻，根据所述设定机构设定的角度控制用目标扭矩，作为转移控制开始时的角度控制用目标扭矩而存储；第二控制机构，其根据所述转移控制开始时的角度控制用目标扭矩和由所述推断机构推断的路面负荷扭矩，运算转移控制用的目标自动转向操纵扭矩，使用与所述角度偏差对应的值的绝对值对所述转移控制用的目标自动转向操纵扭矩和所述目标辅助扭矩进行加权加法运算从而运算目标马达扭矩，根据该目标马达扭矩控制所述电动马达；以及第三控制机构，其在与所述角度偏差对应的值的绝对值大于等于第二规定值时，结束所述转移控制，将自动转向操纵控制切换为手动转向操纵控制。
通过以下参照附图对本发明的实施方式示例进行的详细描述，本发明的上述及其他特征和优点会变得更加清楚，其中，相同的附图标记表示相同的要素。
附图说明
图1是表示作为本发明的车用转向操纵装置的一实施方式的电动转向装置的简要结构的示意图。
图2是用于说明马达控制用ECU的电气结构的框图。
图3是表示针对转向操纵扭矩Td的目标辅助扭矩Tm，mc的设定例的图表。
图4是表示角度控制部的结构的框图。
图5是表示路面负荷推断部的结构的框图。
图6是表示电动转向系统的物理模型的结构例的示意图。
图7是表示干扰扭矩推断部的结构的框图。
图8A是用于说明在自动转向操纵模式中由自动转向操纵解除控制部执行的动作的一个例子的流程图。
图8B是用于说明在自动转向操纵模式中由自动转向操纵解除控制部执行的动作的一个例子的流程图。
图9是用于说明返回控制的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。图1是表示作为本发明的车用转向操纵装置的一实施方式的电动助力转向系统(EPS：electric power steering)1的简要结构的示意图。该电动助力转向系统1是在转向柱部配置有电动马达和减速机的转向柱型EPS。
电动助力转向系统1具备方向盘(手柄)2、转向机构4、转向操纵辅助机构5。方向盘2是用于使车辆转向的转向操纵部件。转向机构4以与该方向盘2的旋转联动的方式使转向轮3转向。转向操纵辅助机构5辅助驾驶员的转向操纵。方向盘2与转向机构4经由转向轴6和中间轴7机械地连结。
转向轴6包含与方向盘2连结的输入轴8、和与中间轴7连结的输出轴9。输入轴8与输出轴9经由扭杆10连结为能够相对旋转。扭杆10的附近配置有扭矩传感器12。扭矩传感器12根据输入轴8和输出轴9的相对旋转位移量，检测施加于方向盘2的转向操纵扭矩(扭杆扭矩)Td。该实施方式中，对于由扭矩传感器12检测的转向操纵扭矩Td，例如用于朝左转向的扭矩作为正值被检测，用于朝右转向的扭矩作为负值被检测。其绝对值越大，转向操纵扭矩Td的大小越大。
转向机构4由包含小齿轮轴13和作为转向轴的齿条轴14在内的齿条和小齿轮机构构成。在齿条轴14的各端部经由拉杆15和转向节臂(图示略)连结有转向轮3。小齿轮轴13与中间轴7连结。小齿轮轴13以与方向盘2的转向操纵联动的方式旋转。小齿轮轴13的前端连结有小齿轮16。
齿条轴14沿车辆的左右方向呈直线状延伸。在齿条轴14的轴向的中间部形成有与小齿轮16啮合的齿条17。利用该小齿轮16和齿条17，将小齿轮轴13的旋转转换为齿条轴14的轴向移动。使齿条轴14沿轴向移动，从而能够使转向轮3转向。
若转向操纵(旋转)方向盘2，则该旋转经由转向轴6和中间轴7传递至小齿轮轴13。然后，小齿轮轴13的旋转由小齿轮16和齿条17转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3转向。转向操纵辅助机构5包含电动马达18和减速机19。电动马达18产生转向操纵辅助力(辅助扭矩)。减速机19将电动马达18的输出扭矩增幅并传递至转向机构4。减速机19由包含蜗杆20和与该蜗杆20啮合的蜗轮21在内的蜗杆副机构构成。减速机19收纳于作为传递机构外壳的齿轮箱22内。
蜗杆20被电动马达18驱动而旋转。另外，蜗轮21以能够一体旋转的方式与输出轴9连结。蜗轮21被蜗杆20驱动而旋转。若蜗杆20被电动马达18驱动而旋转，则蜗轮21被驱动旋转，马达扭矩施加于转向轴6并且转向轴6(输出轴9)旋转。然后，转向轴6的旋转经由中间轴7传递至小齿轮轴13。小齿轮轴13的旋转被转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3转向。即利用电动马达18驱动蜗杆20旋转，从而利用电动马达18能够进行转向操纵辅助和转向轮3的转向。在电动马达18设置有用于检测电动马达18的转子的旋转角的旋转角传感器23。
作为施加于输出轴9(电动马达18的驱动对象)的扭矩，有电动马达18的马达扭矩、和除马达扭矩以外的干扰扭矩。马达扭矩以外的干扰扭矩Tlc包含转向操纵扭矩Td和路面负荷扭矩(路面反作用力扭矩)Trl。转向操纵扭矩Td是由于驾驶员施加于方向盘2的力、因转向惯性产生的力等，从方向盘2侧施加于输出轴9(电动马达18的驱动对象)的扭矩。
路面负荷扭矩Trl是因轮胎产生的自动调心扭矩、因悬架、轮胎车轮对准产生的力、齿条和小齿轮机构的摩擦力等，从路面侧经由转向轮3和齿条轴14施加于输出轴9(电动马达18的驱动对象)的扭矩。以下，从路面传递至输出轴9的路面负荷扭矩用Trl表示，Trl除以减速机19的减速比N所得的值(Trl/N)用Trlc表示。
车辆搭载有用于检测车速V的车速传感器24、拍摄车辆的行进方向前方的道路的CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)照相机25、用于检测本车位置的GPS(GlobalPositioning System：全球定位系统)26以及用于检测道路形状、障碍物的雷达27。车辆还搭载有存储地图信息的地图信息存储器28和用于进行自动转向操纵模式设定及其解除的自动转向操纵模式开关29。
CCD照相机25、GPS26、雷达27、地图信息存储器28以及自动转向操纵模式开关29与用于进行自动辅助控制、自动驾驶控制的上位ECU(ECU：Electronic Control Unit)201连接。上位ECU201根据CCD照相机25、GPS26以及雷达27得到的信息和存储于地图信息存储器28的地图信息，进行周边环境识别、本车位置推断、路径规划等，进行转向操纵、驱动促动器的控制目标值的决定。上位ECU201根据来自自动转向操纵模式开关29的输入信号，对自动转向操纵模式设定和解除进行指示。
该实施方式中，上位ECU201设定用于自动转向操纵的目标转向操纵角θcmda，并且生成与自动转向操纵模式开关29的操作对应的模式切换信号(自动转向操纵模式设定信号或者自动转向操纵模式解除信号)。该实施方式中，自动转向操纵控制例如是用于使车辆沿目标轨道行驶的车道保持控制(驾驶辅助控制的一种)。目标转向操纵角θcmda是用于使车辆沿目标轨道自动行驶的转向操纵角的目标值。设定这样的目标转向操纵角θcmda的处理是公知的，所以这里省略详细的说明。该实施方式中，将输出轴9的旋转角称为“转向操纵角”。
由上位ECU201设定的目标转向操纵角θcmda和由上位ECU201生成的模式切换信号经由车载网络传输至马达控制用ECU202。由扭矩传感器12检测的转向操纵扭矩Td、旋转角传感器23的输出信号、由车速传感器24检测的车速V输入至马达控制用ECU202。马达控制用ECU202根据上述输入信号和从上位ECU201传输的信息控制电动马达18。
马达控制用ECU202在通过上位ECU201传输自动转向操纵模式设定信号时，根据进行自动转向操纵控制的自动控制模式控制电动马达18。若由上位ECU201传输自动转向操纵模式解除信号，则马达控制用ECU202解除自动转向操纵控制，根据进行手动转向操纵控制(辅助控制)的手动转向操纵模式(辅助控制模式)控制电动马达18。手动转向操纵模式是根据由扭矩传感器12检测的转向操纵扭矩Td、和由车速传感器24检测的车速V，使电动马达18产生用于辅助驾驶员的转向操纵的转向操纵辅助力(辅助扭矩)的控制模式。
马达控制用ECU202除了根据来自上位ECU201的模式切换信号切换控制模式之外，还具备在自动转向操纵模式时存在因驾驶员的转向操作(转向操纵操作)而产生的介入动作时将控制模式从自动转向操纵模式切换为手动转向操纵模式的功能(越权(override)功能)。图2是用于说明马达控制用ECU202的电气结构的框图。
马达控制用ECU202具备微机40、驱动电路(变频器电路)31、电流检测电路32。驱动电路31由微机40控制，向电动马达18供电。电流检测电路32检测流向电动马达18的电流(以下称为“马达电流I”)。微机40具备CPU和存储器(ROM、RAM、非易失性存储器等)，通过执行规定的程序，作为多个功能处理部发挥功能。该多个功能处理部包含辅助控制部41、角度控制部(angle controller)42、路面负荷推断部(road load estimator)43、扭矩减算部44、手柄操作状态判定部45、目标马达扭矩设定部46、目标马达电流运算部47、电流偏差运算部48、PI控制部49、PWM(脉冲宽度调制：Pulse Width Modulation)控制部50、旋转角运算部51、减速比除算部52。
旋转角运算部51根据旋转角传感器23的输出信号，运算电动马达18的转子旋转角θm。减速比除算部52将由旋转角运算部51运算的转子旋转角θm除以减速比N，由此将转子旋转角θm换算为输出轴9的旋转角(实际转向操纵角)θ。辅助控制部41设定作为辅助扭矩的目标值(手动转向操纵模式时的马达扭矩的目标值)的目标辅助扭矩Tm，mc。辅助控制部41根据由扭矩传感器12检测的转向操纵扭矩Td、和由车速传感器24检测的车速V，设定目标辅助扭矩Tm，mc。针对转向操纵扭矩Td的目标辅助扭矩Tm，mc的设定例如图3所示。对于转向操纵扭矩Td而言，例如用于朝左转向的扭矩取为正值，用于朝右转向的扭矩取为负值。目标辅助扭矩Tm，mc在要使电动马达18产生用于左转操纵的转向操纵辅助力时为正值，在要使电动马达18产生用于右转操纵的转向操纵辅助力时为负值。
转向操纵扭矩Td为正值时目标辅助扭矩Tm，mc为正，转向操纵扭矩Td为负值时目标辅助扭矩Tm，mc为负。而且，目标辅助扭矩Tm，mc设定为转向操纵扭矩Td的绝对值越大则其绝对值越大。另外，目标辅助扭矩Tm，mc设定为由车速传感器24检测的车速V越大则其绝对值越小。
角度控制部42根据从上位ECU201施加目标转向操纵角θcmda和由减速比除算部52运算的实际转向操纵角θ，设定角度控制(转向操纵角控制)所需要的角度控制用目标扭矩Tm，ac。角度控制部42的详细结构后述。路面负荷推断部43根据由扭矩传感器12检测的转向操纵扭矩Td、由减速比除算部52运算的实际转向操纵角θ、由目标马达扭矩设定部46设定的目标马达扭矩Tm，推断路面负荷扭矩Trlc。路面负荷推断部43的详细结构后述。
扭矩减算部44将由角度控制部42设定的角度控制用目标扭矩Tm，ac减去由路面负荷推断部43推断的路面负荷扭矩Trlc。由此，扭矩减算部44运算作为自动转向操纵模式时的马达扭矩的目标值的目标自动转向操纵扭矩Tm，ad。手柄操作状态判定部45根据由扭矩传感器12检测的转向操纵扭矩Td和由减速比除算部52运算的实际转向操纵角θ，判定是驾驶员抓握手柄的上手状态(把持状态)还是驾驶员没有抓握手柄的放手状态(松手状态)。由手柄操作状态判定部45输出作为判定结果的上手/放手辨别信号。作为手柄操作状态判定部45，例如可以使用日本特开2017-114324号公报公开的手柄操作状态判定部。作为手柄操作状态判定部45，只要能够辨别上手状态和放手状态，也可以使用其它公知机构。
向目标马达扭矩设定部(模式切换控制部)46输入由辅助控制部41设定的目标辅助扭矩Tm，mc、由角度控制部42设定的角度控制用目标扭矩Tm，ac、由角度控制部42运算的目标转向操纵角θcmd(参照图4)、和由角度控制部42计算出的角度偏差Δθ(参照图4)。向目标马达扭矩设定部46输入由路面负荷推断部43推断的路面负荷扭矩Trlc、由扭矩减算部44运算的目标自动转向操纵扭矩Tm，ad、从手柄操作状态判定部45输出的上手/放手辨别信号、从上位ECU201输出的自动转向操纵模式设定信号或者自动转向操纵模式解除信号、从扭矩传感器输出的转向操纵扭矩Td。目标马达扭矩设定部46根据上述输入，设定目标马达扭矩Tm。目标马达扭矩设定部46的详细结构后述。
目标马达电流运算部47将由目标马达扭矩设定部46设定的目标马达扭矩Tm除以电动马达18的扭矩常量Kt，由此运算目标马达电流Icmd。电流偏差运算部48运算由目标马达电流运算部47得到的目标马达电流Icmd与由电流检测电路32检测出的马达电流I的电流偏差ΔI(＝Icmd-I)。
PI控制部49进行对由电流偏差运算部48运算的电流偏差ΔI的PI运算(比例积分运算)，从而生成用于将流向电动马达18的马达电流I导入目标马达电流Icmd的驱动指令值。PWM控制部50生成与上述驱动指令值对应的占空比的PWM控制信号，并供给至驱动电路31。
由此，与驱动指令值对应的电力供给至电动马达18。
以下，详细说明角度控制部42、路面负荷推断部43以及目标马达扭矩设定部46。图4是表示角度控制部42的结构的框图。角度控制部42包含低通滤波器(LPF)61、目标转向操纵角切换部62、反馈控制部63、前馈控制部64、扭矩加算部65、减速比除算部66。
低通滤波器61对由上位ECU201施加目标转向操纵角θcmda进行低通滤波处理。低通滤波处理后的目标转向操纵角θcmd传送至目标转向操纵角切换部62，并且也传送至目标马达扭矩设定部46。目标转向操纵角切换部62具有第一输入端子P1和第二输入端子P2。向第一输入端子P1输入低通滤波处理后的目标转向操纵角θcmd。在利用目标马达扭矩设定部46(自动转向操纵解除控制部46A)进行后述的返回控制(图8B参照)时，从目标马达扭矩设定部46向第二输入端子P2输入返回控制用目标转向操纵角θcmd、rc。目标转向操纵角切换部62选择输入至第一输入端子P1的目标转向操纵角θcmd、和输入至第二输入端子P2的返回控制用目标转向操纵角θcmd、rc中的某一方输出。通常目标转向操纵角切换部62选择输入至第一输入端子P1的目标转向操纵角θcmd。目标转向操纵角切换部62由目标马达扭矩设定部46控制。
反馈控制部63为了使由减速比除算部52(参照图2)运算的实际转向操纵角θ接近从目标转向操纵角切换部62输出的目标转向操纵角θcmd或θcmd、rc而设置。反馈控制部63包含角度偏差运算部63A和PD控制部63B。角度偏差运算部63A运算从目标转向操纵角切换部62输出的目标转向操纵角θcmd或θcmd、rc、与由减速比除算部52运算的实际转向操纵角θ的偏差Δθ(＝(θcmd-θ)或者(θcmd、rc-θ))。由角度偏差运算部63A运算的角度偏差Δθ传送至PD控制部63B，并且也传送至目标马达扭矩设定部46。
PD控制部63B对由角度偏差运算部63A运算的角度偏差Δθ进行PD运算(比例微分运算)，从而运算反馈控制扭矩Tfb。反馈控制扭矩Tfb传送至扭矩加算部65。前馈控制部64为了补偿因电动助力转向系统1的惯性引起的响应性的延迟，提高控制的响应性而设置。前馈控制部64包含角加速度运算部64A和惯性乘算部64B。角加速度运算部64A对低通滤波处理后的目标转向操纵角θcmd进行二阶求导，由此运算目标角加速度d2θcmd/dt2。惯性乘算部64B将由角加速度运算部64A运算的目标角加速度d2θcmd/dt2乘以电动助力转向系统1的惯性J，由此运算前馈扭矩Tff(＝J·d2θcmd/dt2)。例如通过电动助力转向系统1的物理模型求出惯性J。前馈扭矩Tff作为惯性补偿值被传送至扭矩加算部65。
扭矩加算部65将反馈控制扭矩Tfb加上前馈扭矩Tff，由此运算角度控制用目标转向操纵扭矩(Tfb+Tff)。由此，得到惯性受到了补偿的角度控制用目标转向操纵扭矩(针对输出轴9的目标扭矩)。由此，进行高精度的马达控制(转向操纵角控制)。
角度控制用目标转向操纵扭矩(Tfb+Tff)传送至减速比除算部66。减速比除算部66将角度控制用目标转向操纵扭矩(Tfb+Tff)除以减速比N，由此运算角度控制用目标扭矩Tm，ac(针对电动马达18的目标扭矩)。该角度控制用目标扭矩Tm，ac传送至目标马达扭矩设定部46(参照图2)。
图5是表示路面负荷推断部43的结构的框图。路面负荷推断部43含有减速比乘算部71、干扰扭矩推断部(干扰观察器)72、减算部73、减速比除算部74。减速比乘算部71将由目标马达扭矩设定部46设定的目标马达扭矩Tm乘以减速比N，由此运算目标转向操纵扭矩N·Tm。
干扰扭矩推断部72推断在设备(控制对象(马达驱动对象))中作为干扰产生的非线形扭矩。该非线形扭矩是由电动马达18施加给驱动对象的扭矩中的、马达扭矩以外的扭矩，即干扰扭矩。干扰扭矩推断部72根据作为设备的目标值的目标转向操纵扭矩N·Tm、作为设备的输出的实际转向操纵角θ，推断干扰扭矩(干扰负荷)Tlc、转向操纵角θ以及转向操纵角微分值(角速度)dθ/dt。以下，有将干扰扭矩Tlc、转向操纵角θ以及转向操纵角微分值(角速度)dθ/dt的推断值分别用 以及表示的情况。
减算部73将从由干扰扭矩推断部72推断的干扰扭矩Tlc减去由扭矩传感器12检测出的转向操纵扭矩Td，从而运算传递至输出轴9(减速机19)的路面负荷扭矩Trl(＝Tlc-Td)。减速比除算部74将由减算部73运算的传递至输出轴9的路面负荷扭矩Trl除以减速比N，从而运算经由减速机19传递至电动马达18的马达轴的路面负荷扭矩Trlc。由减速比除算部74运算的路面负荷扭矩Trlc传送至扭矩减算部44(参照图2)和目标马达扭矩设定部46(参照图2)。
详细说明干扰扭矩推断部72。干扰扭矩推断部72由使用电动助力转向系统1的物理模型推断干扰扭矩Tlc、转向操纵角θ以及角速度dθ/dt的干扰观察器构成。图6是表示电动助力转向系统1的物理模型的结构例的示意图。
该物理模型101包含设备(马达驱动对象)102，该设备102包含输出轴9和固定于输出轴9的蜗轮21。从方向盘2经由扭杆10对设备102施加转向操纵扭矩Td，并且从转向轮3侧对设备102施加路面负荷扭矩Trl。并且，经由蜗杆20对设备102施加目标转向操纵扭矩N·Tm。
将设备102的惯性设为J，物理模型101的惯性的运动方程式用下式(1)表示。
数学式1：
T1c＝Td+Tr1
d2θ/dt2是设备102的加速度。N是减速机19的减速比。Tlc表示施加于设备102的马达扭矩以外的干扰扭矩。该实施方式中，认为干扰扭矩Tlc主要包含转向操纵扭矩Td和路面负荷扭矩Trl。针对图6的物理模型101的状态方程式例如用下式(2)表示。
数学式2：
上述式(2)中，x是状态变量向量，u1是已知输入向量，u2是未知输入向量，y是输出向量(测定值)，A是系统矩阵，B1是第一输入矩阵，B2是第二输入矩阵，C是输出矩阵，D是直达矩阵。
将上述状态方程式扩张为包含未知输入向量u1作为状态之一的系。扩张系的状态方程式(扩张状态方程式)例如用下式(3)表示。
数学式3：
上述式(3)中，Xe是扩张系的状态变量向量，用下式(4)表示。
数学式4：
上述式(3)中，Ae是扩张系的系统矩阵。上述式(3)中，Be是扩张系的已知输入矩阵。上述式(3)中，Ce是扩张系的输出矩阵。根据上述式(3)的扩张状态方程式，构建在下式(5)的方程式中表示的干扰观察器(扩张状态观察器)。
数学式5：
式(5)中，表示Xe的推断值。另外，L是观察器增益。另外，表示y的推断值。用下式(6)表示。
数学式6：
是θ的推断值，是Tlc的推断值。干扰扭矩推断部72根据上述式(6)的方程式运算状态变量向量图7是表示干扰扭矩推断部72的结构的框图。干扰扭矩推断部72包含输入向量输入部81、输出矩阵乘算部82、第一加算部83、增益乘算部84、输入矩阵乘算部85、系统矩阵乘算部86、第二加算部87、积分部88、状态变量向量输出部89。
由减速比乘算部71(参照图5)运算的目标转向操纵扭矩N·Tm传送至输入向量输入部81。输入向量输入部81将输入向量u1输出。积分部88的输出作为状态变量向量(参照上述式(6))。运算开始时作为状态变量向量而传送初始值。状态变量向量的初始值例如为0。
系统矩阵乘算部86将状态变量向量乘以系统矩阵Ae。输出矩阵乘算部82将状态变量向量乘以输出矩阵Ce。第一加算部83将由减速比除算部52(参照图2)运算的实际转向操纵角θ即输出向量(测定值)y减去输出矩阵乘算部82的输出即第一加算部83运算输出向量y与输出向量推断值的差增益乘算部84将第一加算部83的输出乘以观察器增益L(参照上述式(5))。
输入矩阵乘算部85将从输入向量输入部81输出的输入向量u1乘以输入矩阵Be。第二加算部87将输入矩阵乘算部85的输出(Be·u1)、系统矩阵乘算部86的输出增益乘算部84的输出相加，由此运算状态变量向量的微分值积分部88对第二加算部87的输出进行积分，由此运算状态变量向量状态变量向量输出部89根据状态变量向量输出干扰扭矩推断值转向操纵角推断值以及角速度推断值
一般的干扰观察器与上述扩张状态观察器不同，由设备的逆模型和低通滤波器构成。设备的运动方程式用下式(7)表示。
数学式7：
因此，设备的逆模型成为下式(8)。
数学式8：
向一般的干扰观察器的输入为J·d2θ/dt2和Tm，使用实际转向操纵角θ的二阶导数，所以受到旋转角传感器23的噪声的影响很大。与此相对，上述实施方式的扩张状态观察器中，根据由马达扭矩输入推断的转向操纵角推断值与实际转向操纵角θ的差在积分型中推断干扰扭矩，所以能够减少因微分形成的噪声影响。
以下，详细说明目标马达扭矩设定部46。控制模式设定为手动转向操纵模式时，目标马达扭矩设定部46将由辅助控制部41设定的目标辅助扭矩Tm，mc设定为目标马达扭矩Tm。控制模式设定为自动转向操纵模式时，目标马达扭矩设定部46将由扭矩减算部44运算的目标自动转向操纵扭矩Tm，ad(＝Tm，ac-Trlc)设定为目标马达扭矩Tm。
目标马达扭矩设定部46具备自动转向操纵解除控制部46A，其在自动转向操纵模式时，根据驾驶员的转向操作产生的介入动作将控制模式从自动转向操纵模式切换为手动转向操纵模式(参照图2)。自动转向操纵解除控制部46A判定是否满足规定的转移控制开始条件，在判定满足转移控制开始条件时，开始转移控制。转移控制开始条件至少包含由扭矩传感器12检测的转向操纵扭矩Td的绝对值|Td|为规定的扭矩阈值以上这样的条件。
图8A和图8B是用于说明自动转向操纵模式中由自动转向操纵解除控制部46A执行的动作的一个例子的流程图。自动转向操纵解除控制部46A首先判定是否满足转移控制开始条件(步骤S1)。转移控制开始条件在该例中是转向操纵扭矩Td的绝对值|Td|为规定的扭矩阈值Tth以上，其中，Tth＞0，并且转向操纵扭矩Td的符号(sign(Td))与角度偏差Δθ的符号(sign(Δθ))的符号相同，并且角度偏差Δθ的绝对值|Δθ|大于角度阈值α，其中α＞0。转向操纵扭矩Td的符号(sign(Td))与角度偏差Δθ的符号(sign(Δθ))的符号相同这样的条件是指转向操纵扭矩Td的方向为角度偏差Δθ的绝对值变大的方向(实际转向操纵角θ远离目标转向操纵角的方向)。角度阈值α设定为比后述的规定的转移角度宽度w足够小的值，其中，w＞0。
在判定不满足转移控制开始条件的情况下(步骤S1：否)，自动转向操纵解除控制部46A再次进行步骤S1。上述步骤S1中，在判定满足转移控制开始条件的情况下(步骤S1：是)，自动转向操纵解除控制部46A开始转移控制。具体而言，自动转向操纵解除控制部46A进入步骤S2。步骤S2中，自动转向操纵解除控制部46A将判定满足转移控制开始条件时的角度控制用目标扭矩Tm，ac(角度控制部42的输出)作为转移控制开始时的角度控制用目标扭矩Tm，aco存储于存储器。自动转向操纵解除控制部46A将判定满足转移控制开始条件时的角度偏差Δθ作为转移控制开始时的角度偏差Δθo存储于存储器。
接下来，自动转向操纵解除控制部46A根据下式(9)，设定转移控制用的目标马达扭矩Tm(步骤S3)。
Tm＝{1-(|Δθtc|/w)}·(Tm，aco-Trlc)+(|Δθtc|/w)·Tm，mc…(9)
Δθtc＝Δθ-Δθo
由此，电动马达18以使马达扭矩与根据上述式(9)设定的转移控制用的目标马达扭矩Tm相等的方式驱动控制。
上述式(9)中，w是预先设定的转移角度宽度，其中，w＞0。Δθtc是当前的角度偏差Δθ与在步骤S2中存储于存储器的转移控制开始时的角度偏差Δθo的差值。Δθtc是“与角度偏差Δθ对应的值Δθx”的一个例子。Tm，aco是步骤S2中存储于存储器的转移控制开始时的角度控制用目标扭矩。Trlc是由路面负荷推断部43推断的当前的路面负荷扭矩。Tm，mc是由辅助扭矩控制部41设定的当前的目标辅助扭矩。
根据上述式(9)，根据|Δθtc|与转移角度宽度w的比(|Δθtc|/w)，对(Tm，aco-Trlc)和Tm，mc进行加权加法运算从而设定目标马达扭矩Tm。|Δθtc|越大，针对(Tm，aco-Trlc)的加权{1-(|Δθtc|/w)}越小，针对Tm，mc的加权(|Δθtc|/w)越大。即与转移控制开始时的角度偏差Δθo相比，随着角度偏差Δθ扩大，针对(Tm，aco-Trlc)的加权减少，针对Tm，mc的加权增加。其结果，控制模式逐渐接近手动转向操纵模式。
说明在式(9)的右边的第一项，不使用目标自动转向操纵扭矩(Tm，ac-Trlc)，而是使用(Tm，aco-Trlc)的理由。即说明不使用从角度控制部42输出的角度控制用目标扭矩Tm，ac，而是使用转移控制开始时刻的角度控制用目标扭矩Tm，aco的理由。自动转向操纵中若驾驶员为了解除自动转向操纵而进行转向操纵操作(转向操纵介入)则角度偏差Δθ变大。因此，由角度控制部42设定的角度控制用目标扭矩Tm，ac的绝对值变大。若角度控制用目标扭矩Tm，ac的绝对值变大，则驾驶员转向操纵介入时的转向操纵反作用力变大。因此，驾驶员难以进行转向操纵介入。因此，不使用由角度控制部42设定的角度控制用目标扭矩Tm，ac，而是使用转移控制开始时刻的角度控制用目标扭矩Tm，aco，由此防止转向操纵反作用力变得过大。
接下来，自动转向操纵解除控制部46A判定是否满足转移控制中止条件(步骤S4)。转移控制中止条件是满足如下的第一条件或者第二条件中的任一个。第一条件是角度偏差Δθ的绝对值|Δθ|小于将转移控制开始时的角度偏差Δθo的绝对值|Δθo|乘以大于0而小于1的规定值ε(0＜ε＜1)所得的值ε·|Δθo|。第二条件中，角度偏差Δθ的符号(Δθ)不同于转移控制开始时的角度偏差Δθo的符号(Δθo)。第二条件是指转向操纵扭矩Td的方向是角度偏差Δθ的绝对值变小的方向(实际转向操纵角θ接近目标转向操纵角的方向)。
在不满足转移控制中止条件的情况下(步骤S4：否)，自动转向操纵解除控制部46A辨别手柄操作状态判定部45的判定结果是否是放手状态(松手状态)(步骤S5)。放手状态是指驾驶员没有握着方向盘2的状态。若手柄操作状态判定部45的判定结果不是放手状态，即是上手状态(把持状态)(步骤S5：否)，则自动转向操纵解除控制部46A判定角度偏差Δθtc的绝对值|Δθtc|是否为转移角度宽度w以上(步骤S6)。上手状态是指驾驶员握着方向盘2的状态。若角度偏差Δθtc的绝对值|Δθtc|小于转移角度宽度w(步骤S6：否)，则自动转向操纵解除控制部46A返回步骤S3。由此，再次执行步骤S3以后的处理。
步骤S6中，在判定角度偏差Δθtc的绝对值|Δθtc|为转移角度宽度w以上的情况下(步骤S6：是)，自动转向操纵解除控制部46A结束转移控制，将控制模式切换为手动转向操纵模式(步骤S7)。然后，结束这次自动转向操纵控制模式中切换控制模式用的处理。步骤S4中，在判定满足转移控制中止条件的情况下(步骤S4：是)，自动转向操纵解除控制部46A中止转移控制，将控制模式返回自动转向操纵模式后(步骤S8)，返回步骤S1。
步骤S5中，在辨别手柄操作状态判定部45的判定结果是放手状态(松手状态)的情况下(步骤S5：是)，自动转向操纵解除控制部46A移至步骤S9。步骤S9中，自动转向操纵解除控制部46A将该时刻的角度偏差Δθ作为返回控制开始时的角度偏差Δθhod存储于存储器，并且将该时刻的时刻作为返回控制开始时的时刻thod存储于存储器。然后，自动转向操纵解除控制部46A开始用于使实际转向操纵角θ逐渐接近目标转向操纵角θcmd的返回控制。
即自动转向操纵解除控制部46A运算返回控制用目标转向操纵角θcmd、rc并传送至目标转向操纵角切换部(参照图4)62的第二输入端子P2，并且目标转向操纵角切换部62选择向第二输入端子P2输入的返回控制用目标转向操纵角θcmd、rc并输出，来控制目标转向操纵角切换部62(步骤S10)。然后，自动转向操纵解除控制部46A将扭矩减算部44的输出Tm，ad(使用返回控制用目标转向操纵角θcmd、rc运算)作为目标马达扭矩Tm输出。
具体而言，自动转向操纵解除控制部46A根据下式(10)，运算返回控制用目标转向操纵角θcmd、rc。
θcmd、rc＝θcmd+Δθrc
Δθrc＝Δθhod-γ·sign(Δθ)·(t-thod)…(10)
式(10)中，Δθhod是在步骤S9中存储于存储器的返回控制开始时的角度偏差Δθ。γ是预先设定的规定值，其中，γ＞0。sign(Δθ)是角度偏差的符号。t是当前时刻。thod是在步骤S9中存储于存储器的返回控制开始时的时刻。
之后，自动转向操纵解除控制部46A辨别手柄操作状态判定部45的判定结果是否为放手状态(松手状态)(步骤S11)。若手柄操作状态判定部45的判定结果为放手状态，则自动转向操纵解除控制部46A辨别根据上述式(10)运算的Δθrc的绝对值|Δθrc|是否小于规定值δ，其中，δ＞0(步骤S12)。在Δθrc的绝对值|Δθrc|为规定值δ以上的情况下(步骤S12：否)，自动转向操纵解除控制部46A返回步骤S10。由此，再次重复步骤S10和S11的处理。
步骤S12中，在辨别Δθrc的绝对值|Δθrc|小于规定值δ的情况下(步骤S12：是)，自动转向操纵解除控制部46A停止返回控制(步骤S13)。具体而言，自动转向操纵解除控制部46A控制目标转向操纵角切换部62使目标转向操纵角切换部62选择向第一输入端子P1输入的目标转向操纵角θcmd并输出。然后，自动转向操纵解除控制部46A将控制模式返回自动转向操纵模式后(步骤S14)，返回步骤S1。
步骤S11中，在辨别手柄操作状态判定部45的判定结果为上手状态的情况下(步骤S11：否)，自动转向操纵解除控制部46A停止返回控制后(步骤S15)，返回步骤S3。具体而言，自动转向操纵解除控制部46A控制目标转向操纵角切换部62使目标转向操纵角切换部62选择向第一输入端子P1输入的目标转向操纵角θcmd并输出后，返回步骤S3。
使用图9说明返回控制。为了简化说明，假定目标转向操纵角θcmd为0度。因此，角度偏差Δθ与实际转向操纵角θ相等。从转移控制的开始时刻t0起，实际转向操纵角θ变大，在时刻t1，通过步骤S5的处理，判定手柄操作状态判定部45的判定结果为放手。此时刻t1作为thod存储于存储器，并且此时刻t1的角度偏差Δθ作为Δθhod存储于存储器。
然后，通过上述式(10)运算Δθrc，用它运算返回控制用目标转向操纵角θcmd、rc，根据使用该返回控制用目标转向操纵角θcmd、rc运算的目标自动转向操纵扭矩Tm，ad(扭矩减算部44的输出)控制电动马达18。在该例中，sign(Δθ)大于0，所以上述式(10)的右边的第二项{γ·sign(Δθ)·(t-thod)}随着时间的经过而逐渐变大。{γ·sign(Δθ)·(t-thod)}相对于时间的变化率为γ。因此，根据式(10)运算的Δθrc(该例中将θcmd设为0，所以θcmd，rc＝Δθrc)如图9中直线Lc所示，随着时间的经过而逐渐变小。由此，实际转向操纵角θ(该例中，θ＝Δθ)也如直线Lc所示逐渐接近本来的目标转向操纵角θcmd(该例中为0度)。然后，若Δθrc的绝对值|Δθrc|小于δ则返回控制结束，控制模式返回自动转向操纵模式。由此，在转移控制中成为放手状态(松手状态)的情况下，与通常的自动转向操纵模式时相比，以实际转向操纵角θ更平缓地接近目标转向操纵角θcmd的方式，车辆进行自动转向操纵。
上述实施方式中，转移控制开始时的角度偏差Δθo与角度偏差Δθ的差Δθtc的绝对值|Δθtc|为转移角度宽度w以上时，转移控制结束。因此，能够通过驾驶员的转向操作使转移控制时间(即从转移控制开始到结束为止的时间)变化。具体而言，驾驶员施加于方向盘2的转向操纵力越大，上述|Δθtc|达到转移角度宽度w的时间越短，所以转移控制时间越短。由此，驾驶员例如紧急性高的情况下，能够迅速解除自动转向操纵模式。
上述实施方式中，能够抑制在转移控制中转向操纵反作用力变大，所以驾驶员容易进行转向操纵介入。上述实施方式中，转移控制开始后，上述绝对值|Δθtc|达到转移角度宽度w以上之前，角度偏差Δθ的绝对值|Δθ|小于ε·|Δθo|的情况下或者Δθ的符号与Δθo的符号不同的情况下，转移控制中止，控制模式自动地返回自动转向操纵模式。
由此，例如转移控制开始后，驾驶员沿着目标轨道进行方向盘转向操纵的情况下等，能够使控制模式自动地返回自动转向操纵模式。
上述实施方式中，成为转移控制中放手状态(松手状态)的情况下，通过上述返回控制，能够使车辆进行自动转向操纵以使实际转向操纵角θ缓慢接近目标转向操纵角θcmd。以上说明了本发明的实施方式，但本发明也可以通过另一其它方式来实施。例如在图8A的步骤S3中，使用当前的角度偏差Δθ、与在步骤S2中存储于存储器的转移控制开始时的角度偏差Δθo的差Δθtc(＝Δθ-Δθo)的绝对值|Δθtc|，设定转移控制用的目标马达扭矩Tm(参照式(9))。然而，也可以使用角度偏差的绝对值|Δθ|代替绝对值|Δθtc|，来设定转移控制时的目标马达扭矩Tm。换言之，“与角度偏差Δθ对应的值Δθx”可以是当前的角度偏差Δθ与转移控制开始时的角度偏差Δθo的差Δθtc，也可以是角度偏差Δθ本身。
也可以省略图8A的步骤S5和图8B的步骤S9～S15。即也可以不进行上述返回控制。上述实施方式中，角度控制部42具备前馈控制部64，但也可以省略前馈控制部64。此外，本发明在权利要求书所记载的事项范围内可以进行各种设计改变。

Claims (7)

1.一种车用转向操纵装置，包含：
电动马达，其对车辆的转向机构施加转向操纵力；
设定机构，其设定用于使目标转向操纵角与实际转向操纵角之间的角度偏差接近零的角度控制用目标扭矩；
推断机构，其推断所述电动马达的驱动对象从路面受到的路面负荷扭矩；
自动转向操纵控制机构，其根据由所述设定机构设定的角度控制用目标扭矩、和由所述推断机构推断的路面负荷扭矩设定目标自动转向操纵扭矩，根据该目标自动转向操纵扭矩控制所述电动马达从而进行自动转向操纵控制；
手动转向操纵控制机构，其根据与转向操纵扭矩对应的目标辅助扭矩控制所述电动马达从而进行手动转向操纵控制；以及
自动转向操纵解除机构，其根据所述自动转向操纵控制机构所进行的自动转向操纵控制中的驾驶员的转向操纵操作，将自动转向操纵控制切换为手动转向操纵控制，其中，
所述自动转向操纵解除机构包含转移控制机构，在满足至少包含转向操纵扭矩的绝对值为第一规定值以上这样的条件在内的转移控制开始条件时，所述转移控制机构进行转移控制，
所述转移控制机构包含：
第一控制机构，其在满足所述转移控制开始条件的时刻，根据所述设定机构设定的角度控制用目标扭矩，作为转移控制开始时的角度控制用目标扭矩而存储；
第二控制机构，其根据所述转移控制开始时的角度控制用目标扭矩和由所述推断机构推断的路面负荷扭矩，运算转移控制用的目标自动转向操纵扭矩，使用与所述角度偏差对应的值的绝对值对所述转移控制用的目标自动转向操纵扭矩和所述目标辅助扭矩进行加权加法运算从而运算目标马达扭矩，根据该目标马达扭矩控制所述电动马达；以及
第三控制机构，其在与所述角度偏差对应的值的绝对值大于等于第二规定值时，结束所述转移控制，将自动转向操纵控制切换为手动转向操纵控制。
2.根据权利要求1所述的车用转向操纵装置，其中，
所述转移控制机构还包含：将在满足所述转移控制开始条件的时刻的所述角度偏差作为转移控制开始时的角度偏差存储的第四控制机构，
与所述角度偏差对应的值是当前的角度偏差与转移控制开始时的角度偏差的差值。
3.根据权利要求1所述的车用转向操纵装置，其中，
所述第二控制机构构成为根据与所述角度偏差对应的值的绝对值相对于所述第二规定值的比，对所述转移控制时用的目标自动转向操纵扭矩和所述目标辅助扭矩进行加权加法运算从而运算所述目标马达扭矩。
4.根据权利要求2所述的车用转向操纵装置，其中，
所述第二控制机构构成为根据与所述角度偏差对应的值的绝对值相对于所述第二规定值的比，对所述转移控制时用的目标自动转向操纵扭矩和所述目标辅助扭矩进行加权加法运算从而运算所述目标马达扭矩。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的车用转向操纵装置，其中，
若将与所述角度偏差对应的值设为Δθx，所述转移控制开始时的角度控制用目标扭矩设为Tm，aco，由所述推断机构推断的路面负荷扭矩设为Trlc，所述目标辅助扭矩设为Tm，mc，所述第二规定值设为w，其中w＞0，所述转移控制用的目标马达扭矩设为Tm，则Tm用下式b表示：Tm＝{1-(|Δθx|/w)}·(Tm，aco-Trlc)+(|Δθx|/w)·Tm，mc…式b。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的车用转向操纵装置，其中，
所述自动转向操纵解除机构还包含在所述转移控制中当与所述角度偏差对应的值的绝对值小于第三规定值时中止转移控制并返回自动转向操纵控制的机构，其中所述第三规定值大于0。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的车用转向操纵装置，其中，还包含：
放手状态检测机构，其用于检测驾驶员没有抓握所述车辆的手柄的放手状态；和
返回控制机构，其进行返回控制，所述返回控制是，在所述转移控制中，在由所述放手状态检测机构检测到放手状态时，在利用所述自动转向操纵控制机构进行所述自动转向操纵控制的情况下，以使所述实际转向操纵角更平缓地接近所述目标转向操纵角的方式控制所述电动马达。
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