CN110248860B - 电动助力转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置针对诸如转向角之类的车辆信息，能够容易地实现同等的转向扭矩。本发明的电动助力转向装置具备“被安装在车辆的转向盘的柱轴上”的扭力杆，通过基于电流指令值来对“与柱轴相连接”的电动机进行驱动控制以便对转向系统进行辅助控制，其具备目标转向扭矩生成单元、变换单元和扭转角控制单元，其中，目标转向扭矩生成单元基于车辆驾驶信息来生成目标转向扭矩；变换单元将目标转向扭矩变换成目标扭转角；扭转角控制单元计算出“能够使扭力杆的扭转角追随目标扭转角”的电流指令值，并且，本发明的电动助力转向装置通过进行控制以便使扭力杆的检测扭矩追随“与车辆驾驶信息相对应”的值。

Description

电动助力转向装置

技术领域

本发明涉及一种高性能的电动助力转向装置，该电动助力转向装置通过进行控制，以便使“被安装在柱轴(转向轴或方向盘轴)上”的扭力杆的扭转角追随与诸如转向角、车速、转向状态之类的车辆驾驶信息相对应的值，从而能够实现期望的转向扭矩，并且，既不会受到路面状态的影响，也不会受到机构系统特性(摩擦、电动机输出特性等)的经年变化的影响。

背景技术

作为搭载了电动机控制装置的装置，例如，有电动助力转向装置(EPS)。电动助力转向装置利用电动机的旋转力将辅助力(转向辅助力)赋予给车辆的转向系统，其将通过由逆变器供应的电力来控制的电动机的驱动力，通过包括减速机构在内的传送机构，作为辅助力施加到转向轴或齿条轴上。为了准确地产生辅助力，这样的现有的电动助力转向装置进行电动机电流的反馈控制。反馈控制通过调整电动机外加电压，以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值之间的差变小。一般来说，通过调整PWM(脉冲宽度调制)控制的占空比(duty ratio)，来进行电动机外加电压的调整。

参照图1对电动助力转向装置的一般结构进行说明。如图1所示，转向盘(方向盘)1的柱轴(转向轴或方向盘轴)2经过减速机构(蜗杆与蜗轮的啮合机构，其减速比为1/N)3、万向节4a和4b、齿轮齿条机构5、转向横拉杆6a和6b，再通过轮毂单元7a和7b，与转向车轮8L和8R相连接。另外，在“具有扭力杆”的柱轴2上设有“用于检测出转向盘1的转向扭矩Ts”的扭矩传感器10和“用于检测出转向角θh”的转向角传感器14，“用于对转向盘1的转向力进行辅助”的电动机20经由减速机构3与柱轴2相连接。电池13对“用于对电动助力转向装置进行控制”的控制单元(ECU)30进行供电，并且，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元30中。控制单元30基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Ts和由车速传感器12检测出的车速Vs，来进行辅助(转向辅助)指令的电流指令值的运算。还有，根据通过对电流指令值实施补偿等后而得到的电压控制指令值Vref，来控制供应给EPS用电动机20的电流。

另外，用于收发车辆的各种信息的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)40被连接到控制单元30，车速Vs也能够从CAN40处获得。此外，用于收发CAN40以外的通信、模拟/数字信号、电波等的非CAN41也可以被连接到控制单元30。

控制单元30主要由CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)(也包含MCU(Micro Controller Unit，微控制器单元)、MPU(Micro Processor Unit，微处理器单元)等)来构成，该CPU内部由程序执行的一般功能，如图2所示。

参照图2对控制单元30的功能以及动作进行说明。如图2所示，由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Ts以及由车速传感器12检测出的(或来自CAN的)车速Vs被输入到用于运算出电流指令值Iref1的电流指令值运算单元31中。电流指令值运算单元31基于被输入进来的转向扭矩Ts以及车速Vs，并且，使用辅助图(assist map)等，来运算出作为供应给电动机20的电流的控制目标值的电流指令值Iref1。电流指令值Iref1经由加法单元32A被输入到电流限制单元33中；被限制了最大电流的电流指令值Irefm被输入到减法单元32B中；减法单元32B运算出电流指令值Irefm与被反馈回来的电动机电流值Im之间的偏差I(＝Irefm－Im)；该偏差I被输入到用于进行转向动作的特性改善的PI(比例积分)控制单元35中。在PI控制单元35中经特性改善后得到的电压控制指令值Vref被输入到PWM控制单元36中，然后，再经由作为驱动单元的逆变器37来对电动机20进行PWM驱动。电动机电流检测器38检测出电动机20的电流值Im；由电动机电流检测器38检测出的电流值Im被反馈到减法单元32B中。

另外，在加法单元32A中对来自补偿信号生成单元34的补偿信号CM进行加法运算，通过补偿信号CM的加法运算来进行转向系统的特性补偿，从而改善收敛性和惯性特性等。补偿信号生成单元34首先在加法单元34-4中使自对准扭矩(SAT)34-3与惯性34-2相加，然后，在加法单元34-5中再使在加法单元34-4中得到的加法结果与收敛性34-1相加，最后，将在加法单元34-5中得到的加法结果作为补偿信号CM。

就这样，在现有的辅助控制中，通过扭矩传感器来检测出“通过驾驶员的手动输入来施加的”转向扭矩(扭力杆的扭转扭矩)，并且，通过主要与检测出的转向扭矩相对应的辅助电流，来对电动机电流进行控制。然而，在这种方法中，因为不同的路面状态(例如，不同的路面倾斜)，从而会导致“转向扭矩有时会根据转向角而发生变化”。还有，“起因于经年使用”的电动机输出特性的变化也会导致“变成不同的转向特性”。

“作为用于解决这样的问题”的车辆控制装置，例如，有日本专利第5208894号公报(专利文献1)所公开的装置。专利文献1的装置具备了转向角检测手段、目标设定手段以及“进行控制，以便实现由目标设定手段设定好的转向扭矩的目标值”的控制手段，从而能够施加“基于驾驶员的触觉特性”的适当的转向扭矩。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5208894号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

然而，在专利文献1的装置中，因为需要预先基于转向角或转向扭矩与手感量之间的关系，来求得转向角和转向扭矩之间的对应关系，所以，存在“必须基于该对应关系，将与转向角相对应的转向扭矩设定为目标值”的麻烦事。还有，专利文献1的装置针对转向扭矩的目标值与检测出的转向扭矩之间的偏差，使用了PI控制。

因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置针对诸如转向角之类的车辆驾驶信息，能够以“既不会受到路面状态的影响，也不会受到转向系统的机构特性(摩擦、电动机输出特性等)的经年变化的影响”的方式，来容易地实现同等的转向扭矩。

解决技术问题的技术方案

本发明涉及一种电动助力转向装置，其具备“被安装在车辆的转向盘的柱轴上”的扭力杆，通过基于电流指令值来对“与所述柱轴相连接”的电动机进行驱动控制，以便对转向系统进行辅助控制，本发明的上述目的可以通过下述这样来实现，即：具备目标转向扭矩生成单元、变换单元和扭转角控制单元，所述目标转向扭矩生成单元基于车辆驾驶信息来生成目标转向扭矩，所述变换单元将所述目标转向扭矩变换成目标扭转角，所述扭转角控制单元计算出“能够使所述扭力杆的扭转角追随所述目标扭转角”的所述电流指令值，所述电动助力转向装置以使得所述扭力杆的检测扭矩追随“与所述车辆驾驶信息相对应”的值的方式进行控制。

还有，本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地来实现，即：所述扭转角控制单元由扭转角反馈补偿单元、转向角外部干扰补偿单元、角速度变换单元和速度控制单元构成，所述扭转角反馈补偿单元针对所述目标扭转角与所述扭转角之间的偏差，输出第1目标柱轴角速度，所述转向角外部干扰补偿单元针对所述车辆驾驶信息，输出第2目标柱轴角速度，所述角速度变换单元将电动机角速度变换成柱轴角速度，所述速度控制单元基于所述第1目标柱轴角速度、所述第2目标柱轴角速度和所述柱轴角速度来输出所述电流指令值，所述电动助力转向装置以使得所述扭力杆的检测扭矩追随“与所述车辆驾驶信息相对应”的值的方式进行控制。或，在所述扭转角控制单元中，“作为所述第1目标柱轴角速度与所述第2目标柱轴角速度相加后得到的加法值”的第3目标柱轴角速度和所述柱轴角速度被输入到所述速度控制单元中，对所述第3目标柱轴角速度与所述柱轴角速度之间的偏差进行积分，通过从所述积分的积分值中减去所述目标柱轴角速度的比例值来输出所述电流指令值；或，所述扭转角控制单元还具备稳定补偿单元，所述稳定补偿单元针对所述电动机角速度设定传递函数，以便提高整个系统的稳定性；或，所述传递函数为一阶滤波器或二阶滤波器；或，所述扭转角控制单元还具备稳定补偿单元，所述稳定补偿单元针对所述扭转角设定传递函数，以便提高整个系统的稳定性；或，所述扭转角控制单元还具备稳定补偿单元，所述稳定补偿单元针对柱轴角设定传递函数，以便提高整个系统的稳定性；或，所述传递函数为二阶滤波器或四阶滤波器；或，“用来表示所述转向盘的向右转向或向左转向”的转向状态被输入到所述目标转向扭矩生成单元中；或，所述目标转向扭矩生成单元由基本图、阻尼增益单元、滞后补正单元以及输出单元来构成，所述基本图根据所述车辆驾驶信息来输出车速感应的第1扭矩信号，所述阻尼增益单元使所述车辆驾驶信息的微分值与车速感应阻尼增益相乘，输出第2扭矩信号，所述滞后补正单元根据所述转向状态对所述车辆驾驶信息进行滞后补正，输出第3扭矩信号，所述输出单元通过使所述第1扭矩信号与所述第2扭矩信号和所述第3扭矩信号中的至少一个信号相加，来输出所述目标转向扭矩；或，所述车速感应阻尼增益具有“随着车速的增加而逐渐增加”的特性；或，所述滞后补正单元通过使用函数来对所述车辆驾驶信息进行滞后补正，在所述转向状态为向右转向的场合和在所述转向状态为向左转向的场合切换所述函数，当切换所述函数的时候，更新“针对所述车辆驾驶信息”的偏移调整值；或，通过使用所述车辆驾驶信息以及所述第3扭矩信号的上次的值，来计算出所述偏移调整值；或，“用来对上限值和下限值进行限制”的限制器被设置在所述速度控制单元的后一级；或，所述扭转角反馈补偿单元使用传递函数的增益值；或，所述转向角外部干扰补偿单元使用“用来抑制因所述车辆驾驶信息的变化而给所述扭转角造成的影响，并且，提高针对突然的转向的所述扭转角追随目标扭转角的追随性”的传递函数的值；或，基于所述转向系统以及车辆系统模型的频率传递函数，来决定所述转向角外部干扰补偿单元的传递函数的值；或，所述车辆驾驶信息为转向角、车速以及转向状态。

发明的效果

根据本发明的电动助力转向装置，通过基于诸如“用来表示转向盘的向右转向或向左转向”的转向状态、车速以及转向角之类的车辆驾驶信息来生成目标扭转角，并且，对目标扭转角与检测出的扭转角之间的偏差进行适当的处理(例如，将“该偏差与补偿值(传递函数)相乘后得到的”结果设定为目标柱轴速度，进行速度控制)，这样就能够使扭转角追随目标扭转角，从而针对诸如转向角之类的车辆驾驶信息，能够实现期望的转向扭矩。

还有，通过在扭转角控制中设置转向角外部干扰补偿单元，这样就能够抑制“因从驾驶员那儿被输入进来的转向角的变化而给扭力杆扭转角造成的影响”，从而能够进一步提高“针对突然的转向的扭转角追随目标扭转角”的追随性。

另外，通过设置具有“为了实现针对电动机角速度、扭转角或柱轴角的稳定所需的”传递函数的稳定补偿单元，这样就能够实现整个EPS控制系统的稳定性。尽管为了使扭转角追随目标扭转角，如果只是简单地增加增益的话，则会发生振荡和振动，但是通过由稳定补偿单元来进行的信号反馈，就能够抑制振荡和振动。还有，通过设置稳定补偿单元，就能够抑制“在高频带中发生的振动”的发生，从而，增加了扭转角反馈补偿单元的增益，这样就能够提高指令值的追随性。

附图说明

图1是表示现有的电动助力转向装置的概要的结构图。

图2是表示电动助力转向装置的控制单元(ECU)内的控制结构示例的结构框图。

图3是表示本发明的基本结构的结构框图。

图4是表示EPS转向系统和各种传感器的设置示例的结构图。

图5是用于说明“转向的向右转向/向左转向”的图。

图6是表示本发明的基本动作示例的流程图。

图7是表示目标转向扭矩生成单元的结构示例的结构框图。

图8是表示基本图的特性示例的图。

图9是表示车速感应阻尼增益图的特性示例的图。

图10是表示滞后补正单元的特性示例的图。

图11是表示目标转向扭矩生成单元的动作示例的流程图。

图12是表示扭转角控制单元的结构示例(第1实施方式)的结构框图。

图13是表示扭转角控制单元的动作示例(第1实施方式)的流程图。

图14是用于说明“转向角外部干扰补偿单元的效果”的EPS被控设备(EPS plant)的结构框图。

图15是用于说明“转向角外部干扰补偿值的设定方法”的伯德图。

图16是表示针对识别结果的逆传递函数和拟合结果的伯德图。

图17是表示转向角外部干扰补偿单元的效果的模拟结果。

图18是表示“有针对目标扭转角的补偿的场合”与“没有针对目标扭转角的补偿的场合”之间的差异的波形图。

图19是表示阻尼增益图的效果的时间图。

图20是表示“没有阻尼增益图的场合”的特性示例的时间图。

图21是表示扭转角控制单元的结构示例(第2实施方式)的结构框图。

图22是表示扭转角控制单元的结构示例(第3实施方式)的结构框图。

图23是表示扭转角控制单元的动作示例(第3实施方式)的流程图。

图24是表示稳定补偿单元的效果的时间图。

图25是表示扭转角控制单元的结构示例(第4实施方式)的结构框图。

图26是表示扭转角控制单元的结构示例(第5实施方式)的结构框图。

具体实施方式

本发明是“用来针对诸如转向角、车速、转向状态之类的车辆驾驶信息，以不会受到路面状态的影响的方式，来实现同等的转向扭矩”的电动助力转向装置。本发明的电动助力转向装置通过进行控制，以便使“被安装在柱轴上”的扭力杆的扭转角追随“与车辆驾驶信息相对应的”值，从而实现了期望的转向扭矩。

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图3是表示本发明的基本结构的结构框图，通过EPS转向系统/车辆系统100内的电动机来对驾驶员的转向盘转向操作(转向盘转向)进行辅助控制。如图3所示，“用来表示转向的向右转向或向左转向”的转向状态STs、车速Vs以及转向角θh被输入到“用来输出与诸如转向角θh之类的车辆驾驶信息相对应的目标转向扭矩T_ref”的目标转向扭矩生成单元120中，由目标转向扭矩生成单元120生成的目标转向扭矩T_ref在具有“1/K_tor”的特性的变换单元101中被变换成目标扭转角Δθ_ref，在这里，K_tor表示被设置在柱轴2上的扭力杆2A的弹簧常数，还有，目标扭转角Δθ_ref被输入到扭转角控制单元140中。目标扭转角Δθ_ref、扭转角Δθ以及电动机角速度ω_m被输入到扭转角控制单元140中，扭转角控制单元140运算出“能够使扭转角Δθ变成目标扭转角Δθ_ref”的电流指令值I_ref，然后，基于电流指令值I_ref来对EPS的电动机进行驱动。

图4示出了EPS转向系统和各种传感器的设置示例，扭力杆2A被安装在柱轴2上。如图4所示，路面反作用力Fr和路面信息μ作用于转向车轮8L和8R上，还有，上侧角度传感器(角度θ₁)被设置在扭力杆2A的上方的柱轴2的转向盘一侧；下侧角度传感器(角度θ₂)被设置在扭力杆2A的下方的柱轴2的转向车轮一侧。另外，被设置在柱轴2的上方的转向角传感器检测出转向角θh。基于上侧角度传感器的角度θ₁与下侧角度传感器的角度θ₂之间的偏差，并且，通过下述式1以及式2，就能够求得扭力杆扭转角Δθ以及扭力杆扭矩Tt。在下述式2中，K_tor是扭力杆2A的弹簧常数。

式1

θ₁-θ₂＝Δθ

式2

K_tor·Δθ＝K_tor·(θ₁-θ₂)＝Tt

此外，可以通过使用“例如日本特开2008-216172号公报所公开”的扭矩传感器，来检测出扭力杆扭矩Tt。还有，可以通过使用“例如，如图5所示那样的转向角θh与电动机角速度ω_m之间的关系”，来求得“用来表示转向的向右转向或向左转向”的转向状态STs。

在这样的结构中，参照图6的流程图，对本发明的动作示例进行说明。

首先，转向角θh、转向状态STs以及车速Vs被输入到目标转向扭矩生成单元120中(步骤S1)，目标转向扭矩生成单元120生成目标转向扭矩T_ref(步骤S10)。目标转向扭矩T_ref被输入到变换单元101中，在变换单元101中被变换成目标扭转角Δθ_ref(步骤S30)。目标扭转角Δθ_ref、转向角θh、扭转角Δθ以及电动机角速度ω_m被输入到扭转角控制单元140中(步骤S31)，扭转角控制单元140运算出“能够使扭转角Δθ追随目标扭转角Δθ_ref”的电流指令值I_ref(步骤S40)，基于电流指令值I_ref来对电动机进行驱动，实施电流控制(步骤S60)。

此外，可以适当地变更图6中的数据的输入顺序。

图7示出了目标转向扭矩生成单元120的结构示例。如图7所示，转向角θh被输入到基本图121、微分单元122以及滞后补正单元124中，基本图121输出如图8所示那样的“以车速Vs为参数”的扭矩信号T_{ref_a}。尽管在图8中通过转向角θh的绝对值|θh|来构成基本图121，但基本图121也可以根据正或负的转向角θh来输出扭矩信号T_{ref_a}。扭矩信号T_{ref_a}被输入到加法单元126中。

还有，微分单元122输出“通过对转向角θh进行微分而获得”的转向角速度ω_h。转向角速度ω_h被输入到乘法单元125中。车速感应阻尼增益D_G被输入到乘法单元125中。作为在乘法单元125中获得的乘法结果(＝D_G·ω_h)的扭矩信号T_{ref_b}被输入到加法单元127中。车速感应的阻尼增益图123根据车速Vs来输出车速感应阻尼增益D_G。例如，如图9所示那样，车速感应阻尼增益D_G具有这样的特性，即，车速感应阻尼增益D_G随着车速Vs的增加而逐渐增加。此外，通过阻尼增益图123和乘法单元125来构成了阻尼增益单元。

向右转向/向左转向判定单元110进行“例如，如图5所示那样的判定”，并且，将作为判定结果的转向状态STs输入到滞后补正单元124中。转向角θh被输入到滞后补正单元124中。滞后补正单元124基于转向角θh以及转向状态STs，并且，按照下述式3，来运算出扭矩信号T_{ref_c}。在下述式3中，x＝θh、y_R＝T_{ref_c}、y_L＝T_{ref_c}、a＞1和c＞0都是成立的。

式3

向右转向时y_R＝A_hys{1-a^-c(x-b)}

向左转向时y_L＝-A_hys{1-a^c(x-b')}

当从向右转向的转向操作切换到向左转向的转向操作的时候，还有，当从向左转向的转向操作切换到向右转向的转向操作的时候，基于“作为切换时的转向角θh以及扭矩信号T_{ref_c}的上次的值”的最终坐标(x1，y1)的值，将下述式4代入到切换后的上述式3中的x方向的偏移调整值“b”中。通过这样做，就能够保持切换前后的连续性。

式4

向右转向时

向左转向时

通过将x1代入到上述式3的x中，并且，将y1代入到上述式3的y_R以及y_L中，就可以推导出上述式4。

作为“a”，可以使用大于1的任意的正数，例如，在使用了纳皮尔常数(Napier’sconstant)“e”的情况下，上述式3以及上述式4就会变成下述式5以及下述式6。

式5

向右转向时y_R＝A_hys[1-exp{-c(x-b)}]

向左转向时y_L＝-A_hys[1-exp{c(x-b')}]

式6

向右转向时

向左转向时

图10示出了“在上述式5以及上述式6中，设定为A_hys＝1[Nm]和c＝0.3，从0[deg]开始进行转向，然后，在+50[deg]与－50[deg]之间进行了转向”的场合的经滞后补正后得到的扭矩信号T_{ref_c}的例子。也就是说，来自滞后补正单元124的扭矩信号T_{ref_c}具有像“0的原点→a(细线)→b(虚线)→c(粗线)”那样的滞后特性。

此外，向右转向/向左转向判定单元110中的判定方法并不限于如图5所示那样的判定。例如，向右转向/向左转向判定单元110也可以通过确认转向角θh的当前值相对于过去值是在正的方向上(增加量等于或大于0)发生变化，还是在负的方向上(增加量小于0)发生变化，然后，基于确认出的发生变化的方向，来进行判定。还有，也可以通过使用上侧角度传感器的角度θ₁来代替转向角θh。

在这样的结构中，参照图11的流程图，对目标转向扭矩生成单元120的动作示例(图6中的步骤S10)进行说明。

首先，输入转向角θh以及和车速Vs(步骤S11)，基本图121按照图8的特性，来生成与转向角θh以及和车速Vs相对应的扭矩信号T_{ref_a}并将其输出(步骤S12)。转向角θh还被输入到微分单元122以及滞后补正单元124中，微分单元122对转向角θh进行微分，输出转向角速度ω_h(步骤S13)，阻尼增益图123输出与车速Vs相对应的车速感应阻尼增益D_G(步骤S14)，乘法单元125通过使转向角速度ω_h与车速感应阻尼增益D_G相乘来运算出扭矩信号T_{ref_b}，并且，将扭矩信号T_{ref_b}输入到加法单元127中(步骤S15)。

还有，向右转向/向左转向判定单元110判定“转向操作是向右转向还是向左转向”，并且，将作为判定结果的转向状态STs输入到滞后补正单元124中(步骤S16)。滞后补正单元124通过针对转向角θh，并且，根据转向状态STs，来进行上述式5以及上述式6的运算，这样就实施了滞后补正(步骤S17)，从而生成了扭矩信号T_{ref_c}(步骤S18)。扭矩信号T_{ref_c}被输入到加法单元127中。

通过在“构成了输出单元”的加法单元126和加法单元127中，对如上所述那样获得的扭矩信号T_{ref_a}、扭矩信号T_{ref_b}以及扭矩信号T_{ref_c}进行加法运算，这样就运算出目标转向扭矩T_ref(步骤S19)。也就是说，在加法单元127中使扭矩信号T_{ref_b}与扭矩信号T_{ref_c}相加，接下来，在加法单元126中使扭矩信号T_{ref_a}与“在加法单元127中获得的加法结果”相加，然后，“在加法单元126中获得的加法结果”被作为目标转向扭矩T_ref输出。

此外，可以适当地变更图11中的数据输入以及运算等的顺序。

还有，图12是表示扭转角控制单元140的结构示例(第1实施方式)的结构框图。如图12所示，减法单元141计算出目标扭转角Δθ_ref与扭转角Δθ之间的偏差Δθ₀，偏差Δθ₀被输入到“具有补偿值C_FB(传递函数)”的扭转角反馈(FB)补偿单元142中。扭转角FB补偿单元142使偏差Δθ₀与补偿值C_FB(传递函数)相乘，输出“能够使扭转角Δθ追随目标扭转角Δθ_ref”的目标柱轴角速度ω_ref1。目标柱轴角速度ω_ref1被输入到加法单元143中。此外，补偿值C_FB可以为简单的增益K_pp，或者，补偿值C_FB也可以为PI控制的补偿值。

转向角θh被输入到“具有补偿值Ch(传递函数)”的转向角外部干扰补偿单元144中。转向角外部干扰补偿单元144使补偿值Ch(传递函数)与转向角θh相乘，输出目标柱轴角速度ω_ref2。根据转向角外部干扰补偿单元144，就能够抑制“因从驾驶员那儿被输入进来的转向角θh的变化而给扭力杆扭转角Δθ造成的影响”，从而能够提高“针对突然的转向(即，突然的转向操作)的扭转角Δθ追随目标扭转角Δθ_ref”的追随性。目标柱轴角速度ω_ref1与目标柱轴角速度ω_ref2在加法单元143中相加，相加后得到的加法结果就成为目标柱轴角速度ω_ref。目标柱轴角速度ω_ref被输入到I-P控制(比例先行PI控制)的速度控制单元130中。当因驾驶员的转向操作而造成转向角θh发生变化的时候，转向角θh的变化就会作为外部干扰而给扭转角Δθ造成影响，从而针对目标扭转角Δθ_ref就会发生偏差。尤其在驾驶员进行了突然的转向操作的情况下，这种现象就会变得非常明显。转向角外部干扰补偿单元144的基本目的就是要减少这种作为外部干扰的转向角θh的影响。还有，通过基于如后所述的被控设备模型(plant model)的频率传递特性等来决定转向角外部干扰补偿单元144的传递函数Ch，这样就能够抑制外部干扰的影响。

I-P控制的速度控制单元130计算出“能够使柱轴角速度ω_c追随目标柱轴角速度ω_ref”的电流指令值Is。如图12所示，也可以将作为减速机构的减速比单元145的减速比“1/N”与电动机角速度ω_m相乘后得到的值设定为柱轴角速度ω_c。还有，“用来对来自速度控制单元130的电流指令值Is的上限值和下限值进行限制，并且，输出电流指令值I_ref”的限制器146被设置在速度控制单元130的后一级。

在这样的结构中，参照图13的流程图，对扭转角控制单元140的动作示例(图6中的步骤S40)进行说明。

首先，输入目标扭转角Δθ_ref和扭转角Δθ(步骤S41)，减法单元141计算出偏差Δθ₀(步骤S42)。偏差Δθ₀被输入到扭转角FB补偿单元142中以便对其进行扭转角FB补偿(步骤S43)，经扭转角FB补偿后得到的目标柱轴角速度ω_ref1被输入到加法单元143中。接下来，输入转向角θh(步骤S44)，转向角θh被输入到转向角外部干扰补偿单元144中以便对其进行转向角外部干扰补偿(步骤S45)，经转向角外部干扰补偿后得到的目标柱轴角速度ω_ref2被输入到加法单元143中(步骤S46)。“作为在加法单元143中得到的加法结果”的目标柱轴角速度ω_ref被输入到速度控制单元130中。

还有，电动机角速度ω_m在减速比单元145中与“1/N”与相乘(步骤S47)，“作为在减速比单元145中得到的乘法结果”的柱轴角速度ω_c被输入到速度控制单元130中(步骤S48)。通过减法单元131来获得目标柱轴角速度ω_ref与柱轴角速度ω_c之间的差分，积分单元132对该差分进行积分(Kvi/s)，在积分单元132中获得的积分结果被输入到减法单元134中(步骤S50)。比例单元133对柱轴角速度ω_c进行比例处理(Kvp)，在比例单元133中获得的比例结果被输入到减法单元134中(步骤S50)，“作为来自减法单元134的减法结果”的电流指令值Is在限制器146中被限制了上限值和下限值(步骤S51)，限制器146输出电动机控制的电流指令值Iref(步骤S52)。

只要扭转角控制单元140具备扭转角FB补偿单元142和速度控制单元130的话，基本上就可以使扭转角Δθ追随目标扭转角Δθ_ref，并且，能够实现期望的转向扭矩。

接下来，对转向角外部干扰补偿单元144的效果进行说明。

如图14所示，在以“EPS转向系统/车辆系统100包含了速度控制单元130”为前提的整个系统中，将目标柱轴角速度ω_ref设定为输入，将柱轴角θc以及扭转角Δθ设定为输出，并且，将包含了速度控制单元130的整个系统的传递函数模型设定为Pc。扭转角Δθ只是柱轴角θc与转向角θh之间的差分(θc－θh)，并且，通过减法单元103来求得扭转角Δθ。还有，“包含了EPS转向系统/车辆系统100以及速度控制单元130”的传递函数模块(Pω)102-1是“以目标柱轴角速度ω_ref为输入，并且，以柱轴角速度ω_c为输出”的传递函数模型，另外，传递函数模块(Pω)102-1还包括诸如扭力杆2A的弹簧常数K_tor、柱轴惯性之类的EPS机构系统特性和车辆的动力学模型。还有，传递函数模块(Pω)102-1既可以包括稳定补偿单元，也可以不包括稳定补偿单元。另外，通过在积分模块102-2中对柱轴角速度ω_c进行时间积分，就可以获得柱轴角θc。

基于图14，并且，通过目标扭转角Δθ_ref、扭转角FB补偿单元142的传递函数C_FB、转向角外部干扰补偿单元144的传递函数Ch以及整个系统的传递函数Pc来表示扭转角Δθ的话，则可以获得下述式7。

式7

上述式7的第1项表示“扭转角Δθ追随目标扭转角Δθ_ref的追随性”，还有，上述式7的第2项表示“针对扭转角Δθ的转向角θh的外部干扰特性”。如果将上述式7的第2项设定为“0”的话，则因为在理论上可以消除起因于转向角θh的外部干扰，所以只要将转向角外部干扰补偿单元144的传递函数Ch设定成下述式8就可以了。也就是说，如果将转向角外部干扰补偿单元144的传递函数Ch设定成下述式8的话，这样就能够抑制起因于转向角θh的外部干扰的影响。

式8

接下来，对转向角外部干扰补偿单元144的传递函数Ch的设定方法进行说明。

图15(A)以及图15(B)的伯德图示出了“通过模拟来对从目标柱轴角速度ω_ref到柱轴角θc的频率特性Pc进行了识别”的结果。还有，图16(A)以及图16(B)示出了针对该识别结果的逆传递函数(即，上述式8)和“针对该逆传递函数进行了拟合”的拟合结果。另外，图16(A)以及图16(B)中的细线表示逆传递函数，图16(A)以及图16(B)中的粗线表示拟合结果。将“进行了拟合”的传递函数设定成由下述式9来表示的三阶滤波器。还有，分子的系数b₃至b₀和分母的系数a₃至a₀为“能够使增益和相位分别针对图16(A)以及图16(B)中的细线变成一致”的滤波器的系数，并且，通过重复计算来求得分子的系数b₃至b₀和分母的系数a₃至a₀。

式9

b₃ 9.0000×10⁰ a₃ 1.5915×10^-3

b₂ 5.0894×10³ a₂ 3.7000×10⁰

b₁ 8.8826×10⁵ a₃ 3.1102×10³

b₀ 0.0000×10⁰ a₀ 8.8826×10⁵

将上述拟合结果设定成转向角外部干扰补偿单元144的传递函数Ch。

接下来，通过使用模拟结果，来对转向角外部干扰补偿单元144的效果进行说明。仅仅通过基本图来进行目标转向扭矩生成单元的设定，还有，设定了“针对100[deg]的转向角θh，能够使目标扭转角Δθ_ref成为5[deg]”的目标转向扭矩的直线。将阻尼增益图123的输出D_G和滞后补正单元124的输出T_{ref_c}设定为0[Nm]。图17示出了作为转向输入以及外部干扰的转向角θh的时间响应。从0[sec]到5[sec]频率增加，假设“输入为突然的转向操作”。通过在“有转向角外部干扰补偿的场合”和“没有转向角外部干扰补偿的场合”使用图17的转向角θh，就可以获得图18的结果。此外，尽管很难在图18中看得清楚，但是在图18中，用细线来表示的目标扭转角[deg]与用虚线来表示的“有补偿的场合”的特性基本上是重合在一起的。从图18中可知，“有转向角外部干扰补偿的场合”能够更好地追随目标扭转角。还有，即使在进行了突然的转向操作的情况下，也可以追随目标扭转角，从而能够实现期望的转向扭矩。

车速感应型的阻尼增益图123被设置在目标转向扭矩生成单元120的内部，通过对“与转向角速度ω_h成比例”的目标转向扭矩进行补偿，使得能够具有作为转向感的粘性感。在从“转动转向盘到转向角”的状态变成了“驾驶员的手松开了转向盘”的状态的情况下，转向盘不会产生振荡，能够具有收敛性，并且，还能够提高系统的稳定性。为了假设“驾驶员的手松开了转向盘”的状态，通过“在从0[sec]到1[sec]的期间施加了3[Nm]的来自转向盘1的上侧的手动输入，然后，在1[sec]之后，使来自转向盘1的上侧的手动输入成为0[Nm]”的方式来进行了模拟。图19(A)以及图19(B)和图20(A)以及图20(B)示出了模拟结果。如图19(B)所示，尽管通过使手动输入扭矩从“在从0[sec]到1[sec]的期间施加了3[Nm]”的状态(图19(A)的转向角比30[deg]稍微小一点)逐步变化到0[Nm]来假设了“驾驶员的手松开了转向盘”的状态，但通过图19(A)可知，转向角稳定地收敛到0[deg]。与此相比，在没有设置阻尼增益图123的情况下，如图20(A)以及图20(B)所示那样，“施加了相同的手动输入扭矩”的响应就会发生振动，收敛性会变差，并且，有时会以与控制相关的方式发生振荡。

此外，比如像如图21所示的结构示例(第2实施方式)那样，扭转角控制单元140也可以输入扭力杆的下侧角度的柱轴角θc，并且，计算出并使用转向角θh。也就是说，扭转角Δθ、转向角θh以及柱轴角θc之间的关系可以通过下述式10来表示。

式10

Δθ＝θc－θh

针对转向角θh，对上述式10进行变形的话，则可以获得下述式11。

式11

θh＝θc－Δθ

因此，如图21所示那样，由于将扭转角Δθ以及柱轴角θc输入到减法单元141A中，并且，可以在减法单元141A中通过按照上述式11来进行运算，以便获得转向角θh，所以通过将这个计算出的转向角θh输入到转向角外部干扰补偿单元144中，这样就能够实现与上述相同的控制性能。

对“扭转角控制单元具备了稳定补偿单元”的结构示例(第3实施方式～第5实施方式)进行说明。通过设置“用来提高系统的稳定性”的稳定补偿单元，这样就能够采取振荡现象的对策。

图22是表示“针对电动机角速度ω_m设置了稳定补偿单元”的扭转角控制单元的结构示例(第3实施方式)的结构框图。与如图12所示的第1实施方式的扭转角控制单元相比，在第3实施方式的扭转角控制单元中，追加了稳定补偿单元147以及加法单元148，还有，电动机角速度ω_m被输入到“具有补偿值Cs(传递函数)”的稳定补偿单元147中，来自稳定补偿单元147的电流指令值Isb被输入到加法单元148中。为了提高追随性和外部干扰特性，如果增加扭转角FB补偿单元142以及转向角外部干扰补偿单元144的增益的话，则就会发生高频带中的与控制相关的振荡现象。作为“针对这种振荡现象而采取”的对策，在稳定补偿单元147中设定“为了实现针对电动机角速度ω_m的稳定所需的”传递函数(Cs)。通过这样做，就能够实现整个EPS控制系统的稳定性。作为稳定补偿单元147的传递函数(Cs)，例如，可以使用二阶滤波器、四阶滤波器等。

来自速度控制单元130的电流指令值Is在加法单元148中与来自稳定补偿单元147的电流指令值Isb相加，“通过在加法单元148中进行的加法运算而得到的”电流指令值Isa被输入到限制器146中。

如图23所示那样，与第1实施方式的扭转角控制单元的动作示例相比，在第3实施方式的扭转角控制单元的动作示例中，增加了稳定补偿单元147以及加法单元148的动作(步骤S50A和步骤S50B)。也就是说，“从速度控制单元130内部的加法单元134输出的”电流指令值Is被输入到加法单元148中。还有，“被输入到减速比单元145中”的电动机角速度ω_m还被输入到稳定补偿单元147中，稳定补偿单元147实施稳定补偿(步骤S50A)，来自稳定补偿单元147的电流指令值Isb被输入到加法单元148中。加法单元148进行电流指令值Is和电流指令值Isb的加法运算(步骤S50B)，“作为在加法单元148中得到的加法结果”的电流指令值Isa被输入到限制器146中。第3实施方式的扭转角控制单元的其他的动作与第1实施方式的扭转角控制单元的动作相同。

图24(A)以及图24(B)示出了“表示输入了与图17相同的转向角θh的场合的稳定补偿单元147的效果”的模拟结果，下面，参照图24(A)以及图24(B)对该模拟结果进行说明。在没有设置稳定补偿单元147的情况下，调整了扭转角FB补偿单元142的增益，以便发生振动。还有，在“进行了转向操作，从而使得转向角θh增加”的情况下，调整了符号，以便使扭转角Δθ具有正值。图24(A)示出了“没有设置稳定补偿单元147的场合”的从0[sec]到1[sec]的期间的特性，还有，图24(B)示出了“设置了稳定补偿单元147的场合”的从0[sec]到1[sec]的期间的特性。能够确认，通过设置稳定补偿单元147，从而抑制了高频带中的与控制相关的振荡和振动。尽管在图24(A)以及图24(B)中细线与粗线基本上是重合在一起的，但细线表示目标扭转角Δθ_ref[deg]，还有，粗线表示扭转角Δθ[deg]。还有，通过设置稳定补偿单元147，这样就可以将扭转角FB补偿单元142的增益设定得很大，从而能够提高追随目标扭转角Δθ_ref[deg]的追随性。在本模拟中，通过稳定补偿单元147的设定，来设定了“针对电动机角速度ω_m的由下述式12来表示”的一阶滤波器。

式12

f_c1＝150[Hz]

图25是表示“针对扭转角Δθ设置了稳定补偿单元”的扭转角控制单元的结构示例(第4实施方式)的结构框图。与如图22所示的第3实施方式的扭转角控制单元相比，在第4实施方式的扭转角控制单元中，扭转角Δθ被输入到稳定补偿单元247中，而不是电动机角速度ω_m被输入到稳定补偿单元247中。第4实施方式的扭转角控制单元的其他的结构与第3实施方式的扭转角控制单元的结构相同。

与第3实施方式的扭转角控制单元的动作示例相比，在第4实施方式的扭转角控制单元的动作示例中，只有“扭转角Δθ被输入到稳定补偿单元247中”的动作不同于第3实施方式，第4实施方式的扭转角控制单元的其他的动作与第3实施方式的扭转角控制单元的动作相同。

在第4实施方式的稳定补偿单元247的设定中，通过设定“针对扭转角Δθ的由下述式13来表示”的二阶滤波器，这样就可以获得与第3实施方式的场合基本上相同的效果。因此，省略了第4实施方式的模拟结果示例。

式13

f_c1＝150[Hz]、f_c2＝200[Hz]

图26是表示“针对柱轴角θc设置了稳定补偿单元”的扭转角控制单元的结构示例(第5实施方式)的结构框图。与如图22所示的第3实施方式的扭转角控制单元相比，在第5实施方式的扭转角控制单元中，柱轴角θc被输入到稳定补偿单元347中，而不是电动机角速度ω_m被输入到稳定补偿单元347中。第5实施方式的扭转角控制单元的其他的结构与第3实施方式的扭转角控制单元的结构相同。

与第3实施方式的扭转角控制单元的动作示例相比，在第5实施方式的扭转角控制单元的动作示例中，只有“柱轴角θc被输入到稳定补偿单元347中”的动作不同于第3实施方式，第5实施方式的扭转角控制单元的其他的动作与第3实施方式的扭转角控制单元的动作相同。

此外，尽管在第3实施方式～第5实施方式中，针对电动机角速度ω_m、扭转角Δθ以及柱轴角θc分别使用了一个稳定补偿单元，但也可以将各个稳定补偿单元适当地组合在一起，然后再使用。

另外，在上述实施方式(第1实施方式～第5实施方式)中，作为基本图121、阻尼增益图123以及滞后补正单元124，也可以使用“感应车速Vs”的基本图、阻尼增益图以及滞后补正单元，还有，也可以在基本图121的后一级或前一级设置相位补偿单元。例如，在想带给驾驶员一种舒畅的转向感的情况下，只要设定相位超前补偿就可以了。还有，也可以使“现有的辅助控制的电流指令值”、“SAT(Self-Aligning Torque，自对准扭矩)估计值的电流指令值”或“用于抑制转向盘振动的电流指令值”与扭转角控制单元的电流指令值I_ref相加。

另外，尽管在上述实施方式中，通过I-P控制(比例先行PI控制)来构成了速度控制单元，但也可以通过诸如PI控制、P(比例)控制、PID(比例积分微分)控制、PI-D控制(微分先行PID控制)、模型匹配控制、模型参考控制之类的常用的控制方式来构成速度控制单元。

还有，尽管在上述实施方式中，通过对转向角θh进行微分运算，来求得转向角速度，但为了减少高频带噪声的影响，也可以对转向角速度适当地实施LPF(低通滤波器)处理。还有，也可以通过HPF(高通滤波器)和增益，来实施微分运算和LPF处理。另外，转向角速度也可以为“通过对由上侧角度传感器检测出的角度θ₁进行微分运算和LPF处理后而获得的”信号，而不是转向角θh。

此外，上述实施方式仅仅示出了“用于实施本发明”的具体的实施方案(具体的实施例)(例如，诸如目标转向角、实际转向角、扭力杆扭矩、柱轴角、电动机角速度之类的传感器信息或者控制量等)，本发明的技术范围不受上述实施方式的限制。例如，尽管在上述实施方式中，本发明被应用在柱轴型EPS中，但本发明并不限于被应用在诸如柱轴型EPS之类的上游型EPS中，也可以将本发明应用在诸如齿条齿轮型EPS之类的下游型EPS中。另外，通过进行基于目标扭转角的反馈控制，也可以将本发明应用在“至少具备弹簧常数是任意的扭力杆和用于检测出扭转角的传感器”的线控转向(Steer-By-Wire)反作用力装置中。还有，在上述实施方式的说明中所使用的附图仅仅示出了一个示例而已，本发明并不限于这些附图。关系式和数学表达式也不限于如上所述的关系式和数学表达式，在本发明中也可以使用“任何可以实现本发明”的关系式和数学表达式。

附图标记说明

1 转向盘(方向盘)

2 柱轴(转向轴或方向盘轴)

3 减速机构

10 扭矩传感器

12 车速传感器

14 转向角传感器

20 电动机

30 控制单元(ECU)

100 EPS转向系统/车辆系统

101 变换单元

110 向右转向/向左转向判定单元

120 目标转向扭矩生成单元

121 基本图

123 阻尼增益图

124 滞后补正单元

130 速度控制单元

140 扭转角控制单元

142 扭转角反馈(FB)补偿单元

144 转向角外部干扰补偿单元

147、247、347 稳定补偿单元

Claims (18)

1.一种电动助力转向装置，其具备“被安装在车辆的转向盘的柱轴上”的扭力杆，通过基于电流指令值来对“与所述柱轴相连接”的电动机进行驱动控制，以便对转向系统进行辅助控制，其特征在于：

具备目标转向扭矩生成单元、变换单元和扭转角控制单元，

所述目标转向扭矩生成单元基于车辆驾驶信息来生成目标转向扭矩，

所述变换单元将所述目标转向扭矩变换成目标扭转角，

所述扭转角控制单元至少输入所述目标扭转角以及所述扭力杆的扭转角，计算出“能够使所述扭转角追随所述目标扭转角”的所述电流指令值，

所述扭转角控制单元由扭转角反馈补偿单元、转向角外部干扰补偿单元、角速度变换单元和速度控制单元构成，

所述扭转角反馈补偿单元针对所述目标扭转角与所述扭转角之间的偏差，输出第1目标柱轴角速度，

所述转向角外部干扰补偿单元针对所述车辆驾驶信息，输出第2目标柱轴角速度，

所述角速度变换单元将电动机角速度变换成柱轴角速度，

所述速度控制单元基于所述第1目标柱轴角速度、所述第2目标柱轴角速度和所述柱轴角速度来输出所述电流指令值，

所述电动助力转向装置以使得所述扭力杆的检测扭矩追随“与所述车辆驾驶信息相对应”的值的方式进行控制。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

在所述扭转角控制单元中，“作为所述第1目标柱轴角速度与所述第2目标柱轴角速度相加后得到的加法值”的第3目标柱轴角速度和所述柱轴角速度被输入到所述速度控制单元中，对所述第3目标柱轴角速度与所述柱轴角速度之间的偏差进行积分，通过从所述积分的积分值中减去所述柱轴角速度的比例值来输出所述电流指令值。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述扭转角控制单元还具备稳定补偿单元，

所述稳定补偿单元针对所述电动机角速度设定传递函数，以便提高整个系统的稳定性。

4.根据权利要求3所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述传递函数为一阶滤波器或二阶滤波器。

5.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述扭转角控制单元还具备稳定补偿单元，

所述稳定补偿单元针对所述扭转角设定传递函数，以便提高整个系统的稳定性。

6.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述扭转角控制单元还具备稳定补偿单元，

所述稳定补偿单元针对柱轴角设定传递函数，以便提高整个系统的稳定性。

7.根据权利要求5所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述传递函数为二阶滤波器或四阶滤波器。

8.根据权利要求6所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述传递函数为二阶滤波器或四阶滤波器。

9.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

“用来表示所述转向盘的向右转向或向左转向”的转向状态被输入到所述目标转向扭矩生成单元中。

10.根据权利要求9所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述目标转向扭矩生成单元由基本图、阻尼增益单元、滞后补正单元以及输出单元来构成，

所述基本图根据所述车辆驾驶信息来输出车速感应的第1扭矩信号，

所述阻尼增益单元使所述车辆驾驶信息的微分值与车速感应阻尼增益相乘，输出第2扭矩信号，

所述滞后补正单元根据所述转向状态对所述车辆驾驶信息进行滞后补正，输出第3扭矩信号，

所述输出单元通过使所述第1扭矩信号与所述第2扭矩信号和所述第3扭矩信号中的至少一个信号相加，来输出所述目标转向扭矩。

11.根据权利要求10所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述车速感应阻尼增益具有“随着车速的增加而逐渐增加”的特性。

12.根据权利要求10所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述滞后补正单元通过使用函数来对所述车辆驾驶信息进行滞后补正，在所述转向状态为向右转向的场合和在所述转向状态为向左转向的场合切换所述函数，当切换所述函数的时候，更新“针对所述车辆驾驶信息”的偏移调整值。

13.根据权利要求12所述的电动助力转向装置，其特征在于：

通过使用所述车辆驾驶信息以及所述第3扭矩信号的上次的值，来计算出所述偏移调整值。

14.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

“用来对上限值和下限值进行限制”的限制器被设置在所述速度控制单元的后一级。

15.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述扭转角反馈补偿单元使用传递函数的增益值。

16.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述转向角外部干扰补偿单元使用“用来抑制因所述车辆驾驶信息的变化而给所述扭转角造成的影响，并且，提高针对突然的转向的所述扭转角追随目标扭转角的追随性”的传递函数的值。

17.根据权利要求16所述的电动助力转向装置，其特征在于：

基于所述转向系统以及车辆系统模型的频率传递函数，来决定所述转向角外部干扰补偿单元的传递函数的值。

18.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于：

所述车辆驾驶信息为转向角、车速以及转向状态。

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