CN110337400A - 用于以位置控制和柱扭矩控制模式辅助机动车辆转向的机电式机动车辆动力转向机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机动车辆动力转向机构，具有用于转向辅助和/或转向的电动马达以及转向控制器，该转向控制器通过用于自主驾驶和/或自动转向的位置控制模式和用于由驾驶员手动转向的扭矩控制模式来控制电动马达，其中，转向控制器包括转向柱参考控制器(1)、仲裁单元(6)、柱扭矩控制器(8)、转向算法(9)以及转向系统，其中，转向柱参考控制器(1)基于参考位置(2)和测量到的位置(3)来计算用于位置控制的第一参考转向柱扭矩(5)，并且转向算法(9)基于测量到的柱扭矩来计算用于扭矩控制的第二参考转向柱扭矩(10)，其中，仲裁单元将第一参考转向柱扭矩(9)和第二参考转向柱扭矩(10)加权并相加，并且其中，仲裁单元的输出(16)是柱扭矩控制器(8)的输入。

Description

用于以位置控制和柱扭矩控制模式辅助机动车辆转向的机电 式机动车辆动力转向机构

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于辅助机动车辆转向的机电式机动车辆动力转向机构以及根据权利要求5的前序部分的确定目标马达扭矩的方法。

背景技术

在机电式动力转向机构中，转向轴连接至由驾驶员操纵的方向盘。转向轴经由小齿轮联接至转向齿条。转向齿条杆连接至转向齿条和机动车辆的转向轮。借助于以抗扭矩的方式连接至转向轴的小齿轮，转向轴的旋转引起转向齿条的轴向移位。通过驱动电动马达将辅助力施加至转向机构。机电式动力转向机构可以是柱辅助或齿条辅助的类型。柱辅助EPAS系统具有连接至转向柱的电动马达。齿条辅助EPAS具有连接至转向齿条的电动马达。机电式动力转向机构还可以是线控转向系统。

转向控制器控制电动马达的辅助。转向控制器可以包括扭矩控制器。转向算法创建扭矩控制器的输入。这些转向算法影响例如驾驶员的转向感受。这些转向算法可以包括例如进行阻尼、主动回正、牵引漂移和类似功能。扭矩控制器接收代表车辆速度和由车辆操作者施加至方向盘的扭矩的信号。控制器根据车辆速度、操作者扭矩以及由转子位置传感器检测的转子位置信号来确定目标马达扭矩并将信号提供至马达控制器，其中，马达电流通过PWM(脉冲宽度调制)计算。

还已知具有用于自动和/或自主驾驶的独立的位置控制器，该独立的位置控制器接收分别代表转向轮的测量到的和参考(目标)位置、测量到的和参考齿条位置、测量到的和参考电动马达角度或测量到的和参考小齿轮角度的信号，以计算目标马达扭矩。

已知的扭矩控制器和位置控制器以并联的方式连接，以便同时实现位置和扭矩的控制。将两个控制器的输出相加以获得目标马达扭矩。为了确保柱扭矩控制器在手接触状态(手动模式)下更强，位置控制器受到限制，并且为了确保位置控制器在手放开状态(自动或自主模式)下更强，减少了柱扭矩控制器的输出。并联操作的控制器彼此相互作用，这可以导致闭合反馈回路中的振荡。为了避免振荡，两个控制器必须调整得很弱。因此，降低了控制器的性能和转向感受。

发明内容

本发明的目标是提供用于自动和/或自主驾驶的机电式机动车辆动力转向机构，其能够基于位置和柱扭矩的控制来计算具有良好转向感受的目标马达扭矩。

该目的通过具有权利要求1的特征的用于辅助机动车辆转向的机电式机动车辆动力转向机构以及通过具有权利要求5的特征的方法实现。

因此，提供了用于辅助机动车辆转向的机动车辆动力转向机构，包括齿轮齿条式转向齿轮或单独的齿条(在线控转向的情况下)、用于转向辅助的电动马达、以及转向控制器，该转向控制器通过用于自主驾驶和/或自动转向的位置控制模式和用于由驾驶员手动转向的扭矩控制模式来控制电动马达的辅助，其中，转向控制器包括转向柱参考控制器、仲裁单元、柱扭矩控制器以及转向算法，其中，转向柱参考控制器基于参考位置和测量到的位置来计算用于位置控制的第一参考转向柱扭矩，并且转向算法基于测量到的柱扭矩来计算用于扭矩控制的第二参考转向柱扭矩，其中，仲裁单元对第一参考转向柱扭矩和第二参考转向柱扭矩进行加权并相加，并且其中，仲裁单元的输出是柱扭矩控制器的输入。这样的位置控制使用柱扭矩控制器来实现。位置控制与柱扭矩控制的并联连接可以被省略，这导致更好的整体转向感受。

优选地，转向柱参考控制器是状态反馈控制器。

优选地，参考位置和测量到的位置分别代表转向齿轮的参考位置和测量到的位置。

优选地，位置通过齿条位置、电动马达的位置或小齿轮角度给出。可以使用电动马达的位置。

此外，提供了确定用于机动车辆动力转向机构的目标马达扭矩的方法以用于辅助包括转向齿轮的机动车辆转向，其中，机动车辆动力转向机构具有用于转向辅助的电动马达和转向控制器，该转向控制器通过用于自主驾驶和/或自动转向的位置控制模式和用于由驾驶员手动转向的扭矩控制模式来控制该电动马达的辅助，其中，转向控制器包括转向柱参考控制器、仲裁单元、柱扭矩控制器以及转向算法，其中，该方法包括以下步骤：

·基于参考位置、测量到的位置以及状态，由转向柱参考控制器来确定用于位置控制的第一参考转向柱扭矩的计算结果；

·基于状态，由转向算法来确定用于扭矩控制的第二参考转向柱扭矩的计算结果；

·由仲裁单元将第一参考转向柱扭矩和第二参考转向柱扭矩加权并相加；

·将仲裁单元的输出发送至柱扭矩控制器作为输入；并且

·由柱扭矩控制器计算目标马达扭矩。

该方法是有利的，因为位置控制是使用柱扭矩控制器来执行的。此外，转向柱参考控制器和柱扭矩控制器以串联的方式连接，这使转向感受得到改善，因为不存在并联连接的缺陷。

有利地，加权基于以下参数中的一者或更多者：测量到的扭矩传感器单元(TSU)扭矩、车辆速度、转向齿轮的测量到的位置和速度。这些信号可以确定控制模式——位置或柱扭矩模式。

在优选实施方式中，加权是线性的并且基于测量到的TSU扭矩。在这种情况下，可以规定加权包括以下步骤：如果测量到的TSU扭矩低于预定的最小值，则第一参考转向柱扭矩的权重设置为较高值；如果测量到的TSU扭矩高于预定的最大值，则第二参考转向柱扭矩的权重设置为较高值。如果测量到的TSU扭矩在预定的最小值与预定的最大值之间，则两个权重因此线性倾斜。

为了减少仲裁单元的输出的不希望的振荡，第一参考转向柱扭矩和第二参考转向柱扭矩的权重可以通过将线性仲裁权重与线性仲裁权重的导数乘以可调增益相加来计算。

在一个实施方式中，仲裁单元还可以对比测量到的TSU扭矩与第一参考转向柱扭矩和第二参考转向柱扭矩：如果测量到的TSU扭矩更加接近第二参考转向柱扭矩，则第二参考转向柱扭矩的权重增加；如果测量到的TSU扭矩更加接近第一参考转向柱扭矩，则第一参考转向柱扭矩的权重增加。

还可以通过仲裁单元的加权修改齿轮的参考位置与齿轮的测量到的位置之间的距离，其中，当第一参考转向柱扭矩的权重为较低值时，则齿轮的参考位置被人为地移动到更靠近齿轮的测量到的位置。

优选地，转向柱参考控制器是状态反馈控制器并且该状态可以估计或测量。

对所有实施方式都有利的是，将柱扭矩控制器的安全函数应用至由仲裁单元计算的参考转向柱扭矩。这种安全函数实施在参考转向柱扭矩的信号侧，并且可以避免对目标马达扭矩的限制。

附图说明

下面借助附图描述本发明的一个示例性实施方式。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件或功能相似的部件。

图1示出了根据本发明的转向控制器的部分的示意图，

图2示出了现有技术中扭矩控制器的示意图，以及

图3示出了现有技术中使用扭矩控制器的位置控制器的示意图。

具体实施方式

图1示出了转向控制器的示意图。被称为StcReqTrq控制器1的转向柱参考控制器的输入为参考(目标)位置2、测量到的位置3以及转向系统的测量到的或估计的状态4。状态是指完整地且独特地描述系统行为的一组信号。状态可以被测量或估计。如果对状态进行估计则需要状态估计器。在EPAS系统中，一组可能的状态如下：EPAS系统的位置(马达角度或小齿轮角度或齿条位置)、EPAS系统的速度(马达角速度或小齿轮角速度或齿条速度)、小齿轮与方向盘之间的角度差或TSU扭矩、TSU扭矩的导数(或角度差的导数)、马达扭矩、负载扭矩以及驾驶员扭矩(即状态是系统的位置和速度、以及影响系统的位置和速度的扭矩)。StcReqTrq控制器1基于用于位置控制的输入来计算第一参考转向柱扭矩5。现有技术的柱扭矩控制概念包括用以计算第二参考转向柱扭矩10的转向算法9、用以由第二参考转向柱扭矩10和状态4来计算目标马达扭矩11的柱扭矩控制器8、以及用以计算系统的状态4的估计器17。第一参考转向柱扭矩5和第二参考转向柱扭矩10通过仲裁6加权并相加，以同时实现位置控制和柱扭矩控制。因此，转向算法9和StcReqTrq控制器1以并联的方式连接，但是转向算法9和StcReqTrq控制器1以串联的方式连接至柱扭矩控制器8。加权并相加的操作称为仲裁。

柱扭矩控制器8计算输入至转向齿轮的目标马达扭矩11。转向齿轮产生输出15：马达角速度、马达扭矩、TSU扭矩13以及位置3。测量到的转向系统的输出15和位置3以两个反馈回路反馈。具有目标马达扭矩11的延迟反馈18的第一反馈回路(包含测量到的值15)连接至估计器17以计算齿轮系统的估计状态4。第二反馈回路(包含测量到的值3)连接至StcReqTrq控制器1。如上所述，转向齿轮的估计状态4是柱扭矩控制器8、StcReqTrq控制器1和转向算法9的输入。

第一参考转向柱扭矩5和第二参考转向柱扭矩10的加权总和可以以多种方式、例如基于TSU扭矩、车辆速度、转向齿轮的测量到的位置和速度等来计算，以便比较所需的转向轴扭矩与测量到的TSU扭矩。

权重决定了不同控制的重要性：如果转向算法的所需的转向柱扭矩的权重大大高于StcReqTrq控制器的所需的转向柱扭矩的权重，则闭合回路作为柱扭矩控制器操作；如果转向算法的所需的转向柱扭矩的权重大大低于StcReqTrq控制器的所需的转向柱扭矩的权重，则闭合回路作为位置控制器操作。

在一个实施方式中使用了基于测量到的TSU扭矩的线性仲裁：如果TSU扭矩低于预定的最小值，StcReqTrq控制器的输出的权重较高；如果如果TSU扭矩高于预定的最大值，转向算法的输出的权重较高；如果TSU扭矩在预定的最小值与最大值之间，则两个权重因此线性倾斜。

如果TSU扭矩快速地变化，线性仲裁可以显示出振荡。该振荡可以通过在仲裁中应用所谓的D控制器来减少：两个信号的权重通过将线性仲裁权重与线性仲裁权重的导数乘以可调增益相加来计算。

仲裁还可以通过将测量到的TSU扭矩与第一参考转向柱扭矩和第二参考转向柱扭矩比较来改进。如果TSU扭矩(转向齿轮的输出)更加接近转向算法的输出，则转向算法的输出的权重增加。如果TSU扭矩更加接近StcReqTrq控制器的输出，则StcReqTrq控制器的输出的权重增加。

优选地，第二参考转向柱扭矩的权重通过线性仲裁并通过如上所述的将测量到的TSU扭矩与第一参考转向柱扭矩和第二参考转向柱扭矩比较来计算。更高的权重则用作转向扭矩算法的输出的最终权重。

还可以将参考(目标)位置与测量到的位置之间的距离修改为StcReqTrq控制器的输出的权重的函数。如果距离较大，则StcReqTrq控制器具有较高的输出，因为输出与距离成正比。因此，如果将StcReqTrq控制器的输出的权重设为较低值，则参考位置可以被人为地移动到更靠近测量到的位置，从而改善转向感受。

由于StcReqTrq控制器的被控对象模型是线性的，所以必须避免对目标马达扭矩(柱扭矩控制器的输出)上进行任何限制。因此，在参考转向柱扭矩侧处实施安全函数。安全函数可以例如包括对目标马达扭矩进行的限制。在这种情况下，已知的限制可以转变为对参考转向柱扭矩的限制以能够应用在参考转向柱扭矩侧处，所述参考转向柱扭矩侧在反馈回路中正处于StcReqTrq控制器后方且处于StcReqTrq控制器的被控对象模型的前方。

StcReqTrq控制器像柱扭矩控制器一样使用测量到的或估计状态。在图1中，反馈回路基于估计状态4。状态估计器17的输入是参考马达扭矩11，该参考马达扭矩11在延迟单元18中延迟，并且状态估计器17由测量到的值15来计算估计状态4。估计状态4用作StcReqTrq控制器的输入。

StcReqTrq控制器可以设计成齿条位置和参考齿条位置、或马达角度和参考马达角度、或小齿轮角度和参考小齿轮角度。这些信号是等价的位置信号。

图2涉及已知的扭矩控制器，而图3中示出了已知的位置控制器。在两个控制器内，转向齿轮输出15是估计器17的输入，以计算齿轮系统的状态4。在扭矩控制器内，转向算法9计算参考转向柱扭矩10。在位置控制器内，转向柱参考控制器1计算参考转向柱扭矩10。两个控制器都将参考转向柱扭矩10和系统的状态4反馈至柱扭矩控制器8，以计算相应的目标马达扭矩11。具有目标马达扭矩11的延迟反馈18的第一反馈回路连接至估计器17，以计算齿轮系统的估计状态4。已知扭矩控制器和位置控制器以并联的方式连接，以同时实现位置和扭矩控制。两个控制器的输出11被相加并加权，以获得最终的目标马达扭矩。

Claims (16)

1.一种机动车辆动力转向机构，所述机动车辆动力转向机构具有用于转向辅助和/或转向的电动马达以及转向控制器，所述转向控制器通过用于自主驾驶和/或自动转向的位置控制模式和用于由驾驶员手动转向的扭矩控制模式来控制所述电动马达，其特征在于，所述转向控制器包括转向柱参考控制器(1)、仲裁单元(6)、柱扭矩控制器(8)、转向算法(9)以及转向系统，其中，所述转向柱参考控制器(1)基于参考位置(2)和测量到的位置(3)来计算用于位置控制的第一参考转向柱扭矩(5)，并且所述转向算法(9)基于测量到的柱扭矩来计算用于扭矩控制的第二参考转向柱扭矩(10)，其中，所述仲裁单元将所述第一参考转向柱扭矩(9)和所述第二参考转向柱扭矩(10)加权并相加，并且其中，所述仲裁单元的输出(16)是所述柱扭矩控制器(8)的输入。

2.根据权利要求1所述的机动车辆动力转向机构，其特征在于，所述转向柱参考控制器(1)是状态反馈控制器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的机动车辆动力转向机构，其特征在于，所述参考位置(2)和所述测量到的位置(3)分别代表齿轮齿条式转向齿轮的参考位置和测量到的位置。

4.根据权利要求3所述的机动车辆动力转向机构，其特征在于，所述位置通过齿条位置、所述电动马达的位置或小齿轮角度给出。

5.一种确定用于机动车辆动力转向机构的目标马达扭矩的方法，其中，所述机动车辆动力转向机构具有用于转向辅助和/或转向的电动马达以及转向控制器，所述转向控制器通过用于自主驾驶和/或自动转向的位置控制模式和用于由驾驶员手动转向的扭矩控制模式来控制所述电动马达，其特征在于，所述转向控制器包括转向柱参考控制器(1)、仲裁单元(6)、柱扭矩控制器(8)、转向算法(9)以及转向系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

·基于参考位置(2)、测量到的位置(3)以及状态(4)，由所述转向柱参考控制器(1)来确定用于位置控制的第一参考转向柱扭矩(5)的计算结果；

·基于所述状态(4)，由所述转向算法(9)来确定用于扭矩控制的第二参考转向柱扭矩(10)的计算结果；

·由所述仲裁单元将所述第一参考转向柱扭矩(9)和所述第二参考转向柱扭矩(10)加权并相加；

·将所述仲裁单元的输出(16)发送至所述柱扭矩控制器(8)；并且

·由所述柱扭矩控制器(8)计算目标马达扭矩(11)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述参考位置(2)和所述测量到的位置(3)分别代表齿轮齿条式转向齿轮的参考位置和测量到的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述位置通过齿条位置、所述电动马达的位置或小齿轮角度给出。

8.根据前述权利要求5至7中的一项所述的方法，其特征在于，所述加权基于以下参数中的一者或更多者：测量到的TSU扭矩(13)、车辆速度、所述齿轮齿条式转向齿轮的测量到的位置和速度。

9.根据前述权利要求5至8中的一项所述的方法，其特征在于，所述加权是线性的并且基于所述测量到的TSU扭矩(13)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述加权包括以下步骤：如果所述测量到的TSU扭矩(13)低于预定的最小值，则所述转向柱参考控制器(1)的输出的权重设置为较高值；如果所述测量到的TSU扭矩(13)高于预定的最大值，则所述转向扭矩算法(9)的输出的权重设置为较高值。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述第一参考转向柱扭矩(9)和所述第二参考转向柱扭矩(10)的权重通过将线性仲裁权重与所述线性仲裁权重的导数乘以可调增益相加来计算。

12.根据前述权利要求5至11中的一项所述的方法，其特征在于，所述仲裁单元将所述测量到的TSU扭矩(13)与所述第一参考转向柱扭矩(9)和所述第二参考转向柱扭矩(10)对比：如果所述测量到的TSU扭矩(13)更加接近所述第二参考转向柱扭矩(10)，则所述第二参考转向柱扭矩(10)的权重增加；如果所述测量到的TSU扭矩(13)更加接近所述第一参考转向柱扭矩(9)，则所述第一参考转向柱扭矩(9)的权重增加。

13.根据前述权利要求5至8中的一项所述的方法，其特征在于，通过所述仲裁单元(6)的加权来修改所述参考位置与所述测量到的位置之间的距离，其中，当所述第一参考转向柱扭矩(9)的权重处于较低值时，则所述参考位置被人为地移动到更靠近所述测量到的位置。

14.根据前述权利要求5至13中的一项所述的方法，其特征在于，所述转向柱参考控制器(1)是状态反馈控制器并且所述状态(4)能够被估计或测量。

15.根据前述权利要求5至14中的一项所述的方法，其特征在于，将所述柱扭矩控制器的安全函数应用至由所述仲裁单元计算的所述参考转向柱扭矩(16)。

16.根据前述权利要求5至15中的一项所述的方法，其特征在于，所述机动车辆动力转向机构是线控转向系统。