CN111017006B - 转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种转向装置，包括方向盘(2)、扭杆(10)、螺旋线缆(33)、扭矩传感器(11)以及电子控制单元(12)。电子控制单元(12)被配置成计算方向盘(2)的旋转角度。电子控制单元(12)被配置成计算包括通过将方向盘惯性扭矩补偿值和螺旋线缆扭矩的补偿值相加而获得的和的值作为驱动扭矩。方向盘惯性扭矩补偿值是方向盘惯性力矩和方向盘的旋转角度的二阶微分值的乘积。螺旋线缆扭矩是由于螺旋线缆(33)而作用在方向盘(2)上的扭矩。

Description

转向装置
技术领域
本发明涉及一种能够估计由驾驶员施加至方向盘的驱动扭矩的转向装置。
背景技术
日本未经审查的专利申请公布第2006-151360号公开了一种转向系统，该转向系统包括转向扭矩传感器、转向角传感器和扭矩生成单元，转向扭矩传感器检测扭杆的扭转，转向角传感器检测柱轴的旋转角度(转向角度)，扭矩生成单元基于通过转向扭矩传感器获得的转向扭矩检测值和通过转向角传感器获得的转向角检测值来计算方向盘端扭矩(驱动扭矩)。
发明内容
本发明使得能够高精度地估计驱动扭矩。
本发明的一个方面提供了一种转向装置。该转向装置包括：方向盘，其被配置成使车辆转向；扭杆，其设置在与方向盘一起旋转的旋转轴的中间部分；螺旋线缆，该螺旋线缆的第一端连接至与旋转轴一起旋转的第一构件并且该螺旋线缆的第二端连接至相对于车身静止的第二构件；扭矩传感器，其被配置成检测施加至扭杆的扭杆扭矩；以及电子控制单元，其被配置成估计由驾驶员施加至方向盘的驱动扭矩。电子控制单元被配置成计算方向盘的旋转角度。电子控制单元被配置成计算包括通过将方向盘惯性扭矩补偿值和螺旋线缆扭矩的补偿值相加而获得的总和的值作为驱动扭矩。方向盘惯性扭矩补偿值是方向盘惯性力矩和方向盘的旋转角度的二阶微分值的乘积。螺旋线缆扭矩是由于螺旋线缆而作用在方向盘上的扭矩。
利用上述配置，不仅考虑了扭杆扭矩和方向盘惯性扭矩而且考虑了由于螺旋线缆而作用在方向盘上的螺旋线缆扭矩来计算驱动扭矩。因此，可以精确地估计驱动扭矩。
转向装置还可以包括：转向机构，其与方向盘的旋转连动来使转向轮转向；以及电动机，其向转向机构施加转向辅助力。电子控制单元可以被配置成基于电动机的旋转角度来计算旋转轴的下游部分的旋转角度，该下游部分是旋转轴的位于扭杆下游的部分。电子控制单元可以被配置成使用旋转轴的下游部分的旋转角度和扭杆扭矩来计算方向盘的旋转角度。转向装置还可以包括：旋转角度传感器，其被配置成检测方向盘的旋转角度。电子控制单元可以被配置成基于通过旋转角度传感器检测到的旋转角度来计算方向盘的旋转角度。在转向装置中，电子控制单元可以被配置成通过将旋转不平衡扭矩的补偿值加至总和上来计算驱动扭矩。旋转不平衡扭矩可以是通过作用在方向盘的重心上的重力来施加至旋转轴的扭矩。
利用上述配置，考虑到旋转不平衡扭矩来计算驱动扭矩，该旋转不平衡扭矩通过作用在方向盘的重心上的重力也施加至旋转轴。因此，可以更精确地估计驱动扭矩。
在转向装置中，电子控制单元可以被配置成通过将粘滞摩擦扭矩的补偿值加至总和上来计算驱动扭矩。粘滞摩擦扭矩可以作用在旋转轴的上游部分和方向盘上。该上游部分可以是旋转轴的位于扭杆上游的部分。粘滞摩擦扭矩的补偿值可以是方向盘的旋转角度的一阶微分值与预定的粘滞摩擦扭矩系数的乘积。
利用上述配置，考虑了粘滞摩擦扭矩来计算驱动扭矩，该粘滞摩擦扭矩也作用在旋转轴的位于扭杆上游的部分和方向盘上。因此，可以更精确地估计驱动扭矩。
在转向装置中，电子控制单元可以被配置成通过将库仑摩擦扭矩的补偿值与总和相加来计算驱动扭矩。库仑摩擦扭矩可以作用在旋转轴的上游部分和方向盘上。该上游部分可以是旋转轴的位于扭杆上游的部分。库仑摩擦扭矩的补偿值可以是预定库仑摩擦扭矩系数与以下项的乘积：预定库仑摩擦扭矩变化梯度和方向盘的旋转角度的一阶微分值的乘积的双曲正切值。
利用上述配置，考虑了库仑摩擦扭矩来计算驱动扭矩，库仑摩擦扭矩也作用在旋转轴的位于扭杆上游的部分和方向盘上。因此，可以更精确地估计驱动扭矩。
在转向装置中，可以根据螺旋线缆的弹簧常数与方向盘的旋转角度的乘积或者根据表示相对于方向盘的旋转角度的螺旋线缆扭矩的补偿值的映射数据获得螺旋线缆扭矩的补偿值。
在该转向装置中，旋转不平衡扭矩的补偿值可以是方向盘的重心的位置与方向盘的旋转中心的位置之间的距离、方向盘的质量、方向盘的旋转角度的正弦值以及方向盘倾斜角度的余弦值的乘积。方向盘倾斜角度可以是在方向盘安装在车辆上的情况下穿过方向盘的旋转中心的位置的垂直线与方向盘的旋转平面之间的角度。方向盘的旋转角度可以是与从方向盘的车辆直线前进的空档位置的旋转量和旋转方向相匹配的角度。
在转向装置中，电子控制单元可以被配置成基于所估计的驱动扭矩来确定是建立了手动状态还是建立了放手状态。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的数字表示相同的元件，并且在附图中：
图1是示出应用了根据本发明的实施方式的转向装置的电动助力转向装置的示意性配置的示意图；
图2是示出电子控制单元(ECU)的电气配置的框图；
图3是示出方向盘操作状态确定单元的电气配置的框图；
图4是示出方向盘角速度估计值dθsw/dt与粘滞摩擦扭矩补偿值Tc之间的关系的示例的曲线图；
图5A是示出方向盘的重心的位置和第一轴的中心轴线的示意性正视图；
图5B是图5A的示意性侧视图；
图6是示出方向盘角度估计值θsw与旋转不平衡扭矩补偿值Tru之间的关系的示例的曲线图；
图7是示出方向盘角速度估计值dθsw/dt与库仑摩擦扭矩补偿值Tfr之间的关系的示例的曲线图；
图8是示出方向盘角速度估计值dθsw/dt与库仑摩擦扭矩补偿值Tfr之间的关系的另一示例的曲线图；
图9是示出驱动扭矩估计单元的配置的框图；以及
图10示出了用于解释手动/放手确定单元的操作的状态转换。
具体实施方式
图1是示出应用根据本发明的实施方式的转向装置的电动助力转向系统的示意性配置的示意图。电动助力转向系统(车辆转向装置)1是柱辅助型电动助力转向系统(以下称为“柱式EPS”)，其中电动机和减速器设置在柱部分中。
柱式EPS 1包括：方向盘2，其用作用于使车辆转向的转向构件；转向机构4，其与方向盘2的旋转连动来使转向轮3转向；以及转向辅助机构5，其辅助驾驶员进行转向。方向盘2和转向机构4经由转向轴6、第一万向接头28、中间轴7和第二万向接头29机械地彼此耦接。
包括各种类型的开关的电子部件27安装在方向盘2上。转向轴6包括耦接至方向盘2的第一轴8和经由第一万向接头28耦接至中间轴7的第二轴9。第一轴8和第二轴9耦接以便经由扭杆10相对于彼此可旋转。第一轴8是扭杆10上游的与方向盘2一起旋转的旋转轴的一部分的示例。第二轴9是扭杆10下游的与方向盘2一起旋转的旋转轴的一部分的示例。
螺旋线缆装置30耦接至第一轴8。螺旋线缆装置30包括定子31、转子32和螺旋线缆33。定子31固定在车身侧。定子31具有第一连接器(未示出)。转子32附接成可相对于定子31旋转。转子32固定在方向盘2或第一轴8上，以便与第一轴8一起旋转(以伴随的方式)。转子32具有第二连接器(未示出)。
螺旋线缆33容纳在由定子31和转子32限定的空间中。螺旋线缆33的一端连接至转子32的第二连接器。第二连接器电连接至电子部件27，电子部件27经由连接线缆(未示出)安装在方向盘2上。螺旋线缆33的另一端连接至定子31的第一连接器。第一连接器经由连接线缆(未示出)电连接至车身侧的装置(例如，对应于各种类型的开关的装置)。
扭矩传感器11设置在转向轴6周围。扭矩传感器11基于第一轴8与第二轴9之间的相对旋转位移量检测施加至扭杆10的扭杆扭矩Ttb。通过扭矩传感器11检测的扭杆扭矩Ttb被输入至电子控制单元(ECU)12。
转向机构4由齿条齿轮机构组成，该齿条齿轮机构包括小齿轮轴13和用作转向轴的齿条轴14。转向轮3经由拉杆15和转向节臂(未示出)耦接至齿条轴14的端部。小齿轮轴13经由第二万向接头29耦接至中间轴7。小齿轮16耦接至小齿轮轴13的远端。
齿条轴14沿着车辆的左右方向线性地延伸。与小齿轮16啮合的齿条17形成在齿条轴14的轴向方向上的中间部分处。小齿轮16和齿条17将小齿轮轴13的旋转转换成齿条轴14在轴向方向上的运动。通过齿条轴14在轴向方向上的运动可以使转向轮3转向。
当方向盘2被操作(旋转)时，方向盘2的旋转经由转向轴6和中间轴7传递至小齿轮轴13。小齿轮16和齿条17将小齿轮轴13的旋转转换成齿条轴14在轴向方向上的运动。因此，转向轮3被转向。转向辅助机构5包括产生转向辅助力的电动机18以及将电动机18的输出扭矩放大并传递至转向机构4的减速器19。在该实施方式中，电动机18是三相无刷电动机。减速器19由蜗轮机构构成，该蜗轮机构包括蜗轮(worm gear)20和与蜗轮20啮合的蜗杆(wormwheel)21。减速器19容纳在齿轮箱22中。在以下描述中，有时用rwg表示减速器19的减速比(齿轮比)。减速比rwg定义为蜗轮20的角速度ωwg与蜗杆21的角速度ωww的比ωwg/ωww。
蜗轮20通过电动机18旋转来驱动。蜗杆21耦接成可与第二轴9一起旋转。蜗杆21通过蜗轮20旋转来驱动。根据驾驶员的转向的状态来驱动电动机18。蜗轮20通过电动机18旋转来驱动。因此，蜗杆21被旋转驱动，其在将电动机扭矩施加至转向轴6时使转向轴6(第二轴9)旋转。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的旋转被转换成齿条轴14在轴向方向上的运动。因此，转向轮3被转向。也就是说，蜗轮20通过电动机18旋转来驱动，以使得能够通过电动机18进行转向辅助。
通过诸如旋转变压器的旋转角度传感器23来检测电动机18的转子的旋转角度(下文中称为“转子旋转角度”)。通过车速传感器24检测车速V。来自旋转角度传感器23的输出信号和通过车速传感器24检测到的车速V被输入至ECU 12。电动机18由ECU 12控制。图2是示出ECU 12的电气配置的示意图。
ECU 12包括微计算机40、由微计算机40控制以向电动机18供应电力的驱动电路(三相逆变器电路)38以及检测流过电动机18的电流(下文中称为“电动机电流”)的电流检测单元39。微计算机40包括中央处理单元(CPU)和存储器(诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器)，并且执行预定程序以作用为多个功能处理单元。多个功能处理单元包括电动机控制单元41和方向盘操作状态确定单元42。
电动机控制单元41基于例如通过车速传感器24检测的车速V、通过扭矩传感器11检测的扭杆扭矩Ttb、基于来自旋转角度传感器23的输出来计算的转子旋转角度以及通过电流检测单元39检测的电动机电流来控制驱动电路38的驱动。具体地，电动机控制单元41基于扭杆扭矩Ttb和车速V来设置电流指令值，该电流指令值是流过电动机18的电动机电流的目标值。电流指令值对应于与转向条件匹配的转向辅助力(辅助扭矩)的目标值。电动机控制单元41控制驱动电路38的驱动，使得通过电流检测单元39检测的电动机电流近似于电流指令值。因此，实现了与转向条件匹配的适当的转向辅助。
方向盘操作状态确定单元42基于通过扭矩传感器11检测到的扭杆扭矩Ttb和基于来自旋转角度传感器23的输出来计算的转子旋转角度来确定是建立了驾驶员正在抓握方向盘的手动状态还是建立了驾驶员没有抓握方向盘的放手状态(免持状态)。图3是示出方向盘操作状态确定单元42的电气配置的框图。
方向盘操作状态确定单元42包括驱动扭矩估计单元51、低通滤波器52和手动/放手确定单元53。驱动扭矩估计单元51基于来自旋转角度传感器23的输出信号和通过扭矩传感器11检测的扭杆扭矩Ttb来估计驱动扭矩Td。低通滤波器52对通过驱动扭矩估计单元51估计的驱动扭矩Td执行低通滤波处理。手动/放手确定单元53基于在通过低通滤波器52进行低通滤波处理之后的驱动扭矩Td'来确定是建立了手动状态还是建立了放手状态。下面将描述这些处理。
在该实施方式中，驱动扭矩估计单元51基于下面的公式(1)来计算驱动扭矩Td。
Td＝Jsw·d2θsw/dt2+Ttb+Tc+Tru+Tfr+Tsc···(1)
Jsw：方向盘惯性力矩
θsw：方向盘角度估计值(方向盘旋转角度)
d2θsw/dt2：方向盘角加速度估计值(方向盘角度估计值的二阶微分值)
Jsw·d2θsw/dt2：方向盘惯性扭矩补偿值{＝-(方向盘惯性扭矩估计值)}
Ttb：扭杆扭矩(在该实施方式中通过扭矩传感器11检测到的扭杆扭矩)
Tc：粘滞摩擦扭矩补偿值{＝-(粘滞摩擦扭矩估计值)}
Tru：旋转不平衡扭矩补偿值{＝-(旋转不平衡扭矩估计值)}
Tfr：库仑摩擦扭矩补偿值{＝-(库仑摩擦扭矩估计值)}
Tsc：螺旋线缆扭矩补偿值{＝-(螺旋线缆扭矩估计值)}
在该实施方式中，扭杆扭矩Ttb的符号和驱动扭矩Td的符号在向左的转向方向的扭矩的情况下是正的，而在向右的转向方向的扭矩的情况下是负的。方向盘角度估计值θsw表示从方向盘的空档位置的正向/反向旋转量。在该实施方式中，从空档位置向左的旋转量具有正值，并且从空档位置向右的旋转量具有负值。
方向盘惯性扭矩估计值(-Jsw·d2θsw/dt2)、粘滞摩擦扭矩估计值(-Tc)、库仑摩擦扭矩估计值(-Tfr)和螺旋线缆扭矩估计值(-Tsc)作用在与驱动扭矩Td的方向相反的方向。因此，这样的估计值(-Jsw·d2θsw/dt2)、(-Tc)、(-Tfr)和(-Tsc)的符号与驱动扭矩Td的符号相反。
因此，方向盘惯性扭矩补偿值Jsw·d2θsw/dt2、粘滞摩擦扭矩补偿值Tc、库仑摩擦扭矩补偿值Tfr和螺旋线缆扭矩补偿值Tsc的符号与驱动扭矩Td的符号相同。旋转不平衡扭矩估计值(-Tru)的符号可以与驱动扭矩Td的符号相同或相反，这取决于方向盘角度估计值θsw。因此，旋转不平衡扭矩补偿值Tru的符号可以与驱动扭矩Td的符号相同或相反，这取决于方向盘角度估计值θsw。在该实施方式中，方向盘角度估计值θsw由下面的公式(2)表示。
θsw＝(Ttb/ktb)+θww···(2)
ktb：扭杆10的刚度
θww：第二轴9的旋转角度(第二轴旋转角度)
基于下面的公式(3-1)来计算第二轴旋转角度θww。
θww＝(θm/rwg)+(Tm/kgear)···(3-1)
θm：电动机18的旋转角度(在该实施方式中通过旋转角度传感器23检测到的转子旋转角度)
Tm：电动机扭矩估计值
kgear：蜗轮与蜗杆之间的刚性电动机扭矩估计值
例如，可以通过将由电流检测单元39(参见图2)检测到的电动机电流乘以电动机18的扭矩常数来计算Tm。
也可以基于下面的公式(3-2)来计算第二轴旋转角度θww。
θww＝θm/rwg···(3-2)
从公式(3-1)可以看出，在kgear较大的情况下，(Tm/kgear)的值较小，而在kgear较小的情况下，(Tm/kgear)的值较大。因此，虽然可以在kgear较大的情况下基于公式(3-2)来计算第二轴旋转角度θww，但是优选地在kgear较小的情况下基于公式(3-1)来计算第二轴旋转角度θww。粘滞摩擦扭矩估计值(-Tc)是作用在第一轴8和方向盘2上的粘滞摩擦扭矩的估计值。粘滞摩擦扭矩是通过支撑第一轴8的轴承、连接至方向盘2的螺旋线缆33等的滑动而产生的。
基于下面的公式(4-1)来计算粘滞摩擦扭矩估计值(-Tc)。
-Tc＝-Gc·dθsw/dt···(4-1)
Gc：粘滞摩擦扭矩系数
dθsw/dt：方向盘角速度估计值(θsw的一阶微分值)
因此，基于下面的公式(4-2)来计算粘滞摩擦扭矩补偿值Tc。
Tc＝Gc·dθsw/dt···(4-2)
可以如下计算粘滞摩擦扭矩系数Gc。使用方向盘角速度估计值dθsw/dt作为在放手状态下驱动电动机18的参数来测量稳态下的扭杆扭矩Ttb。术语“稳态”是指方向盘2未经受旋转角加速度的状态，即，方向盘角加速度估计值d2θsw/dt2为0的状态。将扭杆扭矩Ttb相对于方向盘角速度估计值dθsw/dt的变化率(梯度)计算为粘滞摩擦扭矩系数Gc。在这种情况下，在方向盘角速度估计值dθsw/dt与扭杆扭矩Ttb之间的关系不是线性的情况下，这种关系可以通过期望的多项式来近似。
图4中示出了方向盘角速度估计值dθsw/dt与粘滞摩擦扭矩补偿值Tc之间的关系的示例。随着方向盘角速度估计值dθsw/dt的绝对值变大，粘滞摩擦扭矩补偿值Tc的绝对值变大。将描述旋转不平衡扭矩估计值(-Tru)。如图5A所示，方向盘2的旋转平面中的重心G的位置和旋转中心C(方向盘2的旋转平面与第一轴8的中心轴线之间的交点)的位置彼此不重合。将方向盘2的旋转平面中的重心G的位置与旋转中心C的位置之间的距离定义为偏移距离dcg。方向盘2的质量定义为m，并且重力加速度定义为gcg。此外，如图5B所示，将穿过方向盘2的旋转中心C的位置的竖直线与方向盘2的旋转平面之间的角度定义为方向盘倾斜角δ，其中方向盘2安装在车辆上的。
旋转不平衡扭矩估计值(-Tru)是通过作用在方向盘2的重心G上的重力m·gcg而施加至第一轴8的扭矩的估计值。具体地，基于以下公式(5-1)来计算旋转不平衡扭矩估计值(-Tru)。
-Tru＝-Ggr·sin(θsw)···(5-1)
Ggr是重力扭矩系数，并且是与方向盘2的质量m、重力加速度gcg、偏移距离dcg和方向盘倾斜角δ的余弦值cos(δ)的乘积m·gcg·dcg·cos(δ)相匹配的值。sin(θsw)是方向盘角度估计值θsw的正弦值。
因此，基于下面的公式(5-2)来计算旋转不平衡扭矩补偿值Tru。
Tru＝Ggr·sin(θsw)···(5-2)
在偏移距离dcg、方向盘2的质量m和方向盘倾斜角δ都已知的情况下，可以基于公式Ggr＝m·dcg·gcg·cos(δ)来计算重力扭矩系数Ggr。
也可以如下计算重力扭矩系数Ggr。即，使用方向盘角度估计值θsw作为放手状态下的参数来测量稳态下的扭杆扭矩Ttb。将当方向盘角度估计值θsw是90度时的扭杆扭矩Ttb的绝对值计算为重力扭矩系数Ggr。图6中示出了方向盘角度估计值θsw与旋转不平衡扭矩补偿值Tru之间的关系的示例。由于作用在方向盘2的重心上的重力m·gcg是竖直方向上的力，所以当方向盘角度估计值θsw是±90[度]和±270[度]时，旋转不平衡扭矩补偿值Tru的绝对值变为最大值，并且在从这些位置偏移每±180[度]的角位置处，旋转不平衡扭矩补偿值Tru的绝对值也变为最大值。库仑摩擦扭矩估计值(-Tfr)是作用在第一轴8和方向盘2上的库仑摩擦扭矩的估计值。由支撑第一轴8的轴承、连接至方向盘2的螺旋线缆33等产生库仑摩擦扭矩。
基于下面的公式(6-1)来计算库仑摩擦扭矩估计值(-Tfr)。
(-Tfr)＝-Gf·tanh(η·dθsw/dt)···(6-1)
Gf：库仑摩擦扭矩系数
η：库仑摩擦扭矩变化梯度
因此，基于下面的公式(6-2)来计算库仑摩擦扭矩补偿值Tfr。
Tfr＝Gf·tanh(η·dθsw/dt)···(6-2)
可以如下计算库仑摩擦扭矩系数Gfr。通过电动机18施加至第二轴9的电动机扭矩在放手状态下逐渐增加，并且将在方向盘角速度估计值dθsw/dt的绝对值变为大于零即在方向盘2开始移动时的扭杆扭矩Ttb的绝对值计算为库仑摩擦扭矩系数Gf。库仑摩擦扭矩变化梯度η由调谐确定。
图7中示出了方向盘角速度估计值dθsw/dt与库仑摩擦扭矩补偿值Tfr之间的关系的示例。当方向盘角速度估计值dθsw/dt的绝对值从0增加时，库仑摩擦扭矩补偿值Tfr的绝对值在方向盘角速度估计值dθsw/dt的绝对值较小的范围内以相对高的变化率变大，然后收敛至库仑摩擦扭矩系数Gf的大小。随着库仑摩擦扭矩变化梯度η变大，库仑摩擦扭矩补偿值Tfr相对于方向盘角速度估计值dθsw/dt的绝对值较小的范围内的方向盘角速度估计值dθsw/dt的变化率变得较大。
可以预先准备表示方向盘角速度估计值dθsw/dt与库仑摩擦扭矩补偿值Tfr之间的关系的映射，并且可以基于该映射来计算库仑摩擦扭矩补偿值Tfr。在这种情况下，方向盘角速度估计值dθsw/dt与库仑摩擦扭矩补偿值Tfr之间的关系可以如图8所示。在该示例中，在方向盘角速度估计值dθsw/dt等于或小于-A的范围内，库仑摩擦扭矩补偿值Tfr的值为-Gf。在方向盘角速度估计值dθsw/dt等于或小于+A的范围内，库仑摩擦扭矩补偿值Tfr的值为+Gf。在方向盘角速度估计值dθsw/dt在-A与+A之间的范围内，库仑摩擦扭矩补偿值Tfr随着方向盘角速度估计值dθsw/dt变大而从-Gf至+Gf线性变化。螺旋线缆扭矩估计值(-Tsc)是由于螺旋线缆33的弹簧特性而作用在方向盘2上的扭矩。
基于下面的公式(7-1)来计算螺旋线缆扭矩估计值(-Tsc)。
(-Tsc)＝-ksc·θsw···(7-1)
ksc：螺旋线缆33的弹簧常数
因此，基于下面的公式(7-2)来计算螺旋线缆扭矩补偿值Tsc。
Tsc＝ksc·θsw···(7-2)
可以预先准备表示方向盘角度估计值θsw与螺旋线缆扭矩补偿值Tsc之间的关系的映射，并且可以基于该映射来计算螺旋线缆扭矩补偿值Tsc。图9是示出驱动扭矩估计单元51的配置的框图。
驱动扭矩估计单元51包括转子旋转角度计算单元61、第二轴旋转角度计算单元(θww计算单元)62、第一乘法单元63、第一加法单元64、第一微分计算单元65、第二微分计算单元66以及第二乘法单元67。驱动扭矩估计单元51还包括第三乘法单元68、双曲正切计算单元69、第四乘法单元70、正弦计算单元71、第五乘法单元72、第六乘法单元73以及第二加法单元74。
转子旋转角度计算单元61基于来自旋转角度传感器23的输出信号来计算电动机18的旋转角度(转子旋转角度)θm。第二轴旋转角度计算单元(θww计算单元)62基于公式(3-1)来计算第二轴旋转角度θww。第二轴旋转角度计算单元(θww计算单元)62可以基于公式(3-2)来计算第二轴旋转角度θww。
第一乘法单元63将通过扭矩传感器11检测到的扭杆扭矩Ttb乘以扭杆10的刚度ktb的倒数。第一加法单元64通过将由第二轴旋转角度计算单元62计算的第二轴旋转角度θww与由第一乘法单元63进行的乘法的结果Ttb/ktb相加来计算方向盘角度估计值θsw(参见公式(2))。
第一微分计算单元65通过对方向盘角度估计值θsw相对于时间进行微分来计算方向盘角速度估计值dθsw/dt，通过第一加法单元64计算方向盘角度估计值θsw。第二微分计算单元66通过对方向盘角速度估计值dθsw/dt相对于时间进行微分来计算方向盘角加速度估计值d2θsw/dt2，通过第一微分计算单元65计算方向盘角速度估计值dθsw/dt。
第二乘法单元67通过将由第二微分计算单元66计算的方向盘角加速度估计值d2θsw/dt2乘以方向盘惯性力矩Jsw来计算方向盘惯性扭矩补偿值Jsw·d2θsw/dt2。第三乘法单元68通过将由第一微分计算单元65计算的方向盘角速度估计值dθsw/dt乘以粘滞摩擦扭矩系数Gc来计算粘滞摩擦扭矩补偿值Tc(参见公式(4-2))
双曲正切计算单元69使用由第一微分计算单元65计算的方向盘角速度估计值dθsw/dt和库仑摩擦扭矩变化梯度η来计算tanh(η·dθsw/dt)。第四乘法单元70通过将由双曲正切计算单元69计算的tanh(η·dθsw/dt)乘以库仑摩擦扭矩系数Gf来计算库仑摩擦扭矩补偿值Tfr(参见公式(6-2))。
正弦计算单元71计算由第一加法单元64计算的方向盘角度估计值θsw的正弦值sin(θsw)。第五乘法单元72通过将由正弦计算单元71计算的方向盘角度估计值θsw的正弦值sin(θsw)乘以重力扭矩系数Ggr来计算旋转不平衡扭矩补偿值Tru(参见公式(5-2))。
第六乘法单元73通过将由第一加法单元64计算的方向盘角度估计值θsw乘以螺旋线缆33的弹簧常数ksc来计算螺旋线缆扭矩补偿值Tsc(参见公式(7-2))。第二加法单元74通过将分别由第二乘法单元67、第三乘法单元68、第四乘法单元70、第五乘法单元72和第六乘法单元73计算的Jsw·d2θsw/dt2、Tc、Tfr、Tru以及Tsc与由扭矩传感器11检测到的扭杆扭矩Ttb相加来计算驱动扭矩(估计值)Td。
在该实施方式中，不仅考虑方向盘惯性扭矩估计值(-Jsw·d2θsw)和扭杆扭矩Ttb而且还考虑粘滞摩擦扭矩估计值(-Tc)、旋转不平衡扭矩估计值(-Tru)、库仑摩擦扭矩估计值(-Tfr)以及螺旋线缆扭矩估计值(-Tsc)来计算驱动扭矩Td。因此，可以精确地估计驱动扭矩。
返回至图3，低通滤波器52衰减通过驱动扭矩估计单元51计算的驱动扭矩Td的频率分量，该频率分量高于预定的截止频率fc。截止频率fc设置在例如3[Hz]以上且7[Hz]以下的范围内。在该实施方式中，低通滤波器52是二阶巴特沃斯滤波器。将通过低通滤波器52进行低通滤波处理之后的驱动扭矩Td'提供给手动/放手确定单元53。
图10示出了用于解释手动/放手确定单元53的操作的状态转换。在手动/放手确定单元53的操作的描述中，在经过低通滤波器52进行低通滤波处理之后的驱动扭矩Td简称为“驱动扭矩Td'”。手动/放手确定单元53辨别四种状态，即“驱动扭矩大于阈值的手动状态(ST1)”、“驱动扭矩等于或小于阈值的手动状态(ST2)”、“驱动扭矩等于或小于阈值的放手状态(ST3)”以及“驱动扭矩大于阈值的放手状态(ST4)”，这四种状态作为由驾驶员执行的方向盘操作的状态。手动/放手确定单元53每隔预定时间T[秒]辨别四种状态。
在“驱动扭矩大于阈值的手动状态(ST1)”中，驱动扭矩Td'的绝对值大于预定阈值α(>0)。在“驱动扭矩等于或小于阈值的手动状态(ST2)”中，驱动扭矩Td'的绝对值等于或小于阈值α。在“驱动扭矩等于或小于阈值的放手状态(ST3)”中，驱动扭矩Td'的绝对值等于或小于阈值α。在“驱动扭矩大于阈值的放手状态(ST4)”中，驱动扭矩Td'的绝对值大于阈值α。阈值α被设置为例如在0.1[Nm]以上且0.3[Nm]以下的范围内的值。
当不知道建立了四种状态中的哪一种状态并且在开始确定时驱动扭矩Td'的绝对值大于阈值α时，手动/放手确定单元53确定方向盘操作状态是“驱动扭矩大于阈值的手动状态(ST1)”。手动/放手确定单元53将输出信号(out)设置为“1”，并将时间计数器值hod_timer设置为0。输出信号(out)是表示确定结果的信号。在输出信号(输出)是“1”的情况下，确定结果是手动。在输出信号(out)是“0”的情况下，确定结果是放手。
当在“驱动扭矩大于阈值的手动状态(ST1)”下驱动扭矩Td'的绝对值变为等于或小于阈值α时，手动/放手确定单元53确定方向盘操作状态变为“驱动扭矩等于或小于阈值的手动状态(ST2)”。手动/放手确定单元53将输出信号(out)设置为“1”。在确定了“驱动扭矩等于或小于阈值的手动状态(ST2)”的情况下，手动/放手确定单元53将时间计数器值hod_timer更新为通过在每次经过预定时间T[秒]时将预定值Ts与当前值(hod_timer)相加而获得的值。
当在“驱动扭矩等于或小于阈值的手动状态(ST2)”下驱动扭矩Td'的绝对值在时间计数器值hod_timer达到预定的放手判定阈值β(>0)之前变为大于阈值α时，手动/放手确定单元53确定方向盘操作状态已变为“驱动扭矩大于阈值的手动状态(ST1)”，并且将时间计数器值hod_timer设置为0。
当在“驱动扭矩等于或小于阈值的手动状态”(ST2)下时间计数器值hod_timer达到放手判定阈值β而驱动扭矩Td'的绝对值没有变为大于阈值α时，手动/放手确定单元53确定方向盘操作状态已经变为“驱动扭矩等于或小于阈值的放手状态(ST3)”。手动/放手确定单元53将输出信号(out)设置为“0”，并将时间计数器值hod_timer设置为0。放手判定阈值β被设定在例如0.5[秒]以上且1.0[秒]以下的范围内的值。
当在“驱动扭矩等于或小于阈值的放手状态(ST3)”下驱动扭矩Td'的绝对值变得大于阈值α时，手动/放手确定单元53确定方向盘操作状态已经变为“驱动扭矩大于阈值的放手状态(ST4)”。手动/放手确定单元53将输出信号(out)设置为“0”。在确定了“驱动扭矩大于阈值的放手状态(ST4)”的情况下，手动/放手确定单元53将时间计数器值hod_timer更新为通过在每次经过预定时间T[秒]时将预定值Ts与当前值(hod_timer)相加而获得的值。
当在“驱动扭矩大于阈值的放手状态(ST4)”下驱动扭矩Td'的绝对值在时间计数器值hod_timer达到预定的手动判定阈值γ(>0)之前变为等于或小于阈值α，则手动/放手确定单元53确定方向盘操作状态已变为“驱动扭矩等于或小于阈值的放手状态(ST3)”，并且将时间计数器值hod_timer设置为0。手动判定阈值γ被设置在例如0.05[秒]以上且0.1[秒]以下的范围内的值。
当在“驱动扭矩大于阈值的放手状态(ST4)”下时间计数器值hod_timer达到手动判定阈值γ而驱动扭矩Td'的绝对值没有变为等于或小于阈值α时，则手动/放手确定单元53确定方向盘操作状态已变为“驱动扭矩大于阈值的手动操作状态(ST1)”。手动/放手确定单元53将输出信号(out)设置为“1”，并将时间计数器值hod_timer设置为0。
当在开始确定时驱动扭矩Td'的绝对值等于或小于阈值α时，手动/放手确定单元53确定方向盘操作状态是“驱动扭矩等于或小于阈值的放手状态(ST3)”。手动/放手确定单元53将输出信号(out)设置为“0”，并将时间计数器值hod_timer设置为0。在该实施方式中，通过驱动扭矩估计单元51精确地估计驱动扭矩Td。所估计的驱动扭矩Td的高频分量被去除。去除高频分量之后，基于驱动扭矩Td'，使用扭矩阈值α和时间计数器值hod_timer做出手动/放手判定。因此，可以精确地确定是建立了驾驶员正在抓握方向盘的手动状态还是建立了驾驶员没有抓握方向盘的放手状态。
手动/放手确定结果可以用于具有作为操作模式的自动操作模式和手动操作模式的车辆中的模式切换控制，例如在确认从自动操作模式切换至手动操作模式时已经建立了手动操作状态之后切换至手动操作模式。虽然上面已经描述了本发明的实施方式，但是本发明可以在其他实施方式中实现。例如，在前面讨论的实施方式中，驱动扭矩估计单元51基于公式(1)来计算驱动扭矩Td。然而，驱动扭矩估计单元51可以基于下面的公式(8)、(9)、(10)或(11)来计算驱动扭矩Td。
Td＝Jsw·d2θsw/dt2+Ttb+Tsc···(8)
Td＝Jsw·d2θsw/dt2+Ttb+Tru+Tsc···(9)
Td＝Jsw·d2θsw/dt2+Ttb+Tru+Tfr+Tsc···(10)
Td＝Jsw·d2θsw/dt2+Ttb+Tc+Tru+Tsc···(11)
在前面讨论的实施方式中，使用方向盘角度估计值θsw作为方向盘2的旋转角度来计算驱动扭矩Td，该方向盘角度估计值θsw是使用扭杆扭矩Ttb和第二轴旋转角度θww来计算的。然而，可以使用第二轴旋转角度θww作为方向盘角度估计值θsw来计算驱动扭矩Td。
如图1中的双短虚线所示，检测方向盘2的旋转角度的转向角度传感器25可以被设置在第一轴8上，并且可以使用通过转向角度传感器25检测的方向盘2的旋转角度作为方向盘旋转角度θsw来计算驱动扭矩Td。在前面讨论的实施方式中，方向盘操作状态确定单元42(参见图3)中的低通滤波器52是设置在驱动扭矩估计单元51之后的。然而，低通滤波器52可以设置在驱动扭矩估计单元51之前。可替选地，可以省略低通滤波器52。
在前面讨论的实施方式中，电动机18是三相无刷电动机。然而，电动机18可以是有刷直流(DC)电动机。在前面讨论的实施方式中，本发明应用于柱辅助型EPS。然而，本发明也适用于除了柱辅助型EPS之外的EPS，例如双小齿轮型EPS和齿条辅助型EPS。
双小齿轮型EPS具有小齿轮轴(第一小齿轮轴)，该小齿轮轴具有与图1中的齿条(下文中称为“第一齿条”)啮合的小齿轮(下文中称为“第一小齿轮”)、未耦接至转向轴的第二小齿轮轴以及设置在第二小齿轮轴上的转向辅助机构。第二小齿轮轴具有与设置在齿条轴上的第二齿条啮合的第二小齿轮。在这种情况下，转向辅助机构由电动机和减速器组成，减速器将电动机的扭矩传递至第二小齿轮轴。
在双小齿轮型EPS的情况下，基于电动机的旋转角度、减速器的减速比、由第二小齿轮和第二齿条组成的第二齿条齿轮机构的齿条增益以及由第一小齿轮和第一齿条组成的第一齿轮齿条机构的齿条增益来计算与扭杆下游的方向盘一起旋转的旋转轴(例如图1中的转向轴6、中间轴7和小齿轮轴13)的一部分的旋转角度。齿条齿轮机构的“齿条增益”是小齿轮每转一圈齿条的线性位移量[mm/rev]。
此外，在不脱离权利要求中描述的范围的情况下，可以对本发明进行各种设计改变。

Claims (9)

1.一种转向装置(1)，其特征在于包括：
方向盘(2)，其被配置成使车辆转向；
扭杆(10)，其设置在与所述方向盘(2)一起旋转的旋转轴(8)的中间部分；
螺旋线缆(33)，所述螺旋线缆(33)的第一端连接至与所述旋转轴(8)一起旋转的第一构件，并且所述螺旋线缆(33)的第二端连接至相对于车身静止的第二构件；
扭矩传感器(11)，其被配置成检测施加至所述扭杆(10)的扭杆扭矩；以及
电子控制单元(12)，其被配置成估计由驾驶员施加至所述方向盘(2)的驱动扭矩，
所述电子控制单元(12)被配置成计算所述方向盘(2)的旋转角度；
所述电子控制单元(12)被配置成计算包括通过将所述扭杆扭矩、方向盘惯性扭矩补偿值和螺旋线缆扭矩的补偿值相加而获得的总和的值作为所述驱动扭矩；
所述方向盘惯性扭矩补偿值是方向盘惯性力矩和所述方向盘的旋转角度的二阶微分值的乘积；以及
所述螺旋线缆扭矩是由于所述螺旋线缆(33)而作用在所述方向盘(2)上的扭矩。
2.根据权利要求1所述的转向装置(1)，其特征在于还包括：
转向机构(4)，其与所述方向盘(2)的旋转连动来使转向轮(3)转向；以及
电动机(18)，其向所述转向机构(4)施加转向辅助力，其中：
所述电子控制单元(12)被配置成基于所述电动机(18)的旋转角度来计算所述旋转轴(8)的下游部分的旋转角度，所述下游部分是所述旋转轴(8)的位于所述扭杆(10)下游的部分；以及
所述电子控制单元(12)被配置成使用所述旋转轴(8)的下游部分的旋转角度和所述扭杆扭矩来计算所述方向盘(2)的旋转角度。
3.根据权利要求1所述的转向装置(1)，其特征在于还包括被配置成检测所述方向盘(2)的旋转角度的旋转角度传感器(25)，其中，所述电子控制单元(12)被配置成基于通过所述旋转角度传感器(25)检测到的旋转角度来计算所述方向盘(2)的旋转角度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转向装置(1)，其特征在于：
所述电子控制单元(12)被配置成通过将旋转不平衡扭矩的补偿值加至所述总和上来计算所述驱动扭矩；以及
所述旋转不平衡扭矩是通过作用在所述方向盘(2)的重心上的重力来施加至所述旋转轴(8)的扭矩。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的转向装置(1)，其特征在于：
所述电子控制单元(12)被配置成通过将粘滞摩擦扭矩的补偿值加至所述总和上来计算所述驱动扭矩；
所述粘滞摩擦扭矩作用在所述旋转轴(8)的上游部分和所述方向盘(2)上，所述上游部分是所述旋转轴(8)的位于所述扭杆(10)上游的部分；以及
所述粘滞摩擦扭矩的补偿值是所述方向盘的旋转角度的一阶微分值与预定的粘滞摩擦扭矩系数的乘积。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的转向装置(1)，其特征在于：
所述电子控制单元(12)被配置成通过将库仑摩擦扭矩的补偿值加至所述总和上来计算所述驱动扭矩；
所述库仑摩擦扭矩作用在所述旋转轴(8)的上游部分和所述方向盘(2)上，所述上游部分是所述旋转轴(8)的位于所述扭杆(10)上游的部分；以及
所述库仑摩擦扭矩的补偿值是预定库仑摩擦扭矩变化梯度和所述方向盘的旋转角度的一阶微分值的乘积的双曲正切值与预定库仑摩擦扭矩系数的乘积。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的转向装置(1)，其特征在于，根据所述螺旋线缆的弹簧常数与所述方向盘的旋转角度的乘积或者根据表示相对于所述方向盘的旋转角度的所述螺旋线缆扭矩的补偿值的映射数据来获得所述螺旋线缆扭矩的补偿值。
8.根据权利要求4所述的转向装置(1)，其特征在于：
所述旋转不平衡扭矩的补偿值是所述方向盘的重心的位置与所述方向盘的旋转中心的位置之间的距离、所述方向盘的质量、所述方向盘的旋转角度的正弦值以及方向盘倾斜角度的余弦值的乘积；
所述方向盘倾斜角度是在所述方向盘安装在所述车辆上的情况下穿过所述方向盘的旋转中心的位置的垂直线与所述方向盘的旋转平面之间的角度；以及
所述方向盘的旋转角度是与从所述方向盘的所述车辆直线前进所在的空档位置的旋转量和旋转方向相匹配的角度。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的转向装置(1)，其特征在于，所述电子控制单元被配置成基于所估计的驱动扭矩来确定是建立了手动状态还是建立了放手状态。
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