CN111094109A - 用于检测转向系统中的扰动变量的方法、以及用于机动车辆的转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测转向系统(10)中的扰动变量的方法，该转向系统包括转向柱(16，18)和机电转向辅助设备(24)，其中，感测转向系统(10)的至少一个变量。藉由包括至少该变量的数学状态空间模型来对转向系统(10)的至少一部分(20)进行建模。藉由卡尔曼滤波器估计转向系统(10)中的至少一个扰动变量，该扰动变量导致不期望的转向激励。卡尔曼滤波器使用转向系统(10)的状态空间模型，以便估计扰动变量。本发明进一步涉及一种转向系统(10)。

Description

用于检测转向系统中的扰动变量的方法、以及用于机动车辆 的转向系统
本发明涉及一种用于检测转向系统中的扰动变量的方法，并且涉及一种用于机动车辆的转向系统。
从现有技术已知具有带机电转向辅助设备的转向系统的机动车辆，其中，机电转向辅助设备可以提供力矩，以便由此辅助机动车辆的驾驶员进行转向运动。机电转向辅助设备可以被实施为动力转向系统。
在机动车辆、尤其是转向系统操作期间，扰动的出现为机动车辆的驾驶员带来不期望的转向感觉，因为出现不期望的转向激励，例如机电转向辅助设备的、尤其所使用的是马达的基于摩擦的扰动和/或所使用的转向系统的、通常例如转向齿轮的例如经由车轮来自道路的基于摩擦的扰动。在现有技术中，这些扰动变量根本无法被感测到，或者只可以在一大笔开支的情况下(藉由相当大量的传感器)被感测到。例如，基于摩擦的扰动变量无法经由驱动侧或输出侧上的传感器感测到。
在此已经证明不利的是：对扰动变量的感测和补偿仅在一定程度上是可能的，并且另外对可以感测到的扰动变量进行的补偿是成本高的，这是因为尤其必须使用非常大数量的传感器来检测不同的扰动影响。
本发明的目的是提供一种用于机动车辆的转向系统以及一种用于检测扰动变量的方法，通过该方法可以容易地且成本有效地感测扰动变量。
根据本发明，该目的实现是通过一种用于检测转向系统中的扰动变量的方法，其中，所述转向系统具有转向柱和机电转向辅助设备，所述方法包括以下步骤：
-感测所述转向系统的至少一个变量，
-藉由至少包括所述变量的数学状态空间模型对所述转向系统的至少一部分进行建模，以及
-藉由卡尔曼滤波器估计所述转向系统中的至少一个扰动变量，所述扰动变量产生不期望的转向激励，其中，所述卡尔曼滤波器使用所述转向系统的状态空间模型来估计所述扰动变量。
本发明的基本概念是：藉由数学状态空间模型估计作用在转向系统上的扰动变量，使得不必由传感器对所述变量进行直接感测，而对于所有扰动变量，这种直接感测在任何情况下都是不可能的。因此，可以消除用于众多传感器的对应的成本，并且同时可以更精确地确定总体扰动，这是因为对无法被传感器感测到的扰动变量进行了估计。在这个方面，可以更准确地确定作用在转向系统上的扰动变量。
藉由卡尔曼滤波器估计的至少一个扰动变量尤其是无法被传感器感测到的变量和/或无法被测量器材感测到的变量。
提供了至少一个扰动变量可能因此不藉由所设置的传感器进行确定，而是仅可以被估计。
换言之，藉由卡尔曼滤波器估计的至少一个扰动变量不是状态变量。
至少一个扰动变量是摩擦力矩、源于道路并且例如作用在转向齿条的力、和/或例如转向齿条处的摩擦力。
相比之下，一个或多个旋转角度、一个或多个旋转角速度、例如转向齿条的一个或多个行程值、和/或一个或多个速度是实际上与至少一个扰动变量不同的状态变量。
一个方面提供的是，补偿单元使用所估计的所述至少一个扰动变量来藉由补偿变量补偿与所述扰动变量相对应的扰动。这使得可以相应地主动补偿与扰动变量相关联的不期望的转向激励，使得为车辆的驾驶员提供了改善的转向感觉。相应地消除以其他方式出现的不期望的转向激励，使得这些转向激励可以不再被车辆的驾驶员感知到。由于改善了驾驶感觉，相应地提高了操作舒适性。因此，还可以提高安全性，例如，因为可以补偿在行进经过坑洼等地时导致方向盘脱落的扰动。
特别地，该补偿变量是能够通过该机电转向辅助设备为了补偿与该扰动变量相对应的扰动而提供的附加的力矩。因此，提供补偿对应估计的扰动、尤其是与扰动相对应的扰动变量的附加的力矩。可以通过在任何情况下均存在的机电转向辅助设备相应地提供附加的力矩，使得不需要附加的部件来有效地补偿出现的不期望的转向激励。
根据另一个方面，补偿单元包括频率相关的滤波器和/或特性图，所述频率相关的滤波器和/或特性图能够被调节以便在补偿所估计的扰动变量期间同时产生所期望的转向感觉。相应地，可以确定状态相关补偿变量，所述状态相关补偿变量藉由可相应地调节的滤波器和/或特性图进行计算。
特别地，感测所述机动车辆的至少一个测量变量并将其用于确定所述补偿变量。藉由还可以藉由传感器测量的机动车辆的测量变量，可以因此根据机动车辆的对应的测量变量来调节补偿变量。
例如，所述机动车辆的至少一个测量变量用于调节所述频率相关的滤波器和/或特性图。因此，为了确定补偿变量，补偿单元不仅可以使用所估计的扰动变量，还可以使用机动车辆的至少一个测量变量以及之前测量的转向系统的测量变量。
特别地，所述机动车辆的至少一个测量变量是车辆速度和/或转向变量。转向变量可以是被相应地感测到的转向角度、转向角速度、和/或转向角加速度。因此，转向变量例如与车辆的驾驶员执行的转向运动相关联。替代地或另外地，考虑了车辆速度以便调节滤波器和/或特性图。可以因此根据转向变量和车辆速度，并且还根据所确定的扰动变量来确定补偿变量。
根据一个实施例，藉由所述数学状态空间模型来对所述转向系统的至少包括所述机电转向辅助设备的下部部分进行建模。此下部部分足以能够估计出现的并且由于道路、机电转向辅助设备和/或转向齿轮的基于摩擦的干扰而出现的扰动变量。
特别地，所述转向系统的下部部分包括所述转向系统中设置在指配给所述转向柱的传感器下方的所有部件。因此，可以估计源于道路或对应的实施方式的扰动。尤其可以区分这些扰动与出现在驱动侧的扰动。
根据另一个方面，所述至少一个变量包括所述转向系统的旋转角度、所述机电转向辅助设备的马达旋转角度、所述机电转向辅助设备的力矩、和/或所述转向柱的力矩。这四个变量可以全部用于数学状态空间模型，以估计对应的扰动变量。在此背景下，不同变量可以在由卡尔曼滤波器形成的观测器的对应的状态空间模型中用作输入变量。转向系统的旋转角度例如是转向系统的下部区域的旋转角度，该旋转角度是在转向系统中设置的扭力杆下方测量的。通常，转向系统的旋转角度可以是转向柱的旋转角度。
例如在转向系统的旋转角度和转向柱的力矩的情况下，变量可以是测量变量。另外，例如在针对机电转向辅助设备的力矩的情况下，变量可以根据测量变量间接确定。机电转向辅助设备的力矩可以间接地确定、确切地说藉由机电转向辅助设备的电动马达的电流来确定。被认为是测量变量的变量均共同具有以下事实：这些测量变量藉由指配给转向系统的相应指配的传感器测得，其中，对应的传感器不适用于确定估计的扰动变量本身。在这个方面，没有附加的传感器用于直接感测扰动变量或指配给扰动变量的扰动。替代地，藉由卡尔曼滤波器和在任何情况下均存在的传感器估计对应的扰动变量或扰动。
另外，本发明涉及一种用于机动车辆的转向系统，所述转向系统具有转向柱、机电转向辅助设备、传感器，所述传感器被指配给所述转向柱并且被配置成感测所述转向柱的力矩和旋转角度。所述机电转向辅助设备包括马达，所述马达具有被配置成感测所述马达的马达旋转角度的角位置编码器。另外，所述转向系统包括调节器，所述调节器被配置成确定所述机电转向辅助设备的力矩，其中，所述调节器还被配置成藉由卡尔曼滤波器确定在所述转向系统中的可能产生不期望的转向感觉的扰动变量。因此，通过该转向系统，可以估计在转向系统中出现并且不利地影响转向感觉的扰动变量，而无需对此使用附加的传感器。藉由卡尔曼滤波器相应地确定或估计对应的扰动变量。因此，提供了具有紧凑的设计的成本有效的转向系统，尽管如此还提供了例如藉由传感器无法感测到的附加的信息。
尤其，转向系统还被配置成补偿转向系统中的扰动变量，该扰动变量产生不期望的转向感觉。这确保了车辆的驾驶员也不受扰动影响。相应地改善了转向感觉。
本发明的进一步优点和性质可以在以下说明和所参考的附图中发现。在附图中：
-图1示出了机动车辆的创造性的转向系统的透视图，
-图2示出了图1的转向系统的下部部分的物理等效模型，
-图3示出了图1的转向系统的下部部分的简化的物理等效模型，并且
-图4示出了创造性的转向系统的示意性展示，通过该转向系统阐明了根据本发明的方法。
图1示出了机动车辆的转向系统10，该转向系统被实施为机电辅助转向系统。
转向系统10包括上部部分12以及下部部分20，该上部部分包括方向盘14、第一转向柱16、以及第二转向柱18的至少一部分，该下部部分包括第二转向柱18的至少一部分、测量装置22、转向齿条23、以及机电转向辅助设备24。
如果驾驶员向方向盘14施加力矩，则第一转向柱16和第二转向柱18由此旋转，该旋转相应地被指配给第二转向柱18的测量装置22检测到。为此目的，测量装置22具有所谓的力矩和角度传感器26，该力矩和角度传感器还被称为力矩角度传感器(TAS)。测量装置22例如集成在第二转向柱18中，使得第二转向柱18包括输入区段和对应的输出区段，特别地其中，第二转向柱18被实施为两个部分。
力矩和角度传感器26例如包括扭力杆，可以藉由该扭力杆相应地感测转向柱16、18处出现的角度和力矩。对角度的感测可以发生在扭力杆的指向方向盘14的一侧或发生在扭力杆的指向转向齿条23的一侧。
机电转向辅助设备24包括马达28和角位置编码器30，藉由该角位置编码器可以感测到马达28的马达旋转角度。马达28尤其是电动马达。
此外，转向系统10包括调节器32，该调节器联接至测量装置22和机电转向辅助设备24。
调节器32因此尤其经由传感器26接收转向柱16、18的旋转角度，经由传感器26接收转向柱16、18的力矩，经由角位置编码器30接收马达28的马达旋转角度，并且经由马达28的相应功率消耗接收机电转向辅助设备24的力矩。转向柱16、18的力矩可以是扭力杆力矩。
另外，调节器32被配置成应用观测器34的数学状态空间模型，该模型被设计成尤其用于转向系统10的下部部分20。
为了设计观测器34(卡尔曼滤波器)，根据图3所示的并且基于根据图2的物理等效模型的简化物理等效模型来对转向系统10的下部部分20进行建模，所述模型例如是具有带滚珠丝杠驱动件的转向系统10。然而，可以以类似的方式设置其他类型的转向系统。
在此等效模型中，藉由对应的质量、惯性矩、具有弹簧常数的弹簧、具有阻尼系数的材料阻尼、以及粘性摩擦来对机电转向辅助设备24(尤其是其部件)、以及转向系统10的机械部件(尤其是第二转向柱18和转向齿条23)进行建模。
确切地，藉由马达的惯性矩(J马达)、带轮的惯性矩(J带轮)、循环球式螺母的惯性矩(J球式螺母)、以及球轴承的惯性矩(J轴承)来对机电转向辅助设备24进行建模，其中，另外还考虑了马达28的轴承摩擦的粘性摩擦(b马达)。另外，考虑了皮带驱动件的传动比(i带)和滚珠丝杠驱动件的传动比(i球式螺母)。
相对于转向系统10，将转向齿条23的质量(m齿条)和机电转向辅助设备24到转向齿条23的弹性连接考虑为在状态空间模型中具有材料阻尼(b机构)的弹簧(c机构)。类似地，转向系统10的下部部分20的惯性矩、也就是说具有小齿轮的第二转向柱18的惯性矩(J小齿轮)以及对应的传动比(i小齿轮)被输入到状态空间模型中。
另外，从图2明显的是，相对于机电转向辅助设备24，转向柱16、18的力矩(T柱)、施加的力矩(T辅助)、机电转向辅助设备24、以及作为扰动变量出现的摩擦力矩(T摩擦，马达)被作为进一步的输入变量或扰动变量包含在机电转向辅助设备24内。
此外，源于道路的力以及作用在转向齿条23上的力(F道路)、以及转向齿条23处的摩擦力(F摩擦，齿条)被作为扰动变量包含在状态空间模型中。
机电转向辅助设备24的马达28的旋转角度
Figure BDA0002418602690000051
和旋转角速度(Ω马达)以及转向齿条23的行程(s齿条)和速度(v齿条)被作为状态变量包含在状态空间模型中。
图2所示的物理等效模型是针对如图3中的但是呈简化形式的观测器34的设计而展示的。
相应地，机电转向辅助设备24的多个不同的惯性矩被组合形成驱动侧的总惯性矩(J驱动)。另外，使用驱动侧的总摩擦力矩(T摩擦，驱动)。转向齿条的质量(m齿条)以及转向柱的惯性矩(J小齿轮)被组合形成输出侧上的总质量(m下游)。
基于图3所展示的转向系统10、尤其是转向系统10的下部部分20的简化物理等效模型，可以推导出形成转向系统10的下部部分20的数学状态空间模型的方程。以下更详细地解释此数学状态空间模型。
用状态空间模型对转向系统10的状态进行建模，其中，状态通常应理解为描述对应的系统、也就是说转向系统10所需要的最小变量集
Figure BDA0002418602690000061
在此，相应地考虑转向系统10的状态。由此产生以下状态变量：
Figure BDA0002418602690000062
对应的状态的时间相关性没有在下文中明确给出，而是默认的。通过以下方程给出转向系统10的状态的时间演化：
Figure BDA0002418602690000063
根据考虑连续时间演化还是离散时间演化，此方程是微分方程或差分方程。在此背景下，
Figure BDA0002418602690000064
即，施加至机电转向辅助设备24的力矩以及由测量装置20在第二转向柱18处感测到的力矩，该感测到的力矩与转向柱16、18的力矩(T柱)的不同之处为材料阻尼的丢失部分。
另外，
Figure BDA0002418602690000065
并且包括驱动侧干摩擦力矩T摩擦，驱动、以及由道路激励产生的力与输出侧干摩擦力之和F齿条＝F道路+F摩擦，齿条。
因此，
Figure BDA0002418602690000066
表示转向系统10的下部部分20中出现的状态的未知扰动。
矩阵A和B描述状态
Figure BDA0002418602690000067
的演变并且取决于数学状态空间模型的变量。
此外，从数学状态空间模型变得清楚的是：测得的马达旋转角度
Figure BDA0002418602690000068
和第二转向柱18的旋转角度
Figure BDA0002418602690000069
还可以藉由转向系统10的对应的状态描述如下：
Figure BDA00024186026900000610
在此背景下，矩阵C描述转向系统10的当前状态
Figure BDA00024186026900000611
与测得的马达旋转角度
Figure BDA00024186026900000612
以及第二转向柱18的旋转角度
Figure BDA00024186026900000613
之间的关系。
方程(2)与针对转向系统10的状态的时间演化的方程(1)一起形成针对转向系统10的状态的线性状态空间模型。
无法直接通过对应变量(也就是机电转向辅助设备24的马达旋转角度、第二转向柱18的旋转角度、机电转向辅助设备24的力矩以及第二转向柱18的力矩)的确定来推断出转向系统10的状态变量和对应的扰动变量
Figure BDA0002418602690000071
替代地，必须估计转向系统10的状态变量和扰动变量
Figure BDA0002418602690000072
为此目的，使用卡尔曼滤波器。所述卡尔曼滤波器基于转向系统10所确定的变量以及所选择的数学状态空间模型来估计转向系统10的状态变量以及数学状态空间模型的未知扰动变量。
更精确的说，卡尔曼滤波器估计作用在转向系统10的下部部分20上的扰动T摩擦，驱动以及F齿条，其中，如已经提及的，T摩擦，驱动描述驱动侧干摩擦力矩，并且F齿条＝F道路+F摩擦，齿条描述了由道路激励产生的力与输出侧干摩擦力之和。
因此，藉由卡尔曼滤波器估计确定扰动变量所必需的所有额外需要的变量。更精确地说，未测量的并且计算转向系统10的扰动变量所需要的所有变量以及为此目的所需要的所有不可测的变量都被估计。
换言之，上述方法基于调控技术意义上的观测器34，在该方法中，通过数学状态空间模型来对转向系统10进行建模。此数学状态空间模型用作指配给转向系统10的下部部分20的观测器34的设计的基础。
如以上所描述的，根据已知的输入和测量变量
Figure BDA0002418602690000073
以及
Figure BDA0002418602690000074
通过观测器34(“下部观测器”)估计未知状态和扰动变量。
从其中计算扰动变量
Figure BDA0002418602690000075
作为与出现的所有扰动相对应的输出变量。
补偿单元36随后使用这些估计出的扰动变量
Figure BDA0002418602690000076
来确定补偿变量T扰动，拒斥，该补偿变量对指配给扰动变量
Figure BDA0002418602690000077
的扰动加以补偿。
此处，在此背景下，除了向补偿单元36提供藉由观测器34确定的扰动变量
Figure BDA0002418602690000078
Figure BDA00024186026900000712
之外，还可以提供机动车辆的至少一个测量变量，所述测量变量用于计算补偿变量T扰动，拒斥。机动车辆的测量变量可以是车辆运动动态测量变量(例如车辆速度)
Figure BDA0002418602690000079
和/或转向变量
Figure BDA00024186026900000710
例如所施加的转向力矩、转向角度、转向角速度、和/或转向角加速度。
补偿单元36可以包括可调节的频率相关的滤波器和/或特性图。滤波器或特性图在此可以取决于机动车辆的对应的测量变量
Figure BDA00024186026900000711
使得藉由机动车辆的测量变量相应地调节可调节的滤波器和/或特性图，以便根据机动车辆的测量变量确定补偿变量T扰动，拒斥。
藉由补偿单元36计算构成补偿变量T扰动，拒斥的附加的力矩，以便补偿与所估计的扰动变量
Figure BDA0002418602690000081
相对应的扰动、也就是说转向齿条23处的产生不期望的转向感觉的力矩和力。在此由机电转向辅助设备24施加附加的力矩T扰动，拒斥，使得对由于道路并且/或者由于转向系统10的下部部分20的基于摩擦的扰动而出现的不期望的转向激励加以相应地补偿，由此，机动车辆的驾驶员不会感知到所述扰动并且具有改善的转向感觉。
通过根据本发明的方法和转向系统10，可以容易地确定并且补偿出现的扰动变量，而无需为此目的使用众多传感器。

Claims (11)

1.一种用于检测具有转向柱(16，18)和机电转向辅助设备(24)的转向系统(10)中的扰动变量的方法，所述方法包括以下步骤：
-感测所述转向系统(10)的至少一个变量，
-藉由包括至少所述变量的数学状态空间模型对所述转向系统(10)的至少一部分(20)进行建模，以及
-藉由卡尔曼滤波器估计所述转向系统(10)中的至少一个扰动变量，所述扰动变量产生不期望的转向激励，其中，所述卡尔曼滤波器使用所述转向系统(10)的所述状态空间模型来估计所述扰动变量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所估计的所述至少一个扰动变量被补偿单元(36)使用来藉由补偿变量补偿与所述扰动变量相对应的扰动。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述补偿变量是附加的力矩，所述力矩能够通过所述机电转向辅助设备(24)提供，以便补偿与所述扰动变量相对应的扰动。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述补偿单元(36)包括频率相关的滤波器和/或特性图，所述频率相关的滤波器和/或特性图能够被调节以便产生所期望的转向感觉。
5.如权利要求2至4之一所述的方法，其特征在于，所述机动车辆的至少一个测量变量被感测并且被用于确定所述补偿变量。
6.如权利要求4和5所述的方法，其特征在于，所述机动车辆的所述至少一个测量变量被用于调节所述频率相关的滤波器和/或特性图。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述机动车辆的所述至少一个测量变量是车辆速度和/或转向变量。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，藉由所述数学状态空间模型来对所述转向系统(10)的至少包括所述机电转向辅助设备(24)的下部部分(20)进行建模。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述转向系统(10)的所述下部部分(20)包括所述转向系统(10)中设置在指配给所述转向柱(16，18)的传感器(26)下方的所有部件。
10.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个变量包括所述转向系统(10)的旋转角度、所述机电转向辅助设备(24)的马达旋转角度、所述机电转向辅助设备(24)的力矩、和/或所述转向柱(16，18)的力矩。
11.一种用于机动车辆的转向系统(10)，所述转向系统具有转向柱(16，18)、机电转向辅助设备(24)、传感器(26)、以及调节器(32)，所述传感器被指配给所述转向柱(16，18)并且被配置成感测所述转向柱(16，18)的力矩和旋转角度，其中，所述机电转向辅助设备(24)包括马达(28)，所述马达具有被配置成感测所述马达(28)的马达旋转角度的角位置编码器(30)，其中，所述调节器(32)被配置成确定所述机电转向辅助设备(24)的力矩，并且其中，所述调节器(32)还被配置成藉由卡尔曼滤波器确定在所述转向系统(10)中的产生不期望的转向感觉的扰动变量。
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