CN111406012B - 车辆用转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆用转向装置，其针对车辆驾驶信息，能够容易地实现同等的转向扭矩。本发明的车辆用转向装置具备“基于扭转角以及与车辆驾驶信息相对应的目标扭转角来运算出电动机电流指令值”的扭转角控制单元，扭转角控制单元具备“基于目标扭转角与扭转角之间的偏差来计算出目标扭转角速度”的扭转角反馈补偿单元、“基于扭转角来计算出扭转角速度”的扭转角速度运算单元、“通过基于目标扭转角速度和扭转角速度来进行比例补偿，以便计算出限制前电动机电流指令值”的速度控制单元和“对限制前电动机电流指令值的上限值和下限值进行限制，输出电动机电流指令值”的输出限制单元，车辆用转向装置基于电动机电流指令值来对电动机进行驱动控制。

Description

车辆用转向装置
技术领域
本发明涉及一种高性能的车辆用转向装置，该车辆用转向装置通过进行控制，以便使扭力杆的扭转角等追随“与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的经年变化的影响。
背景技术
“作为一种车辆用转向装置”的电动助力转向装置(EPS)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344中使自对准扭矩(SAT)343与惯性342相加，然后，在加法单元345中再使在加法单元344中得到的加法结果与收敛性341相加，最后，将在加法单元345中得到的加法结果作为补偿信号CM。
就这样，在现有的电动助力转向装置中的辅助控制中，通过扭矩传感器来检测出“作为扭力杆的扭转扭矩”的“通过驾驶员的手动输入来施加”的转向扭矩，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，在通过这种方法来进行控制的情况下，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有时也会对转向扭矩产生影响。
为了解决这样的问题，已经提出了例如日本专利第5208894号公报(专利文献1)中所公开的电动助力转向装置。在专利文献1的电动助力转向装置中，为了施加“基于驾驶员的触觉特性”的适当的转向扭矩，基于“基于转向角或转向扭矩与手感量之间的关系来决定”的转向角与转向扭矩之间的关系(转向反作用力特性图)，来设定转向扭矩的目标值。
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的电动助力转向装置中，因为需要预先求得转向反作用力特性图，并且，基于转向扭矩的目标值与被检测出来的转向扭矩之间的偏差来进行控制，所以存在“会继续对转向扭矩产生影响”的可能性。
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车辆用转向装置，该车辆用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
本发明涉及一种车辆用转向装置，其至少具备“具有任意的弹簧常数”的扭力杆以及“用于检测出扭转角”的传感器，通过对电动机进行驱动控制，来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：具备扭转角控制单元，所述扭转角控制单元基于所述扭转角以及“与车辆驾驶信息相对应”的目标扭转角来运算出电动机电流指令值，所述扭转角控制单元具备扭转角反馈补偿单元、扭转角速度运算单元、速度控制单元和输出限制单元，所述扭转角反馈补偿单元基于所述目标扭转角与所述扭转角之间的偏差来计算出目标扭转角速度，所述扭转角速度运算单元基于所述扭转角来计算出扭转角速度，所述速度控制单元通过基于所述目标扭转角速度以及所述扭转角速度来进行比例补偿，以便计算出限制前电动机电流指令值，所述输出限制单元对所述限制前电动机电流指令值的上限值和下限值进行限制，输出所述电动机电流指令值，所述车辆用转向装置基于所述电动机电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
或者，本发明的上述目的可以通过下述这样来实现，即：具备扭转角控制单元，所述扭转角控制单元基于所述扭转角、第1旋转角、第2旋转角以及“与车辆驾驶信息相对应”的目标扭转角来运算出电动机电流指令值，所述扭转角控制单元具备扭转角反馈补偿单元、第1角速度运算单元、第2角速度运算单元、速度控制单元和输出限制单元，所述扭转角反馈补偿单元基于所述目标扭转角与所述扭转角之间的偏差来计算出目标扭转角速度，所述第1角速度运算单元基于所述第1旋转角来计算出第1角速度，所述第2角速度运算单元基于所述第2旋转角来计算出第2角速度，所述速度控制单元通过基于“根据所述目标扭转角速度和所述第1角速度来求得”的目标角速度以及所述第2角速度来进行比例补偿，以便计算出限制前电动机电流指令值，所述输出限制单元对所述限制前电动机电流指令值的上限值和下限值进行限制，输出所述电动机电流指令值，所述车辆用转向装置基于所述电动机电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
或者，本发明的上述目的可以通过下述这样来实现，即：具备扭转角控制单元，所述扭转角控制单元基于第1旋转角、第2旋转角以及“与车辆驾驶信息相对应”的目标扭转角来运算出电动机电流指令值，所述扭转角控制单元具备扭转角反馈补偿单元、第1角速度运算单元、第2角速度运算单元、速度控制单元和输出限制单元，所述扭转角反馈补偿单元基于“根据所述目标扭转角和所述第1旋转角来求得”的目标旋转角与所述第2旋转角之间的偏差来计算出目标扭转角速度，所述第1角速度运算单元基于所述第1旋转角来计算出第1角速度，所述第2角速度运算单元基于所述第2旋转角来计算出第2角速度，所述速度控制单元通过基于“根据所述目标扭转角速度和所述第1角速度来求得”的目标角速度以及所述第2角速度来进行比例补偿，以便计算出限制前电动机电流指令值，所述输出限制单元对所述限制前电动机电流指令值的上限值和下限值进行限制，输出所述电动机电流指令值，所述车辆用转向装置基于所述电动机电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
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还具备输入限制单元，所述输入限制单元对所述目标扭转角的上限值和下限值进行限制；或，所述扭转角控制单元还具备变化率限制单元，所述变化率限制单元对所述目标扭转角的变化量进行限制；或，还具备目标转向扭矩生成单元和变换单元，所述目标转向扭矩生成单元基于所述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“在所述扭转角控制单元中被使用”的所述目标扭转角；或，所述目标转向扭矩生成单元具备基本图单元、阻尼运算单元和滞后补正单元，所述基本图单元通过使用车速感应型的基本图，并且，基于所述车辆驾驶信息，来求得第1扭矩信号，所述阻尼运算单元通过使用车速感应型的阻尼增益图，并且，基于角速度信息，来求得第2扭矩信号，所述滞后补正单元通过根据转向状态来对所述车辆驾驶信息进行滞后补正，从而求得第3扭矩信号，所述目标转向扭矩生成单元根据所述第1扭矩信号、所述第2扭矩信号以及所述第3扭矩信号来计算出所述目标转向扭矩；或，所述车辆用转向装置基于“通过所述电动机电流指令值与基于转向扭矩来运算出的辅助电流指令值相加来求得”的电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
发明的效果
根据本发明的车辆用转向装置，通过针对“基于与车辆驾驶信息相对应的目标扭转角来运算出”的目标扭转角速度或目标角速度来进行“基于比例补偿”的速度控制，这样就能够使扭转角追随目标扭转角，从而针对车辆驾驶信息，就能够实现期望的转向扭矩，并且，还能够施加“基于驾驶员的转向的感觉”的适当的转向扭矩。还有，扭转角控制单元具备了“用来对扭转角速度或角速度进行控制”的速度控制单元，因此，能够提高“扭转角追随目标扭转角”的追随性，并且，还能够抑制“从驾驶员那儿被输入进来的转向角的变化给扭转角造成的影响”，从而提高了针对突然的转向的“扭转角追随目标扭转角”的追随性。
附图说明
图1是表示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)内的结构示例的结构框图。
图3是表示EPS转向系统和各种传感器的设置示例的结构图。
图4是表示本发明的结构示例(第1实施方式)的结构框图。
图5是表示目标转向扭矩生成单元的结构示例的结构框图。
图6是表示基本图的特性示例的图。
图7是表示阻尼增益图的特性示例的图。
图8是表示滞后补正单元的特性示例的图。
图9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10是表示本发明的动作示例的流程图。
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动作示例(第1实施方式)的流程图。
图13是表示在模拟中使用的转向角的时序示例的图。
图14是“没有进行扭转角控制”的场合的模拟结果。
图15是表示“进行了扭转角控制”的场合的模拟中的目标转向扭矩的输出示例的图。
图16是“进行了扭转角控制”的场合的模拟结果。
图17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18是表示扭转角控制单元的动作示例(第2实施方式)的流程图。
图19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20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21是表示本发明的结构示例(第4实施方式)的结构框图。
图22是表示相位补偿单元的插入示例的结构框图。
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”的车辆用转向装置。本发明的车辆用转向装置通过进行控制，以便使扭力杆的扭转角等追随“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。
首先，对“用于检测出与作为本发明的车辆用转向装置之一的电动助力转向装置有关的信息”的各种传感器的设置示例进行说明。图3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3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，下侧角度传感器被设置在扭力杆2A的下方的柱轴2的转向车轮一侧，上侧角度传感器检测出转向盘角θ1，下侧角度传感器检测出柱轴角θ2。另外，通过“被设置在柱轴2的上方”的转向角传感器来检测出转向角θh。基于转向盘角θ1与柱轴角θ2之间的偏差，并且，按照下述式1以及式2，就能够求得扭力杆的扭转角Δθ以及扭力杆扭矩Tt。此外，在下述式2中，Kt是扭力杆2A的弹簧常数。
式1
θ2-θ1＝Δθ
式2
Kt·Δθ＝Kt·(θ2-θ1)＝Tt
此外，也可以通过使用“例如日本特开2008-216172号公报中所公开”的扭矩传感器，来检测出扭力杆扭矩Tt。
接下来，对本发明的结构示例进行说明。
图4是表示本发明的结构示例(第1实施方式)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4所示，“作为车辆驾驶信息”的转向角θh、车速Vs以及“从向右转向/向左转向判定单元110输出”的“用来表示向右转向或向左转向”的转向状态STs被输入到“用来输出与作为车辆驾驶信息的转向角θh相对应的目标转向扭矩Tref”的目标转向扭矩生成单元120中。目标转向扭矩Tref在变换单元130中被变换成目标扭转角Δθref，目标扭转角Δθref与扭力杆2A的扭转角Δθ一起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Δθref”的电动机电流指令值Imc，然后，基于电动机电流指令值Imc来对EPS的电动机进行驱动。
向右转向/向左转向判定单元110基于电动机角速度ωm来判定“转向操作是向右转向还是向左转向”，并且，将判定结果作为转向状态STs来输出。也就是说，在电动机角速度ωm为正的值的情况下，就判定为“向右转向”；在电动机角速度ωm为负的值的情况下，就判定为“向左转向”。此外，也可以用“通过针对转向角θh、转向盘角θ1或柱轴角θ2进行速度运算来计算出”的角速度来代替电动机角速度ωm。
图5示出了目标转向扭矩生成单元120的结构示例。如图5所示，目标转向扭矩生成单元120具备了基本图单元121、微分单元122、阻尼增益单元123、滞后补正单元124、乘法单元125、加法单元126以及加法单元127，还有，转向角θh被输入到基本图单元121、微分单元122以及滞后补正单元124中，“从向右转向/向左转向判定单元110输出”的转向状态STs被输入到滞后补正单元124中。
基本图单元121具有基本图，并且，通过使用基本图来输出“以车速Vs为参数”的扭矩信号(第1扭矩信号)Tref_a。通过调校来调整基本图，例如，如图6(A)所示那样，扭矩信号Tref_a随着转向角θh的大小(绝对值)|θh|的增加而增加，并且，扭矩信号Tref_a还随着车速Vs的增加而增加。此外，图6(A)示出了这样一种结构，即，符号单元121A将转向角θh的符号(+1、－1)输出到乘法单元121B，通过基于转向角θh的大小并且按照图来求得扭矩信号Tref_a的大小，然后，通过使转向角θh的符号与扭矩信号Tref_a的大小相乘来求得扭矩信号Tref_a。还有，如图6(B)所示那样，也可以根据正的转向角θh和负的转向角θh来构成图，在这种情况下，也可以通过不同的方式来改变转向角θh为正的场合的变化的样式和转向角θh为负的场合的变化的样式。
微分单元122通过对转向角θh进行微分来计算出转向角速度ωh，转向角速度ωh被输入到乘法单元125中。
阻尼增益单元123输出“被用来与转向角速度ωh相乘”的阻尼增益DG。“在乘法单元125中阻尼增益DG与转向角速度ωh相乘后得到”的乘法结果作为扭矩信号(第2扭矩信号)Tref_b被输入到加法单元127中。通过使用阻尼增益单元123所具有的车速感应型的阻尼增益图，并且，根据车速Vs，来求得阻尼增益DG。例如，如图7所示那样，阻尼增益图具有“阻尼增益DG随着车速Vs的增加而逐渐增加”的特性。也可以根据转向角θh来改变阻尼增益图。此外，阻尼增益单元123和乘法单元125构成了阻尼运算单元。
滞后补正单元124通过基于转向角θh以及转向状态STs，并且，按照下述式3，来运算出扭矩信号(第3扭矩信号)Tref_c。此外，在下述式3中，x＝θh和y＝Tref_c是成立的，还有，Ahys为滞后宽度。
式3
向右转向时y＝Ahys[1-exp{-a(x-b)}]
向左转向时y＝-Ahys[1-exp{a(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，基于最终坐标(x1，y1)的值，也就是说，基于切换前的坐标(x1，y1)的值，将下述式4代入到切换后的上述式3的“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
Figure BDA0002382732220000091
向左转向时
Figure BDA0002382732220000092
图8示出了“在上述式3以及上述式4中，设定为Ahys＝1[Nm]和a＝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Tref_c的例子。也就是说，来自滞后补正单元124的扭矩信号Tref_c具有像“0的原点→L1(细线)→L2(虚线)→L3(粗线)”那样的滞后特性。
此外，也可以根据车速Vs和/或转向角θh来改变“用于表示滞后特性的输出宽度”的系数Ahys以及“用于表示圆度”的系数a。
在加法单元126和加法单元127中对扭矩信号Tref_a、扭矩信号Tref_b以及扭矩信号Tref_c进行加法运算，然后，通过该加法运算得到的加法结果被作为目标转向扭矩Tref来输出。
此外，尽管通过对转向角θh进行微分运算来求得转向角速度ωh，但为了减少高频带噪声的影响，适当地实施了低通滤波器(LPF)处理。还有，也可以通过高通滤波器(HPF)和增益来实施微分运算和LPF处理。另外，也可以通过对“由上侧角度传感器检测出”的转向盘角θ1或“由下侧角度传感器检测出”的柱轴角θ2进行微分运算和LPF处理来计算出转向角速度ωh，而不是通过对转向角θh进行微分运算和LPF处理来计算出转向角速度ωh。还有，也可以用电动机角速度ωm来代替转向角速度ωh，在这种情况下，就不需要微分单元122。
变换单元130具有“通过反转了扭力杆2A的弹簧常数Kt的倒数的符号而获得”的－1/Kt的特性，并且，将目标转向扭矩Tref变换成目标扭转角Δθref。
扭转角控制单元140基于目标扭转角Δθref以及扭转角Δθ，来运算出电动机电流指令值Imc。图9是表示扭转角控制单元140的结构示例的结构框图。如图9所示，扭转角控制单元140具备输入限制单元141、变化率限制单元142、扭转角反馈(FB)补偿单元143、扭转角速度运算单元144、速度控制单元150、输出限制单元145以及减法单元146。
输入限制单元141对目标扭转角Δθref的上限值和下限值进行限制，从而使得在进行通信、微型计算机和ECU的运算等的情况下，当目标扭转角Δθref变成了异常值的时候，扭转角控制单元140就不会输出异常的电动机电流指令值Imc。输入限制单元141预先设定好针对目标扭转角Δθref的上限值以及下限值，在被输入进来的目标扭转角Δθref等于或大于上限值的情况下，将上限值设定成目标扭转角Δθref’后并将其输出；在被输入进来的目标扭转角Δθref等于或小于下限值的情况下，将下限值设定成目标扭转角Δθref’后并将其输出；否则，原封不动地将目标扭转角Δθref设定成目标扭转角Δθref’后并将其输出。作为“由输入限制单元141来设定”的上限值以及下限值，也可以为“在控制中使用”的扭转角的最大值以及最小值，还有，也可以为可检测的扭转角范围的最大值以及最小值。通过这样做，就可以确保安全性。
在目标扭转角Δθref变成了异常值的情况下，该值不会连续地发生变化，为了防止不连续地发生变动，变化率限制单元142对目标扭转角Δθref’的变化量进行限制。尽管在通常情况下，由于目标扭转角连续地发生变化，所以变化率限制单元142不进行限制，但当目标扭转角由于某种异常而一时性地变成了异常值的时候，通过变化率限制单元142来进行限制，这样就能够防止不连续的变化。例如，将与上一次采样的目标扭转角Δθref’之间的差分设定为变化量，在该变化量的绝对值大于所规定的值的情况下，对目标扭转角Δθref’进行加法运算或减法运算，以便使变化量的绝对值变成该所规定的值，将“对目标扭转角Δθref’进行加法运算或减法运算后得到”的运算结果作为目标扭转角Δθref”来输出；在该变化量的绝对值等于或小于所规定的值的情况下，原封不动地将目标扭转角Δθref’作为目标扭转角Δθref”来输出。还有，也可以通过诸如“将与上一次采样的目标扭转角Δθref’之间的差分的比例设定为变化量”之类的方法，来进行限制。
此外，尽管也可以将输入限制单元141与变化率限制单元142之间的配置关系反过来，但优选地采用如图9所示那样的配置关系。还有，在诸如“通过别的方法来应对异常值、不连续值”之类的情况下，就可以删除输入限制单元141和/或变化率限制单元142。
扭转角FB补偿单元143使“通过减法单元146来计算出”的目标扭转角Δθref”与扭转角Δθ之间的偏差Δθ0与补偿值CFB(传递函数)相乘，输出“能够使扭转角Δθ追随目标扭转角Δθref”的目标扭转角速度ωref。此外，补偿值CFB可以为简单的增益Kpp，还有，补偿值CFB也可以为诸如PI控制的补偿值之类的常用补偿值。目标扭转角速度ωref被输入到速度控制单元150中。通过扭转角FB补偿单元143和速度控制单元150，就能够使扭转角Δθ追随目标扭转角Δθref，从而能够实现期望的转向扭矩。
扭转角速度运算单元144通过针对扭转角Δθ的微分运算来计算出扭转角速度ωt，扭转角速度ωt被输入到速度控制单元150中。作为微分运算，也可以进行“基于HPF和增益”的伪微分。
速度控制单元150计算出“能够使扭转角速度ωt追随目标扭转角速度ωref”的电动机电流指令值(限制前电动机电流指令值)Imcb。通过减法单元151来计算出目标扭转角速度ωref与扭转角速度ωt之间的差分(ωref－ωt)，接着，通过补偿单元152来使该差分与补偿值Kv相乘，最后，将“该差分与补偿值Kv相乘后得到”的乘法结果作为电动机电流指令值Imcb来输出。作为补偿值Kv，尽管使用比例(P)补偿的补偿值，但也可以使用诸如比例积分(PI)补偿之类的补偿值。
输出限制单元145对“从速度控制单元150输出”的电动机电流指令值Imcb的上限值和下限值进行限制，输出电动机电流指令值Imc。与输入限制单元141相同，输出限制单元145预先设定好针对电动机电流指令值Imcb的上限值以及下限值，然后进行限制。
在这样的结构中，参照图10、图11以及图12的流程图，对本实施方式的动作示例进行说明。
当动作开始的时候，向右转向/向左转向判定单元110输入电动机角速度ωm，基于电动机角速度ωm的符号来判定“转向操作是向右转向还是向左转向”，然后，将判定结果作为转向状态STs输出到目标转向扭矩生成单元120(步骤S10)。
目标转向扭矩生成单元120输入转向状态STs、转向角θh以及车速Vs，生成目标转向扭矩Tref(步骤S20)。参照图11的流程图，对目标转向扭矩生成单元120的动作示例进行说明。
“被输入到目标转向扭矩生成单元120中”的转向角θh被输入到基本图单元121、微分单元122以及滞后补正单元124中，“被输入到目标转向扭矩生成单元120中”的转向状态STs被输入到滞后补正单元124中，“被输入到目标转向扭矩生成单元120中”的车速Vs被输入到基本图单元121以及阻尼增益单元123中(步骤S21)。
基本图单元121使用如图6(A)或图6(B)所示那样的基本图，来生成“与转向角θh以及车速Vs相对应”的扭矩信号Tref_a并将其输出到加法单元126(步骤S22)。
微分单元122对转向角θh进行微分，输出转向角速度ωh(步骤S23)，阻尼增益单元123使用如图7所示那样的阻尼增益图，来输出“与车速Vs相对应”的阻尼增益DG(步骤S24)，乘法单元125通过使阻尼增益DG与转向角速度ωh相乘，来运算出扭矩信号Tref_b并将其输出到加法单元127(步骤S25)。
滞后补正单元124通过针对转向角θh，并且，根据转向状态STs，来切换“基于上述式3”的运算和“基于上述式4”的运算，这样就实施了滞后补正(步骤S26)，从而生成了扭矩信号Tref_c并将其输出到加法单元127(步骤S27)。此外，尽管上述式3以及上述式4中的滞后宽度的Ahys、a、x1以及y1均被预先设定好并被保持，但也可以基于上述式4并且按照转向方向(向右转向、向左转向)来预先计算出b，并且，通过保持b来代替x1以及y1。
然后，通过加法单元127使扭矩信号Tref_b与扭矩信号Tref_c相加，接下来，通过加法单元126使扭矩信号Tref_a与“在加法单元127中获得的加法结果”相加，这样就运算出了目标转向扭矩Tref(步骤S28)。
“通过目标转向扭矩生成单元120来生成”的目标转向扭矩Tref被输入到变换单元130中，在变换单元130中被变换成目标扭转角Δθref(步骤S30)。目标扭转角Δθref被输入到扭转角控制单元140中。
扭转角控制单元140输入目标扭转角Δθref和扭转角Δθ，运算出电动机电流指令值Imc(步骤S40)。参照图12的流程图，对扭转角控制单元140的动作示例进行说明。
“被输入到扭转角控制单元140中”的目标扭转角Δθref被输入到输入限制单元141中，“被输入到扭转角控制单元140中”的扭转角Δθ被输入到扭转角速度运算单元144以及减法单元146中(步骤S41)。
输入限制单元141按照被预先设定好的上限值以及下限值来对目标扭转角Δθref的上限值和下限值进行限制，并且，将限制后的结果作为目标扭转角Δθref’输出到变化率限制单元142(步骤S42)，变化率限制单元142对目标扭转角Δθref’的变化量进行限制，将限制后的结果作为目标扭转角Δθref”输出到减法单元146(步骤S43)。
减法单元146通过从目标扭转角Δθref”中减去扭转角Δθ，来计算出偏差Δθ0(步骤S44)。偏差Δθ0被输入到扭转角FB补偿单元143中，扭转角FB补偿单元143通过使偏差Δθ0与补偿值CFB相乘，来对偏差Δθ0进行补偿(步骤S45)，将目标扭转角速度ωref输出到速度控制单元150。
“输入了扭转角Δθ”的扭转角速度运算单元144通过针对扭转角Δθ的微分运算来计算出扭转角速度ωt(步骤S46)，然后，将计算出的扭转角速度ωt输出到速度控制单元150。
在速度控制单元150中，通过减法单元151来计算出目标扭转角速度ωref与扭转角速度ωt之间的差分，接着，通过补偿单元152来对该差分实施“基于补偿值Kv”的比例处理，然后，比例处理结果作为电动机电流指令值Imcb被输出到输出限制单元145(步骤S47)。
输出限制单元145按照被预先设定好的上限值以及下限值来对电动机电流指令值Imcb的上限值和下限值进行限制(步骤S48)，然后，将限制结果作为电动机电流指令值Imc输出(步骤S49)。
基于“从扭转角控制单元140输出”的电动机电流指令值Imc来对电动机进行驱动，实施电流控制(步骤S50)。
此外，可以适当地变更图10、图11以及图12中的数据输入以及运算等的顺序。
基于模拟结果，来对本实施方式的“追随目标转向扭矩”的追随性的效果进行说明。
首先，示出了“只进行了现有的辅助控制”的场合的模拟结果。假设“转向操作为通常的转向操作”，如图13所示那样，使转向角θh以大约30deg的振幅和大约1.0Hz的频率呈正弦形状地发生变化，进行了在这种情况下的转向角θh以及转向扭矩(扭力杆扭矩)Tt的响应的模拟。此外，在图13中，横轴是时间[sec]，还有，纵轴是转向角[deg]。
图14示出了模拟结果的时序波形。在图14中，横轴是转向角[deg]，还有，纵轴是转向扭矩[Nm]，在转向角为正的情况下，通过反转符号来进行调整，从而使得转向扭矩也变成正。因为在辅助控制中，不存在目标转向扭矩，所以在只进行了辅助控制的情况下，输出时的特性就一直会被原封不动地保持。
接下来，示出了“进行了扭转角控制”的场合的模拟结果。在扭转角控制中，扭转角FB补偿单元143的补偿值以及速度控制单元150中的补偿单元152的补偿值均被设定为比例增益，还有，扭转角速度运算单元144采用了“截止频率为50Hz，并且，传递函数由下述式5来表示”的HPF的结构(Thpf为滤波器的时间常数)。
式5
Figure BDA0002382732220000141
与“只进行了辅助控制”的场合相同，被输入进来的转向角θh为如图13所示那样的呈正弦形状的数据，在这种情况下，“从目标转向扭矩生成单元120输出”的目标转向扭矩Tref就成为如图15所示那样的波形。在图15中，横轴是转向角[deg]，还有，纵轴是目标转向扭矩[Nm]。
图16示出了模拟结果。在图16中，横轴是转向角[deg]，还有，纵轴是转向扭矩[Nm]，与图14的场合相同，在转向角为正的情况下，通过反转符号来进行调整，从而使得转向扭矩也变成正。从图15和图16中可以看出，在整个区域范围内都很好地追随了目标转向扭矩。
对本发明的其他的结构示例进行说明。
如上述式1所示那样，因为可以将扭力杆2A的扭转角Δθ替换成转向盘角θ1与柱轴角θ2之间的偏差，所以能够在原封不动地保持第1实施方式所具有的效果的前提下，将如图9所示的第1实施方式中的扭转角控制单元140等价交换成如图17所示那样的结构示例(第2实施方式)。
与第1实施方式中的扭转角控制单元140相比，目标扭转角Δθref、扭转角Δθ、转向盘角(第1旋转角)θ1以及柱轴角(第2旋转角)θ2被输入到第2实施方式中的扭转角控制单元中，还有，追加了“针对转向盘角θ1”的角速度运算单元244以及“针对柱轴角θ2”的角速度运算单元247来代替“针对扭转角Δθ”的扭转角速度运算单元144，另外，追加了加法单元248。通过将“目标扭转角速度ωref与通过对转向盘角θ1进行微分运算而计算出的转向盘角速度(第1角速度)ω1相加后得到”的加法结果设定为目标角速度ωrefc，就能够将速度控制单元150当成柱轴角速度(第2角速度)的速度控制结构。
与第1实施方式相比，在第2实施方式的动作示例中，只有扭转角控制单元的动作不同于第1实施方式，其他的动作与第1实施方式相同。
图18的流程图示出了第2实施方式的扭转角控制单元的动作示例。如图18所示，从动作开始到“用来进行扭转角FB补偿”的步骤S45的动作与第1实施方式的动作相同，还有，“从扭转角FB补偿单元143输出”的目标扭转角速度ωref被输入到加法单元248中。另外，“输入了转向盘角θ1”的角速度运算单元244通过微分运算来计算出转向盘角速度ω1(步骤S46A)，转向盘角速度ω1在加法单元248中与目标扭转角速度ωref相加，相加后得到的加法结果作为目标角速度ωrefc被输出到速度控制单元150(步骤S46B)。“输入了柱轴角θ2”的角速度运算单元247通过微分运算来计算出柱轴角速度ω2(步骤S46C)，将计算出的柱轴角速度ω2输出到速度控制单元150。然后，速度控制单元150基于目标角速度ωrefc以及柱轴角速度ω2来进行速度控制(步骤S47)。之后的动作与第1实施方式的动作相同。
通过将扭转角Δθ替换成转向盘角θ1与柱轴角θ2之间的偏差，除了第2实施方式之外，还可以将如图9所示的第1实施方式中的扭转角控制单元140等价交换成如图19所示那样的结构示例(第3实施方式)。
与第2实施方式中的扭转角控制单元相比，扭转角Δθ没有被输入到第3实施方式中的扭转角控制单元中，另外，追加了加法单元349。通过将“目标扭转角Δθref”与转向盘角θ1相加后得到”的加法结果设定为目标旋转角θrefc，使目标旋转角θrefc与柱轴角θ2之间的偏差Δθ0与补偿值CFB相乘，接着，将“相乘后得到的乘法结果与转向盘角速度ω1相加后得到”的加法结果设定为目标角速度ωrefc，与第2实施方式的场合相同，就能够将速度控制单元150当成柱轴角速度的速度控制结构。
与第2实施方式相比，在第3实施方式的动作示例中，只有扭转角控制单元的动作不同于第2实施方式，其他的动作与第2实施方式相同。
图20的流程图示出了第3实施方式的扭转角控制单元的动作示例。如图20所示，从动作开始到“用来进行变化率限制”的步骤S43的动作与第2实施方式的动作相同，还有，“从变化率限制单元142输出”的目标扭转角Δθref”被输入到加法单元349中。转向盘角θ1也被输入到加法单元349中，“目标扭转角Δθref”与转向盘角θ1相加后得到”的加法结果被作为目标旋转角θrefc来输出(步骤S43A)。减法单元146通过从目标旋转角θrefc中减去柱轴角θ2来计算出偏差Δθ0(步骤S44)。之后的动作与第2实施方式的动作相同。
此外，在第2实施方式以及第3实施方式中，通过使减速机构简单地执行减速比的转换，也可以将“电动机角速度除以减速比得到”的数据作为柱轴角速度ω2来使用。在这种情况下，就不需要角速度运算单元247。还有，也可以用转向角θh来代替转向盘角θ1。
即使通过使在现有的EPS中基于转向扭矩来运算出的电流指令值(辅助电流指令值)与“从第1实施方式、第2实施方式以及第3实施方式中的扭转角控制单元输出”的电动机电流指令值Imc相加，例如，即使通过使从如图2所示的电流指令值运算单元31输出的电流指令值Iref1或电流指令值Iref1与补偿信号CM相加后得到的电流指令值Iref2与“从第1实施方式、第2实施方式以及第3实施方式中的扭转角控制单元输出”的电动机电流指令值Imc相加，也能够实现期望的转向扭矩。
图21示出了“将上述内容应用在第1实施方式中得到”的结构示例(第4实施方式)。如图21所示，辅助控制单元400由电流指令值运算单元31来构成，或者，辅助控制单元400由电流指令值运算单元31、补偿信号生成单元34以及加法单元32A来构成。“从辅助控制单元400输出”的辅助电流指令值Iac(相当于图2中的电流指令值Iref1或电流指令值Iref2)与“从扭转角控制单元140输出”的电动机电流指令值Imc在加法单元460中相加，作为加法结果的电流指令值Ic被输入到电流限制单元470中，基于“被限制了最大电流”的电流指令值Icm来对电动机进行驱动，实施电流控制。
在如上所述的实施方式(第1实施方式～第4实施方式)中的目标转向扭矩生成单元120中，在注重成本和处理时间的情况下，也可以省略阻尼运算单元和/或滞后补正单元124。在省略阻尼运算单元的情况下，还可以省略微分单元122以及加法单元127；在省略滞后补正单元124的情况下，还可以省略向右转向/向左转向判定单元110以及加法单元127。还有，也可以在基本图单元121的前一级或后一级插入“用来进行相位补偿”的相位补偿单元128。也就是说，也可以将用图5中的虚线包围起来的区域R的结构设定成如图22(A)或图22(B)所示那样的结构。在相位补偿单元128中，作为相位补偿设定了相位超前补偿，例如，在通过使用“分子的截止频率为1.0Hz，并且，分母的截止频率为1.3Hz”的一阶滤波器来进行相位超前补偿的情况下，就能够实现一种舒畅的转向感。还有，目标转向扭矩生成单元并不限于如上所述的结构，只要是基于车辆驾驶信息的结构的话，都可以被当做目标转向扭矩生成单元来使用。
此外，尽管在图1以及图3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。
附图标记说明
1 转向盘(方向盘)
2 柱轴(转向轴或方向盘轴)
2A 扭力杆
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)
31 电流指令值运算单元
33、470 电流限制单元
34 补偿信号生成单元
100 EPS转向系统/车辆系统
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 基本图单元
123 阻尼增益单元
124 滞后补正单元
128 相位补偿单元
130 变换单元
140 扭转角控制单元
141 输入限制单元
142 变化率限制单元
143 扭转角反馈(FB)补偿单元
144 扭转角速度运算单元
145 输出限制单元
150 速度控制单元
152 补偿单元
244、247 角速度运算单元
400 辅助控制单元

Claims (18)

1.一种车辆用转向装置，其至少具备“具有任意的弹簧常数”的扭力杆以及“用于检测出扭转角”的传感器，通过对电动机进行驱动控制，来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具备基本图单元和阻尼运算单元，
所述基本图单元通过使用车速感应型的基本图，并且，基于车辆驾驶信息，来求得第1扭矩信号，
所述阻尼运算单元通过使用车速感应型的阻尼增益图，并且，基于角速度信息，来求得第2扭矩信号，
所述目标转向扭矩生成单元根据所述第1扭矩信号以及所述第2扭矩信号来计算出目标转向扭矩，
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基于所述目标扭转角以及所述扭转角来运算出电动机电流指令值，
所述扭转角控制单元具备扭转角反馈补偿单元、扭转角速度运算单元、速度控制单元和输出限制单元，
所述扭转角反馈补偿单元基于所述目标扭转角与所述扭转角之间的偏差来计算出目标扭转角速度，
所述扭转角速度运算单元基于所述扭转角来计算出扭转角速度，
所述速度控制单元通过基于所述目标扭转角速度以及所述扭转角速度来进行比例补偿，以便计算出限制前电动机电流指令值，
所述输出限制单元对所述限制前电动机电流指令值的上限值和下限值进行限制，输出所述电动机电流指令值，
所述车辆用转向装置基于所述电动机电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
2.根据权利要求1所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备输入限制单元，
所述输入限制单元对所述目标扭转角的上限值和下限值进行限制。
3.根据权利要求1所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备变化率限制单元，
所述变化率限制单元对所述目标扭转角的变化量进行限制。
4.根据权利要求2所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备变化率限制单元，
所述变化率限制单元对所述目标扭转角的变化量进行限制。
5.一种车辆用转向装置，其至少具备“具有任意的弹簧常数”的扭力杆以及“用于检测出扭转角”的传感器，通过对电动机进行驱动控制，来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具备基本图单元和阻尼运算单元，
所述基本图单元通过使用车速感应型的基本图，并且，基于车辆驾驶信息，来求得第1扭矩信号，
所述阻尼运算单元通过使用车速感应型的阻尼增益图，并且，基于角速度信息，来求得第2扭矩信号，
所述目标转向扭矩生成单元根据所述第1扭矩信号以及所述第2扭矩信号来计算出目标转向扭矩，
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基于所述目标扭转角、所述扭转角、第1旋转角以及第2旋转角来运算出电动机电流指令值，
所述扭转角控制单元具备扭转角反馈补偿单元、第1角速度运算单元、第2角速度运算单元、速度控制单元和输出限制单元，
所述扭转角反馈补偿单元基于所述目标扭转角与所述扭转角之间的偏差来计算出目标扭转角速度，
所述第1角速度运算单元基于所述第1旋转角来计算出第1角速度，
所述第2角速度运算单元基于所述第2旋转角来计算出第2角速度，
所述速度控制单元通过基于“根据所述目标扭转角速度和所述第1角速度来求得”的目标角速度以及所述第2角速度来进行比例补偿，以便计算出限制前电动机电流指令值，
所述输出限制单元对所述限制前电动机电流指令值的上限值和下限值进行限制，输出所述电动机电流指令值，
所述车辆用转向装置基于所述电动机电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
6.根据权利要求5所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备输入限制单元，
所述输入限制单元对所述目标扭转角的上限值和下限值进行限制。
7.根据权利要求5所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备变化率限制单元，
所述变化率限制单元对所述目标扭转角的变化量进行限制。
8.根据权利要求6所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备变化率限制单元，
所述变化率限制单元对所述目标扭转角的变化量进行限制。
9.一种车辆用转向装置，其至少具备“具有任意的弹簧常数”的扭力杆以及“用于检测出扭转角”的传感器，通过对电动机进行驱动控制，来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具备基本图单元和阻尼运算单元，
所述基本图单元通过使用车速感应型的基本图，并且，基于车辆驾驶信息，来求得第1扭矩信号，
所述阻尼运算单元通过使用车速感应型的阻尼增益图，并且，基于角速度信息，来求得第2扭矩信号，
所述目标转向扭矩生成单元根据所述第1扭矩信号以及所述第2扭矩信号来计算出目标转向扭矩，
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基于所述目标扭转角、第1旋转角以及第2旋转角来运算出电动机电流指令值，
所述扭转角控制单元具备扭转角反馈补偿单元、第1角速度运算单元、第2角速度运算单元、速度控制单元和输出限制单元，
所述扭转角反馈补偿单元基于“根据所述目标扭转角和所述第1旋转角来求得”的目标旋转角与所述第2旋转角之间的偏差来计算出目标扭转角速度，
所述第1角速度运算单元基于所述第1旋转角来计算出第1角速度，
所述第2角速度运算单元基于所述第2旋转角来计算出第2角速度，
所述速度控制单元通过基于“根据所述目标扭转角速度和所述第1角速度来求得”的目标角速度以及所述第2角速度来进行比例补偿，以便计算出限制前电动机电流指令值，
所述输出限制单元对所述限制前电动机电流指令值的上限值和下限值进行限制，输出所述电动机电流指令值，
所述车辆用转向装置基于所述电动机电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
10.根据权利要求9所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备输入限制单元，
所述输入限制单元对所述目标扭转角的上限值和下限值进行限制。
11.根据权利要求9所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备变化率限制单元，
所述变化率限制单元对所述目标扭转角的变化量进行限制。
12.根据权利要求10所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述扭转角控制单元还具备变化率限制单元，
所述变化率限制单元对所述目标扭转角的变化量进行限制。
13.根据权利要求1所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述目标转向扭矩生成单元还具备滞后补正单元，
所述滞后补正单元通过根据转向状态来对所述车辆驾驶信息进行滞后补正，从而求得第3扭矩信号，
所述目标转向扭矩生成单元根据所述第1扭矩信号、所述第2扭矩信号以及所述第3扭矩信号来计算出所述目标转向扭矩。
14.根据权利要求5所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述目标转向扭矩生成单元还具备滞后补正单元，
所述滞后补正单元通过根据转向状态来对所述车辆驾驶信息进行滞后补正，从而求得第3扭矩信号，
所述目标转向扭矩生成单元根据所述第1扭矩信号、所述第2扭矩信号以及所述第3扭矩信号来计算出所述目标转向扭矩。
15.根据权利要求9所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述目标转向扭矩生成单元还具备滞后补正单元，
所述滞后补正单元通过根据转向状态来对所述车辆驾驶信息进行滞后补正，从而求得第3扭矩信号，
所述目标转向扭矩生成单元根据所述第1扭矩信号、所述第2扭矩信号以及所述第3扭矩信号来计算出所述目标转向扭矩。
16.根据权利要求1所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述车辆用转向装置基于“通过所述电动机电流指令值与基于转向扭矩来运算出的辅助电流指令值相加来求得”的电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
17.根据权利要求5所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述车辆用转向装置基于“通过所述电动机电流指令值与基于转向扭矩来运算出的辅助电流指令值相加来求得”的电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
18.根据权利要求9所述的车辆用转向装置，其特征在于：
所述车辆用转向装置基于“通过所述电动机电流指令值与基于转向扭矩来运算出的辅助电流指令值相加来求得”的电流指令值来对所述电动机进行驱动控制。
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