CN111417565A - 车辆用转向操纵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的车辆用转向操纵装置包含：第1设定部(41)，其设定与转向操纵转矩对应的目标辅助转矩；第2设定部(42)，其设定用于使目标转向操纵角与实际转向操纵角之间的角度偏差接近零的角度控制用目标转矩；推定部(43)，其推定对角度控制用目标转矩的补偿对象负荷；第1运算部(44)，其根据由上述第2设定部设定的角度控制用目标转矩与由推定部推定的补偿对象负荷来运算目标自动转向操纵转矩；以及第2运算部(44)，其通过与根据驾驶输入而变化的值对应地将目标自动转向操纵转矩与上述目标辅助转矩加权相加，从而运算电动马达的马达转矩的目标值亦即目标马达转矩。

Description

车辆用转向操纵装置
技术领域
本发明涉及使用相同的电动马达来实现自动地控制转向操纵角的自动转向操纵控制、与手动地控制转向操纵角的手动转向操纵控制(辅助控制)的车辆用转向操纵装置。
背景技术
在下述专利文献1中，公开有能够使用相同的致动器(电动马达)来实现自动地控制转向操纵角的自动转向操纵控制、与手动转向操纵控制的车辆用转向操纵装置。在专利文献1中记载的发明中，应该由致动器向转向轴施加的转向操纵转矩(以下，称为称为目标致动器转矩Tt)以下式(a)表示。
Tt＝Kasst·Tasst+Kauto·Tauto…(a)
在上述式(a)中，Tasst是目标辅助转矩，Tauto是用于进行自动转向操纵控制的目标转向操纵转矩(以下，称为目标自动转向操纵转矩)，Kasst以及Kauto分别是加权系数。致动器被控制为产生与目标致动器转矩Tt一致的转矩。
在手动转向操纵控制时，由于Kauto被设为零，因此Tt＝Kasst·Tasst。另外，在手动转向操纵控制中，由于系数Kasst被设定于1，因此Tt＝Tasst。在自动转向操纵控制时，根据上述式(a)来运算目标致动器转矩Tt。在自动转向操纵控制中，若未施加由驾驶员进行的转向操作，则除自动转向操纵控制开始与结束时以外，转向操纵转矩为0，因此目标辅助转矩Tasst为0。另外，在自动转向操纵控制中，由于系数Kauto被设定为1，因此Tt＝Tauto。
在专利文献1所记载的发明中，在自动转向操纵控制中检测出转向操纵介入的情况下，开始用于从自动转向操纵控制向手动转向操纵控制转移的转移控制。在该转移控制中，每当经过规定时间，使Kauto的值减少规定值K1的量，并且使Kasst的值增加规定值K2的量。但是，在Kauto的值低于0时Kauto被固定为0，在Kasst的值高于1时Kasst被固定为1。然后，使用更新后的Kauto以及Kasst来运算目标致动器转矩Tt，而控制致动器以便从致动器产生与运算出的目标致动器转矩Tt一致的转矩。这样，若Kauto的值为0并且Kasst的值变为1，则转移控制结束。
专利文献1：日本特开2004-256076号公报
在专利文献1所记载的转移控制中，Kauto的值随着时间逐渐减少，Kasst的值随着时间逐渐增加。而且，若Kauto的值为0并且Kasst的值变为1，则转移控制结束。由此，能够在解除自动转向操纵控制时，抑制目标致动器转矩Tt的变动，因此能够减轻驾驶员所感到的不协调。然而，在专利文献1所记载的发明中，从转移控制开始至结束为止的时间(转移控制时间)始终恒定，因此不能够通过驾驶员的转向操纵操作来使转移控制时间变化。因此，例如，存在在紧急时无法迅速地进行从自动转向操纵控制向手动转向操纵控制的切换的担忧。
发明内容
本发明的目的是提供能够通过新的方法从而使用相同的电动马达来进行自动转向操纵控制以及手动转向操纵控制，而能够顺畅地调整自动转向操纵与手动转向操纵的程度的车辆用转向操纵装置。
本发明的一实施方式所涉及的车辆用转向操纵装置包含：电动马达，其向车辆的转向机构施加转向操纵力；第1设定部，其设定与转向操纵转矩对应的目标辅助转矩；第2设定部，其设定用于使目标转向操纵角与实际转向操纵角之间的角度偏差接近零的角度控制用目标转矩；推定部，其推定对上述角度控制用目标转矩的补偿对象负荷；第1运算部，其根据由上述第2设定部设定的角度控制用目标转矩与由上述推定部推定的补偿对象负荷来运算目标自动转向操纵转矩；以及第2运算部，其通过与根据驾驶输入而变化的值对应地将上述目标自动转向操纵转矩与上述目标辅助转矩加权相加，从而运算上述电动马达的马达转矩的目标值亦即目标马达转矩。
根据该结构，得到能够通过新的方法来使用相同的电动马达进行自动转向操纵控制以及手动转向操纵控制的车辆用转向操纵装置。另外，根据该结构，得到能够从自动转向操纵控制向手动转向操纵控制，或者与之相反地使各控制的加权量变化并且无缝而迅速地切换的车辆用转向操纵装置。
在本发明的一实施方式中，上述补偿对象负荷包含上述电动马达的驱动对象从路面受到的路面负荷转矩。
在本发明的一实施方式中，在转向操纵部件与上述转向机构之间的转矩传递路径的中途包含扭杆，上述补偿对象负荷包含在从上述扭杆至转向轮为止的转矩传递路径产生的摩擦转矩。
在本发明的一实施方式中，在上述第2运算部使用的根据驾驶输入而变化的值是上述角度偏差或上述转向操纵转矩。
在本发明的一实施方式中，在上述第2运算部使用的根据驾驶输入而变化的值是上述角度偏差，上述第2运算部构成为通过将对上述目标自动转向操纵转矩乘以第1加权系数得到的值、与对上述目标辅助转矩乘以第2加权系数得到的值相加，从而运算上述目标马达转矩，上述第1加权系数设定为在上述角度偏差的绝对值比规定值大时为0，在上述角度偏差的绝对值为上述规定值以下时，随着上述角度偏差的绝对值从0变大而从1逐渐减少至0，上述第2加权系数设定为在上述角度偏差的绝对值比上述规定值大时为1，在上述角度偏差的绝对值为上述规定值以下时，随着上述角度偏差的绝对值从0变大而从0逐渐增加至1。
在本发明的一实施方式中，上述第2设定部包含：反馈控制转矩运算部，其通过对上述角度偏差进行规定的反馈运算，从而运算上述反馈控制转矩；前馈控制转矩运算部，其通过对上述目标转向操纵角的二阶导数乘以上述车辆用转向操纵装置的惯性力矩，从而运算前馈控制转矩；以及加算部，其通过对上述反馈控制转矩加上上述前馈控制转矩，从而运算上述角度控制用目标转矩。
在本发明的一实施方式中，上述第1运算部包含：限制处理部，其将由上述第2设定部设定的角度控制用目标转矩限制在规定的上限值与规定的下限值之间；以及运算部，其根据由上述限制部的限制处理后的角度控制用目标转矩、与由上述推定部推定的补偿对象负荷来运算目标自动转向操纵转矩。
本发明中的上述的、或者其他的目的、特征以及效果参照附图并通过下面描述的实施方式的说明而得以明确。
附图说明
图1是示出本发明的车辆用转向操纵装置的一实施方式亦即电动助力转向装置的概略结构的示意图。
图2是用于对马达控制用ECU的电气结构进行说明的框图。
图3是示出目标辅助转矩Tm，mc的相对于转向操纵转矩Td的设定例的图表。
图4是示出角度控制部的结构的框图。
图5是示出补偿对象负荷推定部的结构的框图。
图6是示出电动助力转向系统的物理模型的结构例的示意图。
图7是示出外部干扰转矩推定部的结构的框图。
图8是示出共享控制部的结构的框图。
图9是用于对限制器的动作进行说明的说明图。
图10是用于对β运算部的动作进行说明的说明图。
图11是示出比例增益KP的相对于转向操纵转矩的绝对值|Td|的设定例的图表。
图12是示出微分增益KD的相对于转向操纵转矩的绝对值|Td|的设定例的图表。
具体实施方式
图1是示出本发明的车辆用转向操纵装置的一实施方式亦即电动助力转向装置的概略结构的示意图。
该电动助力转向系统(EPS：electric power steering)1是在柱状部配置有电动马达与减速机的管柱式EPS。
电动助力转向系统1具备：作为用于操纵车辆转向的转向操纵部件的方向盘(转向盘)2、与该方向盘2的旋转连动而使转向轮3转向的转向机构4、以及用于辅助驾驶员的转向操纵的转向操纵辅助机构5。方向盘2与转向机构4经由转向轴6以及中间轴7机械地连结。
转向轴6包含连结于方向盘2的输入轴8、与连结于中间轴7的输出轴9。输入轴8与输出轴9经由扭杆10连结为能够相对旋转。
在扭杆10的周围配置有转矩传感器12。转矩传感器12根据输入轴8以及输出轴9的相对旋转位移量来检测施加于方向盘2的转向操纵转矩(扭杆转矩)Td。在该实施方式中，对于由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td而言，例如，将用于向左方的转向操纵的转矩检测为正值，而将用于向右方的转向操纵的转矩检测为负值，其绝对值越大则转向操纵转矩Td的大小变得越大。
转向机构4由包含小齿轮轴13、与作为转向轴的齿条轴14的齿条小齿轮机构构成。在齿条轴14的各端部，经由横拉杆15以及转向节臂(省略图示)连结有转向轮3。小齿轮轴13连结于中间轴7。小齿轮轴13与方向盘2的转向操纵连动地旋转。在小齿轮轴13的前端连结有小齿轮16。
齿条轴14沿着车辆的左右方向延伸为直线状。在齿条轴14的轴向的中间部形成有啮合于小齿轮16的齿条17。通过该小齿轮16以及齿条17，将小齿轮轴13的旋转转换为齿条轴14的轴向移动。通过使齿条轴14在轴向上移动，能够将转向轮3转向。
若将方向盘2转向操纵(旋转)，则该旋转经由转向轴6以及中间轴7向小齿轮轴13传递。而且，小齿轮轴13的旋转通过小齿轮16以及齿条17转换为齿条轴14的轴向移动。由此，将转向轮3转向。
转向操纵辅助机构5包含用于产生转向操纵辅助力(辅助转矩)的电动马达18、与用于将电动马达18的输出转矩增幅而向转向机构4传递的减速机19。减速机19由包含蜗杆20、和与该蜗杆20啮合的蜗轮21的蜗轮蜗杆机构构成。减速机19收容于作为传递机构壳体的齿轮壳体22内。在以下，存在将减速机19的减速比(传动比)以N表示的情况。减速比N定义为蜗杆20的角速度ωwg的相对于蜗轮21的角速度ωww的比ωwg/ωww。
蜗杆20由电动马达18旋转驱动。另外，蜗轮21可一体旋转地连结于输出轴9。
若电动马达18将蜗杆20旋转驱动，则蜗轮21旋转驱动，而向转向轴6施加马达转矩并且转向轴6(输出轴9)旋转。而且，转向轴6的旋转经由中间轴7传递至小齿轮轴13。将小齿轮轴13的旋转转换为齿条轴14的轴向移动。由此，将转向轮3转向。即，通过由电动马达18将蜗杆20旋转驱动，能够进行根据电动马达18的转向操纵辅助、转向轮3的转向。在电动马达18设置有用于检测电动马达18的转子的旋转角的旋转角传感器23。
作为施加于输出轴9(电动马达18的驱动对象的一个例子)的转矩，存在根据电动马达18的马达转矩、与马达转矩以外的外部干扰转矩。在马达转矩以外的外部干扰转矩Tlc中包含转向操纵转矩Td、路面负荷转矩(路面反作用力转矩)Trl、摩擦转矩Tf等。
转向操纵转矩Td是因由驾驶员向方向盘2施加的力、方向盘2的惯性力而从方向盘两侧向输出轴9施加的转矩。
路面负荷转矩Trl是因由在轮胎产生的自调节转矩；悬架、轮胎车轮对准而产生的力等而从路面侧经由转向轮3以及齿条轴14向输出轴9施加的转矩。
摩擦转矩Tf是因在从扭杆10至轮胎为止的转矩传递路径产生的摩擦而向输出轴9施加的转矩。摩擦转矩Tf包含因蜗轮21与蜗杆20之间的摩擦以及齿条小齿轮机构的摩擦而向输出轴9施加的转矩。
在本实施方式中，从马达转矩以外的外部干扰转矩Tlc减去转向操纵转矩Td或者将方向盘2的惯性力的影响补偿后的转向操纵转矩Td’后的转矩是应该相对于由后述的角度控制部42(参照图2)运算的角度控制用目标转矩Tm,ac被补偿的负荷(补偿对象负荷)Tle。因此，在本实施方式中，补偿对象负荷Tle包含路面负荷转矩(路面反作用力转矩)Trl以及摩擦转矩Tf。在以下，将补偿对象负荷Tle除以减速机19的减速比N后的值(Tle/N)以Tlem表示。
在车辆中，搭载有用于检测车速V的车速传感器24、拍摄车辆的行进方向前方的道路的CCD(Charge Coupled Device)照相机25、用于检测本车位置的GPS(GlobalPositioning System)26、用于检测道路形状、障碍物的雷达27以及存储有地图信息的地图信息存储器28。
CCD照相机25、GPS26、雷达27以及地图信息存储器28连接于用于进行自动支援控制、自动运转控制的上位ECU(ECU：Electronic Control Unit)201。上位ECU201以通过CCD照相机25，GPS26以及雷达27得到的信息以及地图信息为基础，来进行周边环境识别、本车位置推定、路径计划等，而进行转向操纵、驱动致动器的控制目标值的决定。
在本实施方式中，上位ECU201设定用于自动转向操纵的目标转向操纵角θcmda。在本实施方式中，自动转向操纵控制例如是用于使车辆沿着目标轨道行驶的控制。目标转向操纵角θcmda是用于使车辆沿着目标轨道自动行驶的转向操纵角的目标值。设定这样的目标转向操纵角θcmda的处理由于是公知的，因此在这里省略详细的说明。在本实施方式中，设为将输出轴9的旋转角称为“转向操纵角”。
由上位ECU201设定的目标转向操纵角θcmda经由车载网络向马达控制用ECU202传输。由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td、旋转角传感器23的输出信号、由车速传感器24检测的车速V向马达控制用ECU202输入。马达控制用ECU202根据这些输入信号以及从上位ECU201传输的信息来控制电动马达18。
图2是用于对马达控制用ECU202的电气结构进行说明的框图。
马达控制用ECU202具备微型计算机40、由微型计算机40控制而向电动马达18供给电力的驱动电路(变频器电路)31、以及用于检测在电动马达18流动的电流(以下，称为“马达电流I”)的电流检测电路32。
微型计算机40具备CPU以及存储器(ROM、RAM、非易失性存储器等)，通过执行规定的程序来作为多个功能处理部发挥功能。在该多个功能处理部中，包含辅助控制部(assistmap)41、角度控制部(Angle controller)42、补偿对象负荷推定部43、共享控制部(sharedcontrol)44、目标马达电流运算部45、电流偏差运算部46、PI控制部47、PWM(Pulse Widthmodulation)控制部48、旋转角运算部49、以及减速比除算部50。
辅助控制部41是本发明的第1设定部的一个例子。角度控制部42是本发明的第2设定部的一个例子。共享控制部44是本发明的第1运算部以及第2运算部的一个例子。
旋转角运算部49根据旋转角传感器23的输出信号来运算电动马达18的转子旋转角θm。减速比除算部50通过将由旋转角运算部49运算的转子旋转角θm除以减速比N，从而将转子旋转角θm换算为输出轴9的旋转角(实际转向操纵角)θ。
辅助控制部41设定手动操作所需要的辅助转矩的目标值亦即目标辅助转矩Tm，mc。辅助控制部41根据由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td与由车速传感器24检测的车速V来设定目标辅助转矩Tm，mc。目标辅助转矩Tm，mc的相对于转向操纵转矩Td的设定例在图3中示出。
目标辅助转矩Tm，mc针对转向操纵转矩Td的正值取正，而从电动马达18使用于左方转向操纵的转向操纵辅助力产生。另外，目标辅助转矩Tm，mc针对转向操纵转矩Td的负值取负，从电动马达18使用于右方转向操纵的转向操纵辅助力产生。而且，目标辅助转矩Tm，mc设定为转向操纵转矩Td的绝对值越大，其绝对值变得越大。另外，目标辅助转矩Tm，mc设定为由车速传感器24检测的车速V越大，其绝对值变得越小。
角度控制部42根据从上位ECU201传输的目标转向操纵角θcmda与由减速比除算部50运算的实际转向操纵角θ来设定角度控制(转向操纵角控制)所需要的角度控制用目标转矩Tm,ac。对于角度控制部42的详细内容在后叙述。
补偿对象负荷推定部43根据由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td、由减速比除算部50运算的实际转向操纵角θ、以及由共享控制部44设定的目标马达转矩Tm来推定补偿对象负荷Tlem。如后述的那样，根据由角度控制部42设定的角度控制用目标转矩Tm,ac、与由补偿对象负荷推定部43推定的补偿对象负荷Tlem来运算自动转向操纵所需要的马达转矩的目标值亦即目标自动转向操纵转矩Tm，ad(参照图8)。对于补偿对象负荷推定部43的详细内容在后叙述。
向共享控制部44输入由辅助控制部41设定的目标辅助转矩Tm，mc、由角度控制部42设定的角度控制用目标转矩Tm,ac、由角度控制部42运算的角度偏差Δθ(参照图4)、以及由补偿对象负荷推定部43推定的补偿对象负荷Tlem。共享控制部44根据这些输入来运算目标马达转矩Tm。对于共享控制部44的详细内容在后叙述。
目标马达电流运算部45通过将由共享控制部44运算出的目标马达转矩Tm除以电动马达18的转矩常量Kt，从而运算目标马达电流Icmd。
电流偏差运算部46运算由目标马达电流运算部45得到的目标马达电流Icmd与由电流检测电路32检测出的马达电流I的偏差ΔI(＝Icmd-I)。
PI控制部47通过进行对由电流偏差运算部46运算出的电流偏差ΔI的PI运算(比例积分运算)，从而生成用于将在电动马达18流动的马达电流I引导为目标马达电流Icmd的驱动指令值。PWM控制部48生成与上述驱动指令值对应的占空比的PWM控制信号并将其向驱动电路31供给。由此，与驱动指令值对应的电力向电动马达18供给。
以下，对角度控制部42、补偿对象负荷推定部43以及共享控制部44详细地进行说明。
图4是示出角度控制部42的结构的框图。
角度控制部42包含低通滤波器(LPF)61、反馈控制部62、前馈控制部63、转矩加算部64、以及减速比除算部65。
低通滤波器61对从上位ECU201传输的目标转向操纵角θcmda进行低通滤波处理。低通滤波处理后的目标转向操纵角θcmd向反馈控制部62以及前馈控制部63传输。
反馈控制部62是为了使由减速比除算部50(参照图2)运算的实际转向操纵角θ接近目标转向操纵角θcmd而设置的。反馈控制部62包含角度偏差运算部62A与PD控制部62B。角度偏差运算部62A运算目标转向操纵角θcmd、与由减速比除算部50运算的实际转向操纵角θ的偏差Δθ(＝θcmd-θ)。由角度偏差运算部62A运算出的角度偏差Δθ向PD控制部62B传输，并且也向共享控制部44传输。
PD控制部62B通过对由角度偏差运算部62A运算的角度偏差Δθ进行PD运算(比例微分运算)，从而运算反馈控制转矩Tfb。具体而言，PD控制部62B具备比例处理部111、微分处理部112、比例增益乘算部113、微分增益乘算部114以及加算部115。
比例增益乘算部113对比例处理部111将角度偏差Δθ比例处理后的值乘以比例增益KP。微分增益乘算部114对微分处理部112将角度偏差Δθ微分处理后的值乘以微分增益KD。加算部115通过将比例增益乘算部113以及微分增益乘算部114的各乘算结果相加，从而运算反馈控制转矩Tfb。反馈控制转矩Tfb向转矩加算部64传输。
前馈控制部63是为了补偿由电动助力转向系统1的惯性导致的响应性的延迟来使控制的响应性提高而设置的。前馈控制部63包含角加速度运算部63A与惯性乘算部63B。角加速度运算部63A通过将目标转向操纵角θcmd二阶微分，从而运算目标角加速度d2θcmd/dt2。惯性乘算部63B通过对目标角加速度d2θcmd/dt2乘以电动助力转向系统1的惯性J，从而运算前馈转矩Tff(＝J·d2θcmd/dt2)。惯性J例如从电动助力转向系统1的物理模型求出。前馈转矩Tff作为惯性补偿值向转矩加算部64传输。
转矩加算部64通过对反馈控制转矩Tfb加上前馈转矩Tff，从而运算角度控制用目标转向操纵转矩(Tfb+Tff)。由此，得到补偿惯性后的角度控制用目标转向操纵转矩(对输出轴9的目标转矩)。由此，进行精度较高的马达控制(转向操纵角控制)。
角度控制用目标转向操纵转矩(Tfb+Tff)向减速比除算部65传输。减速比除算部65通过将角度控制用目标转向操纵转矩(Tfb+Tff)除以减速比N，从而运算角度控制用目标转矩Tm,ac(对电动马达18的目标转矩)。该角度控制用目标转矩Tm,ac向共享控制部44(参照图2)传输。
图5示出补偿对象负荷推定部43的结构的框图。
补偿对象负荷推定部43包含减速比乘算部71、外部干扰转矩推定部(外部干扰观测器)72、减算部73、以及减速比除算部74。
减速比乘算部71通过对由共享控制部44设定的目标马达转矩Tm乘以减速比N，从而将目标马达转矩Tm-换算为作用于输出轴9的目标转向操纵转矩N·Tm。
外部干扰转矩推定部72推定在设备(控制对象(马达驱动对象))作为外部干扰产生的非线形的转矩(外部干扰转矩：马达转矩以外的转矩)。外部干扰转矩推定部72根据设备的目标值亦即目标转向操纵转矩N·Tm、与设备的输出亦即实际转向操纵角θ，来推定外部干扰转矩(外部干扰负荷)Tlc、转向操纵角θ以及转向操纵角导数(角速度)dθ/dt。在以下，存在将外部干扰转矩Tlc、转向操纵角θ以及转向操纵角导数(角速度)dθ/dt的推定值分别以^Tlc、^θ以及d^θ/dt表示的情况。
减算部73通过从由外部干扰转矩推定部72推定出的外部干扰转矩Tlc减去由转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td，从而运算向输出轴9(减速机19)施加的补偿对象负荷Tle(＝Tlc-Td)。减速比除算部74通过将由减算部73运算出的补偿对象负荷Tle除以减速比N，从而运算经由减速机19向电动马达18的马达轴施加的补偿对象负荷Tlem。由减速比除算部74运算出的补偿对象负荷Tlem向共享控制部44传输。
对外部干扰转矩推定部72详细地进行说明。外部干扰转矩推定部72例如由使用图6所示的电动助力转向系统1的物理模型101来推定外部干扰转矩Tlc、转向操纵角θ以及角速度dθ/dt的外部干扰观测器构成。
该物理模型101包含设备(马达驱动对象的一个例子)102，该设备102包含输出轴9以及固定于输出轴9的蜗轮21。向设备102从方向盘2经由扭杆10施加转向操纵转矩Td。另外，向设备102从转向轮3侧施加路面负荷转矩Trl，并且通过齿条小齿轮机构的摩擦等施加摩擦转矩Tf的一部分Tf1。并且，向设备102经由蜗杆20施加目标转向操纵转矩N·Tm并且通过蜗轮21与蜗杆20之间的摩擦等施加摩擦转矩Tf的一部分Tf2。在这里设为Tf＝Tf1+Tf2。
若将设备102的惯性设为J，则关于物理模型101的惯性的运动方程式以下式(1)表示。
【数1】
数1
Figure BDA0002513330330000111
Tlc＝Td+Trl+Tf
d2θ/dt2是设备102的加速度。N是减速机19的减速比。Tlc示出向设备102施加的马达转矩以外的外部干扰转矩。在本实施方式中，认为外部干扰转矩Tlc主要包含转向操纵转矩Td、路面负荷转矩Trl、以及摩擦转矩Tf。
针对图6的物理模型101的状态方程式例如以下式(2)表示。
【数2】
数2
Figure BDA0002513330330000112
在上述式(2)中，x是状态变量矢量。在上述式(2)中，u1是已知输入矢量。在上述式(2)中，u2是未知输入矢量。在上述式(2)中，y是输出矢量(测定值)。在上述式(2)中，A是系统矩阵。在上述式(2)中，B1是第1输入矩阵。在上述式(2)中，B2是第2输入矩阵。在上述式(2)中，C是输出矩阵。在上述式(2)中，D是直达矩阵。
将上述状态方程式扩张为将未知输入矢量u1包含为状态之一的系。扩张系的状态方程式(扩张状态方程式)例如以下式(3)表示。
【数3】
数3
Figure BDA0002513330330000113
在上述式(3)中，xe是扩张系的状态变量矢量，以下式(4)表示。
【数4】
数4
Figure BDA0002513330330000121
在上述式(3)中，Ae是扩张系的系统矩阵。在上述式(3)中，Be是扩张系的已知输入矩阵。在上述式(3)中，Ce是扩张系的输出矩阵。
从上述式(3)的扩张状态方程式构件以下式(5)的方程式表示的外部干扰观测器(扩张状态观测器)。
【数5】
数5
Figure BDA0002513330330000122
在式(5)中，^xe表示xe的推定值。另外，L是观测器增益。另外，^y表示y的推定值。^xe以下式(6)表示。
【数6】
数6
Figure BDA0002513330330000123
^θ是θ的推定值，^Tlc是Tlc的推定值。
外部干扰转矩推定部72根据上述式(5)的方程式来运算状态变量矢量^xe。
图7是示出外部干扰转矩推定部72的结构的框图。
外部干扰转矩推定部72包含输入矢量输入部81、输出矩阵乘算部82、第1加算部83、增益乘算部84、输入矩阵乘算部85、系统矩阵乘算部86、第2加算部87、积分部88、以及状态变量矢量输出部89。
由减速比乘算部71(参照图5)运算的目标转向操纵转矩N·Tm向输入矢量输入部81传输。输入矢量输入部81将输入矢量u1输出。
积分部88的输出作为状态变量矢量^xe(参照上述式(6))。在运算开始时，作为状态变量矢量^xe传输初始值。状态变量矢量^xe的初始值例如为0。
系统矩阵乘算部86对状态变量矢量^xe乘以系统矩阵Ae。输出矩阵乘算部82对状态变量矢量^xe乘以输出矩阵Ce。
第1加算部83从由减速比除算部50(参照图2)运算出的实际转向操纵角θ亦即输出矢量(测定值)y减去输出矩阵乘算部82的输出(Ce·^xe)。即，第1加算部83运算输出矢量y与输出矢量推定值^y(＝Ce·^xe)的差(y-^y)。增益乘算部84对第1加算部83的输出(y-^y)乘以观测器增益L(参照上述式(5))。
输入矩阵乘算部85对从输入矢量输入部81输出的输入矢量u1乘以输入矩阵Be。第2加算部87通过将输入矩阵乘算部85的输出(Be·u1)、系统矩阵乘算部86的输出(Ae·^xe)、以及增益乘算部84的输出(L(y-^y))相加，从而运算状态变量矢量的导数d^xe/dt。积分部88通过对第2加算部87的输出(d^xe/dt)进行积分，从而运算状态变量矢量^xe。状态变量矢量输出部89根据状态变量矢量^xe来输出外部干扰转矩推定值^Tlc、转向操纵角推定值^θ以及角速度推定值d^θ/dt。
一般的外部干扰观测器与上述的扩张状态观测器不同，由设备的逆模型与低通滤波器构成。设备的运动方程式如上述的那样，以式(1)表示。因此，设备的逆模型成为下式(7)。
【数7】
数7
Figure BDA0002513330330000131
向一般的外部干扰观测器的输入是J·d2θ/dt2以及Tm，由于使用实际转向操纵角θ的二阶导数，因此受到旋转角传感器23的噪声的影响较大。与此相对，在上述的实施方式的扩张状态观测器中，由于根据从马达转矩输入推定的转向操纵角推定值^θ与实际转向操纵角θ的差(y-y)来在积分型中推定外部干扰转矩，因此能够减轻由微分导致的噪声影响。
图8是示出共享控制部44的结构的框图。
共享控制部44包含绝对值运算部91、除算部92、β运算部93、α运算部94、限制器95、减算部96、α乘算部97、β乘算部98、以及加算部99。限制器95是本发明的限制处理部的一个例子。
绝对值运算部91运算角度偏差Δθ的绝对值|Δθ|。除算部92通过将由绝对值运算部91运算出的角度偏差Δθ的绝对值|Δθ|除以预先设定的共享控制有效角度偏差宽度(以下，仅称为“有效角度偏差宽度W”)，从而运算加权运算用变量|Δθ|/W。此外，W>0。
β运算部93根据下式(8)来运算加权系数β。即，β运算部93使用以下式(8)定义的饱和函数sat0,1(|Δθ|/W)来运算加权系数β。饱和函数sat0,1(|Δθ|/W)使用“根据驾驶输入而变化的值”的一个例子亦即角度偏差Δθ来运算。
【数8】
数8
Figure BDA0002513330330000141
Figure BDA0002513330330000142
即，β运算部93如在图9中以实线的折线示出的那样，若|Δθ|/W比1大，则输出1。另外，对β运算部93而言，若|Δθ|/W为0以上且为1以下，则输出|Δθ|/W的运算结果。因此，加权系数β取0以上1以下的值。
α运算部94通过从1减去β从而运算加权系数α。即，α运算部94如在图9中以点划线的折线示出的那样，若|Δθ|/W比1大，则输出0。另外，对α运算部94而言，若|Δθ|/W为0以上且为1以下，则输出{1-(|Δθ|/W)}的运算结果。因此，加权系数α取0以上1以下的值。
限制器95将由角度控制部42设定的角度控制用目标转矩Tm,ac限制在规定的下限饱和值Tmin(Tmin<0)与上限饱和值Tmax(Tmax>0)之间。在本实施方式中，Tmin＝-Tmax。具体而言，限制器75根据下式(9)来运算限制处理后的角度控制用目标转矩satTmin,Tmax(Tm,ac)。
【数9】
数9
Figure BDA0002513330330000151
限制器95如图10所示，在角度控制用目标转矩Tm,ac为下限饱和值Tmin以上且为上限饱和值Tmax以下的值时，将角度控制用目标转矩Tm,ac保持原样地输出。另外，对限制器75而言，若角度控制用目标转矩Tm,ac不足下限饱和值Tmin，则输出下限饱和值Tmin。另外，对限制器75而言，在角度控制用目标转矩Tm,ac比上限饱和值Tmax时输出上限饱和值Tmax。
限制器95是为了在自动转向操纵中使驾驶员容易解除自动转向操纵而设置的。具体而言，由于在自动转向操纵中若驾驶员为了解除自动转向操纵而进行转向操纵操作(转向操纵介入)则角度偏差Δθ变大，因此由角度控制部42(参照图2)设定的角度控制用目标转矩Tm,ac的绝对值变大。由于若角度控制用目标转矩Tm,ac的绝对值变大，则驾驶员进行转向操纵介入时的转向操纵反作用力变大，因此驾驶员难以进行转向操纵介入。因此，设置限制器95，来防止角度控制用目标转矩Tm,ac的绝对值变得过大。
减算部96通过从基于限制器95的限制处理后的角度控制用目标转矩satTmin,Tmax(Tm,ac)减去由补偿对象负荷推定部43(参照图2)推定的补偿对象负荷Tlem，从而运算目标自动转向操纵转矩Tm，ad(＝satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)。由此，得到补偿路面负荷转矩Trl、摩擦转矩Tf后的目标自动转向操纵转矩Tm，ad。
α乘算部97通过对由减算部96运算出的目标自动转向操纵转矩(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)乘以由α运算部94运算出的加权系数α，从而运算α·(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)。
β乘算部98通过对由辅助控制部41(参照图2)设定的目标辅助转矩Tm，mc乘以由β运算部93运算出的加权系数β，从而运算β·Tm，mc。
加算部99通过将由α乘算部97运算出的α·(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)、与由β乘算部98运算出的β·Tm，mc相加，从而运算目标马达转矩Tm。目标马达转矩Tm以下式(10)表示。
Tm＝α·(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)+β·Tm，mc…(10)
即，共享控制部44通过将目标自动转向操纵转矩(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)、与目标辅助转矩Tm，mc加权相加，从而运算目标马达转矩Tm。
对目标辅助转矩Tm，mc的加权系数β在(|Δθ|/W)>1时为1，在0≤|Δθ|≤1时为(|Δθ|/W)。另一方面，对目标自动转向操纵转矩(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)的加权系数α在|Δθ|/W>1时为0，在0≤|Δθ|/W≤1时为(1-|Δθ|/W)。
因此，在|Δθ|/W>1时，由于β＝1且α＝0，因此Tm＝Tm，mc。由此，在角度偏差Δθ的绝对值|Δθ|比有效角度偏差宽度W大时，根据目标辅助转矩Tm，mc来进行转向操纵。由此，通过手动转向操纵来进行转向操纵。
在|Δθ|/W为零时，由于β＝0且α＝1，因此Tm＝(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)。由此，在角度偏差Δθ为0时，根据目标自动转向操纵转矩(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)来进行转向操纵。
在|Δθ|/W处于0≤|Δθ|/W≤1的范围内的情况下，|Δθ|/W变得越小(|Δθ|越接近零)，则β变得越小，而α变得越大。另一方面，目标自动转向操纵转矩(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)的绝对值随着|Δθ|变得越小而变得越小。另外，目标辅助转矩Tm，mc的绝对值与角度偏差Δθ无关地，随着转向操纵转矩Td的绝对值|Td|变得越大而变得越大。
因此，在|Δθ|/W处于0≤|Δθ|/W≤1的范围内的情况下，在驾驶员未进行转向操纵操作时，由于|Td|以及|Δθ|相对较小，因此主要根据(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)来进行转向操纵。由此，能够进行基于自动转向操纵的转向操纵。
在|Δθ|/W处于0≤|Δθ|/W≤1的范围内的情况下，若驾驶员进行转向操纵操作(转向操纵介入)，则由于|Td|变大，因此主要根据目标辅助转矩Tm，mc来进行转向操纵。由此，能够进行基于手动转向操纵的转向操纵。此时，|Δθ|变大，而角度控制用目标转矩Tm,ac的绝对值|Tm,ac|变大，但由于对由角度控制部42设定的角度控制用目标转矩Tm,ac通过限制器95施加了限制，因此能够抑制在由驾驶员进行的转向操纵介入时转向操纵反作用力变大，因此驾驶员容易进行转向操纵介入。
在|Δθ|/W处于0≤|Δθ|/W≤1的范围内的情况下，在驾驶员正进行转向操纵介入的中途减弱转向操纵介入的程度的情况下，由于|Td|从较大的状态变化为较小的状态，因此|Δθ|也从较大的状态变化为较小的状态。由此，根据式(10)，目标辅助转矩Tm，mc的绝对值根据转向操纵介入的程度而从较大的状态向较小的状态变化，而目标自动转向操纵转矩(satTmin，Tmax(Tm，ac)-Tlem)从较小的状态向较大的状态变化。
在驾驶员正进行转向操纵介入的中途增强转向操纵介入的程度的情况下，分别向相反方向变化。由此，驾驶员仅通过调整转向操纵介入的程度，就能够将自动转向操纵为主体的状态与驾驶员的转向操纵为主体的状态以意识不到切换的接缝的方式无缝且顺畅地切换。
在上述的实施方式中，能够通过相对较简单的控制来使用相同的电动马达进行自动转向操纵控制以及手动转向操纵控制。另外，在角度偏差Δθ的绝对值达到有效角度偏差宽度W时，由于目标马达转矩Tm等于目标辅助转矩Tm，mc，因此能够通过驾驶员的转向操纵操作，而从自动转向操纵迅速地切换至手动操作。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明也能够以其他的形态实施。例如，在上述的实施方式中，β运算部93(参照图8)使用饱和函数sat0，1(|θ|/W))来运算加权系数β。然而，也可以β运算部93使用转向操纵转矩Td来运算加权系数β。
具体而言，也可以β运算部93根据以下式(11)示出的饱和函数sat0，1(P)来运算。饱和函数sat0，1(P)使用“根据驾驶输入而变化的值”的一个例子亦即转向操纵转矩Td来运算。在这种情况下，如在图2以及图8中以双点划线示出的那样，向共享控制部44输入由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td。
【数10】
数10
β＝sat0.1(P)···(11)
P＝k1×∫∫|Td|dt2+∫k 2dt
K1：用于对驾驶输入调整权限移交的灵敏度的系数
K2(K2<0)：用于调整使P减少的程度的系数
Figure BDA0002513330330000181
在松开转向盘的状态(Td＝0)时，P降低。在转向盘把持状态下，若转向操纵转矩的绝对值|Td|变大则P增加。
对目标辅助转矩Tm，mc的加权系数β在P>1时为1，在0≤P≤1时为P。另一方面，对目标自动转向操纵转矩(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)的加权系数α在P>1时为0，在0≤P≤1时为(1-P)。
因此，在P>1时，由于β＝1且α＝0，因此Tm＝Tm，mc。由此，若转向操纵转矩的绝对值|Td|变大，则根据目标辅助转矩Tm，mc来进行转向操纵。由此，通过手动转向操纵来进行转向操纵。
在P<0时，由于β＝0且α＝1，因此Tm＝(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)。由此，在转向操纵转矩的绝对值|Td|为零时，根据目标自动转向操纵转矩(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)来进行转向操纵。
在P处于0≤P≤1的范围内的情况下，P(＝β)变得越小，则α变得越大。因此，目标自动转向操纵转矩(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)占目标马达转矩Tm的比例随着P变得越小而变得越大。反过来，目标辅助转矩Tm，mc占目标马达转矩Tm的比例随着转向操纵转矩Td的绝对值|Td|变得越大，即随着P变得越大，而变得越大。
因此，在P处于0≤P≤1的范围内的情况下，在驾驶员未进行转向操纵操作时，由于转向操纵转矩Td的绝对值|Td|以及P相对较小，因此主要根据(satTmin,Tmax(Tm,ac)-Tlem)来进行转向操纵。由此，能够进行基于自动转向操纵的转向操纵。
在P处于0≤P≤1的范围内的情况下，若驾驶员进行转向操纵操作(转向操纵介入)，则由于转向操纵转矩Td的绝对值|Td|变大，因此主要根据目标辅助转矩Tm，mc来进行转向操纵。由此，能够进行基于手动转向操纵的转向操纵。此时，|Δθ|变大，角度控制用目标转矩Tm,ac的绝对值|Tm,ac|变大，但由于对由角度控制部42设定的角度控制用目标转矩Tm,ac通过限制器95施加了限制，因此能够抑制在由驾驶员进行的转向操纵介入时转向操纵反作用力变大，因此驾驶员容易进行转向操纵介入。
在P处于0≤P≤1的范围内的情况下，在驾驶员正进行转向操纵介入的中途减弱转向操纵介入的程度的情况下，转向操纵转矩Td的绝对值|Td|从较大的状态变化为较小的状态。因此，P(＝β)也从较大的状态变化为较小的状态，α从较小的状态变化为较大的状态。由此，根据式(10)，目标辅助转矩Tm，mc占目标马达转矩Tm的比例根据转向操纵介入的程度而变小，目标自动转向操纵转矩(satTmin，Tmax(Tm，ac)-Tlem)的比例变大。
在驾驶员正进行转向操纵介入的中途增强转向操纵介入的程度的情况下，分别向相反方向变化。由此，驾驶员仅通过调整转向操纵介入的程度，就能够将自动转向操纵为主体的状态与驾驶员的转向操纵为主体的状态以意识不到切换的接缝的方式无缝且顺畅地切换。
另外，也可以β运算部93使用以下式(12)示出的饱和函数sat0，1(Qn)来运算加权系数β。饱和函数sat0，1(Qn)使用“根据驾驶输入而变化的值”的一个例子亦即转向操纵转矩Td来运算。即使在这种情况下，也如在图2以及图8中以双点划线示出的那样，向共享控制部44输入由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td。
【数11】
数11
β＝sat0.1(Qn)···(12)
Qn＝Qn-1+j1*(|Td(n)|-|Tth|)
j1(j1＞0)：用于使Qn增减的系数
Tth：规定的阈值
Figure BDA0002513330330000191
在式(12)中，Qn示出Q的本次值，Qn-1示出Q的前次值。另外，|Td(n)|示出转向操纵转矩Td的绝对值的本次值。
在松开转向盘的状态(Td＝0)时，Qn降低。在转向盘把持状态下，若转向操纵转矩的绝对值|Td|变大则Qn增加。因此，即使在这种情况下，也得到与加权系数β根据以式(11)示出的饱和函数运算的情况相同的作用效果。
另外，在上述的实施方式中，为了使得驾驶员容易接触自动转向操纵，设置有将由角度控制部42设定的角度控制用目标转矩Tm,ac限制在下限饱和值Tmin与上限饱和值Tmax之间的限制器95(参照图8)。然而，也可以代替限制器95，而如在图4中以双点划线示出的那样，设置控制PD控制部(参照图4)的反馈增益的增益控制部66。
增益控制部66在本实施方式中，通过将比例增益KP以及微分增益KD基于根据驾驶输入而变化的值而控制，从而在转向操纵介入时抑制角度控制用目标转矩Tm,ac的绝对值变得过大。
作为在增益控制部66中使用的“根据驾驶输入而变化的值”，例如能够使用角度偏差Δθ、转向操纵转矩Td等。但是，在增益控制部66中使用的“根据驾驶输入而变化的值”优选是与在β的运算中使用的“根据驾驶输入而变化的值”不同的值。
将在增益控制部66中使用的“根据驾驶输入而变化的值”为转向操纵转矩Td的情况的比例增益KP以及微分增益KD的设定例分别在图11以及图12中示出。
参照图11，比例增益KP在转向操纵转矩的绝对值|Td|为0时设定为正的规定值KP0。在转向操纵转矩的绝对值|Td|为规定值A1(A1>0)以上的范围，比例增益KP设定为比KP0小的正的规定值KP1。在转向操纵转矩的绝对值|Td|为0以上A1以下的范围，比例增益KP在从KP0至KP1为止的范围根据随着|Td|变得越大而变得越小的特性而设定。
参照图12，微分增益KD在转向操纵转矩的绝对值|Td|为0时设定为正的规定值KD0。在转向操纵转矩的绝对值|Td|为规定值B1(B1>0)以上的范围，微分增益KD设定为比KD0小的正的规定值KD1。在转向操纵转矩的绝对值|Td|为0以上B1以下的范围，微分增益KD在从KD0至KD1为止的范围根据随着|Td|变得越大而变得越小的特性而设定。
在自动转向操纵中若驾驶员进行转向操纵介入，则角度偏差Δθ的绝对值变大，角度控制用目标转矩Tm,ac的绝对值变大，转向操纵反作用力变大，因此驾驶员难以进行转向操纵介入。然而，若因转向操纵介入而转向操纵转矩Td的绝对值变大，则通过增益控制部66来减少比例增益KP以及微分增益KD。由此，由角度控制部42设定的角度控制用目标转矩Tm,ac的响应性降低，因此能够抑制角度控制用目标转矩Tm,ac的绝对值变得过大。
此外，在图11、12的设定例中，在横轴使用转向操纵转矩Td的绝对值，但在作为“根据驾驶输入而变化的值”采用转向操纵转矩Td的情况下，也可以在图11、12的横轴使用以上述式(11)定义的饱和函数sat0,1(P)、以上述式(12)定义的饱和函数sat0,1(Qn)等。另外，在作为“根据驾驶输入而变化的值”采用角度偏差Δθ的情况下，能够在图11、12的横轴使用角度偏差Δθ的绝对值等。
另外，在上述的实施方式中，角度控制部42具备前馈控制部63，但也可以省略前馈控制部63。
另外，在上述的实施方式中，补偿对象负荷Tle包含路面负荷转矩Trl以及摩擦转矩Tf，但也可以仅包含任意一方。
另外，也可以补偿对象负荷Tle包含因从扭杆10至轮胎为止的转矩传递路径的结构部件的惯性力而向输出轴9施加的惯性转矩。
对本发明的实施方式详细地进行了说明，但这些仅是为了使本发明的技术的内容明确而使用的具体例子，本发明并不应该被这些具体例限定而解释，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
本申请对应于在2017年11月30日向日本国专利厅提出的日本特愿2017-230561号，该申请的全部公开内容通过引用合并于此。
附图文字的标记
1...电动助力转向装置；3...转向轮；4...转向机构；18...电动马达；41...辅助控制部；42...角度控制部；43...补偿对象负荷推定部；44...共享控制部；61...低通滤波器(LPF)；62...反馈控制部；63...前馈控制部；64...转矩加算部；66...增益控制部；201...上位ECU；202...马达控制用ECU。

Claims (7)

1.一种车辆用转向操纵装置，其中，包含：
电动马达，其向车辆的转向机构施加转向操纵力；
第1设定部，其设定与转向操纵转矩对应的目标辅助转矩；
第2设定部，其设定用于使目标转向操纵角与实际转向操纵角之间的角度偏差接近零的角度控制用目标转矩；
推定部，其推定对上述角度控制用目标转矩的补偿对象负荷；
第1运算部，其根据由上述第2设定部设定的角度控制用目标转矩与由上述推定部推定的补偿对象负荷，来运算目标自动转向操纵转矩；以及
第2运算部，其通过与根据驾驶输入而变化的值对应地将上述目标自动转向操纵转矩与上述目标辅助转矩加权相加，来运算上述电动马达的马达转矩的目标值亦即目标马达转矩。
2.根据权利要求1所述的车辆用转向操纵装置，其中，
上述补偿对象负荷包含上述电动马达的驱动对象从路面受到的路面负荷转矩。
3.根据权利要求1或2所述的车辆用转向操纵装置，其中，
在转向操纵部件与上述转向机构之间的转矩传递路径的中途包含扭杆，
上述补偿对象负荷包含在从上述扭杆至转向轮为止的转矩传递路径产生的摩擦转矩。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的车辆用转向操纵装置，其中，
在上述第2运算部使用的根据驾驶输入而变化的值是上述角度偏差或上述转向操纵转矩。
5.根据权利要求4所述的车辆用转向操纵装置，其中，
在上述第2运算部使用的根据驾驶输入而变化的值是上述角度偏差，
上述第2运算部构成为通过将对上述目标自动转向操纵转矩乘以第1加权系数得到的值、与对上述目标辅助转矩乘以第2加权系数得到的值相加，来运算上述目标马达转矩，
上述第1加权系数设定为在上述角度偏差的绝对值比规定值大时成为0，在上述角度偏差的绝对值为上述规定值以下时，随着上述角度偏差的绝对值从0变大而从1逐渐减少至0，
上述第2加权系数设定为在上述角度偏差的绝对值比上述规定值大时成为1，在上述角度偏差的绝对值为上述规定值以下时，随着上述角度偏差的绝对值从0变大而从0逐渐增加至1。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的车辆用转向操纵装置，其中，
上述第2设定部包含：
反馈控制转矩运算部，其通过对上述角度偏差进行规定的反馈运算，来运算上述反馈控制转矩；
前馈控制转矩运算部，其通过对上述目标转向操纵角的二阶导数乘以上述车辆用转向操纵装置的惯性力矩，来运算前馈控制转矩；以及
加算部，其通过对上述反馈控制转矩加上上述前馈控制转矩，来运算上述角度控制用目标转矩。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的车辆用转向操纵装置，其中，
上述第1运算部包含：
限制处理部，其将由上述第2设定部设定的角度控制用目标转矩限制在规定的上限值与规定的下限值之间；以及
运算部，其根据由上述限制部的限制处理后的角度控制用目标转矩、与由上述推定部推定的补偿对象负荷，来运算目标自动转向操纵转矩。
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