CN111688792A - 车辆用转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆用转向系统。根据本公开中的实例的车辆用转向系统包括：转向机构，该转向机构与方向盘机械地分离，以使转弯轮由转弯电机转弯；以及控制装置，该控制装置将电机指令值提供至转弯电机。控制装置具有控制系统，该控制系统包括：前馈模型，该前馈模型用于将目标转弯角度转换为电机指令值的前馈值；以及扰动观测器，该扰动观测器包括转向电机的模型的逆模型。分别描述前馈模型和扰动观测器的模型的传递函数包括可变系数。控制装置基于关于道路反作用力的信息来改变可变系数。

Description

车辆用转向系统

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119主张2019年3月12日提交的日本专利申请第2019-044667号的优先权。此申请的内容以引用方式全文并入本文中。

技术领域

本发明涉及线控转向系统的车辆用转向系统。

背景技术

在线控转向系统的车辆用转向系统中，JP2018-183046A公开了通过使用扰动观测器的控制系统来控制转向电机的实例。此处所公开的扰动观测器估测除作为扰动而生成的电机转矩之外的转矩，诸如，转向机构上的扰动转矩、道路反作用转矩、摩擦转矩等。JP2018-183046A的控制系统通过以扰动观测器所估测的扰动转矩校正转弯电机的目标转矩来补偿扰动转矩。

然而，在这种使用扰动观测器的控制系统中，当行驶环境条件改变时，扰动观测器的模型与实际控制目标之间的偏差扩大，并且存在将会损害转弯控制的准确性的可能性。

发明内容

已鉴于上述问题而作出本公开，并且本公开的实例的目的是，提供一种线控转向系统的车辆用转向系统，其能够针对行驶环境条件的改变确保转弯控制的准确性。

根据本公开的实例的车辆用转向系统包括：转向机构，所述转向机构与方向盘机械地分离，以使转弯轮由转弯电机转弯；以及控制装置，所述控制装置将电机指令值提供至转弯电机。控制装置具有控制系统，所述控制系统包括：前馈模型，所述前馈模型用于将目标转弯角度转换为电机指令值的前馈值；以及扰动观测器，所述扰动观测器包括转向电机的模型的逆模型。分别描述前馈模型和扰动观测器的模型的传递函数包括可变系数。控制装置基于关于道路反作用力的信息来改变可变系数。

根据上述构造，当由于行驶环境条件的改变而发生道路反作用力的改变时，根据路面反作用力的改变来改变分别描述前馈模型和扰动观测器的模型的传递函数的可变系数。借此，因行驶环境条件的改变所致的控制系统的模型与控制对象之间的偏差的扩大受到抑制。

当由扰动观测器计算出的扰动变为预定值或更大时，控制装置可基于关于道路反作用力的信息来改变传递函数的可变系数。换句话说，可以在扰动变为预定值或更大之后执行传递函数的可变系数的改变。据此，可以在控制系统的模型与控制对象之间的偏差较小的阶段抑制可变系数的频繁改变，以确保控制的稳定性。

控制装置可将传递函数的可变系数的改变速度限制为预定上限值或更小。通过对可变系数的改变速度设置限制，可以防止车辆性能的突然改变。当目标转弯角度的改变速度是预定值或更小时，控制装置可以在不超过上限值的范围中根据目标转弯角度的改变速度来增大可变系数的最大改变速度。

当车辆静止时或当作用在车辆上的横向加速度处于饱和区域中时，稳定性优先于对方向舵控制的响应能力。在此状况下，控制装置一停止传递函数的可变系数的改变，就可将扰动的大小限制为预定上限值或更小。因此，可以维持转弯控制的稳定性。此外，当目标转弯角度的改变速度是预定值或更小时，控制装置可以在不超过上限值的范围中根据目标转弯角度的改变速度来增大扰动的最大值。

根据本公开的实例的车辆用转向系统，当由于行驶环境条件的改变而发生道路反作用力的改变时，控制系统的模型的传递函数的可变系数根据道路反作用力的改变而改变。因此，因行驶环境条件的改变所致的控制系统的模型与控制对象之间的偏差的扩大受到抑制。因此，可以针对行驶环境条件的改变确保转弯控制的准确性。

附图说明

图1是图示根据本公开的实施例的车辆用转向系统的构造的简图；

图2是图示根据本公开的实施例的车辆用转向系统的控制系统的框图；

图3是转向系统的模型；

图4是图示道路反作用力系数K₂的设置的实例的简图；

图5是图示道路反作用力系数K₂的设置的另一实例的简图；

图6是图示道路反作用力系数K₂的设置的另一实例的简图；

图7是图示道路反作用力系数K₂的最大改变速度的设置的实例的简图；

图8是扰动的最大值的设置的实例的简图；

图9是图示根据本公开的实施例的车辆用转向系统的控制系统的另一实例的框图。

具体实施方式

将参照附图来描述本公开的实施例。然而，当在下文所示的实施例中提及每个元件的个数、数量、量、范围等时，除非专门指示或清楚指定，否则本发明不限于所提及的数字。此外，除非在本文中明确指示或清楚指定，否则下文所述的实施例中所述的结构等未必对于本公开中的实施例是必需的。

图1是图示根据本公开中的实施例的车辆转向系统2的构造的简图。车辆转向系统2包括转向机构20。转向机构20是线控转向系统的转向机构，其中转弯轮29可以在不与方向盘28机械连接的情况下、由转弯电机24转弯。方向盘28是驾驶员的转向操作所输入到的转向构件。方向盘28经由转向轴21联接到反作用电机23。反作用电机23将对应于转弯轮29的转弯角度的反作用力施加到方向盘28。转向轴21设有转向角度传感器22，该转向角度传感器22输出对应于方向盘28的旋转角度(即，转向角度)的信号。

转弯电机24经由减速机构(未示出)安装到齿条轴26。齿条轴26没有被机械联接到转向轴21。转弯轮29经由拉杆27而联接到齿条轴26。使转弯电机24旋转导致齿条轴26在其轴向方向上线性移动，因此经由拉杆27而改变转弯轮29的转弯角度。转弯电机24具备转弯角度传感器25，转弯角度传感器25输出对应于转弯轮29的转弯角度的信号。

车辆转向系统2包括控制装置4。控制装置4是电子控制单元(ECU)，电子控制单元(ECU)具有至少一个处理器6和至少一个存储器8。存储器8存储各种数据，包括用于转弯控制的各种程序以及映射图。通过处理器6读取和执行存储在存储器8中的程序，在控制装置4中实现了与转弯控制相关的各种功能。

控制装置4控制被供给到转弯电机24的电机电流，因此控制用于从转弯电机24施加到齿条轴26的转弯控制的转矩。用于测量与转弯控制相关联的物理量的各种传感器直接或经由构建在车辆中的通信网络连接到控制装置4。这些传感器至少包括转向角度传感器22、转弯角度传感器25和车轮速度传感器10。

图2是图示根据此实施例的车辆转向系统2的控制系统的框图。此控制系统中的设备(受控对象)是用于根据由控制装置4确定的目标电机电流而使转弯轮29转弯的转弯系统31。转弯系统31包括电机驱动器(未示出)，该电机驱动器根据目标电机电流、转弯电机24、将转弯电机24的电机转矩传输到齿条轴26的转矩传输机构和转弯轮29将电机电流供给到转弯电机24。

转弯系统31可以如图3中所示而建模。首先，在转弯系统31中，电机电流根据目标电机电流而从电机驱动器输出到转弯电机24。当此时的电机电流的控制响应的时间常数是τ时，电机电流i与目标电机电流i*之间的关系由下式表达。顺便提及，控制响应的范围常数τ是固定值，具体来说，约0.001秒的值。

i＝(1/(1+τs))×i*

接着，在转弯系统31中，电机电流在转弯电机24中被转换为电机转矩。当电机转矩系数是K₁时，电机转矩T_M与电机电流i之间的关系由下式表达。顺便提及，电机转矩系数K₁是固定值，具体来说，约0.02Nm/A到0.05Nm/A的值。

T_M＝K₁×i

接着，在转弯系统31中，转弯电机24的电机转矩在从转弯电机24到齿条轴26的转矩传输机构中被转换为齿条轴26的齿条转矩。当此时的齿轮比是K_G时，齿条转矩T_R与电机转矩T_M之间的关系由下式表达。顺便提及，齿轮比K_G是固定值，具体来说，约10到30的值。

T_R＝K_G×T_M

接着，在转弯系统31中，方向盘29由齿条轴26的齿条转矩转弯。齿条转矩与转弯轮29的转弯角度之间的关系取决于由转弯轮29从路面接收到的道路反作用力。假设道路反作用力系数是K₂，则转弯角度δ与齿条转矩T_R之间的关系由下式表达。道路反作用力系数K₂的具体值使得例如当转弯角度δ在干燥路面上是30度并且齿条行程是80mm时，齿条转矩T_R是约10000Nm。

δ＝(1/(K₂×s²))×T_R

如上所述，转弯系统31的模型可由以下传递函数表达。

转弯系统模型：((K₁×K_G)/(K₂×s²))×(1/(1+τs))

参照图2，将继续描述根据本实施例的车辆转向装置2的控制系统。控制系统由以下各者组成：转弯系统31，所述转弯系统31能够如上所述而建模；以及控制装置4，所述控制装置4具有包括前馈模型32和扰动观测器40的控制系统。

在前馈模型32中，从目标转弯角度δ*计算目标电机电流i*的前馈值iff*。当转弯系统31如上所述而建模时，前馈模型32可由例如以下传递函数表示。

前馈模型：K₁/(K₂×K_G×s²)

电机指令值可以不必须是电流。例如，由转弯电机24生成的电机转矩的目标值可以是电机指令值。

扰动观测器40包括转弯系统逆模型41和前馈逆模型。转弯系统逆模型41是转弯系统31的模型的逆模型。在转弯系统逆模型41中，从实际转弯角度δ计算电机电流的估测值i_hat。当转弯系统31如上所述而建模时，转弯系统逆模型41可由以下传递函数表示。

转弯系统逆模型：((K₂×s²))×(1/(1+τs)/(K₁×K_G))

前馈逆模型42是前馈模型32的逆模型。在前馈逆模型42中，从电机电流的估测值i_hat计算目标转弯角度的估测值δ_hat。如果转弯系统31如上所述而建模，那么前馈逆模型42可由以下传递函数表示。

前馈逆模型：(K₂×K_G×s²)/K₁

在控制装置4中，作为扰动，从目标转弯角度δ*减去偏差量(δ_hat-δ*)，该偏差量(δ_hat-δ*)是由扰动观测器40从实际转弯角度δ计算出的目标转弯角度的估测值δ_hat与目标转弯角度δ*之间的差。减法之后的值被作为扰动去除之后的目标转弯角度δ*给予前馈模型32。然而，本发明不限于从目标转弯角度δ*减去偏差量的状况，而是可以被构造成通过以根据扰动(δ_hat-δ*)确定的校正量来校正目标转弯角度δ*而去除目标转弯角度δ*中所包括的扰动。

如上所述，控制装置4的每一个模型(即，前馈模型32、转向系统逆模型41和前馈逆模型42)的传递函数均包括道路反作用力系数K₂。在这些传递函数中，道路反作用力系数K₂不被视为固定值，而是作为可取决于行驶环境条件而变化的可变系数。控制装置4基于由信息获取装置(诸如，车轮速度传感器10和转弯角度传感器25)获取的信息而改变道路反作用力系数K₂。由信息获取装置获取的信息是关于道路反作用力的信息，包括例如车速、路面摩擦系数、转弯角度、防抱死制动系统(ABS)和车辆稳定性控制(VSC)的操作状态等。下文中，将详细描述针对每一段信息的道路反作用力系数K₂的设置。

图4是图示针对车速V设置道路反作用力系数K₂的实例的简图。车速越低，转弯轮29的惯性越大，并且转弯轮29难以遵循齿条轴26的齿条转矩的改变。因此，如图4中所示，如果其它条件相同，那么随着车速V变低，控制装置4将道路反作用力系数K₂设置为较大值。在本实施例中，车速是使用车轮速度传感器10的信号来测量的。

图5是图示针对路面摩擦系数μ设置道路反作用力系数K₂的实例的简图。路面摩擦系数越低，转弯轮29变得越滑，转弯轮29易于遵循齿条轴26的齿条转矩的改变。因此，如图5中所示，如果其它条件相同，那么随着路面摩擦系数μ变低，控制装置4将道路反作用力系数K₂设置为较小值。因为路面摩擦系数无法直接测量，所以必须估测路面摩擦系数，但估测方法不受限制。例如，可以基于由导航系统获取的关于路面条件的信息来估测路面摩擦系数。此外，可以基于由车辆传感器(诸如，车轮速度传感器10)获取的传感器信息来估测路面摩擦系数。

图6是图示针对转弯角度δ设置道路反作用力系数K₂的实例的简图。因为作用在转弯轮29上的扭转力随着转弯角度δ增大而增大，所以转弯轮29难以遵循齿条轴26的齿条转矩的改变。因此，如图6所示，如果其它条件相同，那么随着转弯角度δ变大，控制装置4将道路反作用力系数K₂设置为较大值。在本实施例中，转弯角度δ是使用转弯角度传感器25的信号来测量的。

此外，当ABS或VSC操作时，控制装置4将道路反作用力系数K₂改变成比ABS或VSC未操作时设置的值小的值。关于ABS或VSC的操作状态的信息是从ABS的控制装置(未示出)或VSC的控制装置(未示出)提供至控制装置4。

如上所述，控制装置4根据与道路反作用力相关的多个参数，改变道路反作用力系数K₂。作为根据每一个参数改变道路反作用系数K₂的具体方法，例如，可使用映射图。换句话说，将道路反作用系数K₂与每一个参数相关的映射图可以被存储在存储器8中，并且道路反作用系数K₂可以通过参照映射图来确定。此外，对应于车速V的道路反作用力系数K_2V、对应于路面摩擦系数μ的道路反作用力系数K_2μ、对应于转弯角度δ的道路反作用力系数K_2δ、对应于ABS的操作状态的道路反作用力系数K_2ABS、对应于VSC的操作状态的道路反作用力系数K_2VSC等可以被分别设置，并且道路反作用力系数K₂可通过下式来计算。

K₂＝K_2V×K_2μ×K_2δ×K_2ABS×K_2VSC

根据上文所述的系统，当由于行驶环境条件的改变而发生道路反作用力的改变时，描述控制系统的模型的传递函数的道路反作用系数K₂根据道路反作用力的改变而改变。进行道路反作用力系数K₂的改变，以便减小目标转弯角度δ*与实际转弯角度δ之间的差。因此，因为因行驶环境条件的改变所致的控制系统的模型32与实际转弯系统31之间的偏差的扩大受到抑制，所以可以针对行驶环境条件的改变确保转弯控制的准确性。

可在转弯系统31的标称模型与实际转弯系统31之间的偏差扩大到某程度后执行道路反作用力系数K₂的改变。具体来说，在由扰动观测器40计算出的扰动的量值(即，(δ_hat-δ*)的绝对值)是预定值或更小期间，道路反作用力系数K₂的值可以是固定的。接着，可在由扰动观测器40计算的扰动的量值是预定值或更大的条件下执行道路反作用力系数K₂的改变。据此，可以在控制装置4的模型与实际转弯系统31之间的偏差较小的阶段抑制道路反作用力系数K₂的频繁改变，并且确保转弯控制的稳定性。

此外，当道路反作用力系数K₂改变时，道路反作用力系数K₂的改变(即，每单位时间的改变量)可以是有限的。图7是图示设置道路反作用力系数K₂的最大改变速度的实例的简图。在图7中所示的实例中，道路反作用力系数K₂的最大改变速度根据目标转弯角度的改变速度的增大而增大，但当目标转弯角度的改变速度超过预定值时，道路反作用力系数K₂的最大改变速度被保持在恒定值。换句话说，道路反作用力系数K₂的改变速度被限制为低于预定上限值。通过对道路反作用力系数K₂的改变速度设置限制，可以防止车辆性能的突然改变。

当车辆停车时或当作用在车辆上的横向加速度处于饱和区域中时，稳定性优先于对转弯控制的响应能力。在此状况下，在停止道路反作用力系数K₂的改变之后，由扰动观测器40计算出的扰动的量值(即，目标转弯角度的估测值δ_hat与目标转弯角度δ*之间的偏差量的绝对值)可以被限制为预定上限值或更小，如图8中所示。通过提供这些限制，可以维持转弯控制的稳定性。此外，如图8中所示，当目标转弯角度的改变速度是预定值或更小时，扰动的最大值可以在不超过上限值的范围中根据目标转弯角度的改变速度而增大。

在此实施例中，控制装置4具有前馈模型32、转向系统逆模型41和前馈逆模型42。然而，控制装置4可以被构造成具有前馈模型32以及包括转弯系统逆模型41的扰动观测器，如图9中的另一实例所示的。

在图9的控制装置的构造的状况下，在转弯系统逆模型41中，从转弯角度δ计算目标电机电流的估测值i_hat。控制装置4计算所计算出的目标电机电流的估测值i_hat与目标电机电流i*之间的偏差量(i_hat-i*)作为扰动。将从输出自前馈模型32的目标电机电流i*减去扰动(i_hat-i*)之后的值作为扰动去除之后的目标电机电流i*输入到转弯系统31。

相对于在控制装置4具有图9中所示的构造时计算出的目标电机电流的偏差量(i_hat-i*)可以与相对于目标转弯角度的偏差量(δ_hat-δ*)一起用作用于确定转弯系统31的标称模型与实际转弯系统31之间的偏差是否已扩大到某程度的参数。具体来说，道路反作用力系数K₂的值可以在偏差量(例如，扰动)低于预定值期间是固定的，并且道路反作用力系数K₂的改变可以在偏差量是预定值或更大的条件下执行。

如同图8中所示的状况中那样，将从目标电机电流i*减去的扰动(即，目标电机电流的估测值i_hat与目标电机电流i*之间的偏差量(i_hat-i*))可以被限制为低于预定上限值。此外，如图8中所示，当目标转弯角度的改变速度小于或等于预定值时，扰动的最大值可以在不超过上限值的范围中根据目标转弯角度的改变速度而增大。

Claims (6)

1.一种线控转向系统的车辆用转向装置，包括：

转向机构，所述转向机构与方向盘机械地分离，以使转弯轮由转弯电机转弯；以及

控制装置，所述控制装置将电机指令值提供至所述转弯电机，其中

所述控制装置包括控制系统，所述控制系统包括：

前馈模型，所述前馈模型用于将目标转弯角度转换为所述电机指令值的前馈值，以及

扰动观测器，所述扰动观测器包括所述转弯电机的模型的逆模型，其中

描述所述前馈模型和所述扰动观测器的模型的传递函数包括可变系数，并且其中

所述控制装置基于关于道路反作用力的信息来改变所述可变系数。

2.根据权利要求1所述的车辆用转向装置，其中，当由所述扰动观测器计算出的扰动变为预定值或更大时，所述控制装置基于关于所述道路反作用力的所述信息来改变所述可变系数。

3.根据权利要求2所述的车辆用转向装置，其中，所述控制装置将所述可变系数的改变速度限制为预定上限值或更小。

4.根据权利要求3所述的车辆用转向装置，其中，当所述目标转弯角度的改变速度是预定值或更小时，所述控制装置在不超过所述上限值的范围中根据所述目标转弯角度的所述改变速度来增大所述可变系数的最大改变速度。

5.根据权利要求1所述的车辆用转向装置，其中，当所述车辆停车时或当作用在所述车辆上的横向加速度处于饱和区域中时，所述控制装置停止所述可变系数的改变并且将由所述扰动观测器计算出的扰动限制为预定上限值或更小。

6.根据权利要求5所述的车辆用转向装置，其中，当所述目标转弯角度的改变速度是预定值或更小时，所述控制装置在不超过所述上限值的范围中根据所述目标转弯角度的改变速度来增大所述扰动的最大值。

Images