CN112969627A

CN112969627A - 用于组合的液压辅助和电力辅助的转向的方法和系统

Info

Publication number: CN112969627A
Application number: CN201980058242.7A
Authority: CN
Inventors: J·胡尔滕; J·波尔
Original assignee: Perception Intellectual Property Co ltd
Current assignee: Perception Intellectual Property Co ltd; Sentient AB
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2021-06-15
Also published as: EP3847077B1; WO2020050759A1; US20210253158A1; US11897551B2; EP3847077A1; SE1851059A1; SE544243C2

Abstract

本发明涉及一种用于控制转向系统中的反馈转矩致动器的系统和方法。转向系统包括：具有扭杆(128)的转向辅助致动器(140)和用于对驾驶员赋予反馈的具有电控单元ECU的反馈转矩致动器(130)、驾驶员将驾驶员转矩T _D施加到的方向盘(120)。仅转向辅助致动器(140)的扭杆包括扭杆转矩传感器，并且，对于反馈转矩致动器(130)的目标转矩是针对在扭杆(128)中感测的转矩而补偿的目标转向感转矩。

Description

用于组合的液压辅助和电力辅助的转向的方法和系统

技术领域

本发明涉及分别具有权利要求1、6以及12的前序部分的特征的用于控制反馈转矩致动器的转向系统、方法和系统。

背景技术

重型车辆和农用车辆(诸如，例如拖拉机)要求大的转向辅助水平。因此，如今的辅助致动器主要地是液压辅助驱动的(起因于液压装置具有高功率密度的事实)。这意味着，如果人们想要比标准的液压辅助阀更大的可控性，则导致对于诸如例如车道保持辅助(LKA)之类的功能，在液压致动器上方添加反馈转矩致动器是很常见的。

这意味着，将存在两个辅助致动器，而如今的客运车辆仅需要反馈转矩致动器，以便解决整体控制问题(对于例如LKA的功率辅助和可控性两者)。具有串联的两个辅助致动器意味着，通常要求使用串联的两个扭杆(用于测量转矩柱)，这造成如下的事实：柱刚度与仅使用一个扭杆的情况相比而成为柱的刚度的大约一半。不牢固的柱赋予控制中的差的响应，因为，驾驶员将必须在车辆开始转弯之前扭转柱。另外，扭杆和转矩传感器两者是昂贵的。

关于功率辅助的完全不同的一组问题是辅助与干扰的冲突。如果存在高辅助，则驾驶员将具有显著的噪声抑制，但过于微弱的转向，这将赋予糟糕的转向感。另一方面，具有低辅助，驾驶员将以噪声抑制为代价而具有良好的转矩积累和良好的转向感，即，驾驶员将具有遭受转矩转向、反冲(诸如，来自例如通常将通过转向系统而转移并且以某一角将方向盘“猛烈振动(kick)”的坑洞(pot-hole)的力)和其它干扰(其典型地从来自不平坦的路面(诸如，例如纵向车辙(rut))的振动到由差的轮平衡引起的振动变动)的转向。

对于重型车辆、构造设备以及拖拉机的当前的现有技术的转向系统和转向感遭受上文中所提到的问题。

WO2017/184064公开了用于控制车辆转向的方法和系统。在该文献中，描述了通过所述方法和系统而导致柱轴中的转矩非常低且基本上无转矩的解决方案。反馈转矩致动器被控制成实现目标方向盘转矩，以便方向盘转矩将接近目标方向盘转矩。液压辅助致动器具有这样的高辅助，以致于液压辅助致动器上方的转矩将非常低。通过基于转向角和车辆速率而获知希望的转向转矩，既不需要扭杆，也不需要扭杆转矩传感器，这是非常有利的，因为，转矩传感器是昂贵的。然而，由于转矩柱轴将并非零，因而由于系统中的转向感的偏差而可能经历这种情况。

发明内容

因此，本发明的目标是，分别提供转向系统、方法以及系统，能够通过所述转向系统、方法以及系统而解决上文中所提到的问题中的一个或多个，并且特别地将通过所述转向系统、方法以及系统而改进转向感和转向响应。

本发明的特定目标是，实现良好的转向角可控性以及实现良好的转向感。

因此，提供具有相应的独立权利要求1、6以及12的特性=部分的特征的分别如最初提到的转向系统、方法和系统。

有利的实施例由所附从属权利要求和在详细描述中描述的实施例给出。

特别地，仅转向辅助致动器的扭杆包括扭杆转矩传感器，并且，反馈转矩致动器既不包括扭杆，也不包括扭杆转矩传感器。

为了具有仅一个扭杆，辅助致动器能够配备有用于辅助阀的扭杆(如通常那样)，但加上该扭杆配备有扭杆转矩传感器，以便该扭杆中的转矩能够被测量。

此外，呈电动马达的形式的反馈转矩致动器有利地布置于液压辅助致动器和液压辅助致动器的扭杆上方，以便额外的转矩能够施加于液压辅助致动器上面。

如本领域技术人员所熟知的，电动辅助致动器通过闭环电流控制而控制，其中，目标电流与目标辅助转矩成比例。还测量实际电流，以便使闭环控制起作用。当然，所感测的电流优选地也以相同的比例因子与实际辅助转矩成比例。因此，电动辅助致动器还能够用作用于转矩感测的器件。

于是，由驾驶员感测的方向盘中的转矩(驾驶员转矩)是扭杆中的所感测的转矩加上来自反馈转矩致动器的辅助转矩。

这意味着，这样的系统将利用在此描述的控制方法来针对下者而感测或估计信号：

-驾驶员转矩，和

-转向角，

以及反馈转矩致动器，这正如传统的电力辅助式转向系统中的那样。

然而，反馈转矩致动器的控制远非标准，因为，驾驶员转矩受到辅助致动器和反馈转矩致动器两者的影响。在一些实施例中，为了赋予良好的转向感而需要的控制算法是角参考发生器、经修改的增压曲线控制或经修改的转矩参考发生器。其它备选方案也是可能的。

在详细描述中以及在从属权利要求中描述另外的实施例。

将意识到，在不脱离如由所附权利要求定义的本发明的范围的情况下，本发明的特征易于以任何组合进行组合。

有利的实施例由相应的所附从属权利要求给出。

附图说明

将在下文中以非限制性的方式并且参考附图而仅通过示例的方式进一步描述本发明，在附图中：

图1示出根据本发明的具有电力辅助和液压辅助的转向系统。

本发明的再一些其它目标和特征将从结合附图而考虑的下文的详细描述变得明显。然而，将理解，附图仅出于图示的目的而设计，而非作为本发明的限制的定义而设计，对此应当将所附权利要求书和描述作为整体而参考。应当进一步理解，附图不一定按比例绘制，并且除非另外指示，否则附图仅仅旨在在概念上图示本文中所描述的结构和程序。相同的参考标号用于图示不同的附图中的对应的特征。

具体实施方式

图1是转向系统100的示意图。在前轴行走轮127与转向辅助致动器140之间存在连杆。连杆由转向齿条124组成，转向齿条124具有经由小齿轮122来连接到转向辅助致动器140的相关联的拉杆125。转向辅助致动器由液压辅助式转向齿条(或在拖拉机或构造设备中的基于Pitman臂的转向系统或Orbitrol阀的情况下的类似物)组成。转向柱的下部部分135将具有用于测量辅助致动器上方的转向转矩的转矩传感器的扭杆128合并。反馈转矩被转向反馈致动器130致动，转向反馈致动器130由辅助马达和电控单元ECU组成。驾驶员在方向盘120中施加驾驶员转矩T _D。转向柱的上部部分121位于方向盘120与转向反馈致动器130之间。

为了促进对本发明的理解，并且出于解释性的原因，给出下文的定义：

定义

车辆状态

一种状态被定义为平移位置或旋转位置、速度或加速度或来自由这些状态推导的状态中的一个或多个，诸如，例如车辆滑移角，车辆滑移角是车辆本地x轴线与车辆速率向量之间的角。

转向角在此被当作方向盘与行走轮之间的任何角乘以角自由度与方向盘角自由度之间的比率。转向角也能够是齿条位置乘以其在齿条平移自由度与方向盘角自由度之间的比率。

扭杆转矩是通过使用对安装于转向柱中的某处的具体的扭杆的扭转敏感的传感器而测量的转矩。

方向盘转矩是由驾驶员施加到方向盘的转矩。该方向盘转矩通常通过扭杆转矩而近似计算。

驾驶员转矩等于方向盘转矩。

致动器

转向反馈转矩致动器是能够用于对方向盘转矩或转向角造成影响的致动器。

辅助致动器是如下的致动器：能够用于作为伺服系统而进行辅助，以便所述辅助致动器上方的在轴中的转矩小于致动器下方的转矩。伺服系统辅助通过增压曲线控制而进行，其中，增压曲线是作为所述辅助致动器上方的在轴中的转矩的函数的对于辅助水平的非线性增益。

致动器是如下的机构或系统：机械地被操作或被ECU操作，并且使能源（典型地，电流、液压流体压力或气动压力）转换成运动、力或转矩。

电气架构

信号总线是如下的传输路径：能够在该传输路径上读取和/或传送信号。

输入信号能够例如是由驾驶员经由方向盘来施加、在方向盘与车轮之间的某处测量的转矩的测量值或从该量推导的信号。

ECU是如下的电控单元：用于读取能够通过例如信号总线传送的模拟传感器信号和数字信号、执行任何类型的计算，诸如，例如经由所发送的模拟信号或数字信号或通过直接地控制例如来自马达控制级的电动马达而执行控制任务并且对致动器进行致动。

控制理论

可控性描述了外部输入的如下的能力：在有限的时间间隔内，使系统的内部状态从任何初始状态改变成任何其它最终状态。

变换被定义为数学函数或查找表，其中，一个输入值用于产生一个输出值。这意味着，变换能够与其可协调参数一起用于创建具有任意的可协调形状的、输入值与输出值之间的关系。变换能够具有甚至取决于其它值(所谓的增益调度)的时变参数，以便变换是如下的函数：其中，参数本身是函数。这样的变换的示例是如下的车辆状态与驾驶员转矩的关系：其中，该关系是取决于车辆速率的持续地上升的递减状函数。

转移函数是考虑系统的初始条件的具有变量s的在Laplace(拉普拉斯)域中的系统的输出与所述系统的输入的关系。如果我们作为单输入单输出系统的示例而具有X(s)的输入函数和Y(s)的输出函数，则转移函数G(s)在此定义成Y(s)/X(s)。

方向盘转矩测量是在转向柱或方向盘中测量的转矩或在转向齿条中测量的力乘以转向齿条与方向盘之间的转矩比率。

频率混合是两个信号的频域中的加权和，以致于信号之一由某一滤波器滤波，并且另一个由互补的滤波器滤波。频率混合的示例是将线性一阶低通滤波器用于两个信号之一上并且将线性一阶高通滤波器用于另一个上，并且，两个滤波器的结果被加在一起。

互补的滤波器是导致下者的滤波器：互补的滤波器与其所互补于的滤波器的和在整个频率范围内是一。

车辆动力学

车辆模型是如下的数学模型：使行走轮角和车辆速率变换成许多车辆偏航和/或侧向状态，即，车辆偏航率和加速度、车辆侧向速率和加速度以及车身侧滑角。

转向感

转向感由下文的构建块的和构建：

-侧向加速度反馈转矩，

-轮胎摩擦转矩，

-转向系统摩擦转矩，

-阻尼转矩，以及

-回正性转矩。

侧向加速度反馈转矩是与车辆的侧向加速度对应的驾驶员所感受到的转矩。

轮胎摩擦转矩是轮胎与道路之间的摩擦或该摩擦的模型。

转向系统摩擦或摩擦转矩是转向系统的连杆的部分的摩擦或该摩擦的模型。

阻尼转矩由于轮胎和转向系统的阻尼或该阻尼的模型而出现。

回正性转矩来自转向系统的几何结构或转向系统的模型。

这些转矩贡献率可能取决于车辆速率。转矩贡献率也能够经由数学模型来运算或经由车辆或转向系统中的传感器来感测。

侧向加速度转矩根据自行车模型而运算，自行车模型将车辆速率和转向角用作输入，并且作为输出而赋予侧向加速度。侧向加速度反馈是根据车辆模型而运算的侧向加速度的函数。

轮胎摩擦转矩的数学模型是由角或角速率驱动的滞后的模型。轮胎的数学模型也包含松弛部分，以致于随着轮胎滚动，滞后的转矩将具有松弛长度，以便滞后转矩随着轮胎的滚动长度而减小。松弛能够优选地是众所周知的半衰期指数衰减函数。

轮胎摩擦的模型是滞后和松弛的组合，以便例如可能与由于松弛而导致的转矩减小同时发生由于滞后转矩而导致的增加。模型的得到的转矩是两个部分的和。

摩擦转矩的数学模型是由角或角速率驱动的滞后的模型。滞后中的最大转矩能够通过函数而成形，以便最大转矩在中心上与偏心相比而不同。

阻尼转矩的数学模型由阻尼常数乘以角速率或平移速率(诸如，例如在连杆中的某处测量的齿条速度，其中，连杆在行走轮与方向盘之间是机械或液压的)组成。阻尼常数能够使得阻尼具有放气(blow-off)，以致于阻尼常数对于大的角速率或平移速率而减小。阻尼常数不但可能取决于车辆速率，而且可能对于向外转向，与向内相比而不同。阻尼常数也可能是方向盘或扭杆转矩的函数。

回正性转矩是取决于车辆速率并且取决于方向盘角或转向角的转矩。

转矩参考发生器是如下的转向感控制概念：其中，在参考发生器中运算目标方向盘转矩，并且，该参考方向盘转矩然后用于将反馈转矩致动器控制成该参考转矩。

目标方向盘转矩是侧向加速度反馈转矩、上文中所提到的轮胎摩擦转矩、摩擦转矩、阻尼转矩以及回正性转矩的和。

角参考发生器是如下的转向感控制概念：其中，在参考发生器中运算目标辅助致动器角，并且，该参考反馈转矩致动器角然后用于将反馈转矩致动器控制成该参考角。

角参考发生器中的目标转向角基于目标方向盘转矩的方程，其中，目标方向盘转矩是侧向加速度反馈转矩、上文中所提到的轮胎摩擦转矩、摩擦转矩、阻尼转矩以及回正性转矩的和。如果该方程中的目标方向盘转矩被改变成所感测或估计的驾驶员转矩，则能够从取决于该转向角的方程推导出转向角。该所推导的转向角是角参考发生器的目标转向角。

注意到，具体地，目标转向角可能来自例如车道保持辅助系统、自动导航系统或用于自主驾驶的系统。

有利的实施例

根据本发明的一个方面，目的是通过将仅具有一个扭杆的系统引入而实现良好的转向角可控性以及实现良好的转向感。在有利的实施例中，为了实现这些益处，系统如下：

-系统应当包含具有扭杆128的转向辅助致动器140。

-该扭杆应当配备有扭杆转矩传感器。

-系统应当此外包含反馈转矩致动器130。

-反馈转矩致动器130应当具有角传感器，以便能够实现转向角。

-马达应当配备有用于反馈转矩的控制的ECU。

-ECU优选地包括用于测量反馈转矩致动器130的马达的转矩控制的电流的器件。

-ECU进一步优选地包括：

用于通过使用先前所提到的电流测量值而运算反馈转矩的器件，

用于运算目标反馈转矩的器件，以及

用以对目标反馈转矩进行控制并且致动以达到目标反馈转矩的器件，

不存在具有扭杆或扭杆转矩传感器的反馈转矩致动器130。

在该系统和用于反馈转矩致动的器件的情况下，能够实现良好的转向角可控性以及良好的转向感两者。

扭杆转矩传感器能够优选地属于具有转矩和角感测两者的种类，所谓的转矩及角传感器(TAS)。如果使用TAS，则反馈致动器的马达不需要包含角传感器。

方法包括运算目标反馈转矩致动器状态。目标反馈转矩致动器状态在此特别地被定义为目标反馈转矩或目标转向角。

在一个特定实施例中，目标驾驶员转矩例如使用转矩参考发生器来运算，并且，包括目标反馈转矩的目标反馈转矩致动器状态通过从目标驾驶员状态减去扭杆转矩而运算。

在一个特定实施例中，控制上述的系统的方法包括用于反馈转矩控制的下文的步骤：

-在TAS中的角传感器或反馈转矩致动器中的角传感器的帮助下测量转向角。

-在先前所提到的扭杆转矩传感器的帮助下测量扭杆转矩。

-测量反馈转矩致动器130的马达中的电流。

-通过将电流用于马达的转矩特性而使上文中所提到的电流变换成所估计的反馈转矩，该变换实质上是取决于比例因子或已知的转矩和角的变换。

-通过将扭杆转矩和所估计的反馈转矩加在一起而运算驾驶员转矩。

-通过使用如在该描述的定义部分中详细地描述的转矩参考发生器而运算目标驾驶员转矩。

-通过从目标驾驶员转矩减去扭杆转矩而运算目标反馈转矩。

-经由闭环电流控制来控制所提到的反馈转矩致动器，以实现所述目标反馈转矩。

在这些方法步骤的情况下，能够实现良好的转向角可控性以及良好的转向感两者。

在另一实施例中，控制上述的系统的方法包括用于反馈转矩控制的下文的步骤：

-在先前所提到的扭杆转矩传感器的帮助下测量扭杆转矩。

-测量反馈转矩致动器130的马达中的电流。

-通过使用如在该描述的定义部分中详细地描述的角参考发生器而运算目标转向角。

-经由闭环电流控制来控制所提到的反馈转矩致动器，以实现所述目标转向角。

在再另一实施例中，控制上述的系统的方法包括用于反馈转矩控制的下文的步骤：

-在先前所提到的扭杆转矩传感器的帮助下测量扭杆转矩。

-测量反馈转矩致动器130的马达中的电流。

-通过使用增压曲线而运算目标反馈转矩。

应当清楚的是，本发明不限于具体地图示的实施例，而是本发明能够在所附权利要求书的范围内以许多方式变化。

Claims

1.一种转向系统，其包括具有扭杆(128)的转向辅助致动器(140)和用于对驾驶员赋予反馈的具有带有电控单元ECU的马达的反馈转矩致动器(130)以及所述驾驶员将驾驶员转矩T _D施加到的方向盘(120)，

其特征在于，

所述转向辅助致动器(140)包括用于感测所述扭杆(128)中的转矩的扭杆(128)转矩传感器、用于测量转向角的器件，并且，所述反馈转矩致动器(130)的所述马达的所述ECU包括用于运算所述驾驶员转矩T _D的器件和用于运算包括目标反馈转矩或目标转向角的目标反馈转矩致动器状态的器件以用于控制所述反馈转矩致动器(130)以致于达到所述目标反馈转矩致动器状态，对于所述反馈转矩致动器(130)的所述目标反馈转矩致动器状态是利用在所述扭杆(128)转矩传感器中感测的转矩来补偿的目标转向感转矩。

2.根据权利要求1所述的转向系统，

其特征在于，

所述反馈转矩致动器(130)包括形成用于测量所述转向角的所述器件的角传感器。

3.根据权利要求1所述的转向系统，

其特征在于，

所述扭杆(128)转矩传感器包括转矩及角传感器(TAS)，并且，所述扭杆(128)转矩传感器包括用于测量所述转向角的所述器件。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的转向系统，

其特征在于，

所述ECU包括用于测量所述反馈转矩致动器(130)的所述马达中的电流的器件。

5.根据权利要求4所述的转向系统，

其特征在于，

所述ECU包括用于通过使用所述电流测量值而运算所述反馈转矩致动器状态的器件，并且，所述ECU布置成对所述目标反馈转矩致动器(130)进行控制并且致动，以在不存在具有扭杆或扭杆转矩传感器的所述反馈转矩致动器的情况下，达到所述目标反馈转矩。

6.一种用于控制包括具有扭杆(128)的转向辅助致动器(140)的转向系统(100)中的用于对驾驶员赋予反馈的具有带有电控单元ECU的马达的反馈转矩致动器(130)、所述驾驶员将驾驶员转矩T _D施加到的方向盘(120)的方法，

其特征在于，

所述方法将用于反馈转矩控制的下文的步骤合并：

-使用转向角感测器件来测量转向角，

-在使用所述辅助致动器(140)的扭杆(128)转矩传感器的情况下测量扭杆转矩，

-测量所述反馈转矩致动器(130)的所述马达中的电流，

-通过使用所述马达的电流到转矩的特性而使所述上文中所提到的电流变换成所估计的反馈转矩，

-通过将所述所感测的扭杆转矩和所述所估计的反馈转矩相加而运算所述先前所提到的驾驶员转矩，

-从所述所运算的驾驶员转矩或从所述所测量的转向角运算目标反馈转矩致动器状态，

-经由闭环电流控制来控制所述所提到的反馈转矩致动器，以实现所述目标反馈转矩致动器状态，

以便实现良好的转向感。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

所述目标反馈转矩致动器状态包括目标转向角，并且，在经由闭环电流来进行的控制步骤中，所述反馈转矩致动器(130)被控制成实现所述目标转向角，以便所述转向角将接近所述上文中所提到的目标转向角，由此实现良好的转向感。

8.根据权利要求7所述的方法，

其特征在于，

所述目标转向角通过使用角参考发生器而运算。

9.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

所述目标反馈转矩致动器状态包括目标反馈转矩，并且，在经由闭环电流来进行的控制步骤中，所述反馈转矩致动器被控制成实现所述目标反馈转矩，以便所述转向角将接近所述上文中所提到的目标转向角，由此实现良好的转向感。

10.根据权利要求9所述的方法，

其特征在于，

所述目标反馈转矩通过使用增压曲线而运算。

11.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

所述方法包括以下的步骤：

-通过使用转矩参考发生器而运算目标驾驶员转矩;

-通过从所述目标驾驶员转矩减去所述扭杆转矩而运算目标反馈转矩。

12.一种用于控制包括具有扭杆(128)的转向辅助致动器(140)的转向系统(100)中的用于对驾驶员赋予反馈的具有带有电控单元ECU的马达的反馈转矩致动器(130)、所述驾驶员将驾驶员转矩T _D施加到的方向盘(120)的系统，

其特征在于，

所述系统包括：

-用于测量转向角的器件，

-用于测量所述扭杆(128)的转矩的扭杆转矩传感器，所述ECU包括：

-用于测量所述反馈转矩致动器(130)的所述马达中的电流的器件，

-用于通过使用所述马达的电流到转矩的特性而使所述上文中所提到的电流变换成所估计的反馈转矩的器件，

-用于通过将所述所感测的扭杆转矩和所述所估计的反馈转矩相加而运算所述先前所提到的驾驶员转矩的器件，

-用于从所述所运算的驾驶员转矩或所述所测量的转向角运算目标反馈转矩致动器状态的器件，以及

-用于经由闭环电流控制来控制所述所提到的反馈转矩致动器，以实现所述目标反馈转矩致动器状态的器件，

以便实现良好的转向感。

13.根据权利要求12所述的系统，

其特征在于，

14.根据权利要求13所述的系统，

其特征在于，

所述目标反馈转矩致动器状态包括目标转向角，并且，所述目标转向角通过使用角参考发生器而运算。

15.根据权利要求12所述的系统，

其特征在于，

所述目标反馈转矩致动器状态包括目标反馈转矩，并且，所述反馈转矩致动器经由所述闭环控制来控制，以实现所述目标反馈转矩，以便所述转向角将接近所述上文中所提到的目标转向角，由此实现良好的转向感。

16.根据权利要求15所述的系统，

其特征在于，

所述目标反馈转矩通过使用增压曲线而运算。

17.根据权利要求12所述的系统，

其特征在于，

所述目标反馈转矩致动器状态包括目标反馈转矩，并且：

-目标驾驶员转矩通过使用转矩参考发生器而运算，并且，

-目标反馈转矩通过从所述目标驾驶员转矩减去所述扭杆转矩而运算。