CN113165642A - 转向操作装置及转向操作装置中的电动机控制方法 - Google Patents

转向操作装置及转向操作装置中的电动机控制方法 Download PDF

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CN113165642A CN201980076204.4A CN201980076204A CN113165642A CN 113165642 A CN113165642 A CN 113165642A CN 201980076204 A CN201980076204 A CN 201980076204A CN 113165642 A CN113165642 A CN 113165642A
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筬岛慎太郎
上田泰介
山本洋介
石本昌也
中曾根源平
玉木宏昌
青野慎也
山下佳裕
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Nissan Motor Co Ltd
JTEKT Corp
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Abstract

转向操作装置具备：电动机，能够使与方向盘连接的转向轮转向；及控制部，控制所述电动机而改变所述转向轮的转向角，所述控制部包括：角度反馈控制部，能够执行自动行驶控制和自动停车控制，所述自动行驶控制以使实际转向角与为使车辆沿着设定于行驶道路内的目标路径行驶而运算出的第一目标转向角一致的方式进行反馈控制，所述自动停车控制以使实际转向角与为使所述车辆从当前位置移动至停车位置而运算出的第二目标转向角一致的方式进行反馈控制；及增益设定部，将所述自动停车控制中的反馈增益设定为比所述自动行驶控制中的反馈增益小的值。

Description

转向操作装置及转向操作装置中的电动机控制方法
技术领域
本发明的一个方式涉及转向操作装置及转向操作装置中的电动机控制方法。
背景技术
以往，已知有为使车辆沿着设定于行驶道路内的目标路径自动行驶而运算目标转向角(目标转向操作角或目标车轮转向角)，并以使实际转向角与目标转向角一致的方式对转向促动器进行反馈控制的自动行驶控制(例如，参照下述专利文献1)。
另外，已知有为使车辆从当前位置移动至通过自动检测或驾驶者指定的停车位置而运算目标转向角，并以使实际转向角与目标转向角一致的方式对转向促动器进行反馈控制的自动停车控制(例如，参照下述专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-175940号公报
专利文献2：日本特开2008-80866号公报
发明内容
发明要解决的课题
在执行自动停车控制及自动行驶控制的情况下，考虑同样地实施各自的角度反馈控制的情况。然而，明确了如果将与自动行驶控制相同的角度反馈控制应用于自动停车控制，则在自动停车控制时在作为转向促动器的电动机产生振动，给驾驶者带来违和感。
本发明的目的在于提供一种可进行自动行驶控制及自动停车控制且在自动停车控制时能够抑制振动的产生的转向操作装置及转向操作装置中的电动机控制方法。
用于解决课题的方案
本发明的转向操作装置具备：电动机，能够使与方向盘连接的转向轮转向；及控制部，控制所述电动机而改变所述转向轮的转向角，所述控制部包括：角度反馈控制部，能够执行自动行驶控制和自动停车控制，所述自动行驶控制以使实际转向角与为使车辆沿着设定于行驶道路内的目标路径行驶而运算出的第一目标转向角一致的方式进行反馈控制，所述自动停车控制以使实际转向角与为使所述车辆从当前位置移动至停车位置而运算出的第二目标转向角一致的方式进行反馈控制；及增益设定部，将所述自动停车控制中的反馈增益设定为比所述自动行驶控制中的反馈增益小的值。
在该结构中，能够实现可进行自动行驶控制及自动停车控制且在自动停车控制时能够抑制振动的产生的转向操作装置。
在本发明的一个实施方式中，所述反馈控制是比例积分微分控制，所述反馈增益包括所述比例积分微分控制的微分增益。
在本发明的一个实施方式中，所述反馈增益还包括所述比例积分微分控制的比例增益。
在本发明的一个实施方式中，所述反馈增益还包括所述比例积分微分控制的积分增益。
在本发明的一个实施方式中，所述角度反馈控制部还能够执行紧急躲避支援控制，该紧急躲避支援控制在检测到与车辆行进方向的障碍物发生碰撞的风险时以使实际转向角与为使所述车辆向不存在所述障碍物的方向移动而运算出的第三目标转向角一致的方式进行反馈控制，所述增益设定部将所述紧急躲避支援控制中的反馈增益设定为比所述自动行驶控制中的反馈增益大的值。
本发明的转向操作装置中的电动机控制方法是具备能够使与方向盘连接的转向轮转向的电动机并能够执行自动行驶控制及自动停车控制的转向操作装置中的电动机控制方法，其中，所述自动行驶控制包括以下步骤：为使车辆沿着设定于行驶道路内的目标路径行驶而运算第一目标转向角；及以使实际转向角与所述第一目标转向角一致的方式进行反馈控制，所述自动停车控制包括以下步骤：为使所述车辆从当前位置移动至停车位置而运算第二目标转向角；及使用被设定为比所述自动行驶控制中的反馈增益小的值的反馈增益，以使实际转向角与所述第二目标转向角一致的方式进行反馈控制。
在该方法中，进行自动行驶控制及自动停车控制，且在自动停车控制时能够抑制振动的产生。
附图说明
图1是表示应用了本发明的一个实施方式的转向操作装置的电动动力转向系统的概略结构的示意图。
图2是用于说明电动机控制用ECU的电气结构的框图。
具体实施方式
图1是表示应用了本发明的一个实施方式的转向操作装置的电动动力转向系统的概略结构的示意图。
电动动力转向系统1具备用于使车辆转向的作为转向操作构件的方向盘2、与该方向盘2的旋转联动地使转向轮3转向的转向机构4以及用于对驾驶者的转向操作进行辅助的转向操作辅助机构5。方向盘2与转向机构4经由转向轴6及中间轴7而机械连结。由此，方向盘2与转向轮3机械连接。
转向轴6包括连结于方向盘2的输入轴8和连结于中间轴7的输出轴9。输入轴8与输出轴9经由扭杆10而能够相对旋转地连结。
在扭杆10的附近配置转矩传感器12。转矩传感器12基于输入轴8及输出轴9的相对旋转位移量，检测提供给方向盘2的转向操作转矩Td。在该实施方式中，由转矩传感器12检测的转向操作转矩Td例如为：将向左方向的转向操作用的转矩检测为正的值，将向右方向的转向操作用的转矩检测为负的值，其绝对值越大，则转向操作转矩Td的大小越大。
转向机构4由包括小齿轮轴13和作为车轮转向轴的齿条轴14的齿条小齿轮机构构成。在齿条轴14的各端部经由拉杆15及关节臂(省略图示)连结转向轮3。小齿轮轴13连结于中间轴7。小齿轮轴13与方向盘2的转向操作联动地旋转。在小齿轮轴13的前端连结有小齿轮16。
齿条轴14沿车辆的左右方向呈直线状地延伸。在齿条轴14的轴向的中间部形成有与小齿轮16啮合的齿条17。通过该小齿轮16及齿条17，将小齿轮轴13的旋转转换成齿条轴14的轴向移动。通过使齿条轴14沿轴向移动，能够使转向轮3转向。
当方向盘2被转向操作(旋转)时，该旋转经由转向轴6及中间轴7向小齿轮轴13传递。并且，小齿轮轴13的旋转被小齿轮16及齿条17转换成齿条轴14的轴向移动。由此，使转向轮3转向。
转向操作辅助机构5包括用于产生转向操作辅助力(辅助转矩)的电动机18和用于将电动机18的输出转矩放大之后向转向机构4传递的减速器19。减速器19由包括蜗杆20和与该蜗杆20啮合的蜗轮21的蜗杆机构构成。
减速器19收容在作为传递机构壳体的齿轮壳体22内。以下，有时通过N表示减速器19的减速比(齿轮比)。减速比N被定义为蜗杆20的角速度ωwg的相对于蜗轮21的角速度ωww之比ωwg/ωww。
蜗杆20被电动机18驱动而旋转。而且，蜗轮21能够一体旋转地连结于输出轴9。
当通过电动机18驱动蜗杆20旋转时，蜗轮21被驱动而旋转，向转向轴6提供电动机转矩并且转向轴6(输出轴9)旋转。并且，转向轴6的旋转经由中间轴7向小齿轮轴13传递。小齿轮轴13的旋转被转换成齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3被转向。而且，伴随着转向轴6的旋转，方向盘2也旋转。
即，通过电动机18驱动蜗杆20旋转，由此能够进行基于电动机18的转向操作辅助、转向轮3的转向。在电动机18设有用于检测电动机18的转子的旋转角的旋转角传感器23。
以下，自动行驶控制是指以使实际转向角与为使车辆沿着设定于行驶道路内的目标路径行驶而运算出的目标转向角(以下，称为“第一目标转向角”)一致的方式进行反馈控制的控制。上述自动行驶控制例如包括为了维持车道内的车道宽度方向规定的位置处的行驶而通过在车道内持续设定作为车道宽度方向规定的位置的目标行驶位置来设定目标路径并进行上述反馈控制的车道保持控制、将前车的行驶轨迹设定为本车的目标路径而进行上述反馈控制的前车行驶轨迹追随控制。另外，除了上述以外，上述自动行驶控制还包括设定从当前位置至目的地的行驶路径并进行上述反馈控制的自动驾驶控制、设定超过行驶速度比本车慢的前车的行驶路径并进行上述反馈控制的自动超车控制等。另外，自动行驶控制除了上述以外，也包括在行驶道路(道路)上设定成为目标的行驶路径并以使实际转向角与为使车辆沿着目标路径行驶而运算出的目标转向角一致的方式进行反馈控制的全部控制。需要说明的是，在本实施方式中，记载了实施车道保持控制作为自动行驶控制的方式。而且，自动停车控制是以使实际转向角与为使车辆从当前位置移动至停车位置而运算出的目标转向角(以下，称为“第二目标转向角”)一致的方式进行反馈控制的控制。在该实施方式中，“目标转向角”是相对于输出轴9的目标旋转角。
电动动力转向系统1还具备电动机控制用ECU(控制部)102。将由转矩传感器12检测的转向操作转矩Td、旋转角传感器23的输出信号输入到电动机控制用ECU102。电动机控制用ECU102基于上述的输入信号及从车辆侧的上位ECU101提供的信息，控制电动机18。
上位ECU101具备在车道保持控制时生成用于使车辆沿着目标路径自动行驶的第一目标转向角θad1而提供给电动机控制用ECU102的功能以及在自动停车控制时生成用于使车辆移动至规定的停车位置的第二目标转向角θad2而提供给电动机控制用ECU102的功能。这样的生成第一目标转向角θad1及第二目标转向角θad2的处理是公知的，因此这里省略详细的说明。
另外，上位ECU101具备将表示由驾驶者设定的控制模式的控制模式信号Smode提供给电动机控制用ECU102的功能。控制模式包括在通常行驶时进行的通常控制模式、用于进行车道保持控制的车道保持控制模式、用于进行自动停车控制的自动停车控制模式。
由上位ECU101生成的第一目标转向角θad1及第二目标转向角θad2以及控制模式信号Smode例如经由车载网络提供给电动机控制用ECU102。
图2是用于说明电动机控制用ECU102的电气结构的框图。
电动机控制用ECU102具备：微型计算机40；驱动电路(反演电路)31，由微型计算机40控制，向电动机18供给电力；及电流检测电路32，用于检测向电动机18流动的电流(以下，称为“电动机电流I”)。
微型计算机40具备CPU及存储器(ROM、RAM、非易失性存储器等)，通过执行规定的程序而作为多个功能处理部发挥功能。该多个功能处理部包括电流指令值设定部41、角度偏差运算部43、PID(比例积分微分)控制部44(角度反馈控制部)、指令值切换部45、电流偏差运算部46、PI(比例积分)控制部47、PWM控制部48、旋转角运算部49、减速比除法运算部50及增益设定部51。
电流指令值设定部41基于转向操作转矩Td，运算通常控制模式时的对于电动机18的电流指令值Ias。电流指令值Ias相对于转向操作转矩Td的正的值而取为正，从电动机18产生左方向转向操作用的转向操作辅助力。而且，电流指令值Ias相对于转向操作转矩Td的负的值而取为负，从电动机18产生右方向转向操作用的转向操作辅助力。并且，设定为转向操作转矩Td的绝对值越大，则电流指令值Ias的绝对值越大。通过电流指令值设定部41运算的电流指令值Ias向指令值切换部45输入。
旋转角运算部49基于旋转角传感器23的输出信号来运算电动机18的转子旋转角θm。减速比除法运算部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而将转子旋转角θm换算成输出轴9的旋转角(实际转向角)θ。将由减速比除法运算部50运算的实际转向角θ提供给角度偏差运算部43。
角度偏差运算部43运算从上位ECU101输出的第一目标转向角θad1或第二目标转向角θad2与实际转向角θ的偏差Δθ(＝(θad1-θ)或(θad2-θ))。
PID控制部44通过对于由角度偏差运算部43运算的角度偏差Δθ进行PID运算来运算电流指令值Iad。具体而言，PID控制部44具备比例处理部61、积分处理部62、微分处理部63、比例增益乘法运算部64、积分增益乘法运算部65、微分增益乘法运算部66及加法运算部67。
比例增益乘法运算部64将比例处理部61对角度偏差Δθ进行了比例处理后的值与从增益设定部51提供的比例增益KP相乘。积分增益乘法运算部65将积分处理部62对角度偏差Δθ进行了积分处理后的值与从增益设定部51提供的积分增益KI相乘。微分增益乘法运算部66将微分处理部63对角度偏差Δθ进行了微分处理后的值与从增益设定部51提供的微分增益KD相乘。关于增益设定部51的动作的详情，在后文叙述。
加法运算部67通过将比例增益乘法运算部64、积分增益乘法运算部65及微分增益乘法运算部66的各乘法运算结果相加来运算车道保持控制模式时或自动停车控制模式时的对于电动机18的电流指令值Iad。由PID控制部44运算的电流指令值Iad向指令值切换部45输入。
指令值切换部45在控制模式信号Smode为表示通常控制模式的信号时，选择电流指令值Ias并输出，在控制模式信号Smode为表示除此以外的车道保持控制模式的信号时或者表示自动停车控制模式的信号时，选择电流指令值Iad并输出。将指令值切换部45的输出提供给电流偏差运算部46。
电流偏差运算部46运算从指令值切换部45输出的电流指令值Ias或Iad与由电流检测电路32检测的电动机电流I的偏差ΔI(＝(Ias-I)或(Iad-I))。
PI控制部47通过进行对于由电流偏差运算部46运算出的电流偏差ΔI的PI运算(比例积分运算)，生成用于将向电动机18流动的电动机电流I向电流指令值Ias或Iad引导的驱动指令值。PWM控制部48生成与所述驱动指令值对应的占空比的PWM控制信号，向驱动电路31供给。由此，将与驱动指令值对应的电力向电动机18供给。
在上述那样的结构中，在控制模式设定为通常控制模式的情况下，由电流指令值设定部41设定的电流指令值Ias从指令值切换部45输出。因此，从电动机18产生与转向操作转矩Td对应的辅助转矩。
在控制模式设定为车道保持控制模式的情况下，从上位ECU101向电动机控制ECU102提供第一目标转向角θad1。然后，通过PID控制部44，对于第一目标转向角θad1与实际转向角θ的角度偏差Δθ(＝θad1-θ)进行PID运算。由此，运算出车道保持控制用的电流指令值Iad。并且，该电流指令值Iad从指令值切换部45输出，因此以使电动机电流I与该电流指令值Iad一致的方式对驱动电路31进行驱动控制。由此，以使实际转向角θ与第一目标转向角θad1一致的方式控制电动机18。
在控制模式设定为自动停车控制模式的情况下，从上位ECU101向电动机控制ECU102提供第二目标转向角θad2。然后，通过PID控制部44，对于第二目标转向角θad2与实际转向角θ的角度偏差Δθ(＝θad2-θ)进行PID运算。由此，运算出自动停车控制用的电流指令值Iad。然后，从指令值切换部45输出该电流指令值Iad，因此以使电动机电流I与该电流指令值Iad一致的方式对驱动电路31进行驱动控制。由此，以使实际转向角θ与第二目标转向角θad2一致的方式控制电动机18。
以下，详细说明增益设定部51的动作。
增益设定部51根据从上位ECU101提供的控制模式信号Smode，设定比例增益KP、积分增益KI及微分增益KD。以下，更具体地进行说明。将在控制模式为车道保持控制模式时设定的比例增益KP、积分增益KI及微分增益KD分别设为第一比例增益KP1、第一积分增益KI1及第一微分增益KD1。相对于此，将在控制模式为自动停车控制模式时设定的比例增益KP、积分增益KI及微分增益KD分别设为第二比例增益KP2、第二积分增益KI2及第二微分增益KD2。
需要说明的是，第二比例增益KP2、第二积分增益KI2及第二微分增益KD2分别设定为比第一比例增益KP1、第一积分增益KI1及第一微分增益KD1小的值。以下，说明其理由。
车道保持控制时的车速通常比自动停车控制时的车速大，因此与自动停车控制相比，对车道保持控制要求较高的响应性。因此，车道保持控制时的第一比例增益KP1、第一积分增益KI1及第一微分增益KD1设定为比较大的值。这样，在将车道保持控制的反馈增益KP1、KI1、KD1设定为比较高的值的基础上，如果将自动停车控制的反馈增益KP2、KI2、KD2设定为与车道保持控制的反馈增益KP1、KI1、KD1相同的值，则对于自动停车控制时的车速来说响应性变得过高，因此明确了在自动停车控制时在电动机18产生振动，给驾驶者带来违和感的情况。
因此，在该实施方式中，为了抑制在自动停车控制时产生的电动机18的振动而将第二比例增益KP2、第二积分增益KI2及第二微分增益KD2分别设定为比第一比例增益KP1、第一积分增益KI1及第一微分增益KD1小的值。由此，能够抑制在自动停车控制时产生的电动机18的振动。
这样，如果将自动停车控制的反馈增益KP2、KI2、KD21设定为比车道保持控制的反馈增益KP1、KI1、KD1小的值，则虽然自动停车控制时的响应性下降，但是由于与车道保持控制相比对自动停车控制未要求较高的响应性，因此不会给自动停车控制带来障碍。
需要说明的是，可以仅将第二比例增益KP2、第二积分增益KI2及第二微分增益KD2中的第二微分增益KD2设定为比第一微分增益KD1小的值。而且，可以将第二比例增益KP2、第二积分增益KI2及第二微分增益KD2中的除了第二积分增益KI2以外的第二微分增益KD2及第二比例增益KP2分别设定为比第一微分增益KD1及第一比例增益KP1小的值。
即，通过第二比例增益KP2、第二积分增益KI2及第二微分增益KD2中的至少第二微分增益KD2设为比第一微分增益KD1小的值，能够抑制自动停车控制时的电动机18的振动，但是优选将第二微分增益KD2及第二比例增益KP2分别设定为比第一微分增益KD1及第一比例增益KP1小的值。由此，与仅将第二微分增益KD2设为比第一微分增益KD1小的值的情况相比，能够更有效地抑制自动停车控制时的电动机18的振动。
此外，优选将第二比例增益KP2、第二积分增益KI2及第二微分增益KD2分别设定为比第一比例增益KP1、第一积分增益KI1及第一微分增益KD1小的值。由此，能够提高PID控制系的稳定性。
因此，最优选将第二比例增益KP2、第二积分增益KI2及第二微分增益KD2全部分别设定得比第一比例增益KP1、第一积分增益KI1及第一微分增益KD1小。接下来，优选将第二微分增益KD2及第二比例增益KP2这两个分别设定为比第一微分增益KD1及第一比例增益KP1小的值，但是只要至少仅将第二微分增益KD2设为比第一微分增益KD1小的值，就能够发挥抑制自动停车控制时的电动机18的振动的效果。
以上，说明了本发明的一个实施方式，但是本发明也可以还通过其他的方式实施。例如，在前述的实施方式中，上位ECU101具备生成车道保持控制用的第一目标转向角θad1及自动停车控制用的第二目标转向角θad2而提供给电动机控制用ECU102的功能。然而，也可以如图1及图2的双点划线所示，除此之外，上位ECU101还具备生成紧急躲避支援控制用的第三目标转向角θad3而提供给电动机控制用ECU102的功能。
紧急躲避支援控制是指在检测到与车辆行进方向的障碍物发生碰撞的风险时运算用于使车辆向不存在障碍物的方向移动的目标转向角(第三目标转向角)θad3，以使实际转向角与第三目标转向角θad3一致的方式进行反馈控制的控制。在该情况下，在控制模式的种类中，除了前述的通常控制模式、车道保持控制模式及自动停车控制模式之外，还追加有紧急躲避支援控制用的紧急躲避支援控制模式。
在控制模式为紧急躲避支援控制模式的情况下，向角度偏差运算部43输入来自上位ECU101的第三目标转向角θad3。并且，增益设定部51在控制模式为紧急躲避支援控制模式时，将比例增益KP、积分增益KI及微分增益KD分别设定为第三比例增益KP3、第三积分增益KI3及第三微分增益KD3。在该情况下，将第三比例增益KP3、第三积分增益KI3及第三微分增益KD3分别设定为比第一比例增益KP1、第一积分增益KI1及第一微分增益KD1大的值。这是因为，对紧急躲避支援控制要求比车道保持控制高的响应性的缘故。
需要说明的是，可以仅将第三比例增益KP3、第三积分增益KI3及第三微分增益KD3中的第三微分增益KD3设定为比第一微分增益KD1大的值。而且，可以将第三比例增益KP3、第三积分增益KI3及第三微分增益KD3中的第三积分增益KI3以外的第三微分增益KD3及第三比例增益KP3分别设定为比第一微分增益KD1及第一比例增益KP1大的值。
另外，在前述的实施方式中，示出了将本发明应用于柱式EPS时的例子，但是本发明也可以应用于柱式以外的EPS。而且，本发明也可以应用于线控转向系统。
此外，本发明在权利要求书记载的事项的范围内可以实施各种设计改变。
本申请基于在2018年11月20日提出申请的日本专利申请(特愿2018-217608)，并将其内容作为参照而援引于此。
标号说明
1…电动动力转向装置，3…转向轮，4…转向机构，18…电动机，40…微型计算机，41…电流指令值设定部，43…角度偏差运算部，44…PID(比例积分微分)控制部，45…指令值切换部，46…电流偏差运算部，47…PI(比例积分)控制部，48…PWM控制部，49…旋转角运算部，50…减速比除法运算部，51…增益设定部，101…上位ECU，102…电动机控制用ECU

Claims (6)

1.一种转向操作装置，其中，具备：
电动机，能够使与方向盘连接的转向轮转向；及
控制部，控制所述电动机而改变所述转向轮的转向角，
所述控制部包括：
角度反馈控制部，能够执行自动行驶控制和自动停车控制，所述自动行驶控制以使实际转向角与为使车辆沿着设定于行驶道路内的目标路径行驶而运算出的第一目标转向角一致的方式进行反馈控制，所述自动停车控制以使实际转向角与为使所述车辆从当前位置移动至停车位置而运算出的第二目标转向角一致的方式进行反馈控制；及
增益设定部，将所述自动停车控制中的反馈增益设定为比所述自动行驶控制中的反馈增益小的值。
2.根据权利要求1所述的转向操作装置，其中，
所述反馈控制是比例积分微分控制，
所述反馈增益包括所述比例积分微分控制的微分增益。
3.根据权利要求2所述的转向操作装置，其中，
所述反馈增益还包括所述比例积分微分控制的比例增益。
4.根据权利要求3所述的转向操作装置，其中，
所述反馈增益还包括所述比例积分微分控制的积分增益。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的转向操作装置，其中，
所述角度反馈控制部还能够执行紧急躲避支援控制，该紧急躲避支援控制在检测到与车辆行进方向的障碍物发生碰撞的风险时以使实际转向角与为使所述车辆向不存在所述障碍物的方向移动而运算出的第三目标转向角一致的方式进行反馈控制，
所述增益设定部将所述紧急躲避支援控制中的反馈增益设定为比所述自动行驶控制中的反馈增益大的值。
6.一种转向操作装置中的电动机控制方法，所述转向操作装置具备能够使与方向盘连接的转向轮转向的电动机，并能够执行自动行驶控制及自动停车控制，其中，
所述自动行驶控制包括以下步骤：
为使车辆沿着设定于行驶道路内的目标路径行驶而运算第一目标转向角；及
以使实际转向角与所述第一目标转向角一致的方式进行反馈控制，
所述自动停车控制包括以下步骤：
为使所述车辆从当前位置移动至停车位置而运算第二目标转向角；及
使用被设定为比所述自动行驶控制中的反馈增益小的值的反馈增益，以使实际转向角与所述第二目标转向角一致的方式进行反馈控制。
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