CN114206707A - 电动助力转向装置、使用于电动助力转向装置的控制装置以及控制方法 - Google Patents

电动助力转向装置、使用于电动助力转向装置的控制装置以及控制方法 Download PDF

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Abstract

实施方式的处理器执行如下步骤：获得由操舵扭矩传感器检测出的操舵扭矩和由车速传感器检测出的车速；根据驾驶员操纵方向盘时的操舵频率而变更应用于操舵扭矩的增益和相位；根据应用了增益和相位的操舵扭矩以及车速来决定辅助扭矩的大小；以及根据决定的辅助扭矩而生成用于控制马达的驱动的扭矩指令值。

Description

电动助力转向装置、使用于电动助力转向装置的控制装置以 及控制方法
技术领域
本公开涉及电动助力转向装置，使用于电动助力转向装置的控制装置以及控制方法。
本申请基于2019年8月9日申请的日本申请特愿2019-147869号主张优先权，这里引用其内容。
背景技术
搭载有具备电动马达(以下简称为马达)的电动助力转向装置(EPS)的汽车正在普及。电动助力转向装置是通过对马达进行驱动来辅助驾驶员的方向盘操作的装置。方向盘有时也被称为手柄。
近年来，关于电动助力转向装置对驾驶员的操舵的辅助力，要求成为根据车型而不同的操舵特性。另外，即使是相同的车型，也要求成为根据男女、年龄、驾驶经验、驾驶场景等而不同的操舵特性。作为提高驾驶员的操舵感的技术之一，在专利文献1中公开了操舵角越大则对扭矩信号进行越大的滞后相位补偿的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第6131208号公报
发明内容
发明要解决的课题
期望改善适于各种驾驶场景的操舵感。
本公开的实施方式提供一种能够提高驾驶员的操舵感的电动助力转向装置的控制装置和控制方法。另外，本公开的实施方式提供具有这样的控制装置的电动助力转向装置。
用于解决课题的手段
关于本公开的控制装置，在非限定性且例示性的实施方式中，是使用于具有马达的电动助力转向装置的、用于控制所述马达的驱动的控制装置，其中，该控制装置具有：处理器；以及存储器，其存储控制所述处理器的动作的程序，所述处理器按照所述程序而执行如下步骤：获得由操舵扭矩传感器检测出的操舵扭矩和由车速传感器检测出的车速；根据驾驶员操纵方向盘时的操舵频率而变更应用于所述操舵扭矩的增益和相位；根据应用了所述增益和所述相位的所述操舵扭矩以及所述车速来决定辅助扭矩的大小；以及根据决定的所述辅助扭矩而生成用于控制所述马达的驱动的扭矩指令值。
关于本公开的控制方法，在非限定性且例示性的实施方式中，是使用于具有马达的电动助力转向装置的、用于控制所述马达的驱动的控制方法，其中，该控制方法包含如下步骤：获得由操舵扭矩传感器检测出的操舵扭矩和由车速传感器检测出的车速；根据驾驶员操纵方向盘时的操舵频率而变更应用于所述操舵扭矩的增益和相位；根据应用了所述增益和所述相位的所述操舵扭矩以及所述车速来决定辅助扭矩的大小；以及根据决定的所述辅助扭矩而生成用于控制所述马达的驱动的扭矩指令值。
发明效果
根据本公开的例示性的实施方式，能够提高驾驶员的操舵感。
附图说明
图1是示意性地示出实施方式的电动助力转向装置的结构例的图。
图2是示出实施方式的控制装置的结构例的框图。
图3是以功能块为单位而示出本实施方式的处理器中安装的功能的功能框图。
图4是示出本实施方式的根据操舵频率而变更增益的控制的图。
图5是示出本实施方式的根据操舵频率而变更相位的控制的图。
图6是对本实施方式的操舵频率进行说明的图。
图7是示出本实施方式的模拟结果的操舵特性的波形的图。
图8是示出本实施方式的模拟结果的操舵特性的波形的图。
图9是示出本实施方式的模拟结果的操舵特性的波形的图。
具体实施方式
如上所述，作为提高驾驶员的操舵感的技术之一，有操舵角越大则对扭矩信号进行越大的滞后相位补偿的技术。但是，这样的技术在选择舒适模式作为驾驶模式的情况等下，在要求平稳的操作感的场景中是有效的，但不适合于运动模式等要求敏捷的操作感的场景。
近年来，不仅关于“重”或“轻”这样的驾驶员感受到的操舵负载，关于车辆对操舵“平稳”或“快速”作出反应这样的机敏性的要求也不断增加。特别是要求“在操舵负载重的情况下快速反应”、“在操舵负载轻的情况下平稳地反应”这样的操舵特性。在本公开的实施方式中，提供了这样的操舵特性。
以下，参照附图对本公开的电动助力转向装置的控制装置、控制方法以及具有该控制装置的电动助力转向装置的实施方式进行详细地说明。但是，有时省略超出所需的详细说明。例如，有时省略已经众所周知的事项的详细说明。对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明不必要地冗长，使本领域技术人员容易理解。
以下的实施方式是例示的，本公开的电动助力转向装置的控制装置、控制方法不限于以下的实施方式。例如，以下的实施方式所示的数值、步骤、该步骤的顺序等只不过是一例，只要在技术上不产生矛盾，就能够进行各种改变。以下说明的各实施方式只不过是例示的，只要在技术上不产生矛盾，就能够进行各种组合。
【1.电动助力转向装置1000的结构】
图1是示意性地示出本实施方式的电动助力转向装置1000的结构例的图。
电动助力转向装置1000(以下表述为“EPS”。)具有转向系统520和生成辅助扭矩的辅助扭矩机构540。EPS 1000生成辅助通过驾驶员操作方向盘而产生的转向系统的操舵扭矩的辅助扭矩。通过辅助扭矩，减轻了驾驶员的操作负担。
转向系统520例如具有方向盘521、转向轴522，万向联轴器523A、523B、旋转轴524、齿轮齿条机构525、齿条轴526、左右的球窝接头552A、552B、横拉杆527A、527B、转向节528A、528B以及左右的操舵车轮529A、529B。
辅助扭矩机构540例如具有操舵扭矩传感器541、舵角传感器542、汽车用电子控制单元(ECU)100、马达543、减速齿轮544、逆变器545以及扭杆546。操舵扭矩传感器541通过检测扭杆546的扭转量来检测转向系统520中的操舵扭矩。舵角传感器542检测方向盘的操舵角。
ECU 100根据由操舵扭矩传感器541、舵角传感器542、搭载于车辆的车速传感器(未图示)等检测出的检测信号而生成马达驱动信号，并输出给逆变器545。例如，逆变器545根据马达驱动信号将直流电力转换为作为A相、B相以及C相的伪正弦波的三相交流电力，并提供给马达543。马达543例如是表面磁铁型同步马达(SPMSM)或开关磁阻马达(SRM)，接受三相交流电力的供给而生成与操舵扭矩相对应的辅助扭矩。马达543将所生成的辅助扭矩经由减速齿轮544而传递至转向系统520。以下，将ECU 100记载为EPS的控制装置100。
【2.控制装置100的结构例】
图2是示出本实施方式的控制装置100的结构的典型例的框图。控制装置100例如具有电源电路111、角度传感器112、输入电路113、处理器200、通信I/f 114、驱动电路115以及ROM 116。控制装置100可以作为安装有这些电子部件的印刷布线基板(PCB)来实现。
搭载于车辆的车速传感器300、操舵扭矩传感器541以及舵角传感器542与处理器200电连接，从车速传感器300、操舵扭矩传感器541以及舵角传感器542分别向处理器200发送车速v、操舵扭矩Ttor以及操舵角θ。
控制装置100与逆变器545电连接。控制装置100控制逆变器545所具有的多个开关元件(例如MOSFET)的开关动作。具体而言，控制装置100生成控制各开关元件的开关动作的控制信号(以下表述为“栅极控制信号”。)，并输出给逆变器545。
控制装置100根据车速v、操舵扭矩Ttor以及操舵角θ等而生成扭矩指令值，例如通过矢量控制来控制马达543的扭矩和旋转速度。控制装置100不限于矢量控制，也可以进行其他闭环控制。旋转速度用单位时间(例如1分钟)内转子旋转的转速(rpm)或单位时间(例如1秒钟)内转子旋转的转速(rps)来表示。矢量控制是将在马达中流动的电流分解为有助于扭矩的产生的电流成分和有助于磁通的产生的电流成分并独立地控制相互垂直的各电流成分的方法。
电源电路111与外部电源(未图示)连接，生成电路内的各块所需的DC电压(例如3V或5V)。
角度传感器112例如是旋转变压器或霍尔IC。或者，角度传感器112也可以通过具有磁阻(MR)元件的MR传感器与传感器磁铁的组合来实现。角度传感器112检测转子的旋转角，并将转子的旋转角输出给处理器200。控制装置100可以具有检测马达的旋转速度、加速度的速度传感器、加速度传感器来代替角度传感器112。
输入电路113接收由电流传感器(未图示)检测出的马达电流值(以下表述为“实际电流值”。)，根据需要将实际电流值的电平转换为处理器200的输入电平，并将实际电流值输出给处理器200。输入电路113的典型例是模拟数字转换电路。
处理器200是半导体集成电路，也被称为中央运算处理装置(CPU)或微处理器。处理器200依次执行保存在作为存储器的一例的ROM 116中的、记述了用于控制马达驱动的命令组的计算机程序，来实现期望的处理。处理器200作为包含搭载有CPU的FPGA(FieldProgrammable Gate Array：现场可编程门阵列)、ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit：专用集成电路)或者ASSP(Application Specific StandardProduct：专用标准产品)的用语而被广泛解释。处理器200根据实际电流值和转子的旋转角等来设定目标电流值而生成PWM信号，并将该PWM信号输出给驱动电路115。
通信I/f 114例如是用于依据车载的控制区域网络(CAN)来进行数据的收发的输入输出接口。
驱动电路115典型地是栅极驱动器(或预驱动器)。驱动电路115根据PWM信号而生成栅极控制信号，向逆变器545所具有的多个开关元件的栅极提供栅极控制信号。当驱动对象是能够以低电压进行驱动的马达时，有时不一定需要栅极驱动器。在该情况下，栅极驱动器的功能可以安装在处理器200中。
ROM 116与处理器200电连接。ROM 116例如是可写入的存储器(例如PROM)，可改写的存储器(例如闪存、EEPROM)或读出专用的存储器。ROM 116保存有包含用于使处理器200控制马达驱动的命令组的控制程序。例如，控制程序在引导时暂时在RAM(未图示)中展开。
图3是以功能块为单位而示出处理器200中安装的功能的功能框图。在本说明书中，处理器200具有响应性相位补偿部210、相位补偿可变处理部220、基础辅助计算部230、稳定性相位补偿部240、电流控制运算部250以及马达控制部260。典型地说，与各个部相当的功能块的处理(或任务)以软件的模块为单位记述在计算机程序中，并保存在ROM 116中。但是，在使用FPGA等的情况下，这些功能块的全部或一部分可以作为硬件加速器而安装。
在将各功能块作为软件(或固件)安装于控制装置100的情况下，该软件的执行主体可以是处理器200。在某一方式中，本公开的控制装置具有处理器和存储控制处理器的动作的程序的存储器。处理器按照程序来执行以下处理。(1)获得由操舵扭矩传感器检测出的操舵扭矩和由车速传感器检测出的车速。(2)根据驾驶员操纵方向盘时的操纵频率而变更应用于操舵扭矩的增益和相位。(3)根据应用了增益和相位的操舵扭矩和车速来决定辅助扭矩的大小。(4)根据决定的辅助扭矩而生成用于控制马达的驱动的扭矩指令值。
处理器200获得由操舵扭矩传感器541检测出的操舵扭矩Ttor、由车速传感器检测出的车速v、由舵角传感器检测出的操舵角θ以及马达的旋转速度ω作为输入。例如，在控制装置100具有检测马达的旋转速度的速度传感器的情况下，处理器200通过从速度传感器获取检测出的旋转速度，能够获得马达的旋转速度ω。在控制装置100具有检测转子的旋转角(更详细而言为机械角)的角度传感器的情况下，处理器200能够从角度传感器获取检测出的转子的旋转角，并根据转子的旋转角对角速度进行运算，由此获得旋转速度ω。
使用图4、图5以及图6对本实施方式的根据操舵频率而变更增益和相位的控制进行说明。
图4是示出根据操舵频率而变更增益的控制的图。图5是示出根据操舵频率而变更相位的控制的图。图6是对操舵频率进行说明的图。在本实施方式中，根据驾驶员操纵方向盘521时的操舵频率而变更应用于操舵扭矩的增益和相位。
使用图6对操舵频率进行说明。图6示出了在道路上行驶的过程中进行变道的汽车1100和此时的方向盘521的操作的情形。操舵频率是与操舵的速度对应的频率。例如，如图6所示，在从左车道向右车道进行变道的情况下，在使方向盘521右旋转之后，使其左旋转而返回到空挡的位置。将这样的方向盘521从空挡的位置向一个方向转动而再次返回到空挡的位置的动作相当于半周期。在该半周期内的动作花费2.5秒的情况下，一个周期为5.0秒，操舵频率为0.2Hz。
在本实施方式中，例如在满足操舵频率为0.1Hz至5.0Hz这样的条件时，进行变更与操舵频率相对应的增益和相位的控制。另外，在操舵频率为除此以外的情况下也同样地可以进行根据操舵频率而变更增益和相位的控制。
安装有本实施方式的电动助力转向装置1000的汽车能够设定多种行驶模式。作为一例，多种行驶模式包含有运动模式、舒适模式、正常模式。行驶模式的种类和数量是任意的，本实施方式并不限定于此。
处理器200根据驾驶员所选择的行驶模式的种类，进行使方向盘521的操舵感变化的控制。例如，在选择了运动模式的情况下，操舵负载会给驾驶员带来重但快速反应的操舵感。另外，例如在选择了舒适模式的情况下，操舵负载会给驾驶员带来轻但平稳地反应的操舵感。
图4的纵轴表示增益，横轴表示操舵频率。图5的纵轴表示相位，横轴表示操舵频率。处理器200根据驾驶员所选择的行驶模式的种类，使根据操舵频率而变更增益和相位的程度不同。例如，在选择了运动模式的情况下，处理器200进行随着操舵频率变大而增大增益并使相位超前的控制。另一方面，在选择了舒适模式的情况下，处理器200进行随着操舵频率变大而减小增益并且使相位滞后的控制。由此，给驾驶员带来与行驶模式相对应的期望的操舵感。
再次参照图3，响应性相位补偿部210获取操舵扭矩Ttor、操舵角θ以及相位补偿可变处理部220的输出信号作为输入。响应性相位补偿部210在操舵频率可取的范围内(例如0.1～5.0Hz)调整辅助增益，来补偿扭杆546的刚性。响应性相位补偿部210例如对由下述(式1)表示的一次相位补偿进行运算，并将该一次相位补偿应用于操舵扭矩Ttor。
Figure BDA0003497067320000071
Figure BDA0003497067320000072
这里，f1是零点的频率，f2是极点的频率。s表示拉普拉斯算子。响应性相位补偿部210使用运算出的一次补偿C(s)来变更增益和相位。
相位补偿可变处理部220获取车速v作为输入。相位补偿可变处理部220根据车速v而变更零点的频率f1和极点的频率f2的值。例如，在ROM 116中保存有规定了车速v、零点的频率f1以及极点的频率f2的关系的查找表。在查找表中，根据车速v而变更零点的频率f1和极点的频率f2的值。例如，零点的频率f1和极点的频率f2的值为随着车速v的值变大而频率变低的值。
相位补偿可变处理部220将变更后的零点的频率f1和极点的频率f2的值输出给响应性相位补偿部210。响应性相位补偿部210使用获取到的零点的频率f1和极点的频率f2的值，进行上述(式1)的运算。由此，一次补偿C(s)的大小根据车速v而变化。
例如通过进行相位超前补偿，在相位超前的频带中辅助增益增加，因此扭杆546的扭转变小，能够提高扭杆546的刚性。另外，通过进行相位滞后补偿，在相位滞后的频带中辅助增益减小，因此扭杆546的扭转变大，能够降低扭杆546的刚性。
另外，响应性相位补偿部210根据获取到的操舵角θ的大小的变化而对操舵频率进行运算。如使用图4和图5所说明的那样，响应性相位补偿部210根据驾驶员所选择的行驶模式的种类，使根据操舵频率而变更增益和相位的程度不同。例如，在选择了运动模式的情况下，响应性相位补偿部210随着操舵频率变大而增大增益并且使相位超前。另一方面，在选择了舒适模式的情况下，响应性相位补偿部210随着操舵频率变大而减小增益并且使相位滞后。在正常模式的情况下，不进行这样的增益和相位的调整，而采用预先确定的增益和相位补偿。
例如，在ROM 116中保存有内容根据行驶模式而不同且规定了操舵频率、增益以及相位的关系的多种查找表。响应性相位补偿部210使用与所选择的行驶模式对应的查找表来变更增益和相位。
响应性相位补偿部210将所采用的增益和相位补偿应用于操舵扭矩Ttor，而生成操舵扭矩Tcom。响应性相位补偿部210将操舵扭矩Tcom输出给基础辅助计算部230。
基础辅助计算部230根据相位补偿后的操舵扭矩Tcom和车速v，计算作为减轻驾驶员的操舵驾驶负载的基础的辅助量。基础辅助计算部230获取操舵扭矩Tcom和车速v作为输入，根据这些信号而生成并输出基础辅助扭矩TBASE。
另外，在ROM 116中保存有规定了操舵扭矩Tcom、车速v以及基础辅助扭矩TBASE的关系的查找表。基础辅助计算部230使用这样的查找表来决定基础辅助扭矩TBASE。
稳定性相位补偿部240获取基础辅助扭矩TBASE作为输入。稳定性相位补偿部240通过相位超前补偿来确保增益交叉频率附近的相位裕度，以确保相对于基础辅助增益的稳定性。稳定性相位补偿部240对基础辅助扭矩TBASE进行稳定化补偿而生成稳定化补偿扭矩。稳定性相位补偿部240将稳定化补偿扭矩作为扭矩指令值Tref而输出。
电流控制运算部250根据扭矩指令值Tref而生成电流指令值Iref。马达控制部260例如按照矢量控制，根据电流指令值Iref来设定目标电流值而生成PWM信号，并输出给驱动电路115。
通过上述那样的控制，例如能够实现运动模式下的重且快速的操舵特性。另外，例如能够实现舒适模式下的轻且平稳的操舵特性。
本发明人通过模拟验证了本实施方式的控制装置100的妥当性。图7、图8以及图9示出了模拟结果的操舵特性的曲线图。图7示出了运动模式下的模拟结果。图8示出了舒适模式下的模拟结果。图9示出了正常模式下的模拟结果。
作为模拟条件，将操舵角θ设定为±80[度]，将操舵频率设定为0.25[Hz]。另外，将舒适模式下的零点的频率f1设为0.7[Hz]，将极点的频率f2设为0.5[Hz]。将运动模式下的零点的频率f1设为0.5[Hz]，将极点的频率f2设为0.7[Hz]。在正常模式下，不应用上述那样的一次补偿。
图7、图8以及图9各自的纵轴表示操舵扭矩[N·m]，横轴表示操舵角[度]。
参照图7、图8以及图9所示的角力李萨如波形可知，在运动模式下，与正常模式相比，操舵扭矩变大，操舵扭矩相对于操舵角的斜率变陡。可知在本实施方式的运动模式下，能够实现重且快速的操舵特性。可知在舒适模式下，与正常模式相比，操舵扭矩变小，操舵扭矩相对于操舵角的斜率变缓。可知在本实施方式的舒适模式下，能够实现轻且平稳的操舵特性。
产业上的可利用性
本公开的实施方式能够使用于用于控制搭载于车辆的电动助力转向装置的控制装置。
标号说明
100：控制装置(ECU)；116：ROM；200：处理器；210：响应性相位补偿部；220：相位补偿可变处理部；230：基础辅助计算部；240：稳定性相位补偿部；250：电流控制运算部；260：马达控制部；1000：电动助力转向装置。

Claims (10)

1.一种控制装置，其使用于具有马达的电动助力转向装置，用于控制所述马达的驱动，其中，
该控制装置具有：
处理器；以及
存储器，其存储控制所述处理器的动作的程序，
所述处理器按照所述程序而执行如下步骤：
获得由操舵扭矩传感器检测出的操舵扭矩和由车速传感器检测出的车速；
根据驾驶员操纵方向盘时的操舵频率而变更应用于所述操舵扭矩的增益和相位；
根据应用了所述增益和所述相位的所述操舵扭矩以及所述车速来决定辅助扭矩的大小；以及
根据决定的所述辅助扭矩而生成用于控制所述马达的驱动的扭矩指令值。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
搭载有所述电动助力转向装置的车辆能够设定多种行驶模式，
所述处理器根据所述驾驶员所选择的行驶模式的种类，进行使根据所述操舵频率而变更所述增益和所述相位的程度不同的控制。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其中，
所述多种行驶模式包含第1行驶模式和第2行驶模式，
在选择了所述第1行驶模式的情况下，所述处理器进行随着所述操舵频率变大而增大所述增益并且使所述相位超前的控制，
在选择了所述第2行驶模式的情况下，所述处理器进行随着所述操舵频率变大而减小所述增益并且使所述相位滞后的控制。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的控制装置，其中，
在将f1设为零点的频率、将f2设为极点的频率时，所述处理器对由下述(式1)表示的一次补偿C(s)进行运算，
Figure FDA0003497067310000021
Figure FDA0003497067310000022
使用所述一次补偿C(s)来变更所述增益和所述相位。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其中，
所述处理器根据所述车速而变更所述零点的频率f1和所述极点的频率f2的值。
6.根据权利要求4或5所述的控制装置，其中，
所述处理器使用规定了所述车速、所述零点的频率f1以及所述极点的频率f2的关系的表，根据所述车速而变更所述零点的频率f1和所述极点的频率f2的值。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的控制装置，其中，
在所述操舵频率为0.1Hz至5.0Hz时，所述处理器进行根据所述操舵频率而变更所述增益和所述相位的控制。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的控制装置，其中，
所述处理器还执行如下步骤：对决定的所述辅助扭矩进行稳定化补偿而生成稳定化补偿扭矩。
9.一种电动助力转向装置，其具有：
马达；
操舵扭矩传感器；以及
权利要求1至8中的任意一项所述的控制装置。
10.一种控制方法，其使用于具有马达的电动助力转向装置，用于控制所述马达的驱动，其中，
该控制方法包含如下步骤：
获得由操舵扭矩传感器检测出的操舵扭矩和由车速传感器检测出的车速；
根据驾驶员操纵方向盘时的操舵频率而变更应用于所述操舵扭矩的增益和相位；
根据应用了所述增益和所述相位的所述操舵扭矩以及所述车速来决定辅助扭矩的大小；以及
根据决定的所述辅助扭矩而生成用于控制所述马达的驱动的扭矩指令值。
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