CN115123373A - 用于估计和调节待调节的摩擦力以及控制方向盘扭矩迟滞的方法、和相应的动力转向系统 - Google Patents

用于估计和调节待调节的摩擦力以及控制方向盘扭矩迟滞的方法、和相应的动力转向系统 Download PDF

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CN115123373A CN202210302585.7A CN202210302585A CN115123373A CN 115123373 A CN115123373 A CN 115123373A CN 202210302585 A CN202210302585 A CN 202210302585A CN 115123373 A CN115123373 A CN 115123373A
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Abstract

公开一种用于确定动力转向系统(1)中待调节的摩擦力(F)或用于修正施加到动力转向系统(1)的方向盘(3)的方向盘扭矩(T3)的迟滞的方法(100)，所述方法包括以下步骤：根据动力转向系统的一部分的速度(v)的测量和/或方向盘扭矩(T3)的测量确定速度(v)；根据修正的LuGre模型(LM)确定所述待调节的摩擦力(F)；所述修正的LuGre模型(LM)将所述待调节的摩擦力(F)确定为系统状态(z)的函数，所述状态(z)的时间导数
Figure DDA0003563409200000012
根据以下形式的等式被确定为所述系统状态(z)、速度(v)、第一增益(σ0)和库仑摩擦力(Fc)的函数：【数学式1】
Figure DDA0003563409200000011

Description

用于估计和调节待调节的摩擦力以及控制方向盘扭矩迟滞的 方法、和相应的动力转向系统
技术领域
本发明涉及动力转向系统领域，特别是用于调节摩擦力和改善驾驶员对方向盘的感觉的方法。
背景技术
为了减少动力转向系统的部件之间的机械摩擦对驾驶员感觉的影响，已知通过基于LuGre模型估计摩擦力来调节摩擦力。此外，这种方法的应用还揭示了以下缺点：在恒定转弯时扭矩损失有时过于明显，以及对道路表面状况的敏感性过高。由于补偿摩擦力的大小很重要，这些缺点就更加明显。
发明内容
因此，本发明的目的是提出对所有或部分这些问题的解决方案。
为此，本发明涉及一种用于确定动力转向系统中待调节的摩擦力F的方法，该方法包括以下步骤：
根据对动力转向系统的一部分的速度v的测量和/或从施加到动力转向系统的方向盘的方向盘扭矩的测量来确定速度v；
根据修正的LuGre模型确定待调节的摩擦力，
所述修正的LuGre模型将所述待调节的摩擦力确定为系统状态z的函数，所述系统状态z的时间导数
Figure BDA0003563409180000011
根据以下形式的等式被确定为所述状态和速度v、第一增益σ0、第二增益β和库仑摩擦力Fc的函数：
【数学式1】
Figure BDA0003563409180000012
其中：
【数学式2】
Figure BDA0003563409180000021
其中，符号(z)是数量z的符号，符号(v)是数量v的符号，并且其中，
【数学式3】
Figure BDA0003563409180000022
其中，
【数学式4】
Figure BDA0003563409180000023
并且其中，
【数学式5】
zba＝β·zmax。
根据这些规定，可以对系数β的值进行调节，以便在调节摩擦力后，恒定转弯时的扭矩损失不那么明显，并且在调节摩擦力后，对路面状况的敏感性不那么强，特别是当系数β的值接近于1时。
根据一种实施方式，本发明单独或以技术上可接受的组合包括以下一个或多个特征。
根据一种实施方式，按下式将待调节的摩擦力F确定为状态z的函数：
【数学式6】
F＝σ0z
根据一种实施方式，按下式将待调节的摩擦力F确定为状态z的函数：
【数学式7】
Figure BDA0003563409180000031
其中σ1是第二增益，代表微阻尼。
根据一种实施方式，按下式将待调节的摩擦力F确定为状态z的函数：
【数学式8】
Figure BDA0003563409180000032
其中σ2是第三增益，代表粘度系数。
根据一种实施方式，速度是动力转向系统的助力马达的角速度。
根据一种实施方式，速度由辅助马达的角速度传感器测量。
根据一种实施方式，速度由方向盘的角速度传感器测量。
根据一种实施方式，速度是两部分之间的相对速度。
根据一种实施方式，库仑摩擦力Fc和/或第一增益σ0、和/或第二增益β根据以下变量中的一个或多个而变化：车辆的纵向速度、车辆的横向加速度、车辆的角速度、方向盘角度或动力转向马达角度、方向盘或动力转向马达的速度、动力转向系统的温度、外部温度、方向盘扭矩、马达扭矩。
根据一种实施方式，确定速度的步骤包括通过辅助马达的角速度传感器测量第一速度v1和从方向盘扭矩的测量中估计第二速度，所述方向盘扭矩的测量由扭矩传感器执行，确定的速度是第一速度和第二速度之和。
根据这些规定，第一速度和第二速度之和可以考虑驾驶员通过第二速度在方向盘上施加的低应力，以及通过第一速度从滚动表面上升并直接偏置齿条的低应力。
根据一种实施方式，待调节的摩擦系数F是根据中间摩擦率来确定的，中间摩擦率w是根据修正的LuGre模型和速度v来确定的，待调节的摩擦力F是根据计算中间摩擦率与估计的动态摩擦力和期望的动态摩擦力之差的乘积的步骤是确定的，估计的动态摩擦力是至少根据中间摩擦率来估计的。
根据一种实施方式，期望的动态摩擦力是根据在开发阶段定义的映射来确定的。
根据一种实施方式，所述第二速度的估计包括以下步骤：
使用配置为测量方向盘和电动转向齿条之间的方向盘扭矩的扭矩传感器测量方向盘扭矩，
对方向盘扭矩测量进行时间推导，
将时间导数乘以刚度系数，以得到第二速度，称为扭矩速度。
本发明还涉及一种用于调节动力转向系统中待调节的摩擦力或用于修正应用于动力转向系统的方向盘的方向盘扭矩迟滞的方法，该方法包括以下步骤：
使用根据上述任何实施方法的方法估计待调节的摩擦力，
控制辅助马达以施加目标方向盘扭矩，所述目标方向盘扭矩调节在前一步骤中估计的所述待调节的摩擦力。
根据一种实施方式，控制辅助马达的步骤包括以下步骤：
根据待调节的摩擦力的估计值与齿条力估计量或代表一组与齿条力估计量或代表与运动相反的一组力的“齿条力估计量”之间的差异，确定目标方向盘扭矩；
基于目标方向盘扭矩和测量的方向盘扭矩对辅助马达进行闭环控制。
根据一种实施方式，目标方向盘扭矩由对应表确定，所述对应表也称为映射，在待调节的摩擦力的估计值与齿条力估计量之间的一组差值以及目标方向盘扭矩的一组对应值之间建立对应关系。
根据这些规定，齿条力估计量的迟滞将呈现受控和期望的迟滞，这也将在目标扭矩产生的水平上影响迟滞。
本发明还涉及一种用于控制方向盘扭矩迟滞的方法，该方法通过将第一目标方向盘扭矩与根据本发明的方法确定的摩擦力相加来修正目标方向盘扭矩迟滞，根据上述的一个实施方式，所述方法包括以下步骤：
根据上述实施方式之一，使用根据本发明的确定待调节摩擦力的方法来确定待调节的摩擦力，
通过将所述待调节的摩擦力与第一目标方向盘扭矩相加来确定目标方向盘扭矩，所述第一目标方向盘扭矩是根据方向盘的角度来确定的，
基于目标方向盘扭矩和测量的方向盘扭矩对辅助马达进行闭环控制。
根据一种实施方式，目标方向盘扭矩是根据对应表或映射来确定的，所述对应表或映射在方向盘角度之间的一组差值与目标方向盘扭矩的一组相应值之间建立对应关系。
本发明还涉及一种动力转向系统，其被配置为根据上述实施方式之一实施用于确定待调节的摩擦力的方法，或根据上述实施模式之一实施用于调节摩擦力的方法，或者，根据上述实现方法之一，通过修正目标方向盘扭矩迟滞来实现控制方向盘扭矩迟滞的方法。
本发明还涉及包括动力转向系统的车辆，该动力转向系统被配置为根据上述实施方式之一实施根据本发明的方法之一。
附图说明
为了更好地理解，参考附图描述本发明的实施例和/或实施方式，附图通过非限制性示例分别表示根据本发明的装置和/或方法的实施例或实施方式。附图中相同的附图标记表示相似的元件或功能相似的元件。
图1是应用本发明的转向装置的示意图，
图2是作为应用本发明的动力转向系统状态的函数的α函数值曲线的图形表示，
图3是根据本发明实施例的用于估计摩擦力的方法的示意图，
图4是根据本发明一个实施例的用于调节摩擦力的方法的示意图。
具体实施方式
在图1中示出了包括动力转向的转向装置，使得能够实施本发明的估计方法以及本发明的调节方法。以本身已知的方式，如图1所示，所述动力转向装置1包括方向盘3，其允许驾驶员通过在所述方向盘3上施加称为“方向盘扭矩”T3的力来操纵所述动力转向装置1。所述方向盘3优选地安装在转向柱4上，在车辆2上被引导旋转，并通过转向小齿轮5啮合在转向齿条6上，转向齿条6自身在固定于所述车辆2的转向套管7中被引导平移。
优选地，所述转向齿条6的端部分别与转向拉杆8、9连接，转向拉杆8、9与转向轮10、11(分别为左轮10和右轮11)的转向节连接，因此，齿条6平移时的纵向位移可以修改转向轮的转向角(偏航角)。此外，转向轮10、11优选地也可以是驱动轮。
动力转向装置1还包括马达12，该马达12被配置为协助所述动力转向装置1的操作。马达12将优选地是具有两个操作方向的电动机，并且优选地是“无刷”类型的旋转电动机。
动力转向装置1还包括方向盘扭矩传感器14，该方向盘扭矩传感器14专门放置在动力转向装置1内，例如在转向柱4上，以测量方向盘扭矩T3，并且作为主要目的，甚至是唯一目的，提供方向盘扭矩T3的测量，而不管所述方向盘扭矩传感器14使用的测量技术如何。此外，动力转向装置1包括用于测量发动机12的转速的发动机转速传感器24。
最后，动力转向装置1还包括计算和控制单元20，其被配置为基于来自传感器14、24的数据来实施估计方法和调节方法。
如图3所示，根据一种实施方式，用于估计待调节的摩擦力F的方法100包括通过车辆动力转向系统1的马达12的速度传感器24测量第一速度v1的步骤。估计方法100包括确定第二速度v2的步骤，该步骤包括测量方向盘扭矩T3的子步骤，以及对方向盘扭矩T3的测量进行时间推导的子步骤，其中应用了导数增益。该估计方法包括计算由参考∑表示的第一和第二速度v1、v2的总和v的步骤。然后获得称为方向盘速度的速度v。估计方法100中的下一步，由框LM表示，包括根据修正的LuGre模型LM模拟简化的一维(一个质量)转向模型和摩擦力，该模型的唯一输入速度是在前一步中获得的方向盘速度v。因此获得了要由动力转向装置1调节的摩擦的估计值。
根据这些规定，第一速度和第二速度之和可以考虑驾驶员通过第二速度在方向盘上施加的低应力，以及通过第一速度从滚动表面上升并直接对齿条施加应力的低应力
所述修正的LuGre模型LM使得能够将待调节的摩擦力F确定为系统状态z的函数，状态z的时间导数
Figure BDA0003563409180000071
根据以下形式的等式被确定为所述状态z、速度v、第一增益σ0、和库仑摩擦力Fc的函数：
【数学式1】
Figure BDA0003563409180000072
其中：
【数学式2】
Figure BDA0003563409180000073
其中，符号(z)是数量z的符号，符号(v)是数量v的符号，并且其中，【数学式3】
Figure BDA0003563409180000074
其中，
【数学式4】
Figure BDA0003563409180000075
并且其中，
【数学式5】
zba＝β·zmax
图2以图形方式展示了函数α(z)作为状态z的函数的演变，尤其是对于特定值-zmax，-zba，zba以及zmax.。
根据这些规定，可以对系数β的值进行调节，以便在调节摩擦力后，恒定转弯时的扭矩损失将不那么明显，并且在调节摩擦力后，对路面状况的敏感性不那么强，特别是当系数β的值接近于1时。
特别地，按下式将待调节的摩擦力F确定为状态z的函数：
【数学式6】
F＝σ0z
特别地，按下式将待调节的摩擦力F直接确定为状态z的函数：
【数学式7】
Figure BDA0003563409180000081
其中σ1是第二增益，代表微阻尼。
甚至更特别地，按下式将待调节的摩擦力F确定为状态z的函数：
【数学式8】
Figure BDA0003563409180000082
其中σ2是第三增益，代表粘度系数。
根据特定示例，速度v可以是由辅助马达12的角速度传感器测量的动力转向系统1的辅助马达12的角速度，而不是根据前一示例的第一速度和第二速度之和。
根据另一示例，速度是动力转向系统1两部分之间的相对速度。
根据实施例，方法100使得能够获得动力转向系统1的中间摩擦率w的估计值，从该估计值计算待调节的摩擦力的估计值，例如根据下面描述的步骤150，参考图4。
根据步骤150，待调节的摩擦力F是根据中间摩擦率w来确定的，该步骤包括计算E4中间摩擦率w与估计的动摩擦力FRI和期望的动态摩擦力FRC之间的差E3的乘积，在步骤E1期间，估计的动态摩擦力FRI是至少根据中间摩擦率w来估计的，并且在步骤E2期间，例如从开发阶段期间调节的映射获得期望的动态摩擦力FRC。
估计的动态摩擦力例如根据以下专利文件之一中描述的方法之一进行估计：FR3070957B1，或FR3095515A1，甚至FR3018917B1。
如图4所示，本发明还涉及一种用于调节动力转向系统1中待调节的摩擦力或用于修正应用于动力转向系统1的方向盘的方向盘扭矩T3迟滞的方法200，该方法包括以下步骤：
使用根据上述任何实施方法的方法100估计待调节的摩擦力F，
控制辅助马达12以施加目标方向盘扭矩Cc，所述目标方向盘扭矩补偿在前一步骤中估计的待调节的摩擦力F。
特别是，控制辅助马达12的步骤包括：
步骤E5，根据待调节的摩擦力F的估计值与齿条力估计量或代表与运动相反的一组力RFE的“齿条力估计量”之间的差异，确定目标方向盘扭矩Cc；
步骤E6，基于目标方向盘扭矩Cc和测量的方向盘扭矩T3对辅助马达12进行闭环BF控制。
根据一个示例，目标方向盘扭矩是根据对应表来确定的，所述对应表也称为映射，在待调节的摩擦力F的估计值与齿条力RFE的估计量之间的一组差值以及目标方向盘扭矩Cc的一组对应值之间建立对应关系。
根据这些规定，齿条力估计量的迟滞将呈现受控和期望的迟滞，这也将在目标扭矩产生的水平上影响迟滞。
例如，电动助力转向的摩擦力为400N，并且需要300N的感觉，摩擦力估计量FRI将识别出转向为400N，并且所需的摩擦力值输入将为300N。因此差值为100N，所有与运动相反的力的确定估计值为400N，并从中减去100N，因此摩擦力对应于300N的期望值。
本发明还涉及一种用于控制方向盘扭矩T3迟滞的方法，该方法通过添加根据根据本发明的方法确定的摩擦力来修正目标方向盘扭矩Cc的迟滞，根据上述实施方式之一，所述方法包括以下步骤：
使用根据权利要求1至4中任一项所述的方法确定待调节的摩擦力F，
通过将待调节的摩擦力F与根据方向盘角度确定的第一目标方向盘扭矩Cc相加来确定目标方向盘扭矩Cc，
基于目标方向盘扭矩Cc和测量的方向盘扭矩T3对辅助马达12进行闭环BF控制。
根据一个示例，目标方向盘扭矩在此由对应表或映射确定，所述对应表或映射在方向盘角度之间的一组差值与目标方向盘扭矩Cc的一组相应值之间建立对应关系。
本发明还涉及一种动力转向系统，其被配置为实施根据本发明的方法100，以确定待调节的摩擦力F，或实施根据本发明的方法200，以调节待调节的摩擦力F，或甚至实施根据本发明的方法，以通过修正目标方向盘扭矩Cc的迟滞来控制方向盘扭矩T3的迟滞。
本发明还涉及配备有动力转向系统的车辆，该动力转向系统配置为实施根据本发明的方法100，以调节待调节的摩擦力。

Claims (10)

1.一种用于确定动力转向系统(1)中待调节的摩擦力(F)的方法(100)，所述方法包括以下步骤：
根据对所述动力转向系统的一部分的速度(v)的测量和/或从施加到所述动力转向系统(1)的方向盘(3)的方向盘扭矩(T3)的测量来确定速度(v)；
根据修正的LuGre模型(LM)确定所述待调节的摩擦力(F)，
所述修正的LuGre模型(LM)将所述待调节的摩擦力(F)确定为系统状态(z)的函数，所述状态(z)的时间导数
Figure FDA0003563409170000011
根据以下形式的等式被确定为所述系统状态(z)、所述速度(v)、第一增益(σ0)、第二增益(β)和库仑摩擦力(Fc)的函数：
【数学式1】
Figure FDA0003563409170000012
其中：
【数学式2】
Figure FDA0003563409170000013
其中，符号(z)是数量z的符号，符号(v)是数量v的符号，并且其中，
【数学式3】
Figure FDA0003563409170000014
其中，
【数学式4】
Figure FDA0003563409170000021
并且其中，
【数学式5】
zba＝β·zmax。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中所述库仑摩擦力Fc和/或第一增益σ0、和/或第二增益β根据以下变量中的一个或多个而变化：车辆的纵向速度、车辆的横向加速度、车辆的角速度、方向盘角度或动力转向马达角度、方向盘速度或动力转向马达速度、动力转向系统的温度、外部温度、方向盘扭矩、马达扭矩。
3.根据权利要求1所述的方法(100)，确定速度的步骤包括通过辅助马达(12)的角速度传感器(24)测量第一速度(v1)和从方向盘扭矩(T3)的测量中估计第二速度(v2)，所述方向盘扭矩的测量由扭矩传感器(14)执行，确定的速度(v)是所述第一速度(v1)和第二速度(v2)之和。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其中所述待调节的摩擦力(F)是根据中间摩擦率(w)来确定的(150)，所述中间摩擦率(w)是根据所述修正的LuGre模型(LM)和所述速度(v)来确定的，所述待调节的摩擦力(F)是根据计算所述中间摩擦率(w)与估计的动态摩擦力(FRI)和期望的动态摩擦力(FRC)之间的差的乘积的步骤(150)来确定的，所述估计的动态摩擦力(FRI)是至少根据所述中间摩擦率(w)来估计的。
5.根据权利要求3所述的方法(100)，其中所述第二速度(v2)的估计包括以下步骤：
使用所述扭矩传感器(14)测量方向盘扭矩(T3)，所述扭矩传感器(14)被配置为测量方向盘(3)和电动助力转向(1)的齿条(6)之间的方向盘扭矩(T3)，
对方向盘扭矩测量(T3)进行时间推导(T3)，
将所述时间导数乘以刚度系数，以得到所述第二速度(v2)，称为扭矩速度。
6.一种用于调节动力转向系统(1)中待调节的摩擦力(F)的方法(200)，所述方法包括以下步骤：
使用根据权利要求1至5中任一项所述的方法(100)估计所述待调节的摩擦力(F)，
控制辅助马达(12)以施加目标方向盘扭矩(Cc)，所述目标方向盘扭矩调节在前一步骤中估计的所述待调节的摩擦力(F)。
7.根据权利要求6所述的方法(200)，控制所述辅助马达(12)的步骤包括以下步骤：
步骤(E5)，根据所述待调节的摩擦力(F)的估计值与齿条力估计量或代表与运动相反的一组力(RFE)的“齿条力估计量”之间的差异，确定所述目标方向盘扭矩(Cc)；
步骤(E6)，基于所述目标方向盘扭矩(Cc)和测量的方向盘扭矩(T3)对所述辅助马达(12)进行闭环控制(BF)。
8.一种用于控制方向盘扭矩(T3)迟滞的方法，所述方法通过将第一目标方向盘扭矩与根据权利要求1至5中任一项确定的摩擦力相加来修正所述目标方向盘扭矩(Cc)的迟滞，所述方法包括以下步骤：
使用根据权利要求1至5中任一项所述的方法(100)确定所述待调节的摩擦力(F)，
通过将所述待调节的摩擦力(F)与所述第一目标方向盘扭矩(Cc)相加来确定所述目标方向盘扭矩(Cc)，所述第一目标方向盘扭矩是根据方向盘的角度来确定的，
基于所述目标方向盘扭矩(Cc)和测量的方向盘扭矩(T3)对所述辅助马达(12)进行闭环控制(BF)。
9.一种动力转向系统(1)，其配置为实施根据权利要求1至5中任一项所述的用于确定待调节的摩擦力(F)的方法(100)，或实施根据权利要求6所述的用于调节摩擦力(F)的方法(200)，或实施根据权利要求8所述的方法。
10.一种车辆，包括根据前述权利要求所述的动力转向系统(1)。
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