CN1243407C - 电动动力转向设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动动力转向设备，该设备具有：第一装置，用于检测转向扭矩；电动机；电动机驱动单元；车速传感器；第二装置，用于根据转向扭矩信号和车速传感器提供的速度信号来确定目标电流；第三装置，用于检测电动机电流；以及控制单元，用于根据目标电流和电动机电流之间的偏差来生成电动机驱动信号，并把该电动机驱动信号发送到电动机驱动单元。该设备具有一个特点是，控制单元包括第四装置，用于根据该偏差或基于该偏差计算的值来削弱电动机内的磁场。

Description

电动动力转向设备

技术领域

本发明涉及一种能够通过把电动机产生的动力施加到车辆转向系上来减少驾驶员所需转向扭矩的电动动力转向设备。

背景技术

用于常规电动动力转向设备的电动机在扭矩、转速和电流方面具有图1和图2所示的特性。当输出扭矩Tm较小时，对应转速Nm较大，并且电流Im较小。另一方面，当输出扭矩Tm较大时，对应转速Nm较小，并且电流Im较大。图1是示出以输出扭矩为重点的电动机的输出特性的一例。图2是以转速为重点的另一例。

由于电动机具有这些特性，因而当驾驶员在车辆处于停止和行驶状态中进行转向时，同时针对这两种场合实现驾驶员的良好转向感一直是困难的。如图1中的点A1所示，如果具有图1所示特性的电动机用于电动动力转向系统，则该电动机能够在车辆处于停止状态，即：大输出扭矩和小转速时提供转向所需的输出动力。另一方面，如图1中的点A2所示，在车辆行驶中进行快速转向所需的电动机输出动力使得输出扭矩较小以及转速较大。因此，电动机在转速方面未能提供充足的输出动力，从而使驾驶员感觉转向更加费力。

如果具有图2所示特性的电动机用于电动动力转向系统，则当在车辆处于停止状态中进行转向时，转向感将会恶化。

为了实现一种在点A1和点A2都能保持驾驶员的良好转向感的电动动力转向设备，产生了一种对具有图3所示特性的较大型电动机的需求。较大型电动机会导致设备尺寸和重量增加，从而因电动机惯性力矩增加而有损于燃料经济性和驾驶员的转向感。

第2000-279000号日本专利申请公报揭示了一种用于通过引入电动机控制来解决上述问题的方案。如图4所示，本文提出了一种方法，该方法在电动机所需输出扭矩Tm较小时采用磁场削弱电流。这样，可削弱电动机内的磁场，使得可提高转速Nm，以容纳点A1和点A2。

图5是示出在第2000-279000号日本专利申请公报中揭示的控制单元的方框图。在该控制单元中进行以下处理。扭矩电流变换方框131根据指令扭矩To来计算q轴指令电流Iqo。电动机电流检测装置114例如分别检测电动机的U相和V相的电流Iu和Iv。加法器133根据电流Iu和Iv来计算W相的电流。dq变换方框134进行电流的dq变换。加法器122计算q轴指令电流Iqo和q轴实际电流Iqr之间的偏差ΔIq。同样，加法器124计算d轴指令电流Ido和d轴实际电流Idr之间的偏差ΔId，该d轴指令电流Ido是由加法器123使用d轴补偿电流Id来补偿的。PI控制方框125和126分别计算指令电压Vdo和Vqo。dq逆变换方框129进行电流的逆变换。PWM变换方框130计算PWM控制图形。驱动电路113传送用于驱动电动机的输出电流。旋转传感器132和角度检测方框135计算旋转角θ。

通常，CPU进行目标值和反馈值之间的偏差计算，并根据从该偏差得出的指令信号来控制指令输入。在电流反馈环路中，电流是由装置114中的互感器来检测的，并且对该电流进行放大，然后按预定间隔对其进行抽样。如此获得的各相的检测电流Iu和Iv以及根据这些电流计算的电流Iw进行由方框134执行的dq变换，从而使其d轴分量和q轴分量形成各轴的目标值。

负荷电流的d轴分量表示磁场电流，而q轴分量表示扭矩电流。这样，进行用于控制输出扭矩的电流反馈控制，以使q轴分量能够等于输出扭矩的目标值。

并且，该例具有d轴补偿电流确定装置138。该装置138在电动机指令扭矩To较小时，通过使d轴补偿电流Id与d轴指令电流Ido相加来把磁场削弱电流提供给电动机80，并削弱电动机80内的磁场。这样，该装置138可提高电动机80的转速Nm，从而满足与图4所示的点A1和点A2相关的要求。

然而，在第2000-279000号日本专利申请公报中揭示的这种方法仍然提出一个问题。在图4中的点A3，即：由于车辆行驶中对输出扭矩Tm和转速Nm的少量要求而使电动机所需输出动力较小的位置，电动机磁场削弱电流不必要地被提供给电动机。这将导致电动机电流Im增加，从而有损于燃料经济性。

而且根据该方法，在电动机的指令扭矩较小时，把磁场削弱电流提供给电动机，从而可削弱电动机内的磁场，并因此可提高转速Nm。当电动机以转速Nm的上限操作时，由于电动机不能提高转速，因而进行较快转向会导致电动机的辅助不成功，更具体地说，在此情况下，用作转向系的抵抗扭矩源的电动机生成一扭矩，该扭矩与转向实际所需的扭矩大不相同。在此情况下，由于把指令扭矩To控制成使其增加，以减少电动机磁场削弱电流，因而电动机相应工作以增加输出扭矩Tm，从而降低转速Nm。这样，电动机输出从图6中的点A4移到点A5，因而驾驶员感觉转向更加费力。

如上所述，用于电动动力转向设备的电动机应满足两个不同要求。首先，电动机应满足的一个要求是，当在车辆处于停止状态中进行转向时，输出扭矩Tm较大而转速Nm较小。其次，电动机应满足的另一要求是，当在车辆行驶中进行转向时，输出扭矩Tm较小而转速Nm较大，这与第一要求相反。如果电动机未能满足这些要求，则驾驶员会感到转向不良，并且感觉转向更加费力。另一方面，引入较大型电动机将会有损于车辆的燃料经济性。上述采用电动机磁场削弱电流的方案仍然提出了与燃料经济性和转向感相关的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现平稳转向感而无损于燃料经济性和电动机尺寸的电动动力转向设备。

本发明提供了一种电动动力转向设备，该设备具有：第一装置，用于检测转向扭矩；电动机；电动机驱动单元；车速传感器；第二装置，用于根据由第一装置传送的转向扭矩信号和由车速传感器传送的速度信号来确定要提供给电动机的目标电流；第三装置，用于检测电动机电流；以及控制单元，用于根据目标电流和电动机电流之间的偏差来生成电动机驱动信号，并把该电动机驱动信号发送到电动机驱动单元。该设备具有一个特征是，控制单元包括第四装置，用于根据该偏差或基于该偏差计算的值来削弱电动机内的磁场。

根据本发明，只有当电流偏差和电动机所需输出功率较大时，通过削弱电动机内的磁场，才能提高电动机转速。另一方面，当在车辆行驶中，在进行少量和缓慢转向时，电动机需要较小的输出功率，则该设备可防止不必要的磁场削弱电流流经电动机，从而实现良好的燃料经济性。该设备还可使用小型电动机，并可实现平稳转向感和电动机转速的最佳控制。

本发明还提供了一种电动动力转向设备，该设备具有：第一装置，用于检测转向扭矩；电动机；电动机驱动单元；车速传感器；第二装置，用于根据由第一装置传送的转向扭矩信号和由车速传感器传送的速度信号来确定要提供给电动机的目标电流；第三装置，用于检测电动机电流；以及控制单元，用于根据目标电流和电动机电流之间的偏差来生成电动机驱动信号，并把该电动机驱动信号发送到电动机驱动单元。该设备具有一个特征是，控制单元包括第四装置，用于根据电动机电流来削弱电动机内的磁场。

根据本发明，只有当实际电流较小时，该设备才能把磁场削弱电流提供给电动机，从而削弱电动机内的磁场并提高电动机转速。当电动机以转速上限操作时，该设备还可通过增加指令扭矩来限制电动机不期望有的操作以降低转速。该设备还可使用小型电动机，并可实现平稳转向感和电动机转速的最佳控制。

本发明还提供了一种电动动力转向设备，该设备具有：第一装置，用于检测转向扭矩；电动机；电动机驱动单元；车速传感器；第二装置，用于根据由第一装置传送的转向扭矩信号和由车速传感器传送的速度信号来确定要提供给电动机的目标电流；第三装置，用于检测电动机电流；第四装置，用于检测电动机转速；以及控制单元，用于根据目标电流和电动机电流之间的偏差来生成电动机驱动信号，并把该电动机驱动信号发送到电动机驱动单元。该设备具有一个特征是，控制单元包括第五装置，用于根据电动机转速来削弱电动机内的磁场。

只有当转速较大时，根据本发明的该设备才能选择性提供电动机磁场削弱电流。这样，该设备不会把不必要的电流提供给电动机，从而改善燃料经济性。该设备还可使用小型电动机，并可实现平稳转向感和电动机转速的最佳控制。

附图说明

图1是示出根据现有技术的电动机特性的图。

图2是示出根据现有技术的电动机特性的图。

图3是示出根据现有技术的电动机特性的图。

图4是示出根据现有技术的电动机特性的图。

图5是示出根据现有技术的控制单元的方框图。

图6是示出根据现有技术的电动机特性的图。

图7是示出根据本发明的电动动力转向设备的总体结构的图。

图8是示出根据本发明的控制单元的方框图。

图9是示出根据本发明的d轴补偿电流确定装置的功能方框图。

图10是示出根据本发明在基于q轴指令电压的映象(map)处理装置中使用的映象的图。

图11是示出根据本发明在基于q轴实际电流的映象处理装置中使用的映象的图。

图12是示出根据本发明在基于电动机转速的映象处理装置中使用的映象的图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的实施例进行说明。

参照图7，对电动动力转向设备1的总体结构进行说明。

电动动力转向设备1具有范围从转向盘3到转向轮W的转向系S。除了由手动转向扭矩生成器2产生的转向扭矩以外，该电动动力转向设备1还把辅助扭矩施加到转向系S上。电动机驱动单元13根据由控制单元12传送的电动机控制信号V0来生成电动机电压VM。电动机驱动单元13根据电动机电压VM来驱动电动机8，从而生成辅助扭矩，该辅助扭矩与由手动转向扭矩生成器2产生的手动转向扭矩相结合。

在本实施例中，选择使用dq控制进行驱动的三相无刷电动机作为电动机8。

在手动转向扭矩生成器2中，位于转向齿轮箱6内的齿条齿轮机构7的小齿轮7a通过连接轴5与转向轴4耦合，该转向轴4与转向盘3整体形成。连接轴5在其两端具有万向节5a和5b。齿条齿轮机构7在齿条轴9周围形成齿条齿7b，以便与小齿轮7a啮合，该齿条齿轮机构7把小齿轮7a的旋转运动变换成齿条轴9在相对于车辆行驶方向的横向方向的线性运动。前转向轮W通过转向横拉杆10与齿条轴9连接。

电动机8同轴地设置在齿条轴9上，以生成辅助转向扭矩。电动动力转向设备1通过同轴设置在齿条轴9上的滚珠丝杠机构11把电动机8的旋转变换成推力，从而把该推力施加到齿条轴9上，更准确地说是滚珠丝杠轴11a上。

控制单元12接收：由车速传感器VS检测的信号V，由转向扭矩传感器TS(未示出)检测的信号T，以及由电动机电流检测装置14检测的信号IMO。控制单元12根据这些信号V、T和IMO来确定要提供给电动机8的电动机电流IM的大小和方向，并把电动机控制信号VO传送到电动机驱动单元13。控制单元12还根据转向扭矩信号T和电动机电流信号IMO来判定电动动力转向设备1是否需要进行辅助，并相应对电动机8的驱动进行控制。在此方面，控制单元12包括：中央处理器(CPU)，用于执行各种计算和处理；输入信号变换器；信号生成器；以及存储器。CPU负责与电动动力转向设备1相关的主要控制处理。

在本实施例中，转向扭矩传感器TS是指所附权利要求中的第一装置，用于检测转向扭矩，而电动机电流检测装置14是指所附权利要求中的第三装置，用于检测电动机电流。

车速传感器VS通过计算每单位时间脉冲数来检测车速，并把包含与所检测的脉冲数对应的模拟电信号的车速信号V发送到控制单元12。在此方面，车速传感器VS也可利用另一现有传感器，而不是使用一个专用传感器。

设置在转向齿轮箱6内的转向扭矩传感器TS(未示出)对由驾驶员手动施加的转向扭矩的大小和方向进行检测。转向扭矩传感器TS把包含与所检测的转向扭矩对应的模拟电信号的转向扭矩信号T发送到控制单元12。该信号T包含手动转向扭矩的大小和方向。扭矩方向，顺时针还是逆时针，用加号和减号中的一个符号来表示。

电动机电流检测装置14例如具有为电动机8的各绕组设置的电流互感器，该装置14对实际流经电动机8的电动机电流IM的大小和方向进行检测。该装置14还使用表示电动机电流IM的信号IMO对控制单元12进行负反馈。电动机电压检测装置15检测电动机电压VM并使用信号VMO进行负反馈。

电动机驱动单元13根据电动机控制信号VO来把电动机电压VM施加到电动机8上，从而驱动电动机8。电动机驱动单元13根据脉宽调制(PWM)信号的负载，通过前置驱动电路和场效应晶体管(FET)桥接器，向电动机8的各绕组提供正弦电流，从而对电动机8进行矢量控制。

以下参照图8，对控制单元12的操作进行说明。控制单元12根据指令扭矩To，使用在dq坐标系中表示的矢量控制来控制电动机8。也就是说，控制单元12对电动机8进行矢量控制，以使辅助扭矩可适应于在转向系S的转向盘3上施加的并由转向扭矩传感器TS检测的转向扭矩T。

使用q轴目标电流确定装置21，控制单元12首先通过对由转向扭矩传感器TS检测的转向扭矩T和转向角速度dΦ/dt和由车速传感器VS检测的车速信号V加以考虑，使用公式(1)来确定指令扭矩To。

To＝F(T，V，dΦ/dt)…(1)

F的函数确定指令扭矩To。

然后，通过装置21内的扭矩一电流变换，使用公式(2)把指令扭矩To变换成q轴指令电流Iqo。

Iqo＝G(To)…(2)

G的函数用于进行预定扭矩一电流变换。d轴指令电流Ido基本上被设定为零。

由装置14发送的电动机电流信号IMO包含诸如电动机U相和V相的电流Iu和Iv那样的检测电流，并由电流互感器来检测。将该信号IMO放大，然后按预定间隔对其进行抽样。根据由包括VR分解器32和RD变换器35在内的电动机转速检测装置检测的电动机旋转信号θ，各相的检测电流进行由dq变换方框34执行的变换。随后，在该电流通过衰减器36和37之后，获得d轴和q轴实际电流(反馈电流)Idr和Iqr。衰减器36和37能够消除从外部进入反馈环路的高频噪声。带有ON/OFF(通/断)操作的机械和电气开关在发动机室内产生噪声。下述的PI控制方框25和26容易受到高频噪声影响，这会产生一个问题是，转向感因噪音引起的不稳定控制而恶化。这样，衰减器36和37可通过消除高频噪声来解决该问题。

加法器22对q轴指令电流Iqo(目标)和q轴实际电流Iqr(反馈)之间的偏差ΔIq进行计算。加法器23使用d轴补偿电流Id来对d轴指令电流Ido(＝0)(目标)进行d轴电流补偿。加法器24对由加法器23传送的d轴补偿目标电流Idc和d轴实际电流Idr(反馈)之间的偏差ΔId进行计算。加法器22和24使用公式(3)进行计算。

ΔId＝Idc-Idr

ΔIq＝Iqo-Iqr…(3)

ΔId表示d轴电流偏差，ΔIq表示q轴电流偏差。在本实施例中，q轴目标电流确定装置21是指所附权利要求中的目标电流确定装置，而d轴指令电流Ido和q轴指令电流Iqo是指所附权利要求中的目标电流。

PI控制方框25和26分别针对d轴电流偏差ΔId和q轴电流偏差ΔIq进行比例(P)和积分(I)控制，从而生成d轴指令电压Vdo和q轴指令电压Vqo。dq逆变换方框29针对指令电压Vdo和Vqo进行dq逆变换，从而把电压Vdo和Vqo变换成与U、V和W各相对应的指令电压Vu、Vv和Vw。PWM变换方框30把这些指令电压Vu、Vv和Vw变换成PWM负载信号(duty signal)。各PWM负载信号均通过电动机驱动单元13内的前置驱动电路和FET桥接器电路来触发电动机8(无刷电动机)的各绕组的正弦电流供应，并启动电动机8的矢量控制。

在本实施例中，d轴补偿电流确定装置38确定d轴补偿电流Id。并且加法器23使用公式(4)来计算d轴补偿目标电流Idc。

Idc＝Ido+Id…(4)

符号Id表示由装置38传送的d轴补偿电流。并且，d轴指令电流Ido被设定为零。当根据补偿电流Id(负值)来提供d轴电流时，电动机磁场削弱电流流入电动机8，从而削弱电动机8的磁场。因此，可提高电动机8的转速Nm。

以下对在d轴补偿电流确定装置38内进行的处理进行说明。

图9是示出装置38的功能方框图。图10示出了在基于q轴指令电压的映象处理部40内使用的映象。图11示出了在基于q轴实际电流的映象处理部41内使用的映象。图12示出了在基于电动机转速的映象处理部43内使用的映象。

设置在装置38内的映象处理部40确定输出C1，该输出C1是通过以q轴指令电压Vqo为地址进行映象检索而获得的补偿电流要素。映象处理部40使用公式(5)进行变换。

C1＝G1(Vqo)…(5)

如图10所示，用于对输出C1与q轴指令电压Vqo的关系进行定义的映象G1(Vqo)针对与小q轴电流偏差范围对应的小Vqo范围提供零输出C1。另一方面，该映象G1(Vqo)针对与大q轴电流偏差范围对应的大Vqo范围提供大体恒定输出C1。这样，只有当与大q轴电流偏差ΔIq对应的q轴指令电压Vqo较大时，映象处理部40才提供d轴补偿电流Id，以削弱电动机8内的磁场，从而提高电动机8的转速Nm。这可针对以下情况，即：如图4中的点A3所示，在车辆行驶中使转向盘3缓慢略微转向的情况，防止磁场削弱电流流经电动机8，从而解决与不必要的电流供应相关的问题。

在本实施例中，基于q轴指令电压的映象处理部40是指所附权利要求中的电动机磁场削弱装置。

映象处理部41确定输出C2，该输出C2是通过以q轴实际电流Iqr为地址进行映象检索而获得的补偿电流要素。映象处理部41使用公式(6)进行变换。

C2＝G2(Iqr)…(6)

如图11所示，用于对输出C2与q轴实际电流的关系进行定义的映象G2(Iqr)针对小q轴实际电流Iqr范围提供大体恒定输出C2。另一方面，该映象G2(Iqr)针对大q轴实际电流Iqr范围提供零输出C2。这样，只有当q轴实际电流Iqr较小时，映象处理部41才提供d轴补偿电流Id，以削弱电动机8内的磁场，从而提高电动机8的转速Nm。这可针对以下情况，即：当电动机8处于转速Nm的上限时，使转向盘3更快速转向的情况，防止电动机工作点从图6所示的点A4移到点A5，从而解决驾驶员不期望有的转向费力感的问题。

在本实施例中，基于q轴实际电流的映象处理部41是指所附权利要求中的电动机磁场削弱装置。

映象处理部43确定输出C3，该输出C3是通过以电动机转速Nm为地址进行映象检索而获得的补偿电流要素。映象处理部43使用公式(7)进行变换。

C3＝G3(Nm)…(7)

如图12所示，映象G3(Nm)针对电动机的小转速Nm范围提供零输出C3。另一方面，该映象G3(Nm)针对大转速Nm范围提供大体恒定输出C3。这可针对以下情况，即：在图4中的点A3，使转向盘3缓慢转向的情况，防止磁场削弱电流流经电动机8，从而解决与不必要的电流供应相关的问题。

在本实施例中，基于电动机转速的映象处理部43是指所附权利要求中的电动机磁场削弱装置。

电动机转速Nm是由包括VR分解器32和RD变换器35在内的电动机转速检测装置来检测的。由该装置检测的数据直接进入在d轴补偿电流确定装置38内设置的映象处理部43。

乘法器44对映象处理部40的输出C1、映象处理部41的输出C2和映象处理部43的输出C3进行乘法运算。d轴补偿电流确定装置38把与用公式(8)表示的乘积成比例的d轴补偿电流Id传送到加法器23。

Id＝k×C1×C2×C3…(8)

这样，参与d轴电流补偿的各要素可独立作用，从而针对以下情况，即：q轴电流偏差ΔIq或基于ΔIq计算的q轴指令电压Vqo较大的情况，q轴实际电流Iqr较小的情况，以及电动机转速Nm较大的情况，把d轴补偿电流Id提供给电动机8以削弱磁场。

图8所示的相互作用控制装置39和与之电气连接的加法器27、28能够消除相互作用，以便当在多个指令输入和受控变量之间发生相互作用时，可把指令输入限制为仅影响受控变量。在本实施例中，采用该相互作用控制装置和加法器，以实现包括电动机8的d轴实际电流Idr和q轴实际电流Iqr在内的小反馈环路，以加速该小反馈环路的响应。

根据本发明的d轴补偿电流确定装置38可对电动机的d轴电流即d轴分量进行补偿，以便当q轴指令电压较大、q轴实际电流较小以及电动机转速较大时，可削弱电动机8内的磁场。这样，可不用增大额定电流，就能提高电动机转速。当指令扭矩急剧变化时，电动动力转向设备1可通过增强电动机8的响应来把最佳辅助转向扭矩施加到转向系S上。因此，设备1可实现平稳转向感而无损于燃料经济性和电动机8的尺寸。

从以上说明中应该理解，本发明不限于上述具体所示的实施例，而是可以采用各种修改形式来实施。

在本实施例中，选择无刷电动机用作施加辅助转向扭矩的电动机。选择在无刷电动机的各相间提供正弦电流的利用dq控制的矢量控制，用于无刷电动机的驱动控制。可以选择其他替代方案来代替本实施例中所述的例子。例如，可对无刷电动机的各相的正弦电流进行控制。而且可在无刷电动机的各相间提供矩形波电流，以及与矩形波电流合成的伪正弦电流。另外也可选择其他类型的电动机。

Claims (3)

1.一种电动动力转向设备，该设备包括：

第一装置，用于检测转向系的转向扭矩；

电动机，用于把辅助转向扭矩施加到转向系上；

电动机驱动单元，用于驱动电动机；

车速传感器；

第二装置，用于根据由第一装置传送的转向扭矩信号和由车速传感器传送的速度信号来确定要提供给电动机的目标电流；

第三装置，用于检测流经电动机的电动机电流；以及

控制单元，用于根据目标电流和电动机电流之间的偏差来生成电动机驱动信号，并把该电动机驱动信号发送到电动机驱动单元；

其中，控制单元包括第四装置，用于根据该偏差和基于该偏差计算的值这两者中的一项来削弱电动机内的磁场。

2.一种电动动力转向设备，该设备包括：

第一装置，用于检测转向系的转向扭矩；

电动机，用于把辅助转向扭矩施加到转向系上；

电动机驱动单元，用于驱动电动机；

车速传感器；

第二装置，用于根据由第一装置传送的转向扭矩信号和由车速传感器传送的速度信号来确定要提供给电动机的目标电流；

第三装置，用于检测流经电动机的电动机电流；以及

控制单元，用于根据目标电流和电动机电流之间的偏差来生成电动机驱动信号，并把该电动机驱动信号发送到电动机驱动单元；

其中，控制单元包括第四装置，用于根据电动机电流来削弱电动机内的磁场。

3.一种电动动力转向设备，该设备包括：

第一装置，用于检测转向系的转向扭矩；

电动机，用于把辅助转向扭矩施加到转向系上；

电动机驱动单元，用于驱动电动机；

车速传感器；

第二装置，用于根据由第一装置传送的转向扭矩信号和由车速传感器传送的速度信号来确定要提供给电动机的目标电流；

第三装置，用于检测流经电动机的电动机电流；

第四装置，用于检测电动机转速；以及

控制单元，用于根据目标电流和电动机电流之间的偏差来生成电动机驱动信号，并把该电动机驱动信号发送到电动机驱动单元；

其中，控制单元包括第五装置，用于根据电动机转速来削弱电动机内的磁场。

Images