CN1657352A - 具有自动转向功能的电动转向装置 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆的电动转向装置，其可以减小驾驶员的转向力。该电动转向装置被设计成用来执行自动转向控制。当转向力落在驾驶员期望开始有意地转动方向盘的转向力范围内时，启动自动转向控制。当转向力超出该范围时，停用自动转向控制。这允许根据驾驶员的需要来减小驾驶员的转向力。

Description

具有自动转向功能的电动转向装置

相关文件的相互参考

本申请要求2004年2月16日提交的日本专利申请No.2004-37765的权益，在这里以参考的方式并入该申请所披露的内容。

技术领域

本发明一般涉及装备有转向助力马达的电动转向装置，以对方向盘的转向进行助力。

背景技术

日本首次公开专利No.2003-267248公开了一种电动转向装置，其可以测量汽车转向轴的转向扭矩并按照该测量的扭矩的函数来控制电动马达(即，转向助力马达)，以产生转向轴的转向助力扭矩。

正如上述公开专利中所教导的，这种类型的电动转向装置具有缺陷：当驾驶员以较低的速度、较小的转弯将车辆驶入车库时，驾驶员自身将消耗大量时间和精力，从而导致驾驶员疲劳。特别地，当驾驶员将车辆倒进车库时，驾驶员需要一边操作方向盘一边保证车辆后面的安全。因而，驾驶员需要将方向盘来回转动，很困难地才能将车辆正确地移进车库。

近来，已经使用配备有后部监控摄像机的车辆，或者利用这种后部监控摄像机或后部传感器自动倒车入库的车辆，然而，这导致车辆的成本升高。

发明内容

因此本发明的一个主要目的是避免现有技术的上述缺陷。

本发明的另一个目的是提供一种用于车辆的车辆电动转向装置，其被设计用来减小驾驶员的转向力。

根据本发明的一个方面，提供了一种可以应用在汽车上的电动转向装置。该电动转向装置包括：(a)马达，用于在车辆的方向盘转动时产生转向助力扭矩；(b)扭矩传感器，用于测量转向扭矩；(c)车速传感器，用于测量所述车辆的速度；(d)转向速率确定电路，用于确定所述方向盘的转向速率；(e)马达控制器，用于基于所述扭矩传感器测得的转向扭矩以及所述车速传感器测得的车速控制所述马达的运转；

决策电路，用于判断与所述车辆的预先选定的操作状态相关的状态参数是否满足给定的要求；以及(e)自动转动控制器，用于根据由所述转向速率确定电路确定的转向速率执行自动转向控制，以维持所述马达产生所述转向助力扭矩来转动所述方向盘，当所述决策电路判定所述状态参数已满足所述给定的要求时，所述自动转向控制器启动所述自动转向控制，或者，当所述决策电路判定所述状态参数已经偏离所述给定的要求时，所述自动转向控制器停用所述自动转向控制。

例如，当车辆驾驶员驾车以低速小转弯入库时，该电动转向装置用于减小使驾驶员的转向力。

在本发明的优选模式中，当转向扭矩落在一给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。例如，当车辆在诸如泥泞的路面这样的不平坦的路面上行驶时，可能会引起方向盘意外的转动，这就需要驾驶员的转向力。因此，就将驾驶员有意开始转动方向盘的转动力范围确定为所述给定的范围。这允许自动转向控制器执行自动转动控制以只在驾驶员需要的情况下才将转向助力扭矩增加到方向盘上，从而将驾驶员的不适度或者发生事故的可能性降到最小。

当车辆的速度落在给定的范围(如5km/h或更小)内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

当转向速率落在给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

电动转向装置还可以包括用于测量方向盘的转向角的转向角传感器。当方向盘的转向角落在给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

电动转向装置还可以包括电流传感器，用于测量流经所述马达的电流。当由所述电流传感器测出的电流落在给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

电动转向装置还可以包括角位置确定电路，用于确定方向盘的角位置。其中当方向盘的角位置达到预定位置时，所述决策电路判定所述状态参数超出所述给定的要求。通过从所述方向盘的最大可转向角度减去一给定角度来得到该预定位置。

当方向盘的转向角达到一个预定角度时，所述决策电路就判定所述状态参数超出所述给定的要求。通过从所述方向盘的最大可转向角度减去一给定角度来得到该预定角。

附图说明

根据下面给出的详细说明以及本发明优选实施例的附图，可以更全面地理解本发明，然而，本发明的优选实施例不应当被看成是将本发明限制在这些特定的实施例上，而其仅仅是用于解释和理解本发明。

在附图中：

图1是示出根据本发明的电动转向装置的结构的视图；

图2是示出安装在图1的电动转向装置上的转向控制器的电路结构的方块图；和

图3是举例说明图1的电动转向装置的转向速率保持控制的操作的时间图。

具体实施方式

参照附图，其中相似的参考标号表示在几个图中类似的部件，特别参考图1，其示出根据本发明的用于车辆的电动转向装置1。

方向盘10连接到转向轴12a上。如图所示，转向轴12a的下端与扭矩传感器11连接。扭矩传感器11的下端与小齿轮轴12b的上端接合。该小齿轮轴12b在其下端上安装有一个小齿轮(未示出)，该小齿轮与转向器壳体16内的齿条18啮合。该齿条18的两端与横拉杆20的端部相连。该横拉杆20的另一端通过转向节臂22连接到车轮24。电动马达15通过一个齿轮(未示出)来连接小齿轮轴12b，这就构成了所谓的电动式转向装置。

可选地，马达15可以与齿条18同轴连接，或者安装在转向器壳体16内，以驱动小齿轮轴12b。

扭矩传感器11用于测量驾驶员作用在方向盘10上的转向力，并且可以通过公知的扭矩传感器来实现，该扭矩传感器由一个扭力杆和一对彼此间隔扭力杆长度而布置的诸如分解器(resolver)这样的传感器构成。具体地，该扭矩传感器11对转向轴12a的扭矩进行响应，以将一个指示该扭矩的信号提供给转向控制器30。

转向角传感器13连在转向轴12a上，用于测量转向轴12a的转向角和转向速率。该转向角传感器13可以通过公知的由旋转编码器和分解器构成的角度传感器来实现。该转向角传感器13向转向控制器30输出传感器信号。该转向控制器30使用该传感器信号并确定转向轴12a的转向角和转向速率。该转向速率以单位时间(例如1秒)转向角的变化的方式来给出。

该电动转向装置1还包括电流传感器8、角位置传感器9和车速传感器17。该角位置传感器9通过公知的由旋转编码器和分解器构成的位置传感器来实现，用于测量马达15的旋转轴的角位置，并将指示该角位置的信号输出给转向控制器30。马达15通过齿轮减速机构(未示出)与小齿轮轴12b相连。因此，角位置传感器9的输出也是小齿轮轴12b或方向盘10的角位置的函数。车速传感器17通过公知的包括旋转编码器等的速度传感器来实现，用于测量车辆速度，并将指示该车辆速度的信号输出给转向控制器30。

该转向控制器30主要由CPU 31、RAM 32、ROM 33、I/O设备34(即，输入/输出接口)和电连接上述部件的总线35构成。CPU 31读取ROM 33和RAM 32输出的程序和数据，并执行给定的控制任务。ROM 33包括程序存储区域33a和数据存储区域33b。程序存储区域33a内存有转向控制程序33p。数据存储区域33b内存有用于执行该转向控制程序33p的数据。

转向控制器30用于执行存储在ROM 33内的转向控制程序33p，以确定由马达15产生的驱动扭矩，该驱动扭矩是扭矩传感器11所测得的扭矩以及转向角传感器13所测得的转向速率的函数，并通过马达驱动器14向马达15施加一个电压，在马达15中创建该确定的驱动扭矩需要马达驱动器14。马达15可以是可在电动转向装置1内使用的任意类型，并且比如由直流电机或无电刷电机来实现。

图2是示出转向控制器30的电路结构的方块图，该转向控制器30用于在电动转向装置1运行期间循环执行在转向控制程序33p中的马达控制任务和其它任务。

该转向控制器30主要由转向助力控制电路42和转向速率保持电路43组成。该转向助力控制电路42包括相位补偿模块49、助力电流确定模块50、校正电流确定模块51、电流加法器模块52、最大电流确定模块53和电流控制模块54。该转向速率保持电路43包括转向速率保持功能控制模块44、转向速率保持控制模块45、转向速率保持功能关闭控制模块46、转向速率保持电流上限控制模块47和控制电流加法器模块48。

转向助力控制电路42像在公知的电动转向装置中的转向助力控制电路一样进行操作。具体来说，转向助力控制电路42在助力电流确定模块50中确定将施加到马达15上的转向助力电流，该电流是由相位补偿模块49所计算的相位补偿因子以及由车速传感器17所测出的车速的函数。校正电流确定模块51用于确定一个电流(即，校正因子)，该电流是转向角传感器13所测出的转向速率的函数，用来校正由助力电流确定模块50确定出的转向助力电流。电流加法器模块52用于将校正电流确定模块51所提供的校正电流与助力电流确定模块50所提供的转向助力电流相加。日本首次公开专利No.8-91236公开了该转向助力控制电路42工作的一个例子，在此以参考的方式并入其公开内容。

控制电流加法器模块48用于将电流加法器模块52和转向速率保持电流上限控制模块47的输出进行相加，以产生控制电流。最大电流确定模块53用于判定该控制电流是否在一个允许范围内。如果不在允许范围内，则该最大电流确定模块53选择预定的上限值作为控制电流。电流控制模块54用于确定产生该控制电流所需要的电压，并将该电压施加到马达15上。

转向速率保持功能控制模块44被设计成利用扭矩传感器11、车速传感器17、转向角传感器13、电流传感器8以及角位置传感器9的输出中的至少一个作为状态参数，用以判定将在下文详细说明的转向速率保持功能开启标记是否被切换到打开状态。具体来说，当该状态参数满足给要求时，例如其处在一个给定范围内时，该转向速率保持功能控制模块44就将转向速率保持功能开启标记切换到打开状态，以启动转向速率保持控制，该转向速率保持控制调节由马达15施加在小齿轮轴12b上的扭矩，以便将方向盘10的转向速率保持为基本恒定。可以使用扭矩传感器11、车速传感器17、转向角传感器13、电流传感器8以及角位置传感器9中的两个或多个输出的组合来作为如上文所述的状态参数。在这种情况下，当所有的状态参数都分别落在给定范围内时，转向速率保持功能控制模块44就将转向速率保持功能开启标记切换到打开状态。

当转向速率保持功能开启标记被切换到打开状态时，转向速率保持控制模块45工作以确定转向速率保持电流，该电流是转向速率反馈控制所必需的，以将转向速率的瞬时值保持为常数。

在转向速率控制功能开启标记处于打开状态期间，当扭矩传感器11、车速传感器17、转向角传感器13、电流传感器8以及角位置传感器9中的至少一个输出落在相应的给定范围外时，转向速率保持功能关闭控制模块46工作以输出一个转向速率保持功能关闭信号，该信号关闭或者停用转向速率保持功能。

转向速率保持电流上限控制模块47用于当转向速率控制功能开启标记处于打开状态时，选择马达15的额定电流的最大值来作为施加到马达15上的电流的上限值，或者若转向速率控制功能开启标记处于关闭状态，则将该电流的上限值逐渐减小到与转向运动的瞬时角度相匹配的值。

图3示出了由转向控制器30执行的转向速率保持控制(即，转向速率保持功能)的操作的一个示例。

在该例子中，采用由扭矩传感器11测出的扭矩以及由车速传感器17测出的车速作为激活转向速率保持功能的状态参数。转向速率保持功能控制模块44和转向速率保持功能关闭控制模块46一直在监测由扭矩传感器11测出的转向扭矩的瞬时值以及由车速传感器17测出的车速的瞬时值。当扭矩超过在比如2到3Nm的范围内选定的值T1，并且车速低于在比如5到10km/h的范围内选定的值V1时，转向速率保持功能控制模块44就将转向速率保持功能开启标记置于打开状态，以启动转向速率保持控制。转向速率保持控制模块45然后确定如上文所述的转向速率保持电流，该电流用于在转向速率保持控制开始时将转向速率保持为常数。

当车速超过V1时，转向速率保持功能控制模块44就将转向速率保持功能开启标记切换到关闭状态，以终止转向速率保持控制。为了消除马达15速度的突变，这通常会使车辆驾驶员感到不舒适，转向速率保持电流上限控制模块47工作以将施加到马达15上的电流上限逐渐减小为零(0)。这使得由转向速率保持控制模块45所确定的转向速率保持电流可以以较低速度减小。

如果在执行转向速率保持功能期间，驾驶员以较大的扭矩转动方向盘10，则转向速率保持功能控制模块44可以被设计成将转向速率保持功能开启标记切换到关闭状态以终止转向速率保持控制，使得由扭矩传感器11测得的转向扭矩超过预选值(例如T1)。

或者，如果在执行转向速率保持功能期间，车辆驾驶员以使转向速率超出比如60度/秒到180度/秒的允许范围的速度(即单位时间转向角传感器13的输出变化量)转动方向盘10，则转向速率保持功能控制模块44可以被设计成将转向速率保持功能开启标记切换到关闭状态以终止转向速率保持控制。

如果在执行转向速率保持功能期间，由电流传感器8测得的流经马达15的电流或者其变化超出预定的允许范围，则转向速率保持功能控制模块44还可以被设计成将转向速率保持功能开启标记切换到关闭状态以终止转向速率保持控制。

此外，如果在执行转向速率保持功能期间，由角位置传感器9测得的角位置超出预定的允许范围，则转向速率保持功能控制模块44还可以被设计成将转向速率保持功能开启标记切换到关闭状态以终止转向速率保持控制。

众所周知，有一种行程末端冲击安全控制，其用于当方向盘的角位置超过给定的限制时，减小由转向助力电动马达产生的转向助力扭矩，或者停止该扭矩的产生，从而提高马达的耐久性并节约其能耗。转向控制器30装备有该功能。下面将对其进行说明。

类似于典型的方向盘，方向盘10被设计成只允许从中间位置向每个方向转动给定的圈数(例如两圈)。该圈数取决于车辆的类型。方向盘10在每个方向被允许转动的角度范围限制通常被称作行程末端。当方向盘10的角位置落入在马达停止初始角位置附近定义的范围内时(下文将对其进行详细说明)，转向控制器30启动转向运动停止指令，该指令由在电动转向装置1的运行状态期间循环执行的转向控制程序33p提供。

当车速大于预选值时，且由扭矩传感器11测出的转向扭矩处在零(0)Nm附近的范围内时，转向控制器30确定车辆为直线行驶或者方向盘10处在中间位置上，并且对转向角传感器13的输出进行采样，以将由转向角传感器13测出的方向盘10的角位置确定为参考位置。

当转动方向盘10，且上述状态参数落入启动转向速率保持控制的给定范围内时，如上文所述的，电动马达15开始在方向盘10上施加转向助力扭矩，从而使其可以在没有驾驶员的转向力的情况下也能继续进行自动转向。随后转向控制器30对转向角传感器13的输出进行采样，并计算其与参考位置的偏差，以将该偏差确定为方向盘10的真正的角位置。

通常，当切断电动马达的电源时，电动马达受到惯性力的作用，使得其可继续旋转一段时间。电动马达15也是如此。因此，在停止马达15后，方向盘10不会立刻停止转动。作用在马达15上的惯性力取决于马达单位时间的转数(即，马达15的转速)。由于行程末端的冲击所产生的传递到方向盘10上的不期望的机械冲击力可以通过精确地选定上述马达停止初始角位置来消除，从而当供给马达15的电流达到上限之后马达15的角位置减小到零(0)，马达15在惯性力的作用下继续转动，随后至少在行程末端处停止。

作用在马达15上的惯性力取决于在执行转向速率保持控制期间马达15的转速。因此，可以计算出马达15在惯性力的作用下继续转动的角度范围。在转向控制器30中预先设定供给马达的电流上限的速率。因此，利用这些参数，可以确定供给马达15的电流上限为零(0)时马达15的角位置。从这个位置往回计算，就可以确定在应当开始减小供给马达15的电流上限时的马达15的角位置(即，上述马达停止初始角位置)。

当转向控制器30采样角位置传感器9的输出并确定马达15的角位置已达到马达停止初始角位置时，转向速率保持功能控制模块44就将转向速率保持功能开启标记切换到关闭状态以终止转向速率保持控制。这就避免了通常会使驾驶员感到不适的方向盘10在行程末端的冲击。

然而，如果在需要启动转向速率保持控制时方向盘10的角位置(即马达15的角位置)已经达到马达停止初始角位置，则转向控制器30不启动转向速率保持控制。

在执行转向速率保持功能期间的行程末端冲击安全控制中，当方向盘10达到对应于马达停止初始角位置的角位置时，转向速率保持功能控制模块44可以终止转向速率保持控制。

或者，在执行转向速率保持功能期间可以通过下述方式来启动行程末端冲击安全控制。具体来说，利用转向角传感器13的输出(即方向盘10的实际角位置)以及作用在马达15上的惯性力，确定在供给马达15的电流上限为零(0)时方向盘10的角位置。利用供给马达的电流的上限的速率，该速率如上文所述在转向控制器30中预先设定，可以确定方向盘10的角度范围，在该角度范围内，在供给马达15的电流上限开始减小后，方向盘10继续转动并且随后停止。当方向盘10的实际角位置达到上述范围时，转向速率保持功能控制模块44终止转向速率保持功能。

在执行转向速率保持功能期间的行程末端冲击安全控制中，或者可以通过下述方式来确定马达停止初始角位置。计算最大的可转向角，该最大的可转向角是在方向盘10的参考位置与方向盘10左右最大程度转动所达到的角位置之间的范围。根据这个角，可以减去马达15的角度范围以确定出马达停止初始角位置，其中在该马达15的角度范围内，在供给马达15的电流的上限开始减小之后，马达15继续转动并然后停止。

尽管为了便于更好的理解而根据优选实施例来对本发明进行说明，但是应该理解本发明可以在不偏离本发明宗旨的前提下以各种变型方式来实施。因此，本发明应该被理解为包括了所示实施例的所有可能的实施方式以及改型，其可以在不偏离所附权利要求阐明的本发明宗旨的情况下进行实施。

Claims (10)

1、一种用于车辆的电动转向装置，包括：

马达，用于在转动车辆的方向盘时产生转向助力扭矩；

扭矩传感器，用于测量转向扭矩；

车速传感器，用于测量所述车辆的速度；

转向速率确定电路，用于确定所述方向盘的转向速率；

马达控制器，用于基于所述扭矩传感器测得的转向扭矩以及所述车速传感器测得的所述车辆的速度，控制所述马达的运转；

决策电路，用于判定与所述车辆的预先选定的操作状态相关的状态参数是否满足给定的要求；以及

自动转动控制器，用于根据由所述转向速率确定电路确定的转向速率来执行自动转向控制，以维持所述马达产生所述转向助力扭矩来转动所述方向盘，当所述决策电路判定所述状态参数已满足所述给定的要求时，所述自动转向控制器启动所述自动转向控制，当所述决策电路判定所述状态参数已经偏离所述给定的要求时，所述自动转向控制器停用所述自动转向控制。

2、据权利要求1所述的电动转向装置，其中当所述转向扭矩落在给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

3、根据权利要求1所述的电动转向装置，其中当所述车辆的速度落在给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

4、根据权利要求1所述的电动转向装置，其中当所述转向速率落在给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

5、根据权利要求1所述的电动转向装置，还包括用于测量所述方向盘的转向角的转向角传感器，其中当所述方向盘的转向角落在给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

6、根据权利要求1所述的电动转向装置，还包括电流传感器，用于测量流经所述马达的电流，其中当由所述电流传感器测出的电流落在给定的范围内时，所述决策电路判定所述状态参数满足所述给定的要求。

7、根据权利要求1所述的电动转向装置，还包括角位置确定电路，用于确定所述方向盘的角位置，其中当所述方向盘的角位置达到预定位置时，所述决策电路判定所述状态参数偏离所述给定的要求。

8、根据权利要求7所述的电动转向装置，其中通过从所述方向盘的最大可转向角度中减去一给定角度来给出所述预定位置。

9、根据权利要求5所述的电动转向装置，其中当所述方向盘的转向角达到预定角度时，所述决策电路就判定所述状态参数超出所述给定的要求。

10、根据权利要求9所述的电动转向装置，其中通过从所述方向盘的最大可转向角度中减去一给定角度来给出所述预定位置。

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