CN1718491A - 车辆转向控制系统 - Google Patents

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CN1718491A CNA2005100806837A CN200510080683A CN1718491A CN 1718491 A CN1718491 A CN 1718491A CN A2005100806837 A CNA2005100806837 A CN A2005100806837A CN 200510080683 A CN200510080683 A CN 200510080683A CN 1718491 A CN1718491 A CN 1718491A
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小野仁
星野洋二
须田克弘
安野芳树
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Abstract

一种车辆转向控制系统，配备有转向角比值改变机构，可变动力援助转向机构和转向角比值控制器。转向角比值改变机构改变手动操作转向机构的转向角比值，该转向角比值表示前轮的转动角相对于方向盘的转向角的比值。可变动力援助转向机构输出可补充驾驶员用于转动可转向车轮的转向力的辅助转向力至手动操作转向机构。转向角比值控制器增加在转向角范围内处于转向角中点附近的转向角比值，以及减少在转向角范围内处于齿条止动位置附近的转向角比值，无需考虑手动操作转向机构的转向角速度。

Description

车辆转向控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为2004-199250的日本专利申请的优先权。该申请所公开的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明主要涉及一种车辆转向控制系统，该系统具有可用于改变转向角比值的转向角比值改变机构，该转向角比值是转向控制轮的转动角相对于方向盘的转向角的比值，并且该系统还具有用于输出辅助转向力的可变动力援助转向机构，该辅助转向力可补充驾驶员的转向力。
背景技术
传统的车辆转向控制系统中，通过当转向角速度增大时减小转向角来控制可变动力援助转向机构相对于转向角比值变化的滞后，从而确保避免动力援助的损失。在申请号为2000-344120的日本专利申请中公开了这种传统转向控制系统的一个例子。
如上所述，本领域技术人员从公开的内容中显然可知，存在着改进车辆转向控制系统的需要。本发明致力于解决本技术领域中的这种需要以及本领域技术人员将从该公开的内容可以明显看到的其它需要。
业已发现，当使用配备有上述传统技术的转向控制系统的车辆时，驾驶员有时会感到不适。具体地说，即使车辆速度相同，但由于当转向角速度不同时方向盘的最大转动角度(锁对锁，lock-to-lock)的变化，也将使得使用上述传统技术的驾驶员感到不适。
发明内容
本发明的设计旨在解决上述问题。本发明的目的是提供一种车辆转向控制系统，该系统能避免由于可变动力援助机构的跟踪延迟而引起的动力援助损失，以及能避免由于转向角速度不同而产生的方向盘最大转动角度的偏移。
为了达到本发明的上述目的和其它目的，提供一种车辆转向控制系统，该系统主要包括转向角比值改变机构，可变动力援助转向机构，转向角检测装置和转向角比值控制器。配置和设置所述转向角比值改变机构以使之能改变手动操作转向机构的转向角比值。配置和设置所述可变动力援助转向机构以使之能向手动操作转向机构输出辅助转向力，以补充驾驶员用于转动可转向车轮的转向力。配置和设置所述转向角检测装置以使之能检测可转向车轮的转向角。配置和设置所述转向角比值控制器以使之能控制转向角比值改变机构以增加在中间转向角范围内处于中间转向角位置附近的转向角比值，以及减少在转向角范围内处于最大转向极限位置附近的转向角比值，无需考虑手动操作转向机构的转向角速度。
本领域技术人员将能从下面结合附图描述的本发明优选实施例中显见本发明的这些和其它的目的，特征，形态和优点。
附图说明
附图构成本说明书原始公开内容的一部分，附图中：
图1是根据本发明第一实施例的车辆转向装置的整体示意框图；
图2是表示在本发明第一实施例的转向角比值控制器中执行转向角比值设置控制程序的流程图；
图3是表示本发明第一实施例的转向角和齿轮角度之间相互关系的示图；
图4是本发明第一实施例的车辆转向装置的转向角比值控制器所使用的转向角比值图；
图5是表示根据传统转向角速度进行可变转向角控制的示图；
图6是表示传统控制的缺点的示图；
图7是表示在本发明第一实施例的转向角比值控制器中执行的用于确定附加转动角速度的设置方法的示图；
图8是表示当车辆静止时和当车辆运动时所能承受最大的齿轮角速度的示图；
图9是表示在本发明第一实施例的转向角比值控制器中执行的用于根据车辆速度设置附加转动角速度的附加转动角速度设置程序或图的示图；以及
图10是表示当车辆静止时在所述转向角比值控制器中执行的用于根据车辆速度设置附加转动角速度的附加转动角速度设置程序或图的示图。
具体实施方式
现将结合附图来说明本发明的几个选择的实施例。本领域技术人员从公开的内容中显然可知，如下描述的本发明实施例仅用于解释说明，并不是用于限制由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的范围。
首先参照图1，通过示意图对配备有根据本发明第一个实施例的车辆转向控制系统的车辆转向装置进行说明。该车辆转向装置主要包括方向盘(手动操作转向机构)1，一对前轮(转向控制轮)2，转向机构3，转向杆(例如，上部柱杆4a和下部柱杆4b)，转向角比值改变机构5和可变动力援助转向机构(操纵力辅助机构)6。借助于上部柱杆4a和下部柱杆4b、转向角比值改变机构5和可变动力辅助转向机构6，把方向盘1可操作地耦合到前轮(转向控制轮)2。转向角比值改变机构5可操作地设置在上部柱杆4a和下部柱杆4b之间，用于将方向盘1链接至可转动前轮(可转向的车轮)2的转向机构3的转向齿轮3a，可变动力援助转向机构6设置在转向机构3的齿条轴3b中。
在上部柱杆4a中配置有转向角传感器(转向角检测装置)7。配置和设置该转向角传感器7以使之能检测方向盘的转向角。在上部柱杆4a中配置有转向扭矩传感器8。配置和设置该转向扭矩传感器8以使之能检测到转向扭矩。将检测到的方向盘的转向角信号和检测到的转向扭矩信号输出至通信线束9。配置和设置车轮速度传感器10以使之能检测车辆速度并且输出车辆速度信号至通信线束9。配置和设置齿轮角度传感器11以使之能检测齿轮角度并且输出齿轮角度信号至通信线束9。
所述转向角比值改变机构5根据来自于转向角比值控制器12的电气控制电流改变转向角比值，该转向角比值是可转向的前轮2的转动或转向角相对于方向盘的转向角的比值。在图示实施例中，齿轮角度用作前轮2的转动角的代表值。
所述可变动力援助转向机构6根据来自动力援助转向控制器13的电气控制电流把用于补充驾驶员转向力的援助扭矩(辅助转向力)输出到转向机构3的齿条轴杆3b。
控制器12和13可为具有输入/输出接口(I/O)、诸如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机访问存储器)装置的存储装置和中央处理器(CPU)的单个微型计算机，或者根据需要和/或要求也可为一对相互分离的微型计算机，每个微型计算机都具有输入/输出接口(I/O)、诸如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机访问存储器)装置的存储装置和中央处理器(CPU)。转向角比值控制器12的微型计算机被编程来控制转向角比值改变机构5，而动力援助转向控制器13被编程来控制可变动力援助转向机构6。换句话说，用于控制器12和13的每一个的CPU分别负责执行存储于存储器中的可变转向角比值控制程序和可变动力援助转向控制程序，以及能完成必要的算法和逻辑操作。用于控制器12和13的每一个的输入/输出接口(I/O)接收来自各个发动机/车辆传感器的输入信息，例如来自传感器7，8，10和11的输入信息。用于控制器12和13任一个的内部RAM存储操作标记的状态和不同的控制数据。用于控制器12和13的每一个的内部ROM存储用于各种操作的预置数据。本领域技术人员从公开的内容中显然可知，用于控制器12和13的精确结构和算法可以是能实现本发明功能的任意硬件和软件的结合。换而言之，在说明书和权利要求中使用的“装置加功能”语句应包括可用来实现“装置加功能”语句的功能的任意结构或硬件和/或算法或软件。
转向角比值控制器12包括转向角比值设置部分和可变动动力援助转向驱动部分。配置或编程转向角比值控制器12的转向角比值设置部分以使之能设定目标转向角。配置或编程可变动力转向驱动部分以使之能控制转向角比值改变机构，从而获得目标转向角比值。
转向角比值控制器12还根据来自转向角传感器7的方向盘的转向角信号和来自车速传感器10的车速信号计算用于获取目标转向角的目标齿轮角度。例如，如图3所示，基于根据车速预先设置的齿轮角度和转向角之间的关系来设置目标转向角比值。
图3中，曲线L表示车辆转向装置的转向角比值特性。曲线L连接转向中点(θc，δc)和在齿条止动位置δmax和转向极限位置θmax之间的交叉点(θmax，δmax)。曲线L的设置使得在转向角区域内处于转向中点附近的表示转向角比值的切线A的斜率大于连接上述两点的直线M的斜率，以及使得在转向角区域内处于齿条止动位置δmax和转向极限位置θmax之间的交叉点附近的切线B的斜率小于连接上述两点的直线M的斜率。曲线L的设置将使得切线的斜率随着转向角的增大而逐渐变小。曲线L的设置将使得在转向角区域内处于转向中点附近的切线A的斜率随着车辆速度的减小而增大(参见图9)。
图4是将图3中数据代之以转向角和转向角比值之间关系而得到的转向角比值图。转向角比值控制器12将参照根据车辆速度预先设置的转向角比值图，以及根据来自转向角传感器7的转向角信号而计算目标齿轮角度。
转向角比值控制器12根据目标齿轮角度和来自齿轮角度传感器11的齿轮角度信号之间的偏差将用于获取目标转向角的电气控制电流输出至转向角比值改变机构5。这个由转向角比值控制器12处理的过程与转向角比值控制器12的可变动力援助转向驱动部分相对应。
动力援助转向控制器13根据来自于转向扭矩传感器8的转向扭矩信号设置目标援助扭矩。将基于由此设置的目标援助扭矩和来自于转向扭矩传感器8的转向扭矩信号的电气控制电流输出至可变动力援助转向机构6。
本发明中，如下面更为详细描述的那样，由于转向角比值的减小与可变援助转向机构6的动力援助响应特性差的转向极限(锁住)位置附近的转向角速度无关，因此能减小车轮转动角速度和避免可变动力援助转向机构6的跟踪延迟。相反地，由于转向角比值的增加与在其中动力援助响应特性好的中间转向角位置附近的转向角速度无关，因此能增加车轮转动角速度和减少转向极限位置的转动偏移量。所以，能避免由可变援助转向机构6的跟踪延迟而引起的动力援助损失，并且还能避免由于转向角速度不同而产生的方向盘最大转动角度的偏移。
转向角比值设置控制程序
图2是表示转向角比值控制器12执行转向角比值设置控制程序的流程图，其步骤描述如下。
在步骤S1中，配置转向角比值控制器12以使之能读取由转向角传感器7检测到的转向角信号和由车轮速度传感器10检测到的车辆速度信号，然后执行步骤S2。
在步骤S2中，配置转向角比值控制器12以使之能读取根据来自步骤S1读出的车辆信号中每个车辆速度而预先设置的转向角比值图(图4)，并基于目标转向角比值图和步骤S1读出的方向盘转向角信号计算目标齿轮角度。随后，转向角比值控制器12执行步骤S3。
在步骤S3中，配置转向角比值控制器12以使之能根据步骤S2计算得到的目标齿轮角度计算转向角比值改变机构5的附加角度。此处使用的术语“附加角度”是指齿轮角度的附加部分，该附加部分由转向角比值改变机构5附加到由驾驶员的转向角输入所产生的齿轮角度变化量，以便获得目标齿轮角度。然后，转向角比值控制器12执行步骤S4。
在步骤S4中，配置转向角比值控制器12以使之能将用于获取目标齿轮角度的电气控制电流输出至转向角比值改变机构5。然后，转向角比值控制器12返回控制程序的开始。
下面将讨论基于转向角速度的传统转向角比值偏差控制的缺点。通常，因为驾驶员的转向速度是固定的而与转向角比值改变机构是否存在无关，所以为了保证由转向角比值改变机构5产生的齿轮角速度的增加部分，由转向角比值改变机构产生的锁对锁的缩减要求加强可变动力援助转向机构。然而，加强可变动力援助转向机构将导致在泵(液压类型)、电机(电气类型)、和/或其它部件的可安装性、较差的燃料耗、和/或其它的不良效果方面的利弊权衡。
在引用的申请号为2000-344120的日本公开专利申请技术中，当转向角速度高时，通过使用一种方法将可变动力援助转向机构的加强保持最小，在这种方法中根据车辆速度设置的转向角比值沿着比值减小的方向进行校正，如图5所示，但存在问题是，锁对锁的变化依赖于转向角速度。
而且，在如上所述的传统技术中，由于所述配置在转向过程中(方向盘中间位置)校正转向角比值，因此转向角比值必然会返回至初始设置值，或者为了消除驾驶员改变转向角速度时的中点偏移而执行复杂控制，这是因为在方向盘的转动过程中转向速度增加(情况1)并随后在返回过程中缓慢转向(情况2)时，将出现中点偏移(情况3)，如图6所示。
下面单独讨论与转向角相对应的转向角比值设置操作。在图示实施例中，由于可变动力援助转向机构6在齿轮角度小的区域内具有高的动力援助响应特性，因此转向角比值设置成使转向角比值改变机构5产生的附加转动角速度增加。换句话说，如图7的部分(b)所示，在转向角范围内中间转向角位置附近的转向角比值(曲线的斜率)增加。
在齿轮角度大的区域内，即当前轮2位于齿条止动位置附近时，可变动力援助转向机构6减小依赖于悬架几何形状的动力援助响应特性，并且链接效率劣化。因此，将转向角比值设置成与由悬架的配置所确定的值基本上相同，使得由转向角比值改变机构5产生的附加转动角速度变小或为零。
如图7的部分(a)所示，根据由可变动力援助转向机构6的能力和驾驶员所需的最小转向速度产生的转向角速度所确定的最大可承受齿轮角速度，设置此时的附加转动角速度的具体值以获得目标锁对锁。也就是说，将附加转动角速度设置为等于或小于通过从最大可承受齿轮角速度中减去驾驶员所需的最小转向速度(例如，所需的转向角速度需要用于维持从驾驶员到车轮2的符合标准要求的转向输入)得到的值。
在不允许转向角根据转向角速度而变化的传统控制中，齿轮角速度超过最大可承受齿轮角速度，并且在锁住位置附近发生动力援助损失，但由于在图示实施例中附加转动角速度是根据最大可承受齿轮角速度进行设置的，所以齿轮角速度不超过最大可承受齿轮角速度，从而在锁住位置附近可避免动力援助损失的发生。
与引用的申请号为2000-344120的日本公开专利申请相比，在该公开的日本专利申请中通过根据转向角速度改变转向角比值从而避免可变动力援助转向机构的动力援助损失，在本发明的图示实施例中，由于转向角比值不随着转向角速度的偏差而变化，所以可避免中点偏移的发生。
现在将讨论运行中转向角比值的设置操作。如图8所示，在车辆零速摆动的静止位置上转动前轮2和在车辆速度大于0的滑动角转动前轮2之间，转动时的负载变化很大。更具体地说，通常当车辆速度大于0时的负载要小于静止摆动时(车辆速度为0)的负载。
因此，由于如果车辆速度大于0则存在着好的动力援助响应特性，所以甚至在锁住位置的附近，也可使得附加转动角速度等于或大于0，如该图中所示。
现在将讨论当车辆静止时转向角比值的设置操作。当静止时，转向角相反地选择在转向角区域内转向中点附近切线的最大斜率，如图9所示(在最低速处的转向响应)。
在静止摆动过程中，由于可变动力援助转向机构6处于最大负载，以及在锁住位置的附近最大可承受齿轮角速度减小，所以在转向中点处附近的附加角度最大，在转向中点处可变动力援助转向机构6具有好的动力援助响应特性。由于可以使在锁住位置的附近附加角度的增加量基本上为0，所以不需要在可变动力援助转向机构6上施加过量的负载就可获得目标齿轮角度，如图10所示。
接着描述效果。根据用于图示实施例车辆的转向控制系统，可获得如下所列的效果。
转向角比值控制器12与方向盘1的转向角速度无关地增加在转向角区域内转向中间位置附近的转向角比值，而减小在转向角区域内齿条止动位置附近的转向角比值，因此避免了由可变动力援助转向机构6的跟踪延迟而造成的动力援助损失。
因为转向角比值控制器12具有转向角比值设置部分，配置和设置该部分以使之能设置可增加附加转动角速度的目标转向角比值，该附加转动角速度为由转向角比值改变机构5产生的相对于转向角速度的转动角速度附加量，该目标转向角比值还可减小在转向范围内转向极限位置附近的附加转动角速度，所以可避免由于转向角速度不同而产生的方向盘最大转向角位移。转向角比值控制器12还具有可变动力援助转向驱动部分，配置和设置该部分以使之能根据控制命令控制转向角比值改变机构5以获取目标转向角比值。
转向角比值根据转向角平滑地变化，并且由于转向角比值控制器12的转向角比值设置部分随着转向角的增加逐渐减小附加转动角速度，所以可得到好的转向感知。
因为转向角比值控制器12的转向角比值设置部分把附加转向角速度维持在一个值，该值小于或等于通过从由转向系统的链接效率和可变动力援助转向机构6确定的最大可承受齿轮(转动)角速度中减去驾驶员所需的最小转向速度而产生的值，所以能够避免由于动力援助损失和其它原因引起的转向作用力增加。同时，不需要过量增加可变动力援助转向机构6的能力，通过装备转向角比值改变机构5就可保证锁对锁的缩减。
因为转向角比值设置部分可根据最大可承受(转动)角速度设置附加转动角速度，该最大可承受(转动)角速度根据车辆速度而变化，所以可设置符合车辆速度的最佳转向增益，并可避免由于动力援助损失和其它原因引起的转向作用力增加。
因为转向角比值控制器12的转向角比值设置部分在转向角范围内转向中点附近随着车辆速度的减小而增加附加转动角速度，所以随着车辆速度增加而增加的可变动力援助转向机构6的负载在锁住位置附近能根据车辆速度得以有效地减小。
此处用于描述上述实施例的下列方向术语“向前，向后，向上，向下，垂直的，水平的，下面的，横向的”以及任何其它类似的方向术语都是指配备了本发明的车辆的方向。因此，在用于描述本发明时，这些术语将被解释为与配备本发明的车辆有关。
此处用于描述由元件，部分，装置或类似物执行的操作或功能的术语“检测”包括不需要物理检测的元件，部分，装置或类似物，而且更确切地包括确定，测量，建模，预测或计算或类似物以执行操作或功能。此处用于描述元件，装置的部分或部件的术语“配置”包括可实现预期功能的构造性和/或可编程的硬件和/或软件。而且，在权利要求中的表达如“装置加功能”语句将包括可用来实现本发明部件功能的任意结构。在此处使用的诸如“基本上”，“大约”和“近似地”的程度术语表示所修饰的术语的合理变化量，以使最终结果无明显变化。例如，如果这种偏移量不否定其所修饰的词语的含义的话，则可将这些术语解释为包括所修饰的术语的至少±5％的偏移量。
虽然仅以选择的实施例来说明本发明，但本技领域术人员将从公开的内容中显见，能在不脱离所附权利要求所限定的本发明保护范围的条件下得到各种变化和更改。而且，提供根据本发明的实施例的前面描述仅仅用于举例说明的目的，并不是为了限制由所附加权利要求和其等同物所限定的本发明的范围。因此，本发明的保护范围不受公开的实施例所限制。

Claims (11)

1.一种车辆转向控制系统，包括：
转向角比值改变机构，被配置和设置成改变手动操作转向机构的转向角比值；
可变动力援助转向机构，被配置和设置成输出辅助转向力至手动操作转向机构，该辅助转向力补充驾驶员用于转动可转向车轮的转向力；
转向角检测装置，被配置和设置成检测可转向车轮的转向角；以及
转向角比值控制器，被配置和设置成控制转向角比值改变机构，以增加在中间转向角范围内处于中间转向角位置附近的转向角比值，以及减少在转向角范围内处于最大转向极限位置附近的转向角比值，无需考虑手动操作转向机构的转向角速度。
2.根据权利要求1的车辆转向控制系统，其中
配置转向角比值控制器以设置目标转向角比值和控制转向角比值改变机构而获取目标转向角比值，以及
进一步配置转向角比值控制器以设置目标转向角比值来改变附加转动角速度，该附加转动角速度为由转向角比值改变机构产生的转动角速度附加量，使得附加转动角速度在转向角范围内处于中间转向角位置附近增加，以及在转向角范围内处于最大转向极限位置附近减小。
3.根据权利要求2的车辆转向控制系统，其中
进一步配置转向角比值控制器以设置目标转向角比值，随着转向角的增加而逐渐减小附加转动角速度。
4.根据权利要求2的车辆转向控制系统，其中
进一步配置转向角比值控制器以维持附加转向角速度至一个值，该值小于或等于通过从由转向系统的链接效率和可变动力援助转向机构确定的最大可承受转动角速度中减去驾驶员所需的最小转向速度而得到的值。
5.根据权利要求4的车辆转向控制系统，其中
进一步配置转向角比值控制器以根据最大可承受转动角速度设置目标转向角比值，该最大可承受转动角速度根据车辆速度而变化。
6.根据权利要求5的车辆转向控制系统，其中
进一步配置转向角比值控制器以随着车辆速度的减少在转向角范围内处于转向中间位置附近增加附加转向角速度。
7.根据权利要求3的车辆转向控制系统，其中
进一步配置转向角比值控制器以维持附加转向角速度至一个值，该值小于或等于通过从由转向系统的链接效率和可变动力援助转向机构确定的最大可承受转动角速度中减去驾驶员所需的最小转向速度而得到的值。
8.根据权利要求7的车辆转向控制系统，其中
进一步配置转向角比值控制器以根据最大可承受转动角速度设置目标转向角比值，该最大可承受转动角速度根据车辆速度而变化。
9.根据权利要求8的车辆转向控制系统，其中
进一步配置转向角比值控制器以随着车辆速度的减少在转向角范围内处于转向中间位置附近增加附加转向角速度。
10.一种车辆转向控制系统，包括：
转向角比值改变装置，用于改变手动操作转向机构的转向角比值；
可变动力援助转向装置，用于输出辅助转向力至手动操作转向机构，该辅助转向力可补充驾驶员用于转动可转向车轮的转向力；
转向角检测装置，用于检测可转向车轮的转向角；以及
转向角比值控制装置，用于控制转向角比值改变装置，以增加在中间转向角范围内处于中间转向角位置附近的转向角比值，以及减少在转向角范围内处于最大转向极限位置附近的转向角比值，无需考虑手动操作转向机构的转向角速度。
11.一种车辆转向控制系统的控制方法，包括步骤：
改变手动操作转向机构的转向角比值；
选择性地输出可补充驾驶员用于转动可转向车轮的转向力的辅助转向力至手动操作转向机构；
检测可转向车轮的转向角；以及
控制转向角比值以增加在中间转向角范围内处于中间转向角位置附近的转向角比值，以及减少在转向角范围内处于最大转向极限位置附近的转向角比值，无需考虑手动操作转向机构的转向角速度。
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