CN1721251A - 用于机动车辆的转向装置以及转向比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机动车辆的转向装置，设置有改变车辆的车轮角度与方向盘角度之间的转向比的电驱动单元；检测所述电驱动单元的温度的温度传感器；以及控制单元，该控制单元包括：转向比特性设定模块，用以按照车辆的操作状态设定包括转向增益的和转向响应率的转向比的特性，且当所述电驱动单元的温度超过第一温度阈值时，以这样一种方式调整转向响应率，即，随着所述电驱动单元的温度升高，转向响应率更接近基准转向响应率值；以及驱动所述电驱动单元以按照转向比特性改变转向比的驱动模块。

Description

用于机动车辆的转向装置 以及转向比控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于机动车辆的转向装置，其具有诸如电马达等电驱动单元以改变车辆的转向比(方向盘角度与车轮角度之间的角度比)。本发明还涉及一种机动车辆的转向比控制方法。

背景技术

日本专利公开出版物No.2003-182622提出了一种用于机动车辆的转向装置，其配设有电马达以按照转向比特性改变车辆的转向比。例如当方向盘被固定或反复转动到最大转向位置时，存在电马达接受大的电流而过热的可能性。为了防止此种马达过热，上面提出的转向装置响应马达中的温度升高以这样一种方式调整转向比特性的转向增益R，即，使得转向增益接近其基准值(level)Rc(在此值处转向增益R不处于转向比控制状态)，如图6所示。

然而，在上面提出的转向装置中，转向增益R在中车速范围内基本上取接近基准值Rc的值，从而即使马达超过过热保护温度阈值Tth，转向增益R的调整量也很小。这导致较差的马达过热保护效果。

发明内容

因此，本发明的一项目的是提供一种用于机动车辆的转向装置，其中电驱动单元即电马达得以防止过热，而不论车辆的运行状态如何。

本发明的另一目的是提供一种机动车辆的转向比控制方法。

根据本发明第一方面，提供了一种用于机动车辆的转向装置，包括：电驱动单元，该电驱动单元改变车辆的车轮角度与方向盘角度之间的转向比；检测所述电驱动单元的温度的温度传感器；以及控制单元，该控制单元包括：转向比特性设定模块，该模块按照车辆的操作状态设定包括转向增益和转向响应率的转向比的特性，且当所述电驱动单元的温度超过第一温度阈值时，以这样一种方式调整转向响应率，即：随着所述电驱动单元的温度升高而转向响应率接近基准转向响应率值；以及驱动模块，其驱动所述电驱动单元以按照转向比特性改变转向比。

根据本发明第二方面，提供了一种用于机动车辆的转向装置，包括：电驱动单元，该电驱动单元能够改变车辆的车轮角度与方向盘角度之间的转向比；用于检测车辆行驶速度的装置；用于检测所述电驱动单元的温度的装置；用于按照车辆行驶速度设定包括转向增益和转向响应率的转向比特性的装置；用于判断所述电驱动单元的温度是否超过一给定温度阈值的装置；用于当所述电驱动单元的温度超过所述给定温度阈值时将转向响应率(response rate)从常规控制值改变到过热保护控制值的装置；以及用于产生所述电驱动单元的驱动信号、使得所述电驱动单元按照转向比特性改变转向比的装置。

根据本发明第三方面，提供了一种用于机动车辆的转向比控制方法，该机动车辆具有能够改变车辆的车轮角度与方向盘角度之间的转向比的电驱动单元，所述控制方法包括：检测车辆的行驶速度；检测所述电驱动单元的温度；按照车辆行驶速度设定包括转向增益和转向响应率的转向比特性；判断所述电驱动单元的温度是否超过一给定温度阈值；当所述电驱动单元的温度超过所述给定温度阈值时将转向响应率从常规控制值改变到过热保护控制值；以及向所述电驱动单元产生驱动信号使得所述电驱动单元按照转向比特性改变转向比。

附图说明

本发明的其他目的和特征通过下面的说明也将得以理解。

图1是根据本发明一示例性实施例的车辆转向装置的框图；

图2是由根据本发明一示例性实施例的车辆转向装置执行的马达过热保护控制的流程图；

图3是根据本发明一示例性实施例的车辆特性控制图，表明车辆横向摆动率与转向增益之间的关系；

图4是根据本发明一示例性实施例的车辆特性控制图，表明车辆横向摆动率与转向响应率之间的关系；

图5是表明根据本发明一示例性实施例的马达过热保护效果的曲线；

图6是表明根据先前技术的马达过热保护效果的曲线。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明。

参见图1，根据本发明一示例性实施例，提供了一种用于响应驾驶员的转向操作控制机动车辆的车轮8的转向装置，其包括：驾驶员操作的方向盘1、转向轴2、可变转向比机构3、小齿轮轴4、转向机5、转向横拉杆6、转向节臂7、控制单元13以及报警单元14。应当指出，虽然车辆具有四个车轮8，但图1中仅示出了前轮8。

方向盘1经由转向轴2连接于可变转向比机构3的输入侧，而车轮8经由小齿轮轴4、转向机5、转向横拉杆6和转向节臂7连接于可变转向比机构3的输出侧。

可变转向比机构3具有电马达9，作为在控制单元13的控制下进行操作的电驱动单元，以改变车辆的转向比，车辆的转向比定义为车轮8的转向角δm(下文简称为“车轮角度”)对方向盘1的转向角(下文简称为“方向盘角度”)θs的比值。电马达9的转动角度和方向用旋转编码器予以监测。

改变转向比的方法不予特别限制，且转向比可以通过已知方法进行改变。例如，可变转向比机构3具有连接于方向盘1的输入轴，输入轴中心可在预定范围(从A0到A2)内移动；以及连接于车轮8的输出轴，以便改变输入轴和输出轴之间的偏心率从而产生输入率和输出轴之间的相对转动角度差，如在日本专利公开出版物No.11-99956中所公开的那样，使得响应在电马达9的转动驱动力作用下可变转向比机构3的输入轴中心的移动，转向比在预定范围(从R0到R2)内变动。

如图1所示，车辆中还设置有安装于电马达9上以检测电马达9温度(下文称为“马达温度”)Tm的马达温度传感器10、安装于转向轴2上以检测方向盘角度θs的方向盘角度传感器、基于四个车轮8中任意一个的车轮转速检测车辆的行驶速度(下文称为“车速”)V的车速传感器12。这些传感器10-12与控制单元13连接，以便控制单元13接收有关温度Tm、方向盘角度θs以及车速V的输入。

控制单元13由例如微机构成，并予以编程以在接收到来自传感器10-12的检测信号时按照车辆的运行状态(诸如车速V)将车辆的转向比特性设定为两个因数、即转向增益R和转向响应率τ的函数，基于转向比特性确定目标转向比(δm/θs)，并随后产生控制指令以使电马达9实现目标转向比。作为实例，控制单元13可具有存储器，在其中存储转向增益和转向响应率特性图，以便按照车辆运行状态从相应特性图检索转向增益R和转向响应率τ，或者可以通过按照车辆运行状态进行计算获得转向增益R和转向响应率τ。

控制单元13还予以编程以根据马达温度Tm执行马达过热保护控制，以便防止电马达9在转向比控制下过热。在马达过热保护控制期间，控制单元13启动报警单元14，以便在马达温度Tm超过电马达9的最大操作温度极限值Tmax时向驾驶员发出报警。

参见图2，马达过热保护控制在本实施例中通过执行下述程序予以进行。

首先，控制单元13在步骤S1从车速传感器12读取车速V。

接着，控制单元13在步骤S2从方向盘角度传感器11读取方向盘角度θs。

然后，控制单元13在步骤S3从马达温度传感器10读取马达温度Tm。

在步骤S4，控制单元13判断马达温度Tm是否超过第一温度阈值T1。如果在步骤S4判断结果为否，则程序控制行进到步骤S5；如果在步骤S4判断结果为是，则程序控制行进到步骤S7。

第一温度阈值T1优选地设定为电马达9的使用寿命免受不利影响的温度值。由于在低车速范围内进行连续原地转向(stationary steering)时，很可能发生电马达9的过热，优选地，第一温度阈值T1随车速V的降低而降低。

在步骤S5，控制单元13按照车速V将转向增益R和转向响应率τ设定为相应的常规控制值Rn和τn。然后程序控制行进到步骤S6。

当车辆处于低速范围时，使得用于常规控制的转向增益Rn高于基准增益值Rc；当车辆处于中速范围时，使得用于常规控制的转向增益Rn接近基准增益值Rc；而当车辆处于高速范围时，使得用于常规控制的转向增益Rn低于基准增益值Rc。随着车速V降低，使得用于常规控制的转向响应率τn高于基准响应值τc。基准增益值Rc和基准响应值τc在此分别作为没有转向比控制下的转向增益R与基准响应率τ的常规值。即，当车辆处于低速范围时，用于常规控制的转向增益与响应因数Rn和τn两者都设定为高值，以便增加转向比并从而减小驾驶员的转向努力；而当车辆处于高速范围时，用于常规控制的转向增益与响应因数Rn和τn两者都设定为低值，以便减小转向比并从而防止过快或过急的车辆运动。这使得可以在原地(静止)转向状态下使转向性能可靠，而在车辆高速行驶状态下改善车辆稳定性。无论马达温度Tm如何，这些常规控制因数Rn和τn保持恒定。

在步骤S6，控制单元13根据方向盘角度θs、转向增益R与转向响应率τ确定车轮角度δm的目标值，并随后向电马达9产生驱动信号以便以实现预定车轮角度δm的方式驱动电马达9。车轮角度δm在此由下述表达式给出：

δm＝(R-1)×θs+τ×s×θs

式中，R是转向增益；θs是方向盘角度；τ是转向响应率；以及s是拉普拉斯算子。

在步骤S7，控制单元13判断马达温度Tm是否超过高于第一温度阈值T1的第二温度阈值T2。如果在步骤S7判断结果为否，则程序控制行进到步骤S8；如果在步骤S7判断结果为是，则程序控制行进到步骤S9。

第二温度阈值T2优选地设定为低于这样一个温度，在该温度下，转向装置不能够只通过调整转向响应率τ来防止电马达9的温度升高。还优选的是，第二温度阈值T2随车速V的降低而降低，因为电马达9的过热很可能由于在低车速范围内的连续原地转向而发生。

在步骤S8，控制单元13按照车速V将转向增益R设定为常规控制值Rn，但按照车速V和马达温度Tm将转向响应率τ设定为过热保护控制值τov。

当马达温度Tm升高时，以这样一种方式使得用于过热保护控制的转向响应率τov低于用于常规控制的转向响应率τn，该方式为使得过热保护控制的转向响应率τov接近基准响应值τc。

在步骤S9，控制单元13判断马达温度Tm是否超过马达操作温度极限Tmax。如果在步骤S9判断结果为否，则程序控制行进到步骤S10；如果在步骤S9判断结果为是，则程序控制行进到步骤S11。

优选地，马达操作温度极限值Tmax设定为电马达9不会即刻紧急停止的最大允许温度值。

在步骤S10，控制单元13根据车速V以及马达温度Tm不仅将转向响应率τ设定为过热保护控制值τov，而且将转向增益R设定为过热保护控制值Rov。

用于过热保护控制的转向增益值Rov随马达温度Tm以这样一种方式变化，使得在马达温度Tm增加时，用于过热保护控制的转向增益Rov比用于常规控制的转向增益Rn更接近基准增益值Rc。

在步骤S11，控制单元13使电马达9紧急停止并启动报警单元14以通过音响报警器或显示器告知驾驶员发生了电马达9的反常过热。

概括起来，转向装置中控制单元13的控制操作按照马达温度Tm分为下述四种情况。

当马达温度Tm低于或等于第一温度阈值T1时，程序控制经历步骤S1、S2、S3、S4、S5和S6。这样，控制单元13在步骤S5将转向增益R和转向响应率τ设定为常规控制值τn和Rn；在步骤S6，根据这些转向增益和响应因数Rn与τn确定目标车轮角度δm，并随后启动电马达9以获得目标车轮角度δm。

当马达温度Tm高于第一温度阈值T1而低于或等于第二温度阈值T2时，程序控制经历步骤S1、S2、S3、S4、S7、S8和S6。在这种情况下，控制单元13在步骤S8将转向增益R设定为常规控制值Rn并将转向响应率τ设定为过热保护控制值τov；在步骤S6，根据这些转向增益和响应因数Rn与τov确定目标车轮角度δm，并随后启动电马达9以获得目标车轮角度δm。

当马达温度Tm高于第二温度阈值T2而低于或等于马达操作温度极限值Tmax时，程序控制经历步骤S1、S2、S3、S4、S7、S9、S10和S6。因此，控制单元13在步骤S10将转向增益R和转向响应率τ设定为过热保护控制值Rov和τov；在步骤S6，根据这些转向增益和响应因数Rov与τov确定目标车轮角度δm，并随后启动电马达9以获得目标车轮角度δm。

当马达温度Tm高于马达操作温度极限值Tmax时，程序控制经历步骤S1、S2、S3、S4、S7、S9和S11。从而，在此情况下，控制单元13在步骤S11使电马达9紧急停止并使报警单元14向驾驶员发出报警。

于是，在恒定稳定车速V的条件下，如图5所示，转向响应率τ设定为恒定(设定于常规控制值τn)直到马达温度Tm达到第一温度阈值T1，并随后随着马达温度Tm变得高于第一温度阈值T1而(从常规控制值τn)朝向基准值τc逐渐减小。在恒定稳定车速V的条件下，转向增益R设定为恒定(设定于常规控制值Rn)直到马达温度Tm达到第二温度阈值T2，并随后随着马达温度Tm变得高于第二温度阈值T2而(从常规控制值Rn)逐渐调整到基准值Rc，如图5所示。

就对车辆运动状态的影响而言，调整转向增益R与调整转向响应率τ之间存在着差异。现在假定方向盘1在一个方向上然后在另一方向快速上转动。如图3所示，车辆横向摆动率方面的变化量与转向增益R成比例地变大，从而如图3所示车辆运动状态响应于转向增益R的增大发生更大的改变。这会对驾驶员造成较大的不适。如图4所示，响应于转向响应率τ的变化，车辆横向摆动率方面的变化量几乎保持相同，从而车辆运动状态不发生较大的改变，从而较少对驾驶员造成不适。

如已经在上面所讨论的，根据先前技术，转向比特性设定为转向增益(传动比)R的函数。对于转向比控制下的马达过热保护，在先前技术中甚至以这样一种方式来调整转向增益R，使得当马达温度变得高于过热保护温度阈值Tth(对应于本实施例的第二温度阈值T2)时转向增益R逐渐接近基准值Rc，直到达到最大操作温度极限值Tmax，如在日本专利公开出版物No.2003-182662中所公开并如图6所示的那样。不过，先前技术具有下述问题。

当车辆处于中速范围时，转向增益R基本上取接近于基准增益值Rc的值，如图6中的线(a)所标示的，从而即使电马达以可能发生马达过热的方式进行驱动，转向增益R的调整量也很小。因此，在先前技术中，电马达上的载荷不能减小以获得充分的马达过热保护效果。

在电马达过热的情况下，当车辆响应驾驶员的操作被加速或减速以便从中车速范围换档到高或低车速范围时，在先前技术中不能适当地进行转向比控制，如图6中的线(a)所标示的，这造成驾驶员的不适。

当车辆处于高速范围时，在先前技术中，转向增益R响应电马达9的过热而增加，如图6中的线(c)所标示的。这也造成驾驶员的很大不适。

另一方面，本实施例的转向装置构作成不仅以转向增益R接近基准增益值Rc方式调整转向增益R，而且以转向响应率τ接近基准响应值τc的方式调整转向响应率τ，如图5中线(a)所标示的。在本实施例中，电马达9上的载荷由于转向响应率τ的减小得以降低，从而即使在电马达9在中车速范围内以可能发生马达过热的方式进行驱动也能对电马达9提供充分过热保护效果。因此，可以确定地防止电马达9的过热，而无论车辆的运行状态如何。注意的是，在图2的程序中，步骤S4、S5和S7-10中的控制构成转向比特性设定程序块，而步骤S6中的控制构成马达驱动程序块。

此外，转向响应率τ在第一温度阈值T1处从常规控制值τn变成过热保护控制值τov，且随后，转向增益R在第二温度阈值T2(高于第一温度阈值T1)处从常规控制值Rn变成过热保护控制值Rov，如图5中的线(b)所标示的。换句话说，转向响应率τ在转向增益R开始朝基准增益值Rc调控之前就开始朝向基准响应值τc逐渐减小。这使得可以在转向比和过热保护控制期间使驾驶员的不适最小化并告知驾驶员转向装置正在更安全地接近其系统极限。

第一和第二温度阈值T1和T2随车速V的增加而增加，如图5中的线(c)所标示的，使得在本实施例中，当车速V降低时，转向增益R和转向响应率τ两者在较低的温度下开始受到控制。即使在电马达9过热的情况下车辆经历急剧加速，转向装置也可以随着车速V增加而获得更高的车辆转向响应。这使得可以在急剧减速期间(其中紧急程度低)提高电马达9的过热保护效果，并使得可以在高速行驶期间(其中紧急程度高)根据驾驶员的转向操作提高转向响应。

此外，在本实施例中，转向特性设定为满足表达式：δm＝(R-1)×θs+τ×s×θs。通过按照车速V和马达温度Tm调整转向增益R和转向响应率τ两者，车轮角度δm可以响应车辆的运行状态随方向盘角度θs适当地改变。

当马达温度Tm超过其操作温度极限值Tmax时，电马达9紧急停止。这使得可以确定地防止电马达9由于反常的马达过热而烧毁。注意的是，在图2的程序中，步骤S11中的控制构成停止程序块

日本专利申请No.2004-160936(2004年5月31日提出申请)的全部内容纳入本文引作参考。

虽然本发明已经参照本发明的一项特定实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据上面的教导将构想出上述实施例的各种修改和变型。

例如，虽然在上述实施例中马达温度传感器10安装于电马达9上以通过实际测量来直接检测马达温度Tm，但马达温度Tm可以另外根据电马达9端子之间的电阻、即电马达9端子之间的电压或电流进行计算。

在上述实施例中，第一和第二温度阈值T1和T2随着车速V降低而设定得较低。不过，第一和第二温度阈值T1和T2中的至少一个可以另外设定为固定值。

转向比控制可以按照车辆的运行状态进行，车辆的运行状态不仅包括车速V，而且还包括任何其他车辆操作参数，例如横向摆动率、路面与轮胎之间的摩擦系数以及车辆加速度或减速度。

本发明的范围参照所附的权利要求限定。

Claims (13)

1.一种用于机动车辆的转向装置，包括：

电驱动单元，其改变车辆的车轮角度与方向盘角度之间的转向比；

检测所述电驱动单元的温度的温度传感器；以及

控制单元，该控制单元包括：

转向比特性设定模块，该模块按照车辆的操作状态设定包括转向增益和转向响应率的转向比的特性，且当所述电驱动单元的温度超过第一温度阈值时，以这样一种方式调整转向响应率，即，随着所述电驱动单元的温度升高，转向响应率更接近基准转向响应率值；

驱动模块，其驱动所述电驱动单元以按照转向比特性改变转向比。

2.如权利要求1所述的转向装置，其中所述转向比特性设定模块以这样一种方式调整转向增益，即：在所述电驱动单元的温度超过高于第一温度阈值的第二温度阈值时，转向增益随着所述电驱动单元的温度升高而更接近基准转向增益值。

3.如权利要求2所述的转向装置，还包括检测车辆行驶速度的车速传感器，其中随着车辆行驶速度变低所述第一温度阈值降低。

4.如权利要求2所述的转向装置，还包括检测车辆行驶速度的车速传感器，其中随着车辆行驶速度变低所述第二温度阈值降低。

5.如权利要求1所述的转向装置，其中所述转向特性由下述表达式给出：

δm＝(R-1)·θs+τ·s·θs

式中，δm是车轮角度；R是转向增益；θs是方向盘角度；τ是转向响应率；以及s是拉普拉斯算子。

6.如权利要求1所述的转向装置，其中所述控制单元还包括停止模块，在所述电驱动单元超过其最大操作温度极限值时该停止模块停止所述电驱动单元。

7.如权利要求1所述的转向装置，其中所述电驱动单元是电马达。

8.一种用于机动车辆的转向装置，包括：

电驱动单元，其能够改变车辆的车轮角度与方向盘角度之间的转向比；

用于检测车辆行驶速度的装置；

用于检测所述电驱动单元的温度的装置；

用于按照车辆行驶速度设定包括转向增益和转向响应率的转向比特性的装置；

用于判断所述电驱动单元的温度是否超过一给定温度阈值的装置；

用于当所述电驱动单元的温度超过所述给定温度阈值时将转向响应率从常规控制值改变到过热保护控制值的装置；以及

用于向所述电驱动单元产生驱动信号、使得所述电驱动单元按照转向比特性改变转向比的装置。

9.如权利要求8所述的转向装置，其中转向响应率的过热保护控制值随所述电驱动单元的温度以这样一种方式改变，即：随着所述电驱动单元的温度升高，转向响应率的过热保护控制值比转向响应率的常规控制值更接近转向响应率的基准值。

10.如权利要求8所述的转向装置，还包括：

用于判断所述电驱动单元的温度是否超过高于首先提到的温度阈值的第二温度阈值的装置；以及

当所述电驱动单元的温度超过所述第二温度阈值时用于将转向增益从常规控制值改变到过热保护控制值的装置。

11.如权利要求10所述的转向装置，其中转向增益的过热保护控制值随所述电驱动单元的温度以这样一种方式改变，即：随着所述电驱动单元的温度升高，转向增益的过热保护控制值比转向增益的常规控制值更接近转向增益的基准值。

12.如权利要求8所述的转向装置，还包括：

用于判断所述电驱动单元的温度是否超过最大操作温度极限值的装置；以及

当所述电驱动单元的温度超过所述最大操作温度极限值时用于产生停止信号以使所述电驱动单元紧急停止的装置。

13.一种用于机动车辆的转向比控制方法，该车辆具有能够改变车辆的车轮角度与方向盘角度之间的转向比的电驱动单元，所述控制方法包括：

检测车辆的行驶速度；

检测所述电驱动单元的温度；

按照车辆行驶速度设定包括转向增益和转向响应率的转向比特性；

判断所述电驱动单元的温度是否超过一给定温度阈值；

当所述电驱动单元的温度超过所述给定温度阈值时将转向响应率从常规控制值改变到过热保护控制值；以及

向所述电驱动单元产生驱动信号使得所述电驱动单元按照转向比特性改变转向比。

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