CN101332834B - 电动力转向***的控制设备 - Google Patents

Abstract

电动力转向***的控制设备。本发明涉及一种控制电动力转向***的电机以辅助操作者转向的控制设备。该控制设备包括传感器、参数计算机、差分计算机、目标转矩计算机和电机驱动器。参数计算机参考运动方程基于传感器确定的转向参数，计算电动力转向***组件之一的物理参数之一的当前数值。差分计算机计算由参数计算机计算给出的物理参数之一的当前数值与物理参数之一的预定数值之间的差值。目标转矩计算机计算用于补偿物理参数之一的当前数值与预定数值之间差值的电机目标转矩。

Description

电动力转向***的控制设备

技术领域

本发明涉及电动力转向***的控制设备和方法，该转向***由电机向车辆转向***传输机械功率以降低所需的转向转矩，尤其涉及自动补偿车辆上安装的电动力转向***转向特性的改变以维持电动力转向***的输入-输出特性的方法和设备，该转向特性的改变由于部件随着时间的推移年久损坏引起。

背景技术

电动力转向***包括以这样的方式来协助车辆操作者进行转向的电动机，其中所谓的作为驱动力的辅助转向转矩在控制装置的控制下响应于操作者的转向操作由电动机施加。传统的电动力转向***确定了基于由车辆操作者对转向轴施加的转向转矩的辅助转向转矩，其中转向轴连接到转向轮上，并控制了基于辅助转向转矩的连接到转向***的电动机的输出转矩。

操作者的转向感由转向特性所确定，而转向特性由车辆操作者施加的转向转矩与用于协助操作者转向操作的电动机输出转矩之间的关系表示，输出转矩在电动力转向***的控制装置中作为图形存储。通常来说，在带有电动力转向***的车辆由卖主交付给用户之前，转向特性已经得到并最优化。尽管如此，电动力转向***长时间的使用会导致操作者转向感变坏，这是因为转向***的机械特性例如转向轴、电机轴等的粘滞摩擦系数发生了改变。

Yasuda在公开号为2002-293257的日本专利申请以及相应的美国专利No.6,594,569中公开了用于设置电动力转向***的转向特性的装置和方法。在该装置中，带有该装置的车辆的操作者可以观察转向特性图表，其在车辆操作过程中在图表显示屏上展示了例如，由操作者施加的转向转矩与供应给电动力转向***的电动机以辅助操作者转向的电机电流的目标值之间的关系，转向轮角度与电机电流目标值之间的关系，以及转向轮角速度与电机电流目标值之间的关系。转向特性图表作为辅助图形存储在电动力转向***的存储器中。此外，操作者可以复位、改变和编辑转向特性图表以改变转向特性和转向感。进行转向特性图表的编辑是为了根据车辆模型、操作者的喜好以及例如车辆承载重量以及电动力转向***使用时间这样的车辆行车条件，来获得最优的转向感。特别是，有可能复位转向特性以回到卖主将带有电动力转向***的车辆交付给用户之前所设置的默认特性。

尽管如此，在该装置中，操作者需要通过自己手动改变转向特性图表以将转向特性调节到操作者满意的值。这样也可能有由于不熟悉编辑操作而不能容易及迅速地对转向特性图表进行编辑的操作者存在。此外，不容易微调转向特性来复位转向特性图表，以获得默认特性。

此外，Kifuku在公开号为2000-103349的日本专利申请以及相应的美国专利No.6,876,910中公开了一种安装在车辆上的电动力转向***，其中电动机通过估计动力转向***的静摩擦力、库仑摩擦力、粘滞摩擦力和惯性以及补偿这些摩擦力和惯性来辅助转向转矩，从而改善车辆操作者的转向感。

电动力转向***包括一台单独驱动的直流电动机，其响应于输入电流I_in产生转向助力以辅助由操作者对转向轮进行操作引起的转向转矩。转向助力基于施加到连接转向轮的转向轴的转向转矩、车速、电机角速度和角加速度而确定。电机的角速度和角加速度基于电机中流动的电机电流和施加的电压估计得到。电机的输入电流I_in通过将静摩擦补偿电流I_f、库仑摩擦补偿电流I_C、粘滞摩擦补偿电流I_d、惯性补偿电流I_j和辅助电流I_X全部相加得到。

静摩擦补偿电流I_f基于动力转向***静摩擦力的估计值计算得出，静摩擦力的估计值由操作者输入到转向***的转向转矩估计得出。静摩擦力的估计值基于静摩擦力影响操作者转向感的事实进行估计，例如，当操作者尤其是在转向轮中性位置周围开始操纵转向轮时，操作者会有一种不舒适的感觉，好像转向轮被粘住了。因此，静摩擦力的估计值由转向转矩随着时间的变化计算得到。当电机角速度超过预定值时，库仑摩擦补偿电流I_C具有恒定数值。粘滞摩擦补偿电流I_d与电机角速度成线性比例。惯性补偿电流I_j与电机角加速度成线性比例。辅助电流I_X基于车速和由车辆操作者输入到转向轮的转向转矩计算得出。

尽管如此，库仑摩擦补偿电流I_C的恒定数值、粘滞摩擦补偿电流I_d与电机角速度之间的关系、惯性补偿电流I_j与电机角加速度之间的关系以及辅助电流I_X与车速和转向转矩两者之间的关系是预先确定的，这样使得由于转向***组件机械性能的恶化引起的转向***上述的摩擦力和惯性数值的变化没有被纳入考虑，该性能的恶化由转向***长期使用引起。此外，仅有静摩擦力的数值是直接估计得出。因此，库仑摩擦力和粘滞摩擦力的明确数值没有得到。因此，当转向***的机械特性例如转向轴、电机轴等的粘滞摩擦力的数值发生变化时，操作者的转向感被削弱。

此外，即使将Yasuda与Kifuku的技术结合起来，目前也不能得到这样一种装置来自动补偿安装在车辆上的电动力转向***随着时间推移由于部件年久损坏而引起的转向特性的变化，从而维持电动力转向***参数的最优值。

因此，需要得到一种方法和装置以补偿安装在车辆上的电动力转向***随着时间推移由于部件年久损坏而引起的转向特性的变化，这样即使在电动力转向***使用很长一段时间之后也可以保持操作者舒适的转向感。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出，因此本发明的目的是提供一种补偿车辆上安装的电动力转向***随着时间推移转向特性改变的方法和装置，以自动维持设置为默认值的电动力转向***参数的最优值。

根据本发明的第一方面，提供了一种控制电动力转向***的电机以辅助操作者转向的控制设备。该控制设备包括传感器、参数计算机、差分计算机、目标转矩计算机和电机驱动器。传感器确定表示操作者转向操作状况的转向参数。参数计算机在操作者转向操作过程中，基于传感器确定的转向参数，在满足一个电动力转向***的运动方程的情况下计算电动力转向***组件之一的物理参数之一的当前数值，其中所述组件之一被视为刚体，所述组件之一包括该物理参数。差分计算机计算由参数计算机计算给出的物理参数之一的当前数值与物理参数之一的预定数值之间的差值。目标转矩计算机计算用于补偿物理参数之一的当前数值与预定数值之间差值的电机目标转矩。电机驱动器驱动电机产生目标转矩，以使得尽管物理参数数值改变仍可以维持操作者的转向感。

因此，即使电动力转向***的长期使用导致其组件的损坏，仍可以维持在车辆交付之前设置的操作者的最优转向感。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制设备，其包括传感器、参数计算机、差分计算机、目标转矩计算机和电机驱动器，其中参数计算机实施一种联机的识别技术以基于运动方程和传感器确定的转向参数，计算电动力转向***组件之一的物理参数的当前数值。

根据本发明的第二方面，提供一种控制电动力转向***的电机以辅助操作者转向的方法。该方法包括以下步骤：确定表示操作者转向操作状况的转向参数；在操作者转向操作过程中，基于转向参数在满足一个电动力转向***的运动方程的情况下计算电动力转向***组件之一的物理参数之一的当前数值，其中所述组件之一被视为刚体，所述组件之一包括该物理参数；计算物理参数之一的当前数值与物理参数之一的预定数值之间的差值；计算用于补偿物理参数之一的当前数值与预定数值之间差值的电机目标转矩；驱动电机产生目标转矩作为电机的输出转矩，以使得尽管物理参数数值改变仍可以维持操作者的转向感。

因此，即使电动力转向***的长期使用导致其组件的损坏，仍可以维持在车辆交付之前设置的操作者的最优转向感。

附图说明

通过下文给出的具体描述以及本发明优选实施例的附图可以更为完全地理解本发明，而不是将发明限制到特定的实施例，仅是用于解释和理解。

其中：

图1是展示根据本发明的电动力转向***整个结构的图表；

图2是展示电动力转向***控制器的电路结构的简图；

图3是流程图，用于解释在电动力转向***控制器预定的控制周期下重复实施的工序运转，以确定由电机施加到小齿轮轴的辅助转矩，从而辅助操作者的转向操作；

图4A到4D是用于展示转向轮旋转角度与车辆操作者施加转向转矩之间关系的李萨如图形(Lissajous’ figure)，其中转向转矩的变化为随时间变化的正弦波，正弦波的频率分别为0.2Hz，0.5Hz，1.0Hz，1.8Hz；

图5A是显示转向轮旋转角度变化的图，转向轮旋转角度是可以由操作者随时间确定的转向参数之一；

图5B是显示由车辆操作者施加的转向转矩随时间变化的曲线图；

图6A是显示转向轮第一惯性的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图；

图6B是显示电动力转向***几乎全部惯性的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图；

图6C是显示转向轮第一粘滞摩擦系数的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图；

图6D是显示电动力转向***几乎全部摩擦系数的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图；

图6E是显示转矩传感器扭力杆的第一弹簧常数的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图；

图6F是显示电动力转向***的几乎全部弹簧常数的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图；

图7A到7D是用于展示转向轮旋转角度与车辆操作者施加转向转矩之间关系的李萨如图形，其中由于电动力转向***长期使用引起部件年久损坏，从而导致转向轮的第一粘滞摩擦系数增加了900％。转向转矩的变化也是随时间变化的正弦波，正弦波的频率分别为0.2Hz，0.5Hz，1.0Hz，1.8Hz；

图8A是显示转向轮第一惯性的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图，其中假设由于电动力转向***长期使用引起部件年久损坏，从而导致转向轮的第一粘滞摩擦系数增加了900％；

图8B是显示电动力转向***的几乎全部惯性的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图，其中假设转向轮的第一粘滞摩擦系数增加了900％；

图8C是显示转向轮的第一粘滞摩擦系数的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图，其中假设转向轮的第一粘滞摩擦系数增加了900％；

图8D是显示电动力转向***几乎全部摩擦系数的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图，其中假设转向轮的第一粘滞摩擦系数增加了900％；

图8E是显示转矩传感器扭力杆的第一弹簧常数的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图，其中假设转向轮的第一粘滞摩擦系数增加了900％；

图8F是显示电动力转向***几乎全部弹簧常数的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的曲线图，其中假设转向轮的第一粘滞摩擦系数增加了900％；和

图9A到9D是由控制器得到的李萨如图形，其具有更新的增益值，并具有第二放大器，用于显示转向轮旋转角度与操作者施加转向转矩之间的关系，其中转向转矩的变化为随时间变化的正弦波，正弦波的频率分别为0.2Hz，0.5Hz，1.0Hz，1.8Hz。

具体实施方式

下文将结合附图对根据本发明的优选实施例进行描述，该优选实施例描述了一种由电机向车辆转向***传输机械功率以降低所需的转向转矩的电动力转向***的控制设备和方法。在所有附图中相同部分由相同附图标记表示。对于优选实施例的描述实际上仅仅用于示范，并不是用于对发明、其应用或使用进行限制。

附图1示意性示出了根据本发明的电动力转向(EPS)设备1的整体结构。在安装在车辆上由操作者操作的EPS***1中，由操作者施加的转向轮3的转向转矩通过输入轴5和小齿轮9的轴传输到齿轮-齿条式齿轮7a。输入轴5和小齿轮9的轴形成了转向轴8，并通过扭力杆互相连接。扭力杆根据转向转矩变形。小齿轮9的轴受到的旋转力在齿条7轴的方向转化为线性运动，以使得通过转向横拉杆车辆车轮的行驶方向被与齿条7轴线性运动的长度成比例的角度改变。

同时，旋转转矩传感器4a和转向轮角度传感器4b安装到转向轴8的输入轴5上，并连接到EPS控制器100。旋转转矩传感器4a基于扭力杆扭曲的方向和数值确定施加到转向轴8的旋转转矩T_sn，并输出指示扭曲方向和数量的第一信号。例如，转矩传感器4a是磁类型，其被设置成探测由输入轴5和小齿轮9的轴之间的相对旋转角确定的磁阻。转向轮角度传感器4b探测转向轮3的转向角θ_s，并输出指示转向轮3的转向角θ_s的第二信号。

小齿轮9的轴通过齿轮6接受电机2产生的旋转转矩。由电机6产生的旋转转矩辅助操作者进行转向操作。电机6由控制器100控制，而转向转矩传感器4c确定操作者施加到转向轮3的转向转矩T_s，并输出指示转向转矩T_s的第三信号。第一旋转角度传感器4d连接到电机2上以确定电机2的电机轴的第一旋转角度θ_m，并输出指示电机2的电机轴的第一旋转角度θ_m的第四信号。电机2的旋转以减速比n传输到小齿轮9的轴上。

第二旋转角度传感器4e连接到小齿轮9的轴上以确定小齿轮9轴的第二旋转角度θ₀，并输出指示小齿轮9轴的第二旋转角度θ₀的第五信号。

控制器100接收指示扭曲方向和数值的第一信号，由此得到旋转转矩T_sn，以及接收指示转向轮3的转向角度θ_s的第二信号、指示转向转矩T_s的第三信号、指示电机2的第一旋转角度θ_m的第四信号和指示小齿轮9轴的第二旋转角度θ₀的第五信号，并输出供给电机2的电流i_a(下文中称为“电机电流”)。电机电流i_a确定了辅助操作者转向操作的辅助转矩。

电机2连接到例如第一电机转矩传感器这样的传感器上是被允许的，其中第一电机转矩传感器确定了电机2的输出转矩，活塞9的轴连接到第二电机转矩传感器，所述第二电机转矩传感器确定了由齿轮6放大的电机的被传递的功率，电机2连接到电流传感器，所述电流传感器确定了在电机2中流动的内部电流等等。

图2是显示电动力转向***1的控制器100的电路结构的方框图。

控制器100包括电机电流确定部分110，参数估计部分120，以及增益控制部分130。电机电流确定部分110包括电机驱动器。参数估计部分120被设置成实现参数计算机和差分计算机的功能。增益控制部分130对应于目标转矩计算机。

电机电流确定部分110输出施加到电机6的电机电流i_a，并将辅助转矩的目标值确定为旋转转矩T_sn和转向轮3的转向角度θ_s的函数，其中旋转转矩T_sn由转向转矩传感器4a确定，转向角度θ_s由转向轮角度传感器4b确定。

电机电流确定部分110包括差分计算器(differential calculator)111、第一放大器112、第二放大器113以及比例积分微分(PID)控制器114。差分计算器111从转向轮角度传感器4b接收指示转向轮3的转向角度θ_s的第二信号，并输出转向角度θ_s的微分值

第一放大器112通过增益K₁放大转向角度θ_s的数值以输出指示增益微分值

的第一放大信号。第二放大器113通过增益K₂放大由差分计算器111得到的转向角度θ_s的微分值以输出指示增益值K₂θ_s的第二放大信号。

PID控制器114接收第一放大信号和第二放大信号的和。和

确定了电机2的输出转矩的目标值T_snref，PID控制器114计算并对电机2输出电流i_a，以消除电机2输出转矩的目标值T_snref与由转向转矩传感器4a确定的旋转转矩T_sn之间的差值。由控制器100的PID控制器114输出的电流i_a驱动电机2产生辅助操作者转向操作的辅助转向转矩。

如上所述，辅助转向转矩被确定为电机2输出转矩的目标值T_snref的函数，并且当第一放大器112的增益K₁与第二放大器113的增益K₂之中的至少一个发生改变时目标值T_snref发生变化。第一放大器112的增益K₁与第二放大器113的增益K₂被设置为默认值，这些默认值在车辆交付给用户之前使得操作者具有最优的转向感。

尽管如此，电动力转向***1的长时间使用导致操作者的转向感变坏。控制器100包括参数估计部分120和增益控制部分130以维持操作者的转向感，这是由于以这样的方式来开始使用电动力转向***1，即根据操作者转向感的变坏情况来改变第二放大器113的增益K₂。操作者的转向感由车辆操作者施加的旋转转矩T_sn与由齿轮6放大的电机2的被传递功率之间的关系确定，被传递功率用于辅助操作者的转向操作。通常情况下，由于引起电动力转向***1组件的机械特性恶化的所谓的部件年久损坏，该关系随时间而改变，例如，转向轮3与输入轴5之间的动力传递特性等等。第二放大器113的增益K₂的改变补偿了电动力转向***1的机械特性的恶化。

在本实施例中，只有第二放大器113的增益K₂改变。尽管如此，将第一放大器112的增益K₁和第二放大器113的增益K₂两者都进行改变以维持操作者的转向感也是允许的。

控制器100包括完全控制控制器100并容纳存储器的中央处理器，存储器包括只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)例如EEPROM、电机驱动器以及接口控制器。电机驱动器基于CPU施加的控制信号驱动电机6。ROM存储控制程序，RAM暂时存储控制器100的输入信号，包括指示扭曲方向和数值的第一信号，旋转转矩T_sn由此得到，以及指示转向轮3的转向角度θ_s的第二信号、指示转向转矩T_s的第三信号、指示电机2的第一旋转角度θ_m的第四信号和指示小齿轮9轴的第二旋转角度θ₀的第五信号。

参数估计部分120存储参数估计程序，该程序基于控制器100的输入信号估计电动力转向***1的至少一个物理参数：

转向轮3的第一惯性J_s，

小齿轮9轴的第二惯性J₀，

电机6轴的第三惯性J_m，

转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s，

小齿轮9轴的第二粘滞摩擦系数C₀，

电机6的第三粘滞摩擦系数C_m，

齿条7的第四粘滞摩擦系数C_R，

扭力杆的第一弹簧常数K_T，

齿条7的第二弹簧常数K_R，

转向轮3的第一库仑摩擦系数F_Cs，

小齿轮9轴的第二库仑摩擦系数F₀，

齿轮减速比n，

相对行程p，

转矩常数K_ir，和

齿条7的质量M_R，

相对行程p也称为齿条增益，其被定义为当小齿轮9旋转360度时齿条7的运动长度。利用上述的物理参数，电动力转向***1的组件运动方程可写成如下的形式：

$T_s=J_s{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_s+C_s{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_s+T_{\mathrm{sn}}+F_{\mathrm{Cs}},---\left(1\right)$

T_sn＝K_T(θ_s-θ₀)，    (2)

$n{K}_{\mathrm{ir}}{i}_a+K_T{\mathrm{\θ}}_s=J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_0+C{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_0+K{\mathrm{\θ}}_0+F_0,---\left(3\right)$

θ_m＝nθ₀，

其中，在方程(3)中，

$J=J_0+n^2{J}_m+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{M}_R,--\left(5\right)$

$C=C_0+n^2{C}_m+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{C}_R,---\left(6\right)$

$K=K_T+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{K}_R,---\left(7\right)$

在上述的方程中，

＝s或0，表示θ_X的时间导数dθ_x/dt。此后，方程(5)所定义的J将被称为几乎全部的惯性，其包括小齿轮9轴的第二惯性J₀、电机6轴的第三惯性J_M和齿条7的质量M_R。方程(6)定义的C将被称为几乎全部的摩擦系数，其包括小齿轮9轴的第二粘滞摩擦系数C₀、电机6的第三粘滞摩擦系数C_m和齿条7的第四粘滞摩擦系数C_R，方程(7)定义的K将被称为几乎全部的弹簧常数，其包括扭力杆的第一弹簧常数K_T和齿条7的第二弹簧常数K_R。

方程(1)表示转向轮3的运动方程，其中转向轮3被视为具有第一惯性J_s的刚体。方程(1)右侧的第二部分代表在转向轮3旋转过程中产生的粘滞摩擦力，其用于阻止转向轮3旋转，即粘滞摩擦力被施加在转向轮3旋转的相反方向。通常情况下，粘滞摩擦力的大小与刚体速度成比例，而库仑摩擦力的大小是恒定不变的，与刚体速度无关。因此，表示转向轮3的第一库仑摩擦系数F_Cs大小的方程(1)右侧的第四部分与转向轮3的速度

无关。

方程(2)表示转向转矩传感器4a的输入-输出关系。旋转转矩T_sn与转向轮3的转向角度θ_s与小齿轮9轴的第二旋转角度θ₀之间的差值成比例。

方程(3)表示输入轴5、转向转矩传感器4a与小齿轮9的运动方程，方程(3)左侧的第一部分表示从电机2通过齿轮6施加到小齿轮9的旋转转矩。旋转转矩nK_iri_a与电机电流i_a成比例。

方程(4)表示齿轮6的输入-输出关系，其表示电机2的旋转由齿轮6进行减速并随后传输到小齿轮9的事实。

物理参数的默认值由试验确定。

在方程(1)到(4)中，

旋转转矩T_sn、转向轮3的转向角度θ_s、转向转矩T_s、电机2的第一旋转角度θ_m、小齿轮9轴的第二旋转角度θ₀以及电机电流i_a被称作转向参数。参数估计部分120接收表示转向参数的第一到第五信号并估计至少一个物理参数。

转向参数并不是线性无关的，因为方程(4)表示电机2的第一旋转角度θ_m和小齿轮9轴的第二旋转角度θ₀并不是线性无关的。因此，并不需要输入所有的五个信号来对物理参数进行评估。

在目前的实施例中，使用在线递归最小二乘法来基于转向参数θ_s、T_s、θ_m、θ₀和i_a估计物理参数。

在通过参数估计部分120对物理参数进行估计的过程中，允许参数估计部分120监控和存储物理参数的历史数据，以用于具有改进精度的估计。

在下文中，将简要描述在线递归最小二乘法。

在线递归最小二乘法是线性回归模型的估计方法之一。线性回归模型通常由具有离散时间变量t形成的方程来表示：

(8)

其中

是时刻t处的向量数据，θ(t)是未知参数向量，y(t)是下一时刻t+1的估计向量。递归最小二乘法的主要目的是估计未知参数向量θ(t)。

为了对未知参数向量θ(t)进行估计，在递归最小二乘法中，费用函数J(θ)被最小化，其中

其中κ是指数加权系数，其有效地限制了方程(9)中时间总和中的项数，基于此，费用函数J(θ)被最小化。

通过对费用函数J(θ)取偏微分，并将结果设为0，实现费用函数J(θ)的最小化。由此，得到以下的关系式：

其中P(t)由

定义。

在线递归最小二乘法中，方程(1)可以以下面的方式阅读：

y(t)＝T_S-T_sn        (13)

θ(t)＝[J_s，C_s]^T    (15)

当得到转向轮3的转向角度θ_s和它的时间导数时，在在线递归最小二乘法中使用方程(13)到(15)，转向轮3的第一惯性J_s和第一粘滞摩擦系数C_s可以基于操作者施加到转向轮3的转向转矩T_s和由转向转矩传感器4a确定的旋转转矩T_sn估计得出。

方程(2)可以在如下所述的在线递归最小二乘法的背景中阅读：

y(t)＝T_sn，    (16)

因此，当得到转向轮3的转向角度θ_s和小齿轮9轴的第二旋转角度θ₀时，基于旋转转矩T_sn估计出扭力杆第一弹簧常数K_T的值是可能的。

方程(3)可以在如下所述的在线递归最小二乘法的背景中阅读：

y(t)＝K_Tθ_s+nK_iri_a，    (18)

因此，估计出方程(5)到(7)定义的J、C、K的值是可能的。

在上文的讨论中，应用在线递归最小二乘法来估计由于部件年久损坏由默认值发生改变的物理参数。物理参数值的改变导致操作者的转向感变坏。

当估计到物理参数数值由默认值发生改变时，这些改变可以通过将电机电流i_a调整到目标值得到补偿，该目标值被确定用来补偿物理参数值的变化。尽管如此，处于下述工况之一时需要操作者操作转向轮3来使用在线递归最小二乘法：

(i)当具有电动力转向***1的车辆进行常规维修时，维修工程师手动操作转向轮3或者使用例如电机的工具自动操作转向轮3，

(ii)当车辆不运转时，例如车辆在停车时，车辆操作者手动操作转向轮3或者使用例如电机的工具自动操作转向轮3，或者

(iii)当车辆行驶时，操作者操作转向轮3以改变车辆行驶的方向。

在当前的实施例中，控制器100的参数估计部分120在上述的工况(iii)下对物理参数进行估计。即，控制器100可以获得物理参数的精确当前值。尽管如此，为了利用在线递归最小二乘法精确估计物理参数，需要满足工况的要求。在当前实施例中，工况表明转向轮3在这样的方式下操作，即在预定的时间范围内转向角度θ_s的微分值

是恒定不变的。在操作者操纵车辆行驶时，转向轮3的运转并不是非常平滑的，并且工况的满足情况可以自动探测得出。如果可以牺牲估计的准确性，则可以不考虑工况的要求。

用于估计电动力转向***1的物理参数的在线递归最小二乘法通过在存储器中存储的参数估计程序定义。

增益控制部分130参考增益K₂与物理参数默认值之间的关系，确定了第二放大器113的增益K₂。该关系作为辅助图形(表格)存储在存储器中。物理参数的默认值已被预先确定以使操作者获得最优化的转向感。因此，当物理参数值相对于默认值的改变可由参数估计部分120得到时，用于补偿物理参数值改变的增益K₂的目标值可由增益控制部分130确定得出。增益控制部分130被配置用来向第二放大器113输出指示增益K₂的增益控制信号。

当第二放大器113接收到增益控制信号并对增益K₂的值进行更新时，第二放大信号同样被更新，PID控制器114基于

的和来计算电机2输出转矩的更新目标值T_snref，并输出更新后的电机电流i_a。

附图3是流程图，用于解释在电动力转向***1的控制器100预定的控制周期下重复实施的工序运转，以确定由电机2输出转矩的目标值T_snref。

在步骤S10中，参数估计部分120确认实施物理参数评估的工况是否满足，其中工况表示转向轮3在这样的方式下操作，即在预定的时间范围内转向角度θ_s的微分值

是恒定不变的。如果在步骤S10中确认的结果是“否”，即工况不满足，程序重复实施步骤S10中的确认操作，直到确认结果变为“是”为止。如果步骤S10中的确认结果是“是”，即表示工况满足，程序继续到步骤S20。

在步骤S20中，参数估计部分120基于五个转向参数θ₀以及电机电流i_a、利用上述的在线递归最小二乘法估计至少一个物理参数，例如转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s等等，所述五个转向参数为旋转转矩T_sn、转向轮3的转向角度θ_s、转向转矩T_s、电机2的第一旋转角度θ_m、小齿轮9轴的第二旋转角度。在应用在线递归最小二乘法的过程中，方程(1)到(7)被假定为电动力转向***1的运动方程。程序继续到步骤S30。

在步骤S30中，增益控制部分130计算变化率，其通过用一个物理参数的变化除以之前控制循环中实施的操作运转中得到的一个物理参数的初始值计算得出。其中一个物理参数对操作者转向感影响最大，例如，本实施例中的转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s。

此外，在步骤S30中，增益控制部分130确认特殊物理参数的变化率是否大于预定的参考值。如果步骤S30中确认的结果是“是”，即一个物理参数的变化率大于预定的参考值，程序继续到步骤S40。与之相对照的是，如果步骤S30中确认的结果是“否”，即一个物理参数的变化率不大于预定的参考值，程序跳转到步骤S10，其确定实施物理参数评估的工况是否满足。

用特殊物理参数变化的绝对值与参考值比较来取代确定特殊物理参数的变化率是否大于预定的参考值是允许的。

在步骤S40中，增益控制部分130根据辅助图形对增益K₂进行更新，其中辅助图形中包括了增益K₂与物理参数默认值之间的关系。

如上文所述，根据本实施例的控制器100涉及为电动力转向***1建立数学模型的方程(1)到(7)。运动方程(1)到(7)描述了连贯的关系，例如，一个转向参数例如由转向轮角度传感器4b确定的转向角度θ_s的非零值导致对另一转向参数例如电机电流i_a的限制，其中电机电流i_a通过例如运动方程(3)供给电机2。

转向参数由安装在电动力转向***1上的传感器确定，例如，转向转矩传感器4a施加到转向轴8的旋转转矩T_sn，转向轮角度传感器4b检测转向轮3的转向角度θ_s等等。

控制器100的参数估计部分120基于转向参数利用在线递归最小二乘法对物理参数进行递归估计。此外，增益控制部分130计算物理参数的当前值与默认值之间的差值，并根据增益K₂与物理参数的默认值之间的关系来确定输出的第二放大器113的增益K₂。

当增益K₂被更新后，PID控制器114基于

的和的更新值来计算电机2输出转矩的更新目标值T_snref，并输出更新后的电机电流i_a以补偿物理参数值的改变，该改变是由于电动力转向***1组件中部件年久损坏造成的。因此，即使电动力转向***1的长期使用造成其组件的损坏，仍可以维持车辆交付之前所设定的最优化的操作者转向感。

(控制设备的操作和优点)

在附图4A到11D中，将对控制器100与电动力转向***1的方法的操作和优点进行解释，电动力转向***1由电机6向车辆转向***传输机械功率以降低所需的转向转矩T_sn。

在下文中，控制器100的参数估计部分120基于涉及运动方程(1)到(7)的转向参数、利用在线递归最小二乘法对物理参数进行递归估计，当控制器100安装在车辆内部时，增益控制部分130计算物理参数的当前值与默认值之间的差值，并确定第二放大器113的增益K₂。物理参数的初值被调整到默认值，利用该值可以获得最优化的转向感。

图4A到4D是用于展示转向轮3的旋转角度θ_s与车辆操作者施加转向转矩T_s之间关系的李萨如图形，其中操作者施加的转向转矩随时间的变化为正弦波的形式，正弦波的频率分别为0.2Hz，0.5Hz，1.0Hz，1.8Hz。

利用李萨如图形来定性估计转向感广为人知。在图4A到4D中，既看不到线相位的倒置也看不到振荡。这意味着操作者的转向感良好。

此后，假定操作者在这样的方式下操作转向轮3，即在预定的时间范围内转向角度θ_s的微分值

是恒定不变的，随后转向角度θ_s保持为恒定值。在该工况下，控制器100参考运动方程(1)到(7)，基于转向角度θ_s和操作者施加的转向转矩T_s、利用在线递归最小二乘法对物理参数进行估计。

图5A是显示转向轮3旋转角度θ_s随时间变化的图。

图5B是显示由车辆操作者施加的转向转矩T_s随时间变化的图。

利用在线递归最小二乘法对物理参数进行估计的结果如图6A到6F所示。

图6A是显示转向轮3第一惯性J_s的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图；

图6B是显示电动力转向***1几乎全部惯性J的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图；

图6C是显示转向轮3第一粘滞摩擦系数C_y的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图；

图6D是显示电动力转向***1几乎全部摩擦系数C的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图；

图6E是显示转矩传感器4a扭力杆的第一弹簧常数K_T的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图；

图6F是显示几乎全部弹簧常数K的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图；

在图6A到6F的所有图中，估计值与真实值在转向角度θ_s的微分值

恒定的时间段内吻合良好。因此，电动力转向***1的物理参数的估计可以通过控制器100实施，实施估计的方法也已被证实。

随后，假定由于转向***1长期使用引起的部件年久损坏，转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s增加了900％。

图7A到7D是用于展示转向轮3旋转角度θ_s与车辆操作者施加转向转矩T_s之间关系的李萨如图形，其中转向转矩的变化也是随时间变化的正弦波，正弦波的频率分别为0.2Hz，0.5Hz，1.0Hz，1.8Hz；

与图4A到4D相比，图7A到7D所示的所有李萨如图形是外凸(rounded)的，显示操作者的转向感变坏。

当转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s增加了900％时，参考运动方程(1)到(7)，基于转向角度θ_s和操作者施加的转向转矩T_s、利用在线递归最小二乘法对物理参数进行估计。

操作者的转向操作由图5A和5B表示，即操作者在这样的方式下操作转向轮3，在预定的时间范围内转向角度θ_s的微分值

是恒定不变的，随后转向角度θ_s保持为恒定值。

图8A是显示转向轮3第一惯性J_s的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图，其中转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s增加了900％；

图8B是显示电动力转向***1的几乎全部惯性J的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图，其中转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s增加了900％；

图8C是显示转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图，其中转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s增加了900％；

图8D是显示电动力转向***1几乎全部摩擦系数C的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图，其中转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s增加了900％；

图8E是显示转矩传感器4a扭力杆的第一弹簧常数K_T的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图，其中转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s增加了900％；

图8F是显示几乎全部弹簧常数K的估计值(实线)和实际值(虚线)随时间变化的图，其中转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s增加了900％；

如图8C所示，转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s的估计值与附图6C的情形相比增加了900％。这意味着转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s是影响操作者转向感的一个重要因素。

在图8A到8F的所有图中，估计值与真实值在转向角度θ_s的微分值

恒定的时间段内吻合良好。因此，电动力转向***1的物理参数的估计可以通过控制器100实施，实施估计的方法也已被证实，即使在转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s相比默认值变化很大的情况下也一样。

之后，响应于参数估计部分120引起的第一粘滞摩擦系数C_s的改变，第二放大器113的增益K₂被更新，增益K₂被更新后的值被存储在第二放大器113中。包括增益K₂的更新值的控制器100用于获得李萨如图形，以显示转向轮3旋转角度θ_s与车辆操作者施加转向转矩T_s之间的关系，李萨如图形如图9A到9D所示。

图9A到9D是由控制器100得到的李萨如图形，其具有第二放大器113的更新的增益值K₂，用于显示转向轮3旋转角度θ_s与车辆操作者施加转向转矩T_s之间的关系，其中转向转矩的变化为随时间变化的正弦波，正弦波的频率分别为0.2Hz，0.5Hz，1.0Hz和1.8Hz。

图9A到9D所示的李萨如图形已被修整成与附图7A到7D的李萨如图形具有相似的形状。

因此，参考运动方程(1)到(7)，控制器100基于转向参数，利用在线递归最小二乘法对物理参数进行了估计，并计算了物理参数的当前值与默认值之间的差值以确定第二放大器113的增益K₂。显然控制器100的运转具有维持操作者转向感的作用，在带有包括控制器100的电动力转向***1的车辆交付给用户之前，该转向感被调整到最优值。

(实施例的变型形式)

尽管为了更好地理解本发明，通过优选实施例的方式进行描述，需要理解的是，在不脱离本发明原理的情况下可以对本发明实施各种变型。

例如，仅仅使用运动方程(1)来对物理参数实施估计也是允许的。运动方程(1)包括作为电动力转向***1的物理参数的第一惯性J_s和转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s。因此，通过对运动方程(1)应用在线递归最小二乘法可以估计出第一惯性J_s和转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s的改变，而这些改变可以通过改变第一和第二放大器112、113的增益K₁、K₂中的至少一个得到补偿。

此外，在上述公开的实施例中，使用在线递归最小二乘法对电动力转向***的物理参数例如转向轮3的第一粘滞摩擦系数C_s进行估计。尽管如此，使用卡尔曼滤波器(Kalman filter)来代替在线递归最小二乘法也是允许的。

在上述的实施例中，如图3所示，如果在步骤S30中的确认结果是“是”，增益控制部分130参考辅助图形在步骤S40中更新增益K₂。尽管如此，增益控制部分130在不考虑步骤S30中的确认结果的情况下更新增益K₂也是允许的。在这种情况下，优选如果步骤S30中的确认结果是“是”，更新增益K₂的操作在没有任何时间延迟的情况下实施，而如果步骤S30中的确认结果是“是”，更新增益K₂的操作在延迟一段时间的情况下实施，例如，由于行驶道路上交通信号的指示在车辆的下一个停靠站实施。

Claims (6)

1.一种控制安装在车辆上的电动力转向***(1)的电机(2)以辅助操作者转向力的控制设备，包括：

传感器(100)，其确定表示操作者的转向操作的状况的转向参数；

参数计算机(120)，其基于由所述传感器确定的所述转向参数参照所述电动力转向***的组件之一的运动方程计算所述电动力转向***的组件之一的物理参数之一的当前数值，所述运动方程在所述操作者的所述转向操作的过程中被满足并且所述物理参数包括在所述运动方程中；

增益控制部(130)，其计算由所述参数计算机计算的所述物理参数之一的所述当前数值与所述物理参数之一的预定数值之间的差值；

目标转矩计算机(113)，其计算用于补偿所述物理参数之一的所述当前数值与所述预定数值之间的所述差值的所述电机的目标转矩；和

电机驱动器(110)，其驱动所述电机以产生所述目标转矩，以使得即使当所述物理参数的数值改变时仍维持操作者的转向感，

其中所述电动力转向***包括车辆的转向轮、小齿轮的轴、齿条、扭力杆和齿轮，并且所述运动方程是

$T_s=J_s{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_s+C_s{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_s+T_{\mathrm{sn}}+F_{\mathrm{Cs}},$

T_sn＝K_T(θ_s-θ₀)，

${\mathrm{nK}}_{\mathrm{tr}}{i}_a+K_T{\mathrm{\θ}}_s=J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_0+C{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_0+K{\mathrm{\θ}}_0+F_0,$ 和

θ_m＝nθ₀，

其中

$J=J_0+n^2{J}_m+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{M}_R,$

$C=C_0+n^2{C}_m+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{C}_R,$

$K=K_T+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{K}_R,$

J_s表示转向轮的第一惯性，

J₀表示小齿轮的轴的第二惯性，

J_m表示电机轴的第三惯性，

C_s表示转向轮的第一粘滞摩擦系数，

C₀表示小齿轮的轴的第二粘滞摩擦系数，

C_m表示电机的第三粘滞摩擦系数，

C_R表示齿条的第四粘滞摩擦系数，

K_T表示扭力杆的第一弹簧常数，

K_R表示齿条的第二弹簧常数，

F_Cs表示转向轮的第一库仑摩擦系数，

F₀表示小齿轮的轴的第二库仑摩擦系数，

n表示齿轮的减速比，

p表示小齿轮与齿条之间的相对行程，

K_tr表示齿轮的转矩常数，

M_R表示齿条的质量，

T_sn表示由操作者施加的旋转转矩，

θ_s表示转向轮的转向角度，

T_s表示由操作者施加的转向转矩，

θ_m表示电机的第一旋转角度，

θ₀表示小齿轮的轴的第二旋转角度，和

i_a表示流过电机的电机电流。

2.根据权利要求1所述的控制设备，其中，所述参数计算机实施一种联机的识别方法以基于所述运动方程和由所述传感器确定的所述转向参数，计算所述电动力转向***的组件之一的所述物理参数的所述当前数值。

3.根据权利要求2所述的控制设备，其中，所述联机的识别方法是在线递归最小二乘法。

4.根据权利要求1所述的控制设备，其中，所述物理参数包括所述电动力转向***的组件之一的摩擦系数。

5.一种控制电动力转向***的电机以辅助操作者转向力的方法，包括以下步骤：

确定表示操作者的转向操作的状况的转向参数；

基于所述转向参数参照所述电动力转向***的组件之一的运动方程计算所述电动力转向***的组件之一的物理参数之一的当前数值，所述运动方程在所述操作者的所述转向操作的过程中被满足，其中所述电动力转向***的组件之一被视为刚体并且所述物理参数包括在所述运动方程中；

计算所述物理参数之一的所述当前数值与所述物理参数之一的预定数值之间的差值；

计算用于补偿所述物理参数之一的所述当前数值与所述预定数值之间的所述差值的所述电机的目标转矩；和

驱动所述电机产生所述目标转矩作为所述电机的输出转矩，以使得即使当所述物理参数的数值改变时仍维持操作者的转向感，

其中所述电动力转向***包括车辆的转向轮、小齿轮的轴、齿条、扭力杆和齿轮，并且所述运动方程是

$T_s=J_s{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_s+C_s{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_s+T_{\mathrm{sn}}+F_{\mathrm{Cs}},$

T_sn＝K_T(θ_s-θ₀)，

${\mathrm{nK}}_{\mathrm{tr}}{i}_a+K_T{\mathrm{\θ}}_s=J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_0+C{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_0+K{\mathrm{\θ}}_0+F_0,$ 和

θ_m＝nθ₀

其中

$J=J_0+n^2{J}_m+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{M}_R,$

$C=C_0+n^2{C}_m+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{C}_R,$

$K=K_T+{\left(\frac{p}{2\mathrm{\π}}\right)}^2{K}_R,$

J_s表示转向轮的第一惯性，

J₀表示小齿轮的轴的第二惯性，

J_m表示电机轴的第三惯性，

C_s表示转向轮的第一粘滞摩擦系数，

C₀表示小齿轮的轴的第二粘滞摩擦系数，

C_m表示电机的第三粘滞摩擦系数，

C_R表示齿条的第四粘滞摩擦系数，

K_T表示扭力杆的第一弹簧常数，

K_R表示齿条的第二弹簧常数，

F_Cs表示转向轮的第一库仑摩擦系数，

F₀表示小齿轮的轴的第二库仑摩擦系数，

n表示齿轮减速比，

p表示小齿轮与齿条之间的相对行程，

K_tr表示齿轮的转矩常数，

M_R表示齿条的质量，

T_sn表示由操作者施加的旋转转矩，

θ_s表示转向轮的转向角度，

T_s表示由操作者施加的转向转矩，

θ_m表示电机的第一旋转角度，

θ₀表示小齿轮的轴的第二旋转角度，和

i_a表示流过电机的电机电流。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其中，所述物理参数包括所述电动力转向***的组件之一的摩擦系数。

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