CN101883708B - 电动助力转向控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过克服由位置传感器信号损坏或其它马达故障引起的马达电锁定状况来改善电动助力转向***的故障模式诊断的方法。如果满足某些条件，那么该方法确定马达处于电锁定状况，于是降低马达的扭矩电流指令，从而马达能够由车辆的方向盘转动。一旦马达能够转动，那么该方法确定是否已经满足某些条件，以确定位置传感器是否发生故障。

Description

电动助力转向控制

技术领域

本发明总体上涉及一种用于改善电动助力转向(EPS)***的故障模式诊断的方法，且更具体地涉及一种通过克服由位置传感器信号损坏或其它马达故障引起的马达电锁定状况来改善EPS***的故障模式诊断的方法。

背景技术

大多数目前用于车辆的电动助力转向***采用联接到转向齿轮的无刷式永磁同步马达，以产生转向助力扭矩。方向盘扭矩传感器用来感测驾驶员扭矩指令且位置传感器用来检测绝对马达位置和转向角。电子控制单元(ECU)将马达电流的幅值和相位控制为与转子位置同步，以采用转子绝对位置和驾驶员方向盘扭矩来控制马达扭矩。损坏的马达位置传感器信号会导致减少的扭矩助力或甚至负的扭矩助力，从而会导致转向***电锁定。

对于一些应用来说，传感器信号降级的检测需要马达的旋转。但是在电锁定状况期间，通常不可能使得马达旋转，故因而传感器信号降级不能容易地被诊断以使得***回到手动转向模式。

解决该问题的已知技术是，将马达位置传感器信号(该传感器可以是解析器(resolver)或光学编码器)的电压水平与预设水平进行比较以确定任何信号降级，且在传感器发生故障时禁用马达扭矩。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种通过克服由位置传感器信号损坏或其它马达故障引起的马达电锁定状况来改善电动助力转向***的故障模式诊断的方法。在一个实施例中，算法通过如下步骤来确定是否存在马达锁定状况：确定车辆速度是否大于最小车辆速度；确定马达的扭矩电流指令大于预定扭矩电流指令；确定扭矩马达指令高于预定阈值的持续时间已经经过预定时间段；以及确定马达电角度在指令方向上的变化小于预定最小角度。如果满足这些条件，那么算法将扭矩电流指令以预定的变化率降低至预定最小扭矩电流指令，从而使得马达解除锁定状况。一旦马达能够旋转，那么算法采用位置传感器信号来确定是否已经满足两个条件中的一个，以确定存在故障。

本发明的附加特征从后述说明书和所附权利要求书结合附图将显而易见。

附图说明

图1是车辆中的EPS子***的透视图；

图2是示出了用于图1中所示EPS子***的扭矩助力马达的解析器式位置传感器的激励波形、正弦波形和余弦波形的曲线图，其中水平轴表示机械角；

图3是示出了高于预定阈值的位置传感器信号的矢量和幅值的波动的曲线图，所述预定阈值表示传感器信号故障，其中水平轴表示马达角，竖直轴表示位置传感器的正弦和余弦信号之间的关系；

图4是通过示出响应于高马达扭矩电流的马达电角度的小变化来示出由位置传感器信号误差引起的锁定马达状况的曲线图，其中水平轴表示时间，左侧竖直轴表示马达扭矩电流，右侧竖直轴表示马达电角度；

图5是示出了响应于高扭矩电流的锁定马达状况的曲线图，其中水平轴表示时间、左侧竖直轴表示马达扭矩电流，右侧竖直轴表示位置传感器状况监测信号；

图6是示出了根据本发明实施例的克服由位置传感器信号损坏引起的EPS***中的锁定马达状况的方法的流程图；

图7是示出了根据本发明另一实施例的克服由位置传感器信号损坏引起的EPS***中的锁定马达状况的方法的流程图；和

图8是示出了根据本发明另一实施例的克服由位置传感器信号损坏引起的EPS***中的锁定马达状况的方法的流程图。

具体实施方式

涉及一种通过克服由位置传感器信号损坏或其它马达故障引起的马达电锁定状况来改善电动助力转向***的故障模式诊断的方法的本发明实施例的下述说明本质上仅为示例性的，且绝不旨在限定本发明或其应用或用途。

图1是用于车辆的EPS子***10的透视图。EPS子***10包括由配线16电联接到ECU单元14的车辆转向组件12。组件12包括检测轴20的转动的扭矩传感器18，轴20由车辆方向盘(未示出)进行转动。组件12还包括齿条和小齿轮转向齿轮组件22，齿条和小齿轮转向齿轮组件22以本领域技术人员熟知的方式将方向盘的转动传输给车辆的车轮。组件12还包括无刷式马达24和位置传感器26。马达24向车辆方向盘和转向齿轮组件22提供扭矩助力，以减少由驾驶员施加给方向盘的转向力，这是本领域已知的。位置传感器26提供马达24的位置信号，使得ECU14能够在正确方向上精确地提供扭矩助力。配线16可以是具有三个屏蔽线束的中间配线，三个屏蔽线束包括用于马达24的三相马达缆线、用于位置传感器26的马达位置传感器缆线以及用于扭矩传感器18的扭矩传感器缆线。方向盘可提供0-4Nm的扭矩，齿条和小齿轮转向组件22可将该扭矩转换为0-400N的力且马达24的助力扭矩可提供0-14,000Nm的力。

在该非限制性实施例中，位置传感器26是基于解析器的EPS位移传感器，这是本领域已知的。其它可应用位置传感器包括光学编码器和霍尔效应传感器。解析器是采用幅值调制载波信号来检测马达的机械角的机电装置。解析器包括由固定幅值和固定频率的AC电压供电的激励绕组。解析器还包括两个输出绕组，其中一个提供与马达24中的定子与转子之间的旋转角正弦成比例的电压信号Esin；另一个提供与马达24中的定子与转子之间的旋转角余弦成比例的电压信号Ecos。输出电压信号Esin和Ecos由ECU单元14进行采样，且被用来使用三角函数关系

计算马达24的机械角θ。N极AC电机的电角度θ_e与机械角θ通过

相关。例如，对于14极电机来说，1°的机械误差导致7°的电动误差。90°的电角度位置误差导致马达24的零助力。具有180°的电误差的扭矩导致出现马达电锁定状况，其中马达力正好抵抗由方向盘和齿轮***22提供的扭矩。

马达24通常是AC电机，其包括在定子上的三个线圈和在转子上的永磁体。与由马达24产生的电压同相的施加到定子线圈的电流信号使得马达24提供正向扭矩，与由马达24产生的电压异相180°的施加到定子线圈的电流信号使得马达24提供负向扭矩。如果位置传感器26不提供精确的位置，那ECU14可提供它认为与由马达24产生的电压同相(可能不是如此)的电流信号给定子绕组。如果绕组电流与相应感应电压之间的相差变成180°，此时由马达24施加的扭矩正好与期望扭矩的方向相反，那么马达24处于电锁定状况。

E_sin和E_cos电压信号的降级可通过监测E_sin与E_cos的矢量和或其平方(即为(E_sin ²+E_cos ²))的幅值距在正常状况下几乎是恒定的值的波动来检测。用于检测(E_sin ²+E_cos ²)信号波动的已知***需要使得马达24的转子转动至少一转。如果波动超出预定阈值，那么知道位置传感器26未提供马达24位置的精确读数，这将最终使得马达24进入正好抵抗方向盘转动的电锁定状况。因此，通常需要在这些状况下禁用马达24。

图2是示出了在解析器位置传感器26中线圈的三个信号的曲线图，其中水平轴表示机械角θ而竖直轴表示电压。这些信号包括激励信号(E_X)、正弦信号(Sin)和余弦信号(Cos)。从这些信号，通过下述方程可确定马达角θ：

E_X＝Esinωt                 (1)

E_sin＝KEsinωt-sinθ        (2)

E_cos＝KEsinωt-cosθ        (3)

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{E_{\sin }}{E_{\cos }}\right)---\left(4\right)$

由于施加到位置传感器26的激励信号和从传感器线圈接收到的正弦和余弦信号具有这种关系且在正常状况下E_sin和E_cos信号的矢量和的幅值表现为基本恒定值，因此可能分辨由短路或其它电气故障引起的任何信号已经损坏。

图3是示出了正弦和余弦电压信号之间的关系在正常运行状况下将紧密跟随直线30的曲线图，其中水平轴表示马达角θ而竖直轴表示

如果正弦或余弦信号中任一个被损坏，那么关系将变成波形信号，随着转子角波动。如果信号32在正向或负向方向上超出预定阈值(在此用虚线34和36表示)，那么正弦和余弦信号中的一个或两者被明显损坏且ECU14将执行恰当的诊断，以校正该情形。

图4是水平轴表示时间、左侧竖直轴表示马达扭矩电流I_Q且右侧竖直轴表示马达电角度θ_e的曲线图。在该示例中，位置传感器26的正弦和余弦信号用120k欧姆的电阻进行短接，使得马达24处于电锁定状况。线40表示响应于车辆方向盘转动而施加到马达24定子绕组的马达扭矩电流I_Q的幅值。线42表示马达电角度θ_e在2秒至10秒之间维持大致不变，因为马达24由于在位置传感器26中被短路的余弦和激励信号而处于电锁定状况。一旦马达扭矩电流I_Q恰好在10秒之前降至零，那么马达24将在10秒左右时被解锁。

该马达位置传感器信号状况可用状况监测信号C₁来监测，其中：

C₁＝[Max(E_sin ²+E_cos ²)-Min(E_sin ²+E_cos ²)]            (5)

由下面的方程(6)定义的标准化状况监测信号C₂也可用来监测位置传感器信号的整体性。

$C_2=\frac{[\mathrm{Max}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)-\mathrm{Min}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)]}{[\mathrm{Max}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)+\mathrm{Min}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)]}---\left(6\right)$

图5是水平轴表示时间、左侧竖直轴表示马达扭矩电流且右侧竖直轴表示状况监测信号C₂的曲线图。曲线44示出了从马达24请求的扭矩的明显数量，但是因为马达24由于传感器信号损坏处于电锁定状况，在线46处没有马达位置传感器状况监测信号变化。

本发明构想出一种算法，该算法通过克服由位置传感器信号损坏或其它马达故障引起的马达电锁定状况来改善电动助力转向(EPS)***的安全功能和诊断。该算法采用车辆速度V_C、马达扭矩电流指令I_Q、马达位置信号偏差以及解析器信号状况监测信号C₁和C₂来检测电锁定状况。该算法然后将马达扭矩电流指令I_Q降低至足够低的水平，使得马达扭矩能够容易地由驾驶员克服，从而马达被解锁且由损坏的位置传感器信号引起的信号C₁和C₂波动能够被检测。该算法仅在车辆速度高于预定速度(例如10kph)时才被激活。如果指示给定方向上马达扭矩电流指令的驾驶员方向盘扭矩连续地超过预定值经过预定时间，且马达电角度θ_e在被指令方向不变化最小预定量，那么马达扭矩电流指令I_Q以预定速率降低至预定较低水平，该预定较低水平是车辆速度的预定函数。对于较低电流指令，马达24将能够响应于被转动的方向盘而旋转。如果解析器状况监测信号C₁或C₂超过预定阈值，那么禁用马达24，从而EPS***用诊断代码集指示驾驶员转换为手动模式。

图6是示出了根据本发明一个实施例的用于检测和克服由位置传感器信号损坏引起的马达电锁定状况的过程的流程图。算法在框52读取或计算许多不同的车辆参数，包括车辆速度V_C、马达电角度θ_e在被指令方向上的变化Δθ_e、马达扭矩电流I_M以及马达扭矩电流指令信号I_Q。此外，该算法确定马达电流指令信号I_Q已经高于预定阈值I_HIGH(例如50A)多长时间，如时间τ_HC。算法还从方程(5)和(6)计算状况监测信号C₁和C₂。

然后算法在判断菱形54中确定车辆速度V_C是否大于预定最小车辆速度V_MIN(例如10kph)。如果在判断菱形54中车辆速度V_C足够大，那么该算法在判断菱形56中确定扭矩电流指令信号I_Q是否大于预定阈值I_HIGH。如果扭矩电流指令I_Q在判断菱形56中足够大，那么算法在判断菱形58中确定马达电流指令信号I_Q已经高于阈值I_HIGH的时间是否大于预定时间T_MAX(例如0.15秒)。如果该条件满足，那么算法在判断菱形60中确定马达电角度θ_e在被指令方向上的变化Δθ_e是否小于预定最小角度θ_MIN(例如30°)。与这种检查同时，算法可检查状况监测信号C₁和C₂的变化。所有的预定值(例如V_MIN、I_HIGH、τ_HC、T_MAX、θ_MIN等)都是可基于用于具体车辆和应用的模拟和试验来标定的值。

如果在判断菱形54、56、58、60中所有的条件都满足，那么马达24可能处于电锁定状况，于是算法在框62将扭矩电流指令信号I_Q以某个相对较慢下降速率降低至最小扭矩电流指令I_LOW，例如在一个非限制性实施例中，I_LOW可以为10A，R可以为100A/s。最小扭矩电流指令I_LOW和下降速率R的值可以是车辆速度V_C的函数。

一旦算法将扭矩电流指令信号I_Q降低至I_LOW值(这使得马达24中的转子被解锁并移动)，那么算法然后在判断菱形64中确定状况监测信号C₁和C₂中的任一个是否超出相应预定阈值ε₁和ε₂，以用已知技术来确定位置传感器信号是否有故障。如果在判断菱形54、56、58、60中有任何标准或条件不满足，那么马达24中的转子应当旋转且不被锁定，故因此，该算法可直接推进到判断菱形64，以确定状况监测信号C₁和C₂是否超出预定阈值ε₁和ε₂。如果状况监测信号C₁和C₂中的任一个确实超出预定阈值ε₁和ε₂，如上参考图3所述，算法然后在框66设定恰当的诊断代码，以向车辆操作者通知非正常状况。

图7是示出了根据本发明另一实施例的用于克服由位置传感器信号损坏引起的马达锁定状况的另一过程的流程图70，其中与流程图50相同的步骤采用相同的附图标记来标识。在该实施例中，扭矩电流指令信号I_Q仅在方向盘未转动至其最大位置且满足其它条件时才降低至I_LOW。具体地说，在判断菱形72中，算法不仅确定车辆速度V_C是否足够高，而且确定方向盘转角θ_HW是否小于最大方向盘转角θ_HW max。这可能是期望的，因为如果方向盘转动到其最大位置，那么在马达24的正常运行中可提供高扭矩电流。在一个非限制性实施例中，最大方向盘转角θ_HW max在360°至500°的范围内。

图8是示出了根据本发明另一实施例的用于克服由位置传感器信号损坏引起的马达锁定状况的另一过程的流程图80，其中与流程图50和70相同的步骤采用相同的附图标记来标识。在该实施例中，取代在判断菱形52中确定扭矩电流指令信号I_Q是否大于高扭矩电流指令I_HIGH，该算法在判断菱形82中确定驾驶员方向盘转角扭矩Γ_HW是否大于由扭矩传感器18感测的某个最大方向盘扭矩Γ_HIGH(例如6Nm)。

前述说明书仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易地认识到，可以对本文进行各种修改、变型和变化而不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于检测和克服由位置传感器的位置传感器信号损坏引起的转向助力马达的马达锁定状况的方法，所述位置传感器感测车辆中马达的位置，所述方法包括：

确定车辆的速度；

确定马达电角度在马达的被指令方向上的变化；

确定马达的扭矩电流指令；

确定所述扭矩电流指令已经高于预定扭矩电流指令阈值多长时间；

如果所述车辆速度大于预定最小速度、所述扭矩电流指令大于预定扭矩电流指令阈值、所述扭矩电流指令已经高于所述预定扭矩电流指令阈值的时间大于预定最大持续时间且马达电角度在被指令方向上的变化小于预定最小角度，则将所述扭矩电流指令降低至预定低扭矩电流指令；和

确定所述位置传感器的至少一个状况监测信号是否大于预定状况阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括确定车辆方向盘的转角是否小于预定最大转角，且其中将所述扭矩电流指令降低至预定低扭矩电流指令仅在所述方向盘转角小于所述预定最大转角时才进行。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括确定车辆方向盘扭矩是否大于预定方向盘扭矩，且其中将所述扭矩电流指令降低至预定低扭矩电流指令仅在所述方向盘扭矩大于所述预定方向盘扭矩时才进行。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：如果所述至少一个状况监测信号大于所述预定状况阈值，那么禁用所述转向助力马达并设定车辆诊断。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定至少一个状况监测信号是否大于预定状况阈值包括确定两个状况监测信号中的任一个是否大于独立的状况阈值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述两个状况监测信号是C₁和C₂，且由下述方程定义：

C₁＝[Max(E_sin ²+E_cos ²)-Min(E_sin ²+E_cos ²)]

$C_2=\frac{[\mathrm{Max}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)-\mathrm{Min}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)]}{[\mathrm{Max}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)+\mathrm{Min}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)]}$

其中E_sin是与所述马达中的定子与转子之间的旋转角正弦成比例的电压信号，E_cos是与所述马达中的所述定子与所述转子之间的旋转角余弦成比例的电压信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定最小速度是10kph，所述预定扭矩电流指令阈值是50A，所述预定最大持续时间是0.15秒，所述预定最小角度是30°，所述预定低扭矩电流指令是10A。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述扭矩电流指令降低至预定低扭矩电流指令包括将所述扭矩电流指令以预定下降速率降低。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定低扭矩电流指令和所述预定下降速率是所述车辆速度的函数。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定下降速率是100A/s。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述位置传感器是解析器。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述马达是AC电机，所述AC电机包括在所述马达定子中的三个线圈和在所述马达转子中的永磁体。

13.一种用于检测和克服转向助力马达的马达锁定状况的方法，所述方法包括：

如果车辆速度大于预定最小速度、所述马达的扭矩电流指令大于预定扭矩电流指令阈值、所述扭矩电流指令已经高于预定扭矩电流指令阈值的时间大于预定最大阈值且所述马达电角度在被指令方向上的变化小于预定最小角度，那么确定所述转向助力马达处于锁定状况；和

如果所述转向助力马达处于锁定状况，那么将所述扭矩电流指令降低至预定低扭矩电流指令。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述转向助力马达处于锁定状况还包括确定车辆方向盘的转角小于预定最大转角。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述转向助力马达处于锁定状况还包括确定车辆方向盘扭矩大于预定方向盘扭矩。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括：如果所述扭矩电流指令已经降低，那么通过确定至少一个传感器状况监测信号是否大于预定状况监测阈值来确定马达位置传感器是否发生故障。

17.根据权利要求16所述的方法，确定至少一个传感器状况监测信号是否大于预定状况阈值包括确定两个传感器状况监测信号中的任一个是否大于独立的状况阈值。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述两个状况监测信号是C₁和C₂，且由下述方程定义：

C₁＝[Max(E_sin ²+E_cos ²)-Min(E_sin ²+E_cos ²)]

$C_2=\frac{[\mathrm{Max}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)-\mathrm{Min}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)]}{[\mathrm{Max}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)+\mathrm{Min}({E_{\sin }}^2+{E_{\cos }}^2)]}$

其中E_sin是与所述马达中的定子与转子之间的旋转角正弦成比例的电压信号，E_cos是与所述马达中的所述定子与所述转子之间的旋转角余弦成比例的电压信号。

19.一种用于监测和克服转向助力马达的马达锁定状况的方法，所述方法包括：

如果车辆速度大于预定最小速度、所述马达的扭矩电流指令大于预定扭矩电流指令阈值、所述扭矩电流指令已经高于预定扭矩电流指令阈值的时间大于预定最大持续时间、所述马达电角度在被指令方向上的变化小于预定最小角度、车辆方向盘的转角小于预定最大转角且车辆方向盘扭矩大于预定方向盘扭矩，那么确定所述马达处于锁定状况；和

如果检测到所述锁定状况，那么降低所述马达的扭矩电流指令。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：如果所述扭矩电流指令已经降低，那么通过确定至少一个传感器状况监测信号是否大于预定状况监测阈值来确定马达位置传感器是否发生故障。

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