CN105246764B - 电动助力转向装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电动助力转向装置。该电动助力转向装置使调谐变得容易,谋求制动颤振、摆振的抑制,可以获得安全舒适的转向性能,在自动转向模式中,可以依照计算出的目标转向角正确地进行转向,并且,即使目标转向角为急转向时也可以平滑地进行转向,即使在低车速时通过提高响应性或稳态偏差也可以追随目标转向角。本发明的电动助力转向装置具备计算出电动机电流指令值的转向角控制单元和输入电动机电流指令值并切换的切换单元。该转向角控制单元由生成反馈控制电流指令值的反馈控制单元、生成SAT补偿电流指令值的SAT补偿单元及从反馈控制电流指令值和SAT补偿电流指令值生成电动机电流指令值的输出单元构成;根据自动转向模式和手动转向模式的切换指令来切换该切换单元;在自动转向模式时,基于电动机电流指令值对电动机进行驱动控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动助力转向装置,其具有自动转向模式(停车辅助模式)功能和手动转向模式功能,将电动机产生的辅助扭矩赋予车辆的转向***。本发明尤其涉及一种电动助力转向装置。该电动助力转向装置进一步提高了自动转向模式时的实际转向角的对目标转向角的追随性。
背景技术
利用电动机的旋转力对车辆的转向机构施加转向辅助力(辅助扭矩)的电动助力转向装置,将电动机的驱动力经由减速装置由齿轮或皮带等传送机构,向转向轴或齿条轴施加转向辅助力。为了准确产生转向辅助力的扭矩,现有的电动助力转向装置(EPS)进行电动机电流的反馈控制。反馈控制调整电动机外加电压,以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值的差变小,电动机外加电压的调整通常用调整PWM(脉冲宽度调制)控制的占空比(Duty)来进行。
如图1所示,对电动助力转向装置的一般结构进行说明。转向盘(方向盘)1的柱轴(转向轴)2经过减速齿轮3、万向节4a和4b、齿臂机构5、转向横拉杆6a和6b,再通过轮毂单元7a和7b,与转向车轮8L和8R连接。另外,在柱轴2上设有检测转向盘1的转向扭矩的扭矩传感器10,对转向盘1的转向力进行辅助的电动机20通过减速齿轮3与柱轴2连接。电池13对控制电动助力转向装置的控制单元(ECU)100进行供电,同时,经过点火开关11,点火信号被输入到控制单元100。控制单元100基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Th和由车速传感器12检测出的车速Vel,进行辅助(转向辅助)指令的转向辅助指令值的运算,通过对转向辅助指令值实施补偿等得到的电流控制值E,控制供给电动机20的电流。此外,车速Vel也能够从CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)等处获得。
在这样的电动助力转向装置中,例如日本特开平8-290778号公报(专利文献1)所公开的那样,现有技术通过控制单元100内的鲁棒稳定化补偿单元来同时设计***的稳定性和路面信息及干扰信息的灵敏度特性。
但是,在这样的现有的控制装置中,因为转向中立点附近的转向时的反力较小,由于摩擦的影响,所以很难把路面信息正确地传递给驾驶员。另外,在现有的电动助力转向装置中,很难把转向角与转向力之间的迟滞特性设定为与液压式助力转向***相同的特性。
作为解决这样的问题的装置,例如有日本特开2002-369565号公报(专利文献2)所公开的发明。
参照与图1相对应的图2来说明专利文献2所公开的装置的概略。如图2所示,产生转向装置的辅助转向力的电动机20由电动机驱动单元21驱动,电动机驱动单元21由用两点虚线表示的控制单元100控制,来自扭矩传感器10的转向扭矩Th和来自车速检测***的车速Vel被输入到控制单元100。在电动机20中,电动机端子间电压Vm和电动机电流值i被测定然后被输出。
控制单元100具备用虚线表示的扭矩***控制单元110和用一点虚线表示的电动机***控制单元120,其中,扭矩***控制单元110利用转向扭矩Th进行控制;电动机***控制单元120进行与电动机20的驱动相关的控制。扭矩***控制单元110由辅助量运算单元111、微分控制单元112、横摆率收敛性控制单元113、鲁棒稳定化补偿单元114及自对准扭矩(SAT)估计反馈单元115来构成,还具备加法单元116A、116B及116C。另外,电动机***控制单元120由补偿单元121、干扰估计单元122、电动机角速度运算单元123、电动机角加速度运算单元124及电动机特性补偿单元125来构成,还具备加法单元126A和126B。
转向扭矩Th被输入到辅助量运算单元111、微分控制单元112、横摆率收敛性控制单元113及SAT估计反馈单元115中,辅助量运算单元111、微分控制单元112、横摆率收敛性控制单元113及SAT估计反馈单元115都将车速Vel作为参数输入。辅助量运算单元111基于转向扭矩Th运算出辅助扭矩量。横摆率收敛性控制单元113输入转向扭矩Th和电动机角速度ω,为了改善车辆横摆的收敛性,对转向盘的摆动动作进行制动。另外,微分控制单元112提高转向的中立点附近的控制的响应度,并实现平滑、流畅的转向。SAT估计反馈单元115输入转向扭矩Th、辅助量运算单元111的输出与微分控制单元112的输出在加法单元116A相加后得到的信号、电动机角速度运算单元123运算出的电动机角速度ω及来自电动机角加速度运算单元124的角加速度α,估计SAT,利用反馈滤波器对估计出的SAT进行信号处理,然后将合适的路面信息作为反力赋予给转向盘。
另外,辅助量运算单元111的输出与微分控制单元112的输出在加法单元116A相加后得到的信号,与横摆率收敛性控制单元113的输出在加法单元116B相加后得到的信号,作为辅助量AQ被输入到鲁棒稳定化补偿单元114。鲁棒稳定化补偿单元114例如为日本特开平8-290778号公报所公开的补偿单元,其将被包含在扭矩检测值中的,由惯性要素和弹性要素构成的共振***的共振频率中的峰值除去,并对阻碍控制***的响应度和稳定性的共振频率的相位偏移进行补偿。通过鲁棒稳定化补偿单元114的输出与SAT估计反馈单元115的输出在加法单元116C中相加,可得到辅助量Ia,该辅助量Ia能够将路面信息作为反力传递给转向盘。
而且,电动机角速度运算单元123基于电动机端子间电压Vm和电动机电流i运算出电动机角速度ω,电动机角速度ω被输入到电动机角加速度运算单元124、横摆率收敛性控制单元113及SAT估计反馈单元115中。电动机角加速度运算单元124基于被输入进来的电动机角速度ω运算出电动机角加速度α,运算出的电动机角加速度α被输入到电动机特性补偿单元125中。从鲁棒稳定化补偿单元114的输出中减去SAT估计反馈单元115的输出而得到的辅助量Ia与电动机特性补偿单元125的输出Ic在加法单元126A相加后得到的加法信号作为电流指令值Ir被输入到由微分补偿单元等构成的补偿单元121中。经补偿单元121补偿后的电流指令值Ira与干扰估计单元122的输出在加法单元126B相加后得到的信号被输入到电动机驱动单元21和干扰估计单元122中。干扰估计单元122如日本特开平8-310417号公报所公开的装置,其基于作为电动机输出的控制目标并经补偿单元121补偿后的电流指令值Ira与干扰估计单元122的输出相加后得到的信号和电动机电流i,能够既维持控制***的输出基准中所希望的电动机控制特性,又不失去控制***的稳定性。
在这里,参照图3来说明从路面到转向装置之间产生的扭矩的状况。如图3所示,通过驾驶员操纵转向盘1进行转向而产生转向扭矩Th,电动机20根据该转向扭矩Th来产生辅助扭矩Tm。其结果为,使车轮转向,产生作为反力的SAT。另外,此时,因为电动机20的惯性J和摩擦(静摩擦)Fr而产生变为转向盘转向的阻力的扭矩。如果考虑这些力的平衡并把sign()作为符号函数的话,可以得到下述式1的运动方程式。
式1
J·α+Fr·sign(ω)+SAT=Tm+Th
在这里,将初始值设为零并对上述式1进行拉普拉斯变换,对SAT求解可以得到下述式2。
式2
SAT(s)=Tm(s)+Th(s)-J·α(s)-Fr·sign(ω(s))
从上述式2可知,通过事先求出作为常数的电动机20的惯性J和静摩擦Fr,可以从电动机角速度ω、电动机角加速度α、辅助扭矩Tm及转向扭矩Th估计出SAT。因此,转向扭矩Th、电动机角速度ω、电动机角加速度α及辅助量运算单元111的输出被分别输入到SAT估计反馈单元115。
另外,在直接反馈SAT估计反馈单元115估计出的SAT估计电流值*SAT的情况下,由于转向装置会变得过重,所以无法提高转向感觉。因此,如图4所示,利用具有车速感应增益和频率特性的反馈滤波器115A来对SAT估计电流值*SAT进行信号处理,为了提高转向感觉只反馈必要且足够的信息。在这里采用的反馈滤波器具有Q滤波器(相位滞后)115B和增益单元115C,其中,Q滤波器115B具有作为静特性增益可将估计出的SAT的大小减小到必要且足够的值的增益;增益单元115C如图5所示那样与车速Vel相感应;在打死转向盘(据え切り)、低速行驶等路面信息的重要性比较低的情况下,减少反馈回去的路面信息。
在上述专利文献2中记载的装置中,尽管构成SAT估计的反馈以便实现存在想抑制的干扰的频率带与存在想传递的干扰的频率带的两立,但是不具有积极消除想抑制的干扰的功能。
另一方面,在车辆通常制动时和稳定行驶时,会发生令乘坐者感到不舒服的制动颤振(ブレーキジャダー)和摆振(シミー)。制动颤振是一种在车辆制动时发生的底板和踏板的振动(フロア·ペダル振動),有时在转向旋转方向上会伴随振动。因制动盘(ブレーキディスク)的DTV(Disk Thickness Variation,制动盘厚薄差)而发生的制动扭矩变动为制动颤振的起振源,具有车轮旋转的1次分量(1次成分)和高次分量(高次成分)。制动颤振因悬置(サスペンション)的前后的共振等而被放大,被传递给车体、转向***,成为底板和踏板的振动及转向盘的振动。另外,摆振是一种在车辆行驶时在转向旋转方向上发生的振动,其起振源为轮胎、车轮等旋转部分的失衡(アンバランス)和非均匀性(ノンユニフォミティ)。摆振因悬置共振而被放大,经由转向***成为转向旋转方向上的振动。
在专利文献2的装置中,对于这样的制动颤振和摆振,没有作任何考虑。另外,在日本特开2002-145075号公报(专利文献3)和日本特开2002-161969号公报(专利文献4)中,尽管公开了使制动颤振和摆振衰减的装置,但因为它们都为机械方式的对应,所以存在不光造成成本增加,而且还不能进行车速感应等细微的抑制的问题。
还有,在转向***的惯性和摩擦较大的情况下,尽管起因于制动颤振的振动不会传到转向盘,但为了获得良好的转向路感和车辆稳定性,需要转向***的惯性和摩擦尽可能小。
在这样的电动助力转向装置中,近年出现了具有停车辅助功能(parkingassist),切换自动转向模式和手动转向模式的车辆。在这样的装备了停车辅助功能的车辆中,基于来自摄相机(图像)、距离传感器等的数据设定目标转向角,进行追随目标转向角的自动控制。
在WO2008/146372(专利文献5)中,设有目标驱动量计算单元和电动机驱动单元,其中,该目标驱动量计算单元基于来自转向盘角检测单元的转向盘转向角检测值和传递特性,生成通过副转向角重叠机构附加的目标副转向角(目標副操舵角)或目标转向角(目標操向角),计算出电动机的目标驱动量以便使目标副转向角和来自副转向角检测单元的副转向角检测值变为一致,或使目标转向角和来自转向角检测单元的转向角检测值变为一致;该电动机驱动单元根据目标驱动量来驱动电动机;根据驾驶员的转向盘转向使转向车轮转向。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平8-290778号公报
专利文献2:日本特开2002-369565号公报
专利文献3:日本特开2002-145075号公报
专利文献4:日本特开2002-161969号公报
专利文献5:WO2008/146372
发明内容
发明要解决的技术问题
但是,在专利文献5中记载的电动助力转向装置中,由于对目标转向角没有进行比率限制处理,所以在目标转向角急剧变化的情况下,会损害驾驶员的转向感觉。另外,因为没有进行与车速相感应的增益控制,所以存在不能进行与车速相对应的精密控制的问题。
还有,尽管在停车辅助、自动行驶等自动转向模式时进行转向盘的转向角控制,因为存在由于车速、路面状况(倾斜、潮湿等)等的影响而造成轮胎从路面接受的反力发生变化,从而实际转向角的针对柱轴角度的目标转向角的追随性也发生变化的技术问题,所以也需要解决这样的技术问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的,本发明的目的在于提供一种电动助力转向装置,其通过在高频领域进行路面信息等的信号处理从而使调谐变得容易,谋求制动颤振、摆振的抑制,可以获得安全舒适的转向性能,在自动转向模式(停车辅助功能)中,可以依照计算出的目标转向角正确地进行转向,并且,即使目标转向角为急转向时也可以平滑地进行转向,即使在低车速时通过提高响应性或稳态偏差也可以随时追随目标转向角。
解决技术问题的手段
本发明涉及一种电动助力转向装置,其基于转向扭矩和车速运算电动机电流指令值1,基于所述电动机电流指令值1驱动电动机对转向***进行辅助控制,并具有切换自动转向模式和手动转向模式的功能,本发明的上述目的可以通过下述这样实现,即:具备转向角控制单元和切换单元,所述转向角控制单元基于目标转向角、实际转向角、所述电动机的电动机角速度和电动机角加速度、所述转向扭矩及上次电流指令值计算出电动机电流指令值2;所述切换单元输入所述电动机电流指令值1和所述电动机电流指令值2并切换,所述转向角控制单元由反馈控制单元、SAT补偿单元及输出单元构成,所述反馈控制单元基于所述目标转向角、所述实际转向角、所述电动机角速度及所述转向扭矩生成反馈控制电流指令值;所述SAT补偿单元基于所述电动机角速度、所述电动机角加速度、所述转向扭矩及所述上次电流指令值生成SAT补偿电流指令值;所述输出单元从所述反馈控制电流指令值和所述SAT补偿电流指令值生成所述电动机电流指令值2,根据所述自动转向模式和所述手动转向模式的切换指令来切换所述切换单元,在所述自动转向模式时,基于所述电动机电流指令值2对所述电动机进行驱动控制。
本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现,即:所述反馈控制单元由比率限制器、LPF、第1比例增益单元、积分增益单元、第2比例增益单元、微分增益单元及输出单元构成,所述比率限制器对所述目标转向角进行平滑化处理;所述LPF被连接到所述比率限制器的输出;所述第1比例增益单元将所述LPF的输出与所述实际转向角之间的角度偏差与比例增益相乘;所述积分增益单元对来自所述第1比例增益单元的误差速度与所述电动机角速度之间的速度偏差进行积分并将其与积分增益相乘;所述第2比例增益单元将所述速度偏差与比例增益相乘;所述微分增益单元对所述转向扭矩进行微分并将其与微分增益相乘;所述输出单元将所述积分增益单元的输出与所述第2比例增益单元的输出之间的偏差值与所述微分增益单元的输出相加,限制上下限值,输出所述反馈控制电流指令值;或,所述SAT补偿单元由SAT估计单元、LPF及车速感应增益单元构成,所述SAT估计单元基于所述转向扭矩、所述电动机角速度、所述电动机角加速度及所述上次电流指令值计算出SAT估计电流值;所述LPF输入所述SAT估计电流值并具有高于角度响应频率的截止频率特性;所述车速感应增益单元将所述LPF的输出与车速可变增益相乘并输出所述SAT补偿电流指令值;或,所述SAT估计单元由粘性摩擦系数单元、符号化库仑摩擦单元、全惯性力矩单元及输出系数单元构成,所述粘性摩擦系数单元将所述电动机角速度与粘性摩擦系数相乘;所述符号化库仑摩擦单元对所述电动机角速度进行符号化并将其与库仑摩擦相乘;所述全惯性力矩单元将所述电动机角加速度与全惯性力矩相乘;所述输出系数单元从所述粘性摩擦系数单元的输出和所述符号化库仑摩擦单元的输出的加法值中减去所述转向扭矩,接着与所述全惯性力矩单元的输出相加,然后与系数相乘;或,所述SAT估计单元由加法单元、第1减法单元及第2减法单元构成,所述加法单元将相当于辅助扭矩的电流指令值与所述转向扭矩相加;所述第1减法单元从所述加法单元的加法结果中减去所述电动机角加速度与惯性相乘后得到的值;所述第2减法单元从所述第1减法单元的减法结果中减去对所述电动机角速度进行符号化并将其与摩擦相乘后得到的值,输出所述SAT估计电流值;或,限制上下限值的限制器被连接到所述车速感应增益单元的后级。
发明的效果
根据本发明的电动助力转向装置,在具有自动转向模式(停车辅助功能)和手动转向模式的车辆中,因为将把车速考虑在内作为前提以便计算出从来自摄相机(图像)、距离传感器等的数据计算出的目标转向角,所以可以针对目标转向角正确地进行转向,并且不会给驾驶员带来一种不协调的感觉。还有,在本发明中,由于对急剧的目标转向角进行平滑化处理后进行控制,所以既使在自动驾驶中也不会给驾驶员带来不安感。
另外,在本发明中,因为在低车速时提高控制增益,提高响应性或稳态偏差(定常偏差),所以即使在低车速时也可以靠近目标转向角。
还有,在本发明中,因为估计SAT,利用设定了高于角度响应频率的截止频率的LPF来对该估计出的SAT进行滤波处理,将滤波处理后的值与根据车速而设定的车速增益相乘,并作为补偿值相加,所以能够进一步提高实际转向角的对目标转向角的追随性。
附图说明
图1是表示电动助力转向装置的概要的结构图。
图2是表示电动助力转向装置的控制***的结构例的结构框图。
图3是表示从路面到转向***之间产生的扭矩的状况的示意图。
图4是表示反馈单元的结构例的结构框图。
图5是表示反馈滤波器的特性例的图。
图6是用于说明本发明的原理的特性图。
图7是表示本发明的结构例的结构框图。
图8是表示转向角控制单元的结构例的结构框图。
图9是表示反馈控制单元的结构例的结构框图。
图10是表示比率限制器的一个示例的结构框图。
图11是表示变化量设定单元的结构例的结构框图。
图12是表示SAT补偿单元的结构例的结构框图。
图13是表示车速感应增益单元的特性例的特性图。
图14是表示本发明的动作例的流程图。
图15是表示转向角控制单元的动作例的流程图。
图16是表示反馈控制单元的动作例的流程图。
图17是表示SAT补偿单元的动作例的流程图。
图18是表示SAT补偿单元的另一个结构例的结构框图。
具体实施方式
尽管在停车辅助、自动行驶等自动转向模式时进行转向盘的转向角控制,因为由于车速、路面状况(倾斜、潮湿等)等的影响而造成轮胎从路面接受的反力发生变化,所以存在实际转向角的针对柱轴角度的目标转向角的追随性也发生变化的问题。针对这个问题,在本发明中,通过估计SAT,利用设定了高于角度响应频率的截止频率的LPF来对该估计出的SAT进行滤波处理,将滤波处理后的SAT值与根据车速而设定的车速增益相乘,并作为补偿值与电流指令值相加,以便提高实际转向角的对目标转向角的追随性。
在本发明中,通过由SAT补偿单元生成的SAT补偿电流指令值与由反馈控制单元生成的反馈控制电流指令值相加,以便在消除轮胎从路面接受的反力的影响的方向上产生电动机扭矩。因此,可以抑制在转向角控制中产生的SAT干扰,并提高转向角控制的对目标转向角的追随性。例如,举停车辅助动作的例来说的话,由于SAT随轮胎与路面之间的摩擦μ变动,从而转向角的响应也发生变化,所以作为车辆侧变得难以处理。举另一个例子来说的话,在自动行驶中在车体左右方向上发生了路面的倾斜的情况下,因为SAT会施加在某一个方向,由于这个影响,所以转向角针对目标转向角会一时发生偏离。作为解决这些技术问题的手段,通过从反馈控制电流指令值中减去SAT补偿电流指令值,以便使具有更好的追随性的转向角控制成为可能。
图6(A)表示转向角响应波形的一个示例,图6(B)表示SAT估计值波形的一个示例。图6(A)和(B)表示从时间(秒)0到1秒后在输入了像图6(C)所示那样的SAT干扰阶梯波的情况下的各个响应波形。在本发明中,在具有抽出干扰成分并消除的功能的SAT估计值的补偿路径上使用用于截掉干扰的高频成分的LPF(低通滤波器),转向角响应波形和SAT估计值波形随LPF的截止频率Fc的大小而变化。当输入像图6(C)所示那样的SAT干扰阶梯波的时候,在图6(B)所示的SAT估计值波形中,随着LPF的截止频率Fc变大,如箭头B所示,上升(立ち上がり)变大,可以高速地消除干扰。因此,如图6(A)所示,转向角从不具有SAT估计起像箭头A那样变动,随着增大截止频率Fc,可以改善转向角响应性。因此,可以抑制转向盘突然旋转。
还有,即使在具有自动转向模式和手动转向模式的车辆中,通过轮胎传到转向***的路面反力根据车速而不同。从而,在自动转向模式时,当基于计算出的目标转向角对转向进行自动控制的时候,转向角的响应根据车速而不同。因此,在本发明中,通过根据车速来调整自动控制的电动机电流指令值,以便减轻轮胎从路面接受的路面反力的影响。另外,在本发明中,通过对目标转向角进行基于比率限制器的平滑化处理,以便即使当目标转向角急剧变化的时候也可以获得缓和转向盘转向角的响应的效果。可以与车速无关地针对目标转向角使车辆正确地移动,对于驾驶员来说更安全。
下面,参照附图来详细说明本发明的实施方式。
图7表示本发明的结构例。如图7所示,用于检测电动机旋转角θs的旋转传感器(如分解器等)151被连接到电动机150,经过车辆侧ECU130和EPS(电动助力转向装置)侧ECU140对电动机150进行驱动控制。
车辆侧ECU130具备切换指令单元131和目标转向角生成单元132,其中,切换指令单元131基于表示驾驶员的意思的按钮、开关等输出自动转向模式或手动转向模式的切换指令SW;目标转向角生成单元132基于来自摄相机(图像)、距离传感器等的信号生成目标转向角θt。另外,由被设置在柱轴上的转向角传感器152检测出的实际转向角θr和来自车速传感器153的车速Vel经过车辆侧ECU130被输入到EPS侧ECU140内的转向角控制单元200中。由转向角传感器152检测出的实际转向角θr也可是基于柱轴(也包括中间轴、齿轮轴)、齿轮齿条(ラックアンドピニオン)的齿条的位移、车轮速度等的转向角估计值。还有,车速Vel也能够从CAN等获得。
切换指令单元131基于识别进入自动转向模式的信号,例如基于被设置在仪表板或转向盘周围的表示驾驶员的意思的按钮或开关,或基于被设置在变速杆上的基于停车模式等的车辆状态信号,输出切换指令SW。然后,切换指令SW被输入到EPS侧ECU140内的切换单元142中。另外,目标转向角生成单元132基于来自摄相机(图像)、距离传感器等的数据用公知的方法生成目标转向角θt,被生成了的目标转向角θt被输入到EPS侧ECU140内的转向角控制单元200中。
EPS侧ECU140具备扭矩控制单元141、转向角控制单元200、切换单元142、电流控制/驱动单元143、电动机角速度运算单元144及电动机角加速度运算单元145,其中,扭矩控制单元141输出基于转向扭矩Th和车速Vel像前述那样运算出的电动机电流指令值Itref;转向角控制单元200基于目标转向角θt、实际转向角θr、车速Vel、来自扭矩传感器154的转向扭矩Th、电动机角速度ω及电动机角加速度α运算用于转向角自动控制的电动机电流指令值Imref并输出;切换单元142根据切换指令SW来切换电动机电流指令值Itref和电动机电流指令值Imref;电流控制/驱动单元143基于来自切换单元142的电动机电流指令值(Itref或Imref)对电动机150进行驱动控制;电动机角速度运算单元144基于来自旋转传感器151的电动机旋转角θs运算电动机角速度ω;电动机角加速度运算单元145基于电动机角速度ω运算电动机角加速度α。切换单元142根据来自车辆侧ECU130内的切换指令单元131的切换指令SW来切换基于扭矩控制单元141的扭矩控制模式(手动转向模式)和基于转向角控制单元200的自动转向模式,在扭矩控制模式时,输出电动机电流指令值Itref,在自动转向模式时,输出电动机电流指令值Imref。另外,电流控制/驱动单元143由PI电流控制单元、PWM控制单元、逆变器等构成。
转向角控制单元200具有图8所示的结构。如图8所示,转向角控制单元200由反馈控制单元210、SAT补偿单元230、加法单元201及加法单元202构成,其中,反馈控制单元210输入目标转向角θt、实际转向角θr、电动机角速度ω及转向扭矩Th,运算反馈控制电流指令值Ifref并输出;SAT补偿单元230输入电动机角速度ω、转向扭矩Th、电动机角加速度α及上次电流指令值Iref(Z-1),运算SAT补偿电流指令值Isref并输出;加法单元201将SAT补偿电流指令值Isref与反馈控制电流指令值Ifref相加并输出电动机电流指令值Imo;加法单元202将电动机电流指令值Imo与电流指令值相加并输出电动机电流指令值Imref。
反馈控制单元210具有抑制因扭力杆和转向惯性而发生的扭转振动的功能。另外,加法单元201和加法单元202构成输出单元。
反馈控制单元210具有图9所示的结构,为将速度控制环***(速度制御ループ系)作为副环(マイナループ)的位置控制***。如图9所示,目标转向角θt被输入到用于在目标转向角θt急剧变化的情况下对其进行平滑化处理(也就是说,使其在所规定的时间变化率的范围内平滑地变化)的比率限制器211中,通过了用于除去高频干扰的LPF212的目标转向角θta被加法输入到减法单元213A。实际转向角θr被减法输入到减法单元213A,实际转向角θr与平滑化处理后的目标转向角θta之间的角度偏差在比例增益(Kpp)单元214与增益Kpp相乘后,作为误差速度ωe被加法输入到减法单元213B。来自电动机角速度运算单元144的电动机角速度ω被减法输入到减法单元213B,由减法单元213B运算出的速度偏差Df经由积分单元216A后在积分增益(Kvi)单元216B与增益Kvi相乘后,被加法输入到减法单元213C。同时,速度偏差Df在比例增益(Kvp)单元216C与增益Kvp相乘后,被减法输入到减法单元213C。在减法单元213C得到的减法结果被输入到加法单元213D。
来自扭矩传感器154的转向扭矩Th经由微分单元215A后在微分增益(Kc)单元215B与增益Kc相乘后,被输入到加法单元213D。在加法单元213D得到的加法结果由限制器217被限制了上下限值后,被作为反馈控制电流指令值Ifref输出。减法单元213C、加法单元213D和限制器217构成输出单元。
比率限制器211在目标转向角θt急剧变化的情况下对其进行平滑化处理并输出平滑化处理后的目标转向角,例如具有图10所示的结构。如图10所示,目标转向角θt被加法输入到减法单元211-1,变化量设定单元211-2根据作为目标转向角θt与过去值的减法结果的转向角θt1来设定变化量θt2。变化量设定单元211-2设定来自保持单元(Z-1)211-4的过去值与输入(θt)的差分θt1,变化量θt2与过去值在加法单元211-3相加得到的加法结果被作为新的目标转向角θt3输出。变化量设定单元211-2使变化量不超过被设定好的上限和下限,其特性是在每个运算周期T求出与输入(目标转向角)θt的差分,在与输入(目标转向角)θt的差分在变化量设定单元211-2的上限和下限的范围外的情况下,通过反复进行差分和过去值的相加,使输出θt3如图11所示的阶梯状变化,最后使输出θt3和目标转向角θt变得一致。另外,在与输入(目标转向角)θt的差分在变化量设定单元211-2的上限和下限的范围内的情况下,由于变化量θt2=差分θt1被输出并与过去值相加,所以其结果是输出θt3和输入(目标转向角)θt一致。因此,既使在目标转向角θt急剧变化的情况下,也可以使急剧变化的目标转向角θt流畅地变化,防止急剧的电流变化(=急剧的转向),达到减少驾驶员对自动驾驶的不安感的功能。
SAT补偿单元230从柱轴周围(コラム軸回り)的运动方程式求出SAT扭矩(柱轴换算(コラム軸換算)),并求出作为相当于该SAT扭矩的电动机电流的SAT估计电流值ISAT。然后,使SAT估计电流值ISAT通过设定了高于角度响应频率的截止频率的LPF,再与基于车速设定的车速感应增益相乘,获得SAT补偿电流指令值Isref。
如果从柱轴周围的运动方程式求出SAT扭矩(柱轴换算),并求出相当于该SAT扭矩的SAT估计电流值ISAT的话,可以得到下述式3。
式3
其中,Ic为换算成柱轴的柱(コラム)、齿臂机构、轮胎的全惯性力矩,ωc为柱轴角速度,Th为转向扭矩(扭力杆的扭转扭矩),TFrc为作用在柱轴上的库仑摩擦,c为柱轴粘性摩擦系数,Kt为从电流值变换到柱轴的扭矩的系数(电动机扭矩常数×减速比)。
基于上述式3的SAT补偿单元230具有图12所示的结构。如图12所示,电动机角速度ω被输入到粘性摩擦系数(c)单元231与粘性摩擦系数c相乘后,被加法输入到加法减法单元232A,同时,在符号化(sign)单元233被进行符号化,然后,在库仑摩擦(TFrc)单元234与库仑摩擦TFrc相乘后,被加法输入到加法减法单元232A。符号化单元233和库仑摩擦单元234构成符号化库仑摩擦单元。另外,转向扭矩Th被减法输入到加法减法单元232A,在加法减法单元232A得到的加减法结果被加法输入到加法单元232B。电动机角加速度α(在这里,电动机角加速度α被当作与柱轴角加速度相等)被输入到全惯性力矩(Ic)单元235与全惯性力矩Ic相乘后,被输入到加法单元232B。在加法单元232B得到的加法结果被输入到系数(1/Kt)单元236与1/Kt相乘后,被加法输入到减法单元232C。上次电流指令值Iref(Z-1)被减法输入到减法单元232C,在减法单元232C得到的差被作为产生相当于SAT的电动机扭矩的SAT估计电流值ISAT输出。加法单元232B、系数单元236和减法单元232C构成输出系数单元。
因为如果将SAT估计电流值ISAT直接加到电流指令值的话,容易产生振动和噪音,所以利用具有截止频率高于转向角控制的响应频率(例如,1Hz)的特性的LPF237来对其进行滤波处理。LPF237的滤波处理后的输出在增益(G)单元238与增益G相乘。与增益G相乘后的电流值指令值由限制器239被限制了上下限值后,SAT补偿电流指令值Isref被从限制器239输出。限制器239不是必需的要素。增益单元238也可以为车速感应,车速感应增益的增益G特性可以为这样一种特性,即,例如像图13所示那样,增益G随着车速Vel的上升而逐渐变小的特性。
在这样的结构中,参照图14的流程图来说明本发明的全体的动作例。
当转向***的动作开始时,实施基于扭矩控制单元141的扭矩控制(步骤S1),电流控制/驱动单元143基于电动机电流指令值Itref来驱动电动机150(步骤S2)。重复上述动作直至切换指令SW被从切换指令单元131输出(步骤S3)。
当变成自动转向模式,切换指令SW被从切换指令单元131输出时,目标转向角θt被从目标转向角生成单元132输入到转向角控制单元200(步骤S4),实际转向角θr被从转向角传感器152输入到转向角控制单元200(步骤S5),转向扭矩Th被从扭矩传感器154输入到转向角控制单元200(步骤S6),车速Vel被从车速传感器153输入到转向角控制单元200(步骤S7),电动机角速度ω被从电动机角速度运算单元144输入到转向角控制单元200(步骤S8),电动机角加速度α被从电动机角加速度运算单元145输入到转向角控制单元200(步骤S9),转向角控制单元200生成电动机电流指令值Imref(步骤S100)。还有,目标转向角θt、实际转向角θr、转向扭矩Th、电动机角速度ω及电动机角加速度α的输入的顺序是任意的。
然后,基于来自切换指令单元131的切换指令SW,切换单元142被切换(步骤S10),电流控制/驱动单元143基于来自转向角控制单元200的电动机电流指令值Imref来驱动电动机150(步骤S11),返回上述步骤S3。重复进行基于电动机电流指令值Imref的驱动控制直至来自切换指令单元131的切换指令SW被变更。
电动机电流指令值Imref的生成由转向角控制单元200来进行,在转向角控制单元200中的电动机电流指令值Imref的生成动作如图15的流程图所示。
首先,反馈控制单元210输入目标转向角θt、实际转向角θr、电动机角速度ω和转向扭矩Th(步骤S101),生成反馈控制电流指令值Ifref(步骤S102)。与此并行地,SAT补偿单元230输入电动机角速度ω、转向扭矩Th、电动机角加速度α和上次电流指令值Iref(Z-1)(步骤S103),生成SAT补偿电流指令值Isref(步骤S104)。将反馈控制电流指令值Ifref输入到加法单元201,同时,将SAT补偿电流指令值Isref输入到加法单元201(步骤S105),将作为在加法单元201得到的加法结果的电流指令值Imo(=Ifref-Isref)与电流指令值相加并输出电动机电流指令值Imref(步骤S106)。
接下来,参照图16的流程图来说明反馈控制单元210的动作。
目标转向角θt被输入到比率限制器211(步骤S110),在比率限制器211被执行如前所述的比率限制动作(步骤S111),通过了LPF212的目标转向角θta被输入到减法单元213A。另外,来自转向角传感器152的实际转向角θr被输入到减法单元213A(步骤S112),在减法单元213A进行“θta-θr”的减法(步骤S113),作为减法单元213A的减法值的角度偏差θd在比例增益单元214与增益Kpp相乘后被加法输入到减法单元213B(步骤S114)。电动机角速度ω被减法输入到减法单元213B,减法单元213B求出角度偏差θd与增益Kpp相乘后得到的角速度ωe与电动机角速度ω之间的速度偏差(步骤S115)。在减法单元213B得到的速度偏差在积分单元216A被积分并在积分增益单元216B与增益Kvi相乘后,被加法输入到减法单元213C(步骤S116),同时,速度偏差在比例增益单元216C与比例增益Kvp相乘后,被减法输入到减法单元213C(步骤S117),在减法单元213C进行减法(步骤S118)。
然后,输入转向扭矩Th(步骤S120),在微分单元215A对转向扭矩Th进行微分,并在微分增益单元215B与微分增益Kc相乘后,被输入到加法单元213D(步骤S121)。在加法单元213D与来自减法单元213C的减法值相加(步骤S122),由限制器217被限制了上下限值后(步骤S123),被作为反馈控制电流指令值Ifref输出(步骤S124)。
接下来,参照图17的流程图来说明SAT补偿单元230的动作。
输入电动机角速度ω和转向扭矩Th(步骤S130),粘性摩擦系数单元231将电动机角速度ω与粘性摩擦系数c相乘(步骤S131),符号化单元233对电动机角速度ω进行符号化,库仑摩擦单元234将符号化后的电动机角速度与库仑摩擦TFrc相乘(步骤S132),加法减法单元232A将粘性摩擦系数单元231的输出与库仑摩擦单元234的输出相加,同时,对转向扭矩Th进行减法(步骤S133)。
接下来,全惯性力矩单元235输入电动机角加速度α并将其与全惯性力矩Ic相乘(步骤S134),在加法单元232B进行加法(步骤S135)。在加法单元232B得到的加法结果在系数单元236与1/Kt相乘后,被加法输入到减法单元232C,减法单元232C对另外被输入进来(存储)的上次电流指令值Iref(Z-1)进行减法(步骤S137)。减法单元232C输出作为产生相当于SAT的电动机扭矩的SAT估计电流值ISAT,利用LPF237来对SAT估计电流值ISAT进行滤波处理(步骤S140),输入车速Vel并在增益(G)单元238将其与增益G相乘(步骤S141),然后再由限制器239被限制了上下限值后(步骤S142),限制器239输出SAT补偿电流指令值Isref(步骤S143)。
尽管图12的SAT补偿单元230是基于式3而构成的,对于使用图4作了说明的SAT估计,也可以用同样的方式来构成。图18表示其结构例。如图18所示,通过使用SAT估计电流值*SAT(=ISAT)、具有与前述相同的特性的LPF230-1、车速感应型的增益(G)单元230-2和限制器230-3,可以获得SAT补偿电流指令值Isref。
附图标记说明
1 转向盘(方向盘)
2 柱轴(转向轴)
10、154 扭矩传感器
12、153 车速传感器
13 电池
20、150 电动机
21 电动机驱动单元
100 控制单元(ECU)
110 扭矩***控制单元
120 电动机***控制单元
151 旋转传感器
152 转向角传感器
130 车辆侧ECU
131 切换指令单元
132 目标转向角生成单元
140 EPS侧ECU
141 扭矩控制单元
142 切换单元
143 电流控制/驱动单元
144 电动机角速度运算单元
145 电动机角加速度运算单元
200 转向角控制单元
210 反馈控制单元
211 比率限制器
211-2 变化量设定单元
211-4 保持单元
212、230-1、237 LPF
214 比例增益单元
215A 微分单元
215B 微分增益(Kc)单元
216A 积分单元
216B 积分增益(Kvi)单元
216C 比例增益(Kvp)单元
217、239、230-3 限制器
230 SAT补偿单元
231 粘性摩擦系数单元
233 符号化单元
234 库仑摩擦单元
238 (车速感应)增益单元
Claims (9)
1.一种电动助力转向装置,其基于转向扭矩和车速运算电动机电流指令值1,基于所述电动机电流指令值1驱动电动机对转向***进行辅助控制,并具有切换自动转向模式和手动转向模式的功能,其特征在于:
具备转向角控制单元和切换单元,
所述转向角控制单元基于目标转向角、实际转向角、所述电动机的电动机角速度和电动机角加速度、所述转向扭矩及上次电流指令值计算出电动机电流指令值2;
所述切换单元输入所述电动机电流指令值1和所述电动机电流指令值2并切换,
所述转向角控制单元由反馈控制单元、SAT补偿单元及输出单元构成,
所述反馈控制单元基于所述目标转向角、所述实际转向角、所述电动机角速度及所述转向扭矩生成反馈控制电流指令值;
所述SAT补偿单元基于所述电动机角速度、所述电动机角加速度、所述转向扭矩及所述上次电流指令值生成SAT补偿电流指令值;
所述输出单元从所述反馈控制电流指令值和所述SAT补偿电流指令值生成所述电动机电流指令值2,
所述反馈控制单元由比率限制器、LPF、第1比例增益单元、积分增益单元、第2比例增益单元、微分增益单元及输出单元构成,
所述比率限制器对所述目标转向角进行平滑化处理;
所述LPF被连接到所述比率限制器的输出;
所述第1比例增益单元将所述LPF的输出与所述实际转向角之间的角度偏差与比例增益相乘;
所述积分增益单元对来自所述第1比例增益单元的误差速度与所述电动机角速度之间的速度偏差进行积分并将其与积分增益相乘;
所述第2比例增益单元将所述速度偏差与比例增益相乘;
所述微分增益单元对所述转向扭矩进行微分并将其与微分增益相乘;
所述输出单元将所述积分增益单元的输出与所述第2比例增益单元的输出之间的偏差值与所述微分增益单元的输出相加,限制上下限值,输出所述反馈控制电流指令值,
根据所述自动转向模式和所述手动转向模式的切换指令来切换所述切换单元,在所述自动转向模式时,基于所述电动机电流指令值2对所述电动机进行驱动控制。
2.根据权利要求1所述的电动助力转向装置,其特征在于:所述SAT补偿单元由SAT估计单元、LPF及车速感应增益单元构成,
所述SAT估计单元基于所述转向扭矩、所述电动机角速度、所述电动机角加速度及所述上次电流指令值计算出SAT估计电流值;
所述LPF输入所述SAT估计电流值并具有高于角度响应频率的截止频率特性;
所述车速感应增益单元将所述LPF的输出与车速可变增益相乘并输出所述SAT补偿电流指令值。
3.根据权利要求2所述的电动助力转向装置,其特征在于:所述SAT估计单元由粘性摩擦系数单元、符号化库仑摩擦单元、全惯性力矩单元及输出系数单元构成,
所述粘性摩擦系数单元将所述电动机角速度与粘性摩擦系数相乘;
所述符号化库仑摩擦单元对所述电动机角速度进行符号化并将其与库仑摩擦相乘;
所述全惯性力矩单元将所述电动机角加速度与全惯性力矩相乘;
所述输出系数单元从所述粘性摩擦系数单元的输出和所述符号化库仑摩擦单元的输出的加法值中减去所述转向扭矩,接着与所述全惯性力矩单元的输出相加,然后与系数相乘。
4.根据权利要求2所述的电动助力转向装置,其特征在于:限制上下限值的限制器被连接到所述车速感应增益单元的后级。
5.根据权利要求3所述的电动助力转向装置,其特征在于:限制上下限值的限制器被连接到所述车速感应增益单元的后级。
6.根据权利要求2所述的电动助力转向装置,其特征在于:所述SAT估计单元由加法单元、第1减法单元及第2减法单元构成,
所述加法单元将相当于辅助扭矩的电流指令值与所述转向扭矩相加;
所述第1减法单元从所述加法单元的加法结果中减去所述电动机角加速度与惯性相乘后得到的值;
所述第2减法单元从所述第1减法单元的减法结果中减去对所述电动机角速度进行符号化并将其与库仑摩擦相乘后得到的值,输出所述SAT估计电流值。
7.根据权利要求6所述的电动助力转向装置,其特征在于:限制上下限值的限制器被连接到所述车速感应增益单元的后级。
8.一种电动助力转向装置,其基于转向扭矩和车速运算电动机电流指令值1,基于所述电动机电流指令值1驱动电动机对转向***进行辅助控制,并具有切换自动转向模式和手动转向模式的功能,其特征在于:
具备转向角控制单元和切换单元,
所述转向角控制单元基于目标转向角、实际转向角、所述电动机的电动机角速度和电动机角加速度、所述转向扭矩及上次电流指令值计算出电动机电流指令值2;
所述切换单元输入所述电动机电流指令值1和所述电动机电流指令值2并切换,
所述转向角控制单元由反馈控制单元、SAT补偿单元及输出单元构成,
所述反馈控制单元基于所述目标转向角、所述实际转向角、所述电动机角速度及所述转向扭矩生成反馈控制电流指令值;
所述SAT补偿单元基于所述电动机角速度、所述电动机角加速度、所述转向扭矩及所述上次电流指令值生成SAT补偿电流指令值;
所述输出单元从所述反馈控制电流指令值和所述SAT补偿电流指令值生成所述电动机电流指令值2,
所述SAT补偿单元由SAT估计单元、LPF及车速感应增益单元构成,
所述SAT估计单元基于所述转向扭矩、所述电动机角速度、所述电动机角加速度及所述上次电流指令值计算出SAT估计电流值;
所述LPF输入所述SAT估计电流值并具有高于角度响应频率的截止频率特性;
所述车速感应增益单元将所述LPF的输出与车速可变增益相乘并输出所述SAT补偿电流指令值,
所述SAT估计单元由粘性摩擦系数单元、符号化库仑摩擦单元、全惯性力矩单元及输出系数单元构成,
所述粘性摩擦系数单元将所述电动机角速度与粘性摩擦系数相乘;
所述符号化库仑摩擦单元对所述电动机角速度进行符号化并将其与库仑摩擦相乘;
所述全惯性力矩单元将所述电动机角加速度与全惯性力矩相乘;
所述输出系数单元从所述粘性摩擦系数单元的输出和所述符号化库仑摩擦单元的输出的加法值中减去所述转向扭矩,接着与所述全惯性力矩单元的输出相加,然后与系数相乘,
根据所述自动转向模式和所述手动转向模式的切换指令来切换所述切换单元,在所述自动转向模式时,基于所述电动机电流指令值2对所述电动机进行驱动控制。
9.根据权利要求8所述的电动助力转向装置,其特征在于:限制上下限值的限制器被连接到所述车速感应增益单元的后级。
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