CN107257760A - 电力辅助转向*** - Google Patents

Abstract

一种用于操作一种电力辅助转向***的方法，在该电力辅助转向***中，电动机(1)对转向***的一部分施加随着辅助转矩信号(9)的变化而变化的辅助转矩，辅助转矩减小驾驶员转动方向盘(4)所需的力，该方法包括：在正常操作期间生成依赖于由驾驶员施加的转矩的辅助转矩信号(9)，并且在其中***不能可靠地知道驾驶员所施加的转矩的故障操作期间生成辅助转矩信号(9)，该辅助转矩信号(9)由具有随着转向相对于可变基准的角位置的变化而变化的值的第一项得出，可变基准的角位置在转向的旋转方向改变的情况下更新。

Description

电力辅助转向***

本发明涉及一种电力辅助转向***，其中电动机适于对转向构件(诸如转向柱)施加辅助转矩以便减少驾驶员控制车辆所需的力气。

在简单的电力辅助转向***中设置有转矩传感器，该转矩传感器被布置使得转向柱的转矩水平被测量。根据该测量结果，控制器计算出转矩需求信号的值，该转矩需求信号指示将由附接至转向柱的电动机生成的转矩。电动机对柱施加与驾驶员所要求的转矩相同的转矩，从而减少转动方向盘所需的力气。

在发生导致转矩的测量结果不可靠或不可用的故障的情况下，这种简单的布局可能会出现问题。如果转矩传感器本身存在故障，转矩传感器的输出存在故障或者对来自转矩传感器的信号的任何之后的处理中存在故障，则这种情况可能会发生。如果转矩测量结果不可靠，则一般认为将其用作用于计算辅助转矩的基础是不安全的。

为了改善这个问题，已知包括一些监测转矩信号的检查电路，并且在认为转矩信号不可靠的情况下，可以将辅助转矩降低至零，实际上就是将该车辆恢复成没有转向辅助的车辆。这通常将会导致非常沉重的转向，并且可能会使得该车辆变得无法驾驶。在高速下(例如，在弯道中间)突然去除辅助也可能是危险的，所以已知的是从最后的已知的安全值起逐渐减小辅助。

人们已经尝试了在没有可靠的转矩测量结果时提供某种水平的辅助。我们已知DE102005005084，其中测量转向轴上的两个点的相对角位置并且在转矩传感器发生故障的情况下用它来提供对转矩的粗略估计。此外，DE102008032081A1还公开了一种用于操作转向***的方法，其中基于车辆动力学的简单模型将辅助转矩作为方向盘的角位置、车辆速度及转向角速度的函数来计算。

本发明的目的是提供一种改进的操作***和方法，该操作***和方法可以改善现有技术对不可靠的转矩测量结果的问题的解决方案中存在的某些限制。

根据第一方面，本发明提供一种用于操作一种电力辅助转向***的方法，在该电力辅助转向***中电动机对转向***的一部分施加随着辅助转矩信号变化而变化的辅助转矩，该辅助转矩减少了驾驶员转动方向盘所需的力，该方法包括：在正常操作期间生成依赖于由驾驶员施加的转矩的辅助转矩信号，以及在其中***不能可靠地知道驾驶员所施加的转矩的故障操作期间生成辅助转矩信号，该辅助转矩信号由具有随着转向相对于可变基准的角位置变化而变化的值的第一项得出，该可变基准的角位置在转向的旋转方向改变的情况下更新。

在转向再次移动离开息止位(rest)时，提供随着相对于变化的基准的方向盘角度的变化而变化的辅助转矩，使得能够施加可给出良好的转向响应的一定量的辅助，其中在转向***的部件(典型地，方向盘或转向柱轴或转矩传感器套管轴(quill shaft)或电动机转子)开始沿与其上次旋转的方向不同的方向旋转时，该变化的基准被重置到新的位置，该新基准被设置为等于在反转发生时转向部件的角度。该可变基准的使用可允许辅助逐渐减小，以帮助驾驶员从任意息止位置起重新开始转向的移动。

该基准可以在每次转向改变方向时被重置，或者仅在旋转方向改变时另外还满足一个或多个条件的时候被重置。在其它任意条件下，该基准可以不被重置，所以它可以被重置的唯一时间可以是反转发生时。

一个或多个条件可以包括在方向改变发生时辅助转矩信号的值，但是还可以包括在反转发生时辅助转矩信号的第一分量的值。

该方法可以包括监测转向的旋转方向，以及根据其确定旋转方向是否已改变。为了监测该方向，该方法可以包括监测转向***的部件的角速度。

由于转向可能会静止一段时间，因而该方法可以包括将上次旋转方向存储于存储器内并将其与当前的运动方向进行比较以检测方向变化。

当检测到变化时，可以更新存储于存储器内的上次旋转方向的值。

由于只有两种可能的旋转方向(顺时针和逆时针)，因而该方法可以将该信息作为二进制数字来存储。

该方法可以包括：在正在使用正常操作模式时确定基准，准备用于在转矩信号丢失或变得不可靠的情况下生成辅助转矩信号。

在一种优选的布局中，第一分量可以在转向远离变化的基准的角运动的初始量内高速变化，并且此后以较低的速率变化或者变得饱和，并且因此不会随着远离基准的任何进一步增加的移动而变化。具有高的变化速率的区域可以对应于从基准到大约60度或者从基准到大约90度的角度范围，在此之后应用较低的变化速率。

这种初始的快速增加帮助驾驶员克服车辆对方向改变的初始阻力，从而给出最初的辅助性“一踢”。

第一分量可以随着转向移动远离变化的基准值的位置而以线性或非线性方式变化。该分量大体上可以在初始的角度范围内作为转向位置相对于基准值的线性函数而变化。

该方法可以包括随着车辆速度的变化来修改第一分量的值。这可以包括随着速度的变化来放缩该值，典型地，随着车辆速度增大而减小该值，或者随着车辆速度的变化而对最大值施加限制。放缩的量可以随着相对于变化的基准的角位置的变化而改变。

如此，可以作为车辆速度的函数来确定增益值并且在产生第一分量的过程中使用增益值。因而，可以无限制地使用查找表或函数来计算该项，并且如果结果超过由车辆速度确定的最大值，则速度可以被限制于该最大值。

该方法可以包括直接或间接地监测转向柱角速度，并且每次检测到旋转方向的反转时将基准更新到新的角位置，可选地，仅在如上所述地满足某些条件时才更新。

该方法还可以包括在故障操作期间通过生成随着转向qcol的位置相对于正前方位置变化而变化的第二分量或项的步骤来生成辅助转矩，该辅助转矩由第一分量与第二分量的结合得出。

该方法可以包括在故障操作中产生包括通过对第一分量与第二分量求和而产生的项的辅助转矩信号。

该方法还可以包括在故障操作期间通过产生随着柱角速度变化而变化的第三分量的步骤来生成辅助转矩信号。在柱速度不断升高的情况下，该第三分量可以被缩减，以防止引起不稳定性。其可以包括PD(比例和微分)式控制器，通过相对于可变基准的转向角及车辆速度二者来调节该值，以在动力学方面提供辅助。

在转向到达并息止于新的位置，没有与当前使用的基准值对齐的情况下，第一分量可以在限定的时间段内逐渐降低至零。在这种情况下，转向方向还没有反转，但是在转向不在移动时需要去除该辅助分量。

在转向的旋转方向反转使得其没有到达息止处的情况下，第一分量的值可能是反转的。

该方法可以包括通过对第一分量与第二分量及第三分量求和来产生估计的转向辅助转矩。

该方法可以包括随着相对于正前方位置的转向柱角度和车辆速度二者的变化来限制总分量的值。当出现高的车辆速度和大的柱角度二者时，相对于车辆速度和柱角度的其它组合，可以严格限制总分量。

在正常操作期间，可以通过转矩传感器来测量由驾驶员施加的转矩以产生转矩信号。

该方法可以包括以下步骤：确定是否有可靠的转矩测量结果可用，并且如果没有则从正常操作模式切换到故障模式。

根据第二方面，本发明提供一种电力辅助转向***，其包括：将车辆的方向盘可操作地连接至车轮的转向机构，可操作地连接至转向机构的电动机，适于产生指示由转向机构的一部分承载的转矩的转矩信号的转矩传感器，以及信号处理装置，在转矩传感器的输出信号可靠地可用时该信号处理装置可在正常模式下操作，而在其不可用时该信号处理装置可在故障模式下操作，其中该信号处理装置包括：

一种信号处理装置，该信号处理装置在正常模式下适于生成依赖于由驾驶员施加的转矩的辅助转矩信号，并且在故障操作期间适于生成独立于驾驶员所施加的转矩的辅助转矩信号，该信号处理装置包括第一子单元，该第一子单元在故障模式下生成辅助转矩信号的第一项，该第一项具有随着转向相对于可变基准的角位置变化而变化的值，该可变基准在转向的旋转方向反转时被重置。

信号处理装置还可以包括第二处理子单元，该第二处理子单元在故障模式下生成辅助转矩信号的第二分量或第二项，该第二分量或第二项随着转向qcol的位置相对于正前方位置的变化而变化，该辅助转矩由第一分量与第二分量的结合得出。

信号处理装置还可以包括第三处理子单元，该第三处理子单元在故障模式下生成辅助转矩信号的第三分量，该第三分量随着柱角速度变化而变化。

该***可以包括用于产生转向柱位置信号的转向位置传感器。

该***可以包括用于产生可指示方向盘或转向柱的角速度的速度信号的柱速度信号生成装置。

柱速度信号发生器可以包括速度传感器。可替代地，其可以包括用于生成可以随时间积分以给出速度信号的位置信号的位置传感器。

转矩传感器可以包括单个传感器，该单个传感器与其所附接的转向柱或另一个机械构件连接。其可以是用于通过简单地监测流过电动机的电流来确定电动机位置的虚拟传感器。

第一项和第二项可以随车辆速度变化而变化。

如果满足一个或多个附加条件，则可以仅在检测到方向变化时更新可变基准。这些条件可以包括在反转时辅助转矩的值在预定义的范围之内或者在预定义的水平以上或以下。

信号处理单元可以包括一个或多个滤波器和限幅器，用于在产生辅助转矩信号需求乘数时对第一项、第二项和第三项或者这些项之和进行滤波或限幅。

该***可以包括电子存储器的可由信号处理装置访问的区域，在该区域内可以存储限定这些项的函数、映射或查找表。

信号处理单元可以由执行存储于存储器的区域内的程序指令的处理器实现。指令可以使处理器执行限定了信号处理单元的不同子单元的多个不同的步骤或函数。但是，可以使用离散电子构件(诸如数字逻辑门、形成每个子单元的一组逻辑门)来实现信号处理单元。

现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的一种实施例，在附图中：

图1是根据本发明的电力辅助转向***在正常操作模式下工作的示意图；

图2是图1的电力辅助转向***在故障操作模式下工作的示意图。

图3是例示出在正常模式下由图1的***的信号处理器采取的功能步骤的框图；

图4是例示出在故障模式下由图1的***的信号处理器采取的功能步骤的框图；

图5是示出在产生辅助转矩信号的过程中作为转向相对于可变基准的位置的函数而生成的第一项的值的变化的曲线图；

图6是示出在产生辅助转矩的过程中作为相对于正前方位置的绝对柱角度的函数而生成的第二项的值的变化的曲线图；

图7是示出增益项的值随着柱速度Ncol的变化而变化的曲线图；以及

图8是示出施加于辅助转矩信号值的转矩限幅随着相对于正前方位置的柱角度的变化而变化的曲线图。

附图中的图1例示了一种典型的电力辅助转向***。该***包括通过(可选的)变速箱3作用于驱动轴2上的电动机1。驱动轴2终止于蜗轮，蜗轮与设置于转向柱5的一部分上的轮盘或者可操作地连接到转向柱的轴配合，例如作用于转向齿条。当然，这不应被视为对我们寻求的保护范围的限制，并且应当可设想得到可应用本发明的其它电力辅助转向***。可以由驾驶员对方向盘4施加转矩来旋转转向柱。

转向柱5带有转矩传感器6，该转矩传感器6适于测量由转向柱5承载的转矩，该转矩由车辆的驾驶员在克服由车轮(未示出)提供的阻力而转动方向盘(也未示出)并因此转动转向柱时产生。来自转矩传感器6的输出信号T被馈送到信号处理单元7的第一输入。如图所示，转矩传感器是具有两组感测元件的双通道器件，提供了一定程度的冗余和增强的安全性，但是可以使用单通道器件。

设置有电动机角位置传感器，其产生指示电动机的角位置的输出信号。因为电动机与转向柱直接连接，所以这进而允许产生指示转向柱qcol相对于固定基准的绝对角位置的信号。固定基准通常在车辆的正前方位置被设置为零并且随着转向移动远离正前方位置而线性变化，正值指示从正前方位置起沿一个方向(例如，顺时针)的位置，而负值指示沿另一个方向的位置。该传感器可以产生以旋转度数或者其它任何方便的尺度表示的输出信号。

作为替代，在其它布局中，角位置传感器可以可以直接连接至转向柱，或者可以形成为转矩传感器的一部分。

最后，该***包括用于测量车辆速度和车辆横向加速度的传感器，传感器产生相应的输出信号Vspd和Vacc。这些传感器可以被省略，并且可以从已经设置于车辆上的由其它***(诸如ABS或稳定性控制***)使用的那些传感器来获取适当的信号。

信号处理单元7作用于这些信号，以产生被传递给电动机控制器(未示出)的辅助转矩信号9，作为其输出。电动机控制器将指示电动机所需求的辅助转矩的量的辅助转矩信号9转换成电动机1的驱动电流。然后，通过对电动机驱动桥的开关应用PWM调制，由这些驱动电流驱动电动机，如本技术领域所已知的。

为了产生该辅助转矩信号9，处理单元7包括多个子单元，每个子单元执行单一处理步骤或者特定的一组步骤。这些单元一起工作以提供两种不同的操作模式：其中辅助转矩主要基于由转矩传感器输出的转矩信号的正常模式，以及其中在不使用转矩信号的情况下生成辅助转矩的故障操作模式。这些模式将在下面具体参考图3和4更详细地解释。

在每种操作模式中，转矩辅助信号8的值对应于将由电动机1施加到转向柱的辅助转矩的量。该值将从在某种意义上对应于电动机最大输出转矩的最小值起，经过需求信号为零时的零转矩，变为相反意义的最大电动机转矩。

电动机控制器9接收转矩辅助信号作为其输入，并产生电流，该电流被馈送到电动机以在电动机驱动轴2处再现所期望的转矩。正是施加到转向柱轴5的该辅助转矩减少了驾驶员转动方向盘所需的力气。

正常操作模式

在图3中示出了在正常模式下信号处理单元7的功能。转矩需求信号8由至少两个分量或项构成。第一分量是依赖于驾驶员通过方向盘施加于转向柱的转矩的量的转矩分量。

第二分量或第二项是阻尼分量，其被提供以便提高转向感和/或增强***的安全性。另外，也可以使用其它转矩分量，例如用于帮助抵抗可能使车辆偏离预定的路径的横向风对车辆的影响。

因此，辅助转矩信号作为由转矩传感器6测得的转向的转矩的函数而得出。测得转矩与辅助信号之间的关系基本为线性的。但是，可以使用其它可能的关系将转矩映射为辅助信号。在这两种情况下，随着转矩增大，辅助信号的幅度也增大。还应当理解，如果需要，辅助转矩信号可以依赖于其它参数，诸如车辆速度。在这种情况下，典型的是在高速情况下降低辅助转矩信号的值以提高稳定性，并且在速度非常低的情况下增加辅助转矩信号的值以使停车操纵更容易。

故障操作模式

在转矩传感器具有故障或者在其它情形中来自转矩传感器的信号被认为不可靠的情况下，***将切换到被称为故障操作模式的第二模式下来操作。在该第二模式下，独立于测得转矩而生成辅助转矩。替代地，基于方向盘的角位置来生成所估计的辅助转矩的量。

图4示出了信号处理单元7在该模式下的功能，以及在第二模式下操作时由信号处理器用来生成辅助转矩的控制变量。可以看出，在这种模式下不再使用转矩传感器信号作为输入。替代地，使用转向柱角位置qcol、车辆速度vspd和车辆横向加速度Vacc，以及转向柱或电动机角速度Ncol。

在图4中可以看出，信号处理器产生从三个不同的分量或项中得出的辅助转矩信号8，这些分量或项中的每一个由信号处理器的子单元生成。这三个项如下：

(a)第一项，随着转向柱相对于可变基准的位置Dqcol变化而变化，

(b)第二项，随着转向柱相对于与指向正前方的车辆转向相对应的固定基准的位置的变化而变化；以及

(c)可选的第三项，随着转向柱的速度Ncol的变化而变化。

这三个项在信号处理器内的子单元12处结合，以形成最终的辅助转矩信号8。

第一项示于附图中的图5内。该曲线图在X轴上示出了转向相对于可变基准的位置Dqcol，并且Y轴是第一项的值，表示为转矩值(单位：Nm)。该分量将被映射到Dqcol上，并且由于Dqcol将在方向变化时被重置，其将具有从0增至高值的轴。可以看出，该项还随着车辆速度的变化而被修改，随着车辆速度的增大而缩减。

第一项的关键特性在于，对于远离基准的初始移动，转矩快速增大，之后，对于进一步的移动，转矩的增大减少或饱和(没有进一步增大)。

每当转向的旋转方向改变(方向反转)时，据其测得Dqcol的可变基准被重置。只要转向沿一个方向移动或者已经达到息止，基准将不会被重置，但是将保留其最后的基准值。因而，在车辆的使用期间，每当驾驶员在给定的时间内将转向保持于一个固定的角度时，基准的位置将不时地被重置。

例如，驾驶员可以将转向旋转远离正前方位置，并且在旋转通过一半之后沿顺时针方向的旋转被保持为静止。由于没有反转，所以基准没有被从正前方位置重置到180度。

当静止时，所需的辅助的量可以被降低，因此第一分量的值随时间稳定地朝零下降。

如果驾驶员开始沿远离正前方位置的相同方向进一步转动，则将再次根据映射值施加第一分量。

然后，如果转向沿返回方向移动(朝正前方返回)，则基准被重置，并且基于该曲线使用新的基准来计算第一分量。

第二分量或第二项示于图6中。在该曲线图中，x轴指示相对于固定的正前方位置的转向位置qcol，与作为转矩(单位：Nm)的第二项的y轴值相对。可以看出，第二分量以分段线性方式变化，随着转向移动远离正前方位置而增加。该值基于绝对转向角度并且关于正前方位置对称，因此可以使用仅从0变为高(High)的简单映射来生成。示出了多个迹线，因为也可以如同第一项那样根据车辆速度对该分量进行放缩或限幅。

第三分量或第三项示于图7中。该项一般为阻尼项。该曲线图在X轴上示出了从低速变为高速的转向速度Ncol，并且在Y轴上示出了被表示为增益的第三项的值。同样，在本示例中其也依赖于车辆速度。

在车辆远离正前方位置而移动时，该第三项阻尼可以被用来提供附加的初始一踢(初始角运动的一种导数项)，但是它之后变成对于较大角度的阻尼控制。该配置多数用于要克服的惯性较高的停车场，对于较高的车辆速度，它在整个转向范围内为阻尼。

这三个项中的每一项的传递函数都可以存储于与信号处理单元7关联的存储器内，作为查找表或映射，或者作为数学方程，或者作为混合形式。在使用映射的情形中，信号处理器可以内插任何所需的中间值。在使用方程的情形中，其被方便地表示为一组分段线性方程。

这三个项被馈送到求和块，如图4所示(问题——将前两项添加到增益信号是否正确？)。然后，在本示例中，求和块的输出由随着车辆速度和柱角度qcol的变化来施加限幅的另一个转矩限幅项修改，如图8所示。

每当信号处理器认为基准要被重置，此时生成的辅助转矩的值将逐渐减小，以融合到根据这三个分量之和而确定的值中(问题——这是否正确？)

在故障模式下，然后，信号处理器7的输出可以被传递给驱动电路，以为电动机产生适当的驱动电流。

在使用中，提供了确定是否有可靠的转矩信号可用并选择哪种模式来操作的监测器。当***在故障模式下运行时，可以向驾驶员发出警告。

Claims (11)

1.一种用于操作一种电力辅助转向***的方法，在所述电力辅助转向***中，电动机对所述转向***的一部分施加随着辅助转矩信号变化而变化的辅助转矩，所述辅助转矩减小驾驶员转动方向盘所需的力，所述方法包括：在正常操作期间生成依赖于所述驾驶员施加的转矩的辅助转矩信号，以及在其中所述***不能可靠地知道所述驾驶员施加的所述转矩的故障操作期间生成由第一项得出的辅助转矩信号，所述第一项具有随着转向相对于能够改变的基准的角位置变化而变化的值，所述能够改变的基准的角位置在所述转向的旋转方向改变的情况下更新。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：当所述转向的所述旋转方向改变时并且仅在满足一个或多个附加条件时重置所述基准。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述附加条件依赖于在反转时所述辅助转矩的值。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，包括：在正在使用正常操作模式时确定所述基准，准备用于在所述转矩信号丢失或变得不可靠的情况下生成辅助转矩信号。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，包括在远离所述能够改变的基准的初始移动量内高速改变第一分量，并且使所述第一分量此后以较低的速率改变或者变得饱和并且不随着远离所述基准的不断增大的移动而改变。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括随着车辆速度的变化来修改所述第一分量的值。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：在所述故障操作期间通过生成第二分量或第二项的步骤来生成辅助转矩，所述第二分量或第二项随着所述转向的位置qcol相对于正前方位置的变化而变化，所述辅助转矩由所述第一分量与所述第二分量的结合得出。

8.根据权利要求7所述的方法，包括在所述故障操作中产生辅助转矩信号，包括对所述第一分量和所述第二分量进行求和的步骤。

9.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括在所述故障操作期间通过产生第三分量的步骤来生成辅助转矩信号，所述第三分量随着柱角速度的变化而变化。

10.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括以下步骤：确定是否有可靠的转矩测量结果可用，并且如果没有则从正常操作模式切换到故障模式。

11.一种电力辅助转向***，包括：能够操作地将车辆的方向盘连接至其车轮的转向机构，能够操作地与所述转向机构连接的电动机，适于产生指示由所述转向机构的一部分承载的转矩的转矩信号的转矩传感器，以及信号处理装置，其中在所述转矩传感器的输出信号可靠地可用时所述信号处理装置能够在正常模式下操作，而在所述输出信号不可用时所述信号处理装置能够在故障模式下操作，其中所述信号处理装置包括：

一种信号处理装置，所述信号处理装置在所述正常模式下适于生成依赖于由驾驶员施加的转矩的辅助转矩信号，并且在故障操作期间适于生成独立于所述驾驶员施加的转矩的辅助转矩信号，所述信号处理装置包括在所述故障模式下生成所述辅助转矩信号的第一项的第一子单元，所述第一项具有随着转向相对于能够改变的基准的角位置的变化而变化的值，所述能够改变的基准在所述转向的旋转方向反转时被重置。