CN110606120A - 用于确定电动助力转向***的频率响应的齿条干扰测试 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于确定动力转向***的频率响应的***和方法，所述动力转向***包括转向辅助马达，所述转向辅助马达被配置为在被激活时围绕转向轴的轴线产生辅助扭矩。所述方法包括通过控制器监测扭矩传感器，其测量在第一频率扫描和第二频率扫描期间经历的所述转向轴的转向输出扭矩。所述方法还包括通过所述控制器基于在所述第一频率扫描和所述第二频率扫描期间监测的所述转向输出扭矩来确定传递函数，其中所述传递函数指示所述动力转向***的所述响应。

Description

用于确定电动助力转向***的频率响应的齿条干扰测试
引言
本公开涉及一种用于测试动力转向***的***和方法。具体地，本公开涉及一种用于执行齿条干扰测试以确定动力转向***的频率响应的***和方法。
转向***通常包括连接到车辆的前轮的方向盘，其中驾驶员操纵方向盘以控制车辆运动的方向。许多车辆配备了动力转向***以减少转动方向盘所需的总体工作量。如果车辆不包括动力转向***，则驾驶员可能需要施加大量的力来转动方向盘。转动方向盘所需的工作量在较低速度和车辆停放时尤其明显。一些车辆也可能具有操纵后轮的后转向***，其中前后转向***协同工作以形成四轮转向***。
动力转向***包括电动或液压致动器以增加由驾驶员施加在方向盘上的机械力。例如，电动助力转向(EPS)***包括通过驱动机构沿转向轴线或齿条联接到轴的电动马达。电动马达产生辅助扭矩并且与转向辅助控制器通信，所述转向辅助控制器存储用于计算由电动马达产生的辅助扭矩的算法。
***的频率响应表示***在不同频率下的输入和输出之间的关系。动力转向***的频率响应是基于存储在转向辅助控制器中用于计算辅助扭矩的算法。然而，在至少一些情况下，可能无法访问存储在转向辅助控制器中的算法。这可能成为问题，因为用于估计频率响应的现有测试程序可能需要访问存储在转向控制器中的算法。
因此，虽然现有的测试程序实现了其预期目的，但是需要一种用于确定动力转向***的频率响应的新的和改进的***和方法。
发明内容
根据若干方面，公开了一种用于确定动力转向***的频率响应的方法。转向辅助马达被配置为在被激活时围绕转向轴的轴线产生辅助扭矩。所述方法包括通过控制器将命令的转向角传输到连接到所述转向轴的旋转致动器。响应于接收到所述命令的转向角，所述方法包括将所述旋转致动器致动到所述命令的转向角。所述旋转致动器通过施加方向盘扭矩来维持位置。所述转向轴通过柔性扭杆和惯性轮连接到所述旋转致动器。所述方法包括通过所述控制器将齿条干扰力控制信号传输到至少一个致动器，其中所述至少一个致动器联接到齿条并且被配置为沿基本线性方向致动所述齿条。响应于接收到所述齿条干扰力控制信号，所述方法包括通过所述至少一个致动器产生第一频率扫描和第二频率扫描，其中所述转向辅助马达在所述第一频率扫描期间被停用并且在所述第二频率扫描期间被激活。所述方法还包括通过所述控制器监测扭矩传感器，所述扭矩传感器测量在所述第一频率扫描和所述第二频率扫描期间经历的所述转向轴的转向输出扭矩。最后，所述方法包括通过所述控制器基于在所述第一频率扫描和所述第二频率扫描期间监测的所述转向输出扭矩来确定传递函数。所述传递函数指示所述动力转向***的所述频率响应。
在本公开的附加方面中，所述方法包括通过基于在所述第一频率扫描期间测量的所述转向输出扭矩计算机械传递函数来确定传递函数。
在本公开的另一方面，所述方法还包括基于以下项来确定所述机械传递函数：
其中RDF2SWTna(s)是在没有所述转向辅助马达辅助的情况下从所述齿条干扰力到所述方向盘扭矩的估计传递函数，SWTna是在没有所述转向辅助马达辅助的情况下的所述方向盘扭矩，并且RDFna是在没有所述转向辅助马达辅助的情况下的所述齿条干扰力。
在本公开的再又一方面，所述方法还包括通过以下项来确定在所述转向辅助马达的辅助下从所述齿条干扰力到所述方向盘扭矩的估计传递函数：
其中RDF2SWTwa(s)是在所述转向辅助马达的辅助下从所述齿条干扰力到所述方向盘扭矩的估计传递函数，SWTwa是在所述转向辅助马达被激活时的所述方向盘扭矩，并且RDFwa是在所述转向辅助马达被激活时的齿条干扰力。
在本公开的又另一方面中，传递函数通过以下项来进一步计算：
在本公开的一方面中，用于确定所述转向扭矩辅助控制信号的算法存储在转向控制器的存储器中。所述控制器无法访问存储在所述转向控制器的所述存储器中的所述算法。
在本公开的另一方面中，所述方法包括通过所述控制器确定所述动力转向***的增益裕度。所述增益裕度是当所述动力转向***的相位为-180度时所述动力转向***的幅度为0分贝所需的附加增益量。
在本公开的又另一方面中，所述方法包括由所述控制器通过计算在所述动力转向***的所述幅度为零时所述动力转向***为-180度所需的相位滞后量来确定所述动力转向***的相位裕度。
在本公开的再又一方面中，所述方法包括通过所述控制器确定包括所述增益裕度和所述相位裕度的奈奎斯特图，然后基于所述增益裕度和所述相位裕度的所述奈奎斯特图来计算稳定性裕度。
在本公开的又另一方面中，所述齿条干扰力是可变波形，其是正弦波、白噪声信号或多正弦信号。
在本公开的附加方面中，公开了一种确定用于线控转向或自主车辆的动力转向***的频率响应的方法。转向辅助马达被配置为在被激活时围绕转向轴的轴线产生辅助扭矩。所述方法包括通过控制器将命令的转向角传输到连接到所述转向轴的旋转致动器。所述转向轴通过柔性扭杆和惯性轮连接到所述旋转致动器。响应于接收到所述命令的转向角，所述旋转致动器被致动到所述命令的转向角并通过施加方向盘扭矩来维持位置。所述方法还包括通过所述控制器将齿条干扰力控制信号传输到至少一个致动器。所述至少一个致动器联接到齿条并且被配置为沿基本线性方向致动所述齿条。响应于接收到所述齿条干扰力控制信号，所述方法包括通过所述至少一个致动器产生第一频率扫描，其中所述转向辅助马达在所述第一频率扫描期间被停用。所述方法还包括通过所述致动器产生第二频率扫描。在所述第二频率扫描期间，所述转向辅助马达被激活并且所述命令的转向角被设定为零。所述方法还包括基于所述命令的转向角产生转向角频率扫描。在所述转向角频率扫描期间，所述转向辅助马达被激活并且所述致动器被断开。所述方法包括通过所述控制器监测联接到所述转向轴的旋转编码器。所述旋转编码器测量在所述第一频率扫描、所述第二频率扫描和所述转向角频率扫描期间经历的转向角。所述方法包括通过所述控制器基于在所述第一频率扫描和所述第二频率扫描期间监测的所述转向角来确定传递函数。所述传递函数指示所述动力转向***的所述频率响应。所述方法还包括通过控制器基于在所述转向角频率扫描期间监测的所述转向角来确定前馈算法对所述动力转向***的影响。
在本公开的另一方面中，公开了一种动力转向***。所述***包括：柔性扭杆；惯性轮；齿条，其限定第一端部和第二端部；设置在所述齿条的所述第一端部上的第一致动器和设置在所述齿条的所述第二端部上的第二致动器；转向轴，其可围绕转向轴线旋转；小齿轮，其将所述齿条连接到所述转向轴；转向辅助马达，其被配置为围绕所述转向轴的所述转向轴线产生辅助扭矩；扭矩传感器，其被配置为测量所述转向轴的转向输出扭矩；旋转致动器，其连接到所述转向轴；以及控制器。所述转向轴通过所述柔性扭杆和所述惯性轮连接到所述旋转致动器。所述控制器与所述第一致动器、所述第二致动器和所述旋转致动器通信。所述控制器被配置为将命令的转向角传输到所述旋转致动器。所述旋转致动器被致动到所述命令的转向角并且通过施加方向盘扭矩来维持位置。所述控制器还被配置为将齿条干扰力控制信号传输到所述第一致动器和所述第二致动器。所述控制器还被配置为指示所述第一致动器和所述第二致动器产生第一频率扫描和第二频率扫描。所述转向辅助马达在所述第一频率扫描期间被停用并且在所述第二频率扫描期间被激活。所述控制器还被配置为监测所述扭矩传感器以获得在所述第一频率扫描和所述第二频率扫描期间经历的所述转向轴的所述转向输出扭矩。最后，所述控制器被配置为基于在所述第一频率扫描和所述第二频率扫描期间监测的所述转向输出扭矩来确定传递函数。所述传递函数指示所述动力转向***的所述频率响应。
从本文所提供的描述中将明白进一步应用领域。应当理解的是，所述描述和具体示例仅旨在用于说明目的，并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于说明目的并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据示例性实施例的用于确定动力转向***的频率响应的示例性测试***的示意图；
图2是根据示例性实施例的图1中所示的动力转向***的控制***图；
图3A是示出根据示例性实施例的图1中的测试***的示例性幅度响应的波特图的曲线图；
图3B是示出根据示例性实施例的图1中的测试***的示例性相位响应的波特图的曲线图；
图3C是根据示例性实施例的波特图的曲线图，其提供关于如何基于幅度和相位响应确定***的增益裕度和相位裕度的解释；
图4是根据示例性实施例的用于确定图1中所示的动力转向***的响应的过程流程图；
图5是根据示例性实施例的用于线控转向或自主车辆中的动力转向***的控制***图；并且
图6是根据示例性实施例的用于确定图5中所示的动力转向***的响应的过程流程图。
具体实施方式
以下描述在本质上仅仅是示例性的并且不旨在限制本公开、应用或用途。
图1是包括动力转向***20、控制硬件40和控制器50的示例性转向测试***10的示意图。动力转向***20可以用在车辆(未示出)中。在不脱离本公开的范围的情况下，车辆可以是任何自推进轮式运输工具，诸如但不限于汽车、卡车、运动型多用途车、货车、房车、摩托车、无人驾驶地面车辆等。在一些实施例中，车辆可以是半自主或全自主车辆。全自主车辆可以是自动操纵的并且能够并且在没有人为输入的环境中导航。图1的动力转向***20包括细长的齿条22、齿轮壳体24、转向轴25、转向辅助马达26、驱动壳体28和位于驱动壳体28内的驱动机构30。驱动机构30是减速机构，并且可以包括诸如(例如)传动装置、链条或皮带等装置。
动力转向***20还可以称为电动助力转向(EPS)***。EPS***包括电动马达(即，转向辅助马达26)，所述电动马达被配置为围绕转向轴25的轴线AA产生辅助扭矩。辅助扭矩可以减少转动动力转向***20的方向盘(未示出)所需的总工作量。在一个实施例中，动力转向***20可以包括一个或多个附加的转向控制器60，诸如(例如)用于转向辅助马达26的电子控制单元(ECU)。控制器60可以集成在转向辅助马达26中或远程安装在车辆(未示出)内。控制器50和60是非通用的电子控制装置，其具有预编程的数字计算机或处理器、用于存储诸如控制逻辑、指令、图像数据、查找表等数据的存储器或非暂时性计算机可读介质，以及多个输入/输出***装置或端口。控制器50和60两者的处理器被配置为执行控制逻辑或指令。
控制器60经由任何有线连接(诸如(例如)车辆总线网络)与转向辅助马达26进行电子通信。控制器60传输由转向辅助马达26接收作为输入的转向扭矩辅助控制信号T26。转向扭矩辅助控制信号T26指示当增加由驾驶员施加在方向盘(未示出)上的机械力时转向辅助马达26需要产生的扭矩辅助量。因此，响应于接收到转向扭矩辅助控制信号T26，转向辅助马达26产生辅助马达扭矩输出TA。
应当明白，转向扭矩辅助控制信号T26和辅助电动马达扭矩输出TA都是未知值。具体地，用于确定转向扭矩辅助控制信号T26的算法存储在控制器60的存储器中。然而，控制器50不能访问存储在控制器60的存储器中的算法。即，存储在控制器60的存储器中的算法是未知的。如下面更详细解释的，控制器50被配置为确定表示由动力转向***20产生的响应的传递函数L1(s)。控制器50通过执行图4中所示的方法400或图6中所示的方法600来确定传递函数L1(s)(具体方法是基于动力转向***20的配置)。虽然本公开描述了控制器50确定传递函数L1(s)，但是应当明白，在另一个实施例中，可以使用单独的控制器来确定传递函数L1(s)。
在如图1中所示的非限制性实施例中，动力转向***20是皮带传动齿条EPS***。然而，应当明白，动力转向***20不限于所示的配置。实际上，动力转向***20可以是任何其他类型的EPS***，诸如(例如)单小齿轮EPS***、双小齿轮EPS***或转向柱EPS***。还应当明白，在一些实施例中，动力转向***20可以用在线控转向***中。此外，在一些实施例中，动力转向***20也可以用在各种不同的自主车辆中。例如，在一个实施例中，动力转向***20是全自主车辆***的一部分，其不包括诸如方向盘等手动控制件。
继续参考图1，齿条22限定设置在齿条22的相对侧上的第一端部33和第二端部35。与第一端部33相比，驱动机构30和驱动壳体28定位成更靠近齿条22的第二端部35，而与齿条22的第二端相比，齿轮壳体24定位成更靠近齿条22的第一端部33。转向辅助马达26的马达轴线BB相对于驱动机构30定向，以促进通过驱动机构30进行转向操作的电动辅助。
当与齿条22的第二端部35相比时，齿轮壳体24定位成更靠近齿条22的第一端部33，并且包含可旋转的小齿轮62。小齿轮62将齿条22连接到转向轴25。小齿轮62被配置为沿齿条22的线性轴线RR前后平移，其中平移方向由标记为D1/D2的双头箭头指示。具体地，小齿轮62可以在第一方向D1上沿线性轴线RR朝向齿条的第一端部33并且在第二方向D2上朝向齿条22的第二端部35平移。
小齿轮62的平移方向是基于转向轴25的旋转。换句话说，当驾驶员转动方向盘(未示出)时，这继而将使小齿轮62沿齿条22平移并使车辆的前轮(未示出)转向。例如，使转向轴25围绕轴线A-A顺时针方向旋转可以使小齿轮62在第一方向D1上平移，并且围绕轴线A-A沿逆时针方向旋转可以使小齿轮62在相反的第二方向D2上平移。沿线性轴线RR在方向D1和D2上的前后运动使齿条22沿相应方向移动以使车辆的前轮(未示出)转向。
在一些实施例中，转向辅助马达26和驱动壳体28可以定位在转向轴线A-A上或沿转向轴线A-A定位以形成转向柱或小齿轮EPS***。在一个实施例中，转向柱EPS***还可以包括转向柱和中间轴，其中转向辅助马达26将转向辅助扭矩传递到安装在转向柱附近的单独驱动机构。相反，小齿轮EPS***可以将转向辅助马达26放置在齿轮壳体24附近，使得辅助扭矩直接作用在可旋转小齿轮62上。无论转向配置的具体类型如何，固定装置27和底板29都可以用于将动力转向***20固定在测试环境中。
控制硬件40包括旋转致动器42、扭矩传感器44和旋转编码器46。旋转致动器42、扭矩传感器44和旋转编码器46各自沿转向轴线A-A彼此同轴对齐。在一个实施例中，旋转致动器42可以是用于围绕转向轴线A-A产生扭矩的电动马达。联接到旋转致动器42的扭矩传感器44是被配置为测量动力转向***20的转向轴25所经历的扭矩的任何装置。应当明白，轴向变化可以存在于控制硬件40的各种部件中。因此，在一些实施例中，可以提供延伸轴45。延伸轴45可以如所示通过一组挠性联轴器48联接到转向轴25。挠性联轴器48被配置为促进将旋转致动器42连接到转向轴25。
除了延伸轴45之外，控制硬件40还可以包括柔性扭杆54和惯性轮52。柔性扭杆54和惯性轮52都沿转向轴线A-A同轴布置。扭杆54和惯性轮52一起被配置为模拟转向柱和中间轴、联轴器以及用于将方向盘(未示出)连接到小齿轮62的其他部件的行为。由扭杆54和惯性轮52产生的弹性和惯性可以基于动力转向***20的具体类型而变化，并且被配置为模拟动力转向***20的未被包括作为转向测试***10的部件的部分的刚度和惯性特性。在一个非限制性实施例中，扭杆速率范围可以从柔性部件的0.4Nm/deg到刚性部件的106Nm/deg。
柔性扭杆54和惯性轮52将旋转致动器42连接到转向轴25。旋转致动器42经由柔性扭杆54和惯性轮52向转向轴25施加转向输入。具体地，旋转致动器42基于从控制器50接收的命令的转向角θ42而围绕转向轴25的转向轴线A-A施加方向盘扭矩。方向盘扭矩的幅度足以基本上抵抗围绕转向轴线A-A的旋转运动。具体地，旋转致动器42被致动到命令的转向角θ42并通过施加方向盘扭矩来维持位置。因为转向轴25通过柔性扭杆54和惯性轮52连接到旋转致动器25，所以转向轴25也定位在命令的转向角θ42处。在一个实施例中，命令的转向角为零度(0°)，其表示方向盘(未示出)所处的角度。然而，应当明白，命令转向角θ42不限于零度。旋转编码器46被配置为测量转向轴25的转向角θ46。扭矩传感器44被配置为测量转向输出扭矩T44。转向角θ46和转向输出扭矩T44都由控制器50监测。
动力转向***20还包括联接到齿条22的至少一个致动器49。至少一个致动器49配置为沿基本线性方向致动齿条22。具体地，致动器49被配置为在齿条22上施加齿条干扰力，其中齿条干扰力致动齿条22。齿条干扰力沿基本线性方向施加。即，齿条干扰力相对于齿条22的线性轴线R-R基本平行。控制器50经由与致动器49、旋转致动器42、扭矩传感器44和旋转编码器46中的每一者的任何有线或无线连接进行电子通信。
在如图1中所示的非限制性实施例中，提供了两个致动器49。具体地，第一致动器49设置在齿条22的第一端部33上，而第二致动器49设置在齿条22的第二端部35上。第一致动器49和第二致动器49各自连接到车辆(未示出)的相应拉杆75。在一个示例中，致动器49中的一者可以施加齿条力输入，而其余的致动器49可以提供反作用力。反作用力可以表示例如车辆(未示出)的轮胎与路面之间的相互作用。虽然转向测试***10被示出为具有两个致动器49，但是应当明白，在一些实施例中，更确切地可以仅使用一个致动器。
控制器50将齿条干扰力控制信号F49传输到致动器49。响应于接收到齿条干扰力控制信号F49，致动器49将齿条干扰力施加在齿条22上。具体地，齿条干扰力沿齿条22的轴线R-R施加在齿条22上，其中齿条干扰力的频率在执行频率扫描的同时变化。如下面所解释，频率扫描通过改变齿条干扰力的频率来激励控制硬件40。控制器50改变齿条干扰力控制信号F49的频率，同时齿条干扰力的振幅保持恒定值。齿条干扰力的振幅表示幅度。例如，在一些实施例中，振幅可以牛顿为单位测量。此外，对多个振幅值评估齿条干扰力控制信号F49的频率。
施加到齿条22的齿条干扰力是可变波形的形式。例如，可变波形可以是正弦波、白噪声信号或多正弦信号。白噪声可以包含等量的约5至约30赫兹的频率，并且多正弦波是由谐波相关的正弦分量之和组成的周期信号。
频率扫描指示动力转向***20在不同振幅值(即，在不同的力)下的频率响应。在一个示例性实施例中，施加到齿条22的齿条干扰力是具有约400牛顿的振幅和约5赫兹的频率持续大约8秒的正弦波，并且随后是400牛顿振幅5.5赫兹持续8秒。频率扫描可以通过将频率以约0.5赫兹递增来继续进行直到频率值达到约30赫兹。然后可以其他振幅值(诸如(例如)600牛顿、800牛顿和1,000牛顿)执行另一次扫描。当谨慎地或连续地执行频率扫描时，控制器50可以记录数据。如图3A和3B中所示，由动力转向***20产生的频率响应的幅度(图3A)和相位(图3B)可以用于确定动力转向***20的其他属性，诸如但不限于增益裕度、相位裕度和稳定性裕度。
图2描绘了图1中示为控制***100的转向***20。控制***100接收齿条干扰力120作为输入。齿条干扰力120表示响应于接收到齿条干扰力控制信号F49(图1)而由致动器49(图1)施加的轴向力。在如图2中所示的实施例中，控制***100表示可以在不采用线控转向或自主控制的车辆中找到的任何EPS***。相反，如下面所解释的并如图5中所示，包括前馈控制器的闭环位置控制***500用于表示可以在线控转向或自主车辆中找到的EPS***。
参考图1和2两者，存储在控制器60(图1)中的预定辅助扭矩控制算法(由图2中的框104指示)确定转向扭矩辅助控制信号T26。转向辅助马达26(包括图2中的框106所指示的控制算法)基于转向扭矩辅助控制信号T26产生辅助马达扭矩TA。辅助马达扭矩TA通过驱动机构30和动力转向***20的其他机械部件机械地转换成方向盘辅助扭矩SWTA。从辅助马达扭矩TA到方向盘辅助扭矩SWTA的机械传递函数由图2中的框108表示。由框104、106和108表示的控制算法和机械性质是未知的。
框102表示以齿条干扰力120作为输入的机械传递函数MTF1。机械传递函数MTF1的输出与来自框108的方向盘辅助扭矩SWTA在求和点110处组合以产生动力转向***20的输出。具体地，输出是方向盘扭矩(SWT)。方向盘扭矩SWT表示由齿条干扰力产生的内部方向盘扭矩。方向盘扭矩SWT是未知的，因此转向输出扭矩T44(图1)可以用作近似值。
机械传递函数MTF1是基于转向辅助马达26被停用。具体地，转向辅助马达26被停用使得不产生扭矩。例如，在一种方法中，可以通过关闭电源来停用转向辅助马达26。机械传递函数MTF1由控制器50通过停用转向辅助马达26并通过致动器49施加齿条干扰力来计算。换句话说，机械传递函数MTF1表示齿条干扰力对方向盘扭矩SWT(即，转向输出扭矩T44)的影响或冲击，并且在等式1中被表达为：
其中RDF2SWTna(s)是在没有辅助马达26的辅助的情况下从齿条干扰力到方向盘扭矩SWT的估计传递函数，SWTna是在没有转向辅助马达26的辅助的情况下的方向盘扭矩，RDFna是在没有转向辅助马达26的辅助的情况下的齿条干扰力，并且变量是拉普拉斯变量。
一旦计算出机械传递函数MTF1，当转向辅助马达26被激活时，控制器50就能确定从齿条干扰力到方向盘扭矩SWT的估计传递函数。即，首先执行转向辅助马达26被激活的频率扫描。然后控制器50计算等式2，其为：
其中RDF2SWTwa(s)表示在辅助马达26被激活时从齿条干扰力到方向盘扭矩SWT的估计传递函数，SWTwa是转向辅助马达26被激活时的方向盘扭矩，RDFwa是转向辅助马达26被激活时的齿条干扰力，并且变量s是拉普拉斯变量。可以使用诸如tfestimate、快速傅立叶变换或其他合适技术等MATLAB函数来估计传递函数。下面更详细地描述用于计算传递函数L1(s)的过程。
在如图2中所示的实施例中，控制***100是反馈***。换句话说，输出(即，方向盘扭矩SWT)被反馈到输入(即，预定辅助扭矩控制算法104)。控制器50(图1)执行预定辅助扭矩算法104以确定辅助扭矩控制信号T26。预定辅助扭矩算法104基于方向盘扭矩SWT的上一个值计算辅助扭矩控制信号T26。开环***由图2中的虚线框122指示，被标记为[L1(s)x(-1)])。换句话说，开环***122等于传递函数L1(s)的负值。参考图1和2两者，传递函数L1(s)由等式3确定如下：
即，通过将传递函数RDF2SWTna(s)除以传递函数RDF2SWTwa(s)以确定商、然后从商中减去值1来确定传递函数L1(s)。传递函数L1(s)的负值表示开环***122的三个框的传递函数，即，预定辅助扭矩控制算法或框104、具有其控制算法的转向辅助马达或框106，以及从辅助马达扭矩TA到方向盘辅助扭矩SWTA的机械传递函数或框108。
图3A示出了图1中所示的动力转向***20的示例性幅度响应，而图3B示出了所述动力转向***的示例性相位响应。动力转向***20(图1)的频率响应是与输入(即，齿条干扰力)相比作为频率函数的输出的幅度和相位(即，方向盘扭矩SWT)的量度。实线和虚线表示动力转向***20的各种实施方式的估计或计算的频率响应。
参考图1、3A和3B，示例性频率扫描在约5赫兹至约30赫兹的频率和约400牛顿、600牛顿、800牛顿和1,000牛顿的振幅下进行。此外，在激活和不激活转向辅助马达26的情况下进行频率扫描。换句话说，控制器50确定产生第一频率扫描所需的齿条干扰力控制信号F49。在第一频率扫描期间，转向辅助马达26被停用。例如，可以在执行第一频率扫描的同时停用或关闭控制器60。控制器50还确定产生第二频率扫描所需的齿条干扰力控制信号F49。以与第一频率扫描类似的方式进行第二频率扫描，然而，现在激活了转向辅助马达26。
图3A示出了峰值响应198，其表示幅度的峰值振幅值。在所示的示例中，峰值振幅值的范围从约15到约19分贝(dB)。图3A中的幅度响应和图3B中所示的相位响应两者还包括衰减响应202。在一些实施例中，衰减响应202可以由陷波滤波器形成。
一旦确定了传递函数L1(s)，就可以估计动力转向***20(图1)的其他属性，诸如但不限于增益裕度、相位裕度和稳定性裕度。具有较高增益裕度和相位裕度的***能够在变得不稳定之前承受***参数的更大变化。现在转向图3C，提供了示出示例性幅度曲线图130和相位曲线图132的图，以演示如何计算***的增益裕度和相位裕度。幅度曲线图130示出了增益裕度Gm，而相位曲线图132示出了相位裕度
增益裕度Gm表示当***的相位为-180度时幅度(通常以dB为单位测量)达到0所需的附加增益量。即，控制器50(图1)通过计算当动力转向***20的相位为-180度时幅度为0dB所需的附加增益量来确定动力转向***20的增益裕度Gm。。控制器50通过计算当幅度为0分贝时动力转向***20为-180度所需的相位滞后量来确定动力转向***20的相位裕度
奈奎斯特稳定性标准是用于确定反馈控制***的稳定性的图形技术。所述技术包括形成奈奎斯特图，其用于确定增益裕度、相位裕度和稳定性裕度。控制器50将增益裕度Gm确定为最小增益增加以在临界点周围形成包围。奈奎斯特图还包括相位裕度其被绘制为相位的最小变化以在临界点周围形成包围。奈奎斯特图上的临界点被示为-1。
稳定性裕度也可以基于奈奎斯特图来计算。具体地，稳定性裕度是奈奎斯特图上到-1的最短距离。虽然描述了增益裕度、相位裕度和稳定性裕度，但是控制器可以确定动力转向***20的其他属性，诸如(例如)抗干扰性能和带宽。
图4是示出用于确定指示由动力转向***20产生的响应的传递函数L1(s)(在图2中示出)的示例性方法400的过程流程图。总体上参考图1、2和4，所述方法开始于框402。在框402中，控制器50将命令的转向角θ42传输到旋转致动器42。然后，方法400可以前进到框404。
在框404中，响应于从控制器50接收到命令的转向角θ42，旋转致动器42被致动到命令的转向角θ42并通过施加方向盘扭矩来维持位置。如上所述，因为转向轴25通过柔性扭杆54和惯性轮52连接到旋转致动器42，所以转向轴25也定位在命令的转向角θ42处。然后，方法400可以前进到框406。
在框406中，控制器50将齿条干扰力控制信号F49传输到致动器49。然后，方法400可以前进到框408。
在框408中，响应于接收到齿条干扰力控制信号F49，致动器49产生施加在齿条22上的齿条干扰力。如上面所解释，控制器50确定产生第一频率扫描所需的齿条干扰力控制信号F49，其中转向辅助马达26被停用。控制器50还确定产生第二频率扫描所需的齿条干扰力控制信号F49，其中转向辅助马达26被激活。然后，方法400可以前进到框410。
在框410中，控制器50监测扭矩传感器44以获得转向输出扭矩T44，其是测量值。如上所述，转向输出扭矩T44近似于图2中所示的方向盘扭矩SWT。然后，方法400可以前进到框412。
在框412中，控制器50基于在第一频率扫描和第二频率扫描期间由扭矩传感器44观察到的转向输出扭矩T44来确定传递函数L1(s)。转向输出扭矩T44指示动力转向***20的响应。基于上面描述的等式3确定传递函数L1(s)。然后，方法400可以前进到框414。
在框414中，控制器50基于幅度响应和相位响应来确定增益裕度Gm和相位裕度如上所述，稳定性裕度是基于增益裕度Gm与相位裕度的奈奎斯特图来确定的。然后，方法400可以终止。
现在转向图5，示出了包括前馈控制的闭环位置控制***500。应当明白，图2中所示的***是基于EPS***，其中中间轴将转向柱与齿条连接。相比之下，线控转向***没有中间轴。即，转向柱与齿条之间没有物理连接。相反，配备有仿真功能的转向柱或转向仿真器可以通过连接的方向盘向驾驶员提供转向反馈。对于线控转向***，转向仿真器输入轴连接到图1中所示的控制***40来代替传统EPS***的转向轴25。一些自主车辆也可以使用线控转向技术。控制***500表示在转向柱与齿条之间没有物理连接的线控转向***。
仍然参考图5，控制***500包括存储在控制器60(图1)中的预定位置控制算法504，其是基于反馈控制。在一个实施例中，也可以包括附加的前馈算法505。代替测量方向盘扭矩SWT作为动力转向***20(图1)的输出的是，控制***500测量转向角SWA。转向角SWA是由图1中的旋转编码器46测量的转向角θ46。在另一个实施例中，转向角SWA可以从沿转向轴25的转向轴线A-A定位的传感器(未示出)获得，或者可选地，通过基于沿齿条22(图1)的轴线R-R的齿条位置信号的间接接近获得。
在如图5中所示的实施例中，指示控制转向角的输入550被提供给控制***500。在一个实施例中，输入550可以是用于操纵和导航车辆的自主命令。自主命令可以通过如图1中所示的通信链路T43从控制器50发送到控制器60。可选地，输入550可以由驾驶员操纵方向盘(未示出)产生。应当明白，有时输入550可以为零。换句话说，自主命令是将方向盘保持在零度。可选地，在车辆没有自主控制的情况下，这意味着驾驶员没有移动车辆的方向盘。
输入550在交叉点552处与转向角SWA组合。由旋转编码器46测量的转向角SWA与输入550之间的差值表示控制***500中的误差E。换句话说，将实际转向角SWA与命令的转向角进行比较以确定误差E。如图5中所示，然后将误差E提供给辅助扭矩控制算法504。
位置控制算法504和前馈算法505的输出在求和点554处组合。算法504和505两者的输出之和形成转向扭矩辅助控制信号T26。如上所述，转向辅助马达26基于转向扭矩辅助控制信号T26产生辅助马达扭矩TA(包括相应控制算法的转向辅助马达26由图5中的框506表示)。辅助马达扭矩TA通过驱动机构30和动力转向***20的其他机械部件产生方向盘辅助角SWAA。从辅助马达扭矩TA到方向盘辅助角SWAA的机械传递函数由图5中的框508表示。
控制***500的响应是基于传递函数L1(s)(如图5中所示)和前馈框505对转向角SWA的影响。参考图1和5两者，第一机械传递函数MTF1是基于齿条干扰力120并且由框502指示。来自框508的机械传递函数MTF1和方向盘辅助角SWA-A的输出在求和点510处组合以产生转向角SWA。转向角SWA表示转向轴25响应于由致动器49施加到齿条22的齿条干扰力的角位移。换句话说，虽然旋转致动器42维持其位置并且轴25经由柔性扭杆54和惯性轮52连接到旋转致动器，但是响应于施加齿条干扰力102仍可能发生一些旋转。在一个实施例中，转向轴25可以旋转约3.5度。
机械传递函数MTF1是基于转向辅助马达26被停用并且在等式4中表达为：
其中RDF2SWAna(s)是在没有辅助马达26的辅助的情况下从齿条干扰力到转向角SWA的估计传递函数，SWAna是在没有转向辅助马达26的辅助的情况下的转向角，并且RDFna是在没有转向辅助马达26的辅助的情况下的齿条干扰力。
在确定传递函数L1(s)之前，控制器50确定当转向辅助马达26被激活并且输入550为零时从齿条干扰力到转向角SWA的估计传递函数。即，首先执行转向辅助马达26被激活的频率扫描。然后控制器50计算等式5，其为：
其中RDF2SWAwa(s)表示在辅助马达26被激活时从齿条干扰力到转向角SWA的估计传递函数，SWAwa是转向辅助马达26被激活时的转向角SWA，并且RDFwa是转向辅助马达26被激活时的齿条干扰力。传递函数L1(s)由等式6确定如下：
即，通过将传递函数RDF2SWAna(s)除以传递函数RDF2SWAwa(s)以确定商、然后从商中减去值1来确定开环传递函数L1(s)。传递函数L1(s)表示开环***522的三个框的传递函数，即，预定位置控制算法504、具有其控制算法的转向辅助马达或框506，以及从辅助马达扭矩TA到方向盘辅助角SWAA的机械传递函数或框508。
一旦确定了开环***522的传递函数L1(s)，控制器50就识别出对转向角SWA的前馈影响。控制器50通过首先断开致动器49来识别前馈控制算法505。然后，控制器50监测旋转编码器46以确定前馈算法505对转向角SWA的影响。这意味着控制***500接收的唯一输入是输入550。换句话说，为了确定前馈控制算法505的影响，将齿条干扰力120设定为零，并且控制***500仅接收输入550。应当明白，不需要前馈算法505的实际值。
现在将更详细地描述用于确定前馈算法505对动力转向***20的影响的方法。应当明白，完美或理想的前馈控制将导致框505、506和508的传递函数的乘积等于1(505×506×508＝1)。理想的前馈算法505是其中相应的传递函数是框506和508的传递函数的乘积的反转、因此转向角SWA精确地跟随输入550并且误差E为零的一种算法。为了确定框505、506和508的传递函数的乘积以及由此确定前馈算法505的影响，执行第三频率扫描。第三频率扫描也可以称为转向角频率扫描。
控制器50首先确定产生转向角频率扫描所需的转向角命令信号。通过将用于转向角频率扫描的转向角命令信号作为控制***500(图5)的输入550通过通信链路T43(图1)从控制器50传输到控制器60同时激活转向辅助马达26来进行转向角频率扫描。控制器50确定从转向角命令550到转向角SWA的估计传递函数，其被表示为Cmd2SWAFF(s)，并且基于由旋转编码器46测量的转向角θ46。从转向角命令550到转向角SWA的估计传递函数Cmd2SWAFF(s)在等式7中确定为：
其中SWAff是转向辅助马达26被激活并且致动器49断开时的转向角，并且550ff是转向辅助马达26被激活并且致动器49断开时的命令的转向角。然后，通过等式8如下确定表示框505、506和508的传递函数的乘积的传递函数：
505×506×508(s)＝Cmd2SWAFF(s)×[1+L1(s)]-L1(s) 等式8
如图5中所示，前馈控制算法505与框506(其表示图1中的转向辅助马达26，包括其控制算法)和框508(其表示来自图1中的辅助马达扭矩输出TA的机械传递函数)串联到方向盘辅助角SWAA。一旦确定了前馈效应，控制器50就可以确定动力转向***20的其他属性，诸如(例如)如上所述的增益裕度、相位裕度和稳定性裕度。也可以确定诸如带宽和转向角跟踪性能等其他属性。
因此，应当明白，对于线控转向或自主转向***，将执行第一频率扫描、第二频率扫描和转向角频率扫描(也称为第三频率扫描)。第一频率扫描和第二频率扫描都由齿条致动器49(其在图1中示出)执行。在第一频率扫描期间，转向辅助马达26被停用并且旋转致动器42脱离。在执行第二频率扫描的同时激活转向辅助马达26。具体地，在第二频率扫描期间，当采用线控转向***时，旋转致动器42被接合并且命令的转向角θ42被命令以维持其当前值。然而，如果转向***20用于自主操作，则旋转致动器42脱离并且命令的转向角θ42(其通过通信链路T43传送被设定为零。
相反，转向角频率扫描不采用齿条致动器49。相反，转向角频率扫描是基于修改命令的转向角θ42。修改命令的转向角θ42类似于修改齿条干扰力，除了峰值角振幅可以是约15°、30°和90°之外。应当明白，可以基于任何给定频率的最大角速度来减小峰值振幅。例如，最大角速度可以限制在500°/s使得峰值振幅限制为500/(2πf)，其中f是频率。还应当明白，齿条致动器49不是简单地停用，而是脱离(即，物理地与***断开)。这确保不传输干扰，并且力是零值。
应当明白，本公开描述了总共五次频率扫描。即，执行两次频率扫描以确定不采用线控转向或自主控制的EPS***的频率响应(即，如图2中所示的实施例)。描述三次频率扫描以确定作为线控转向或自主控制的一部分的EPS***的频率响应(即，如图5中所示的实施例)。具体地，应当明白，对于线控转向或自主转向***，将执行第一频率扫描、第二频率扫描和转向角频率扫描。
对于如图2和5两者中描述的实施例(即，不采用线控或自动控制的EPS***以及作为线控转向或自主车辆的一部分的EPS***)的频率扫描(其)涉及转向辅助马达26被激活)可以在各种车速下执行。例如，频率扫描可以在0kph和100kph下执行。这是因为***响应可能基于校准差值而变化。模拟车速信号可以从控制器50通过通信链路T43发送到控制器60，以设定各种级别的校准辅助。
图6是示出用于确定图5中的控制***500的传递函数L1(s)和前馈算法505的影响的示例性方法600的过程流程图。总体上参考图1、5和6，所述方法开始于框602。在框602中，控制器60可以从控制器50接收非零值作为输入550。如上所述，在一些实施例中，输入550可以是零(即，将方向盘保持在零度角)。换句话说，框602是可选的。然后，方法600可以前进到框604，或者对于没有方向盘的自动驾驶车辆，前进到框608。
在框604中，控制器50将命令的转向角θ42传输到旋转致动器42。然后，方法600可以前进到框606。
在框606中，响应于从控制器50接收到命令的转向角θ42，旋转致动器42被致动到命令的转向角θ42并通过施加方向盘扭矩来维持位置。然后，方法600可以前进到框608。
在框608中，控制器50将齿条干扰力控制信号F49传输到致动器49。然后，方法600可以前进到框610。
在框610中，响应于接收到齿条干扰力控制信号F49，致动器49产生施加在齿条22上的齿条干扰力。如上面所解释，控制器50确定产生第一频率扫描所需的齿条干扰力控制信号F49。在第一频率扫描期间，转向辅助马达26停用，并且旋转致动器42脱离。控制器50还确定产生第二频率扫描所需的齿条干扰力控制信号F49，其中上面描述了第二频率扫描。然后，方法600可以前进到框612。
在框612中，控制器50监测旋转编码器46的转向角SWA。然后，方法600可以前进到框614。
在框614中，控制器50基于在第一频率扫描和第二频率扫描期间由旋转编码器46观察到的转向角SWA来确定传递函数L1(s)。然后，方法600可以前进到框616。
在框616中，控制器50确定前馈控制算法505的影响。应当明白，框616是可选的。具体地，如果输入550为零，则可以省略框616。可以基于第三频率扫描来确定前馈控制算法505的影响，所述第三频率扫描也称为转向角频率扫描。一旦确定了前馈算法505的影响，方法600就可以终止。
总体上参考附图，所公开的***和方法提供用于确定动力转向***的频率响应的各种技术效果和优点。具体地，所公开的方法不需要访问用于在确定频率响应时计算由转向辅助马达产生的辅助扭矩的控制算法。目前可用于确定动力转向***的频率响应的***和方法通常需要知道用于控制转向辅助马达的算法。如果所述算法不可访问，则替代方法涉及测量每个部件的机械性质。然而，测量所有转向***部件可能变得耗时且繁琐。相比之下，所公开的***和方法通过向转向齿条施加干扰力来确定动力转向***的响应并且确定动力转向***的频率响应。因此，与目前可用的一些转向***不同，所公开的***不需要访问用于控制转向辅助马达的各种算法。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不偏离本公开的主旨的变型旨属于本公开的范围。此类变化不被认为是脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种确定动力转向***的频率响应的方法，所述动力转向***包括转向辅助马达，所述转向辅助马达被配置为在被激活时围绕转向轴的轴线产生辅助扭矩，所述方法包括：
通过控制器将命令的转向角传输到连接到所述转向轴的旋转致动器；
响应于接收到所述命令的转向角，将所述旋转致动器致动到所述命令的转向角，其中所述旋转致动器通过施加方向盘扭矩来维持位置，并且所述转向轴通过柔性扭杆和惯性轮连接到所述旋转致动器；
通过所述控制器将齿条干扰力控制信号传输到至少一个致动器，其中所述至少一个致动器联接到齿条并且被配置为沿基本线性方向致动所述齿条；
响应于接收到所述齿条干扰力控制信号，通过所述至少一个致动器产生第一频率扫描和第二频率扫描，其中所述转向辅助马达在所述第一频率扫描期间被停用并且在所述第二频率扫描期间被激活；
通过所述控制器监测扭矩传感器，其测量在所述第一频率扫描和所述第二频率扫描期间经历的所述转向轴的转向输出扭矩；
通过所述控制器基于在所述第一频率扫描和所述第二频率扫描期间监测的所述转向输出扭矩来确定传递函数，其中所述传递函数指示所述动力转向***的所述频率响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括通过以下项确定所述传递函数：
通过所述控制器基于在所述第一频率扫描期间测量的所述转向输出扭矩来计算机械传递函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其还包括基于以下操作来确定所述机械传递函数：
其中RDF2SWTna(s)是在没有所述转向辅助马达辅助的情况下从所述齿条干扰力到所述方向盘扭矩的估计传递函数，SWTna是在没有所述转向辅助马达辅助的情况下的所述方向盘扭矩，并且RDFna是在没有所述转向辅助马达辅助的情况下的所述齿条干扰力。
4.根据权利要求3所述的方法，其还包括通过以下项来确定在所述转向辅助马达的辅助下从所述齿条干扰力到所述方向盘的估计传递函数：
其中RDF2SWTwa(s)表示在所述转向马达的辅助时从所述齿条干扰力到所述方向盘估计的扭矩传递函数的估计传递函数，SWTwa是所述转向辅助马达被激活时的所述方向盘扭矩，并且RDFwa是所述转向辅助马达被激活时的齿条干扰力。
5.根据权利要求4所述的方法，其还包括通过以下项来确定所述传递函数：
6.根据权利要求1所述的方法，其中用于确定所述转向扭矩辅助控制信号的算法存储在转向控制器的存储器中，并且其中所述控制器不能访问存储在所述转向控制器的所述存储器中的所述算法。
7.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
通过所述控制器确定所述动力转向***的增益裕度，其中所述增益裕度是当所述动力转向***的相位为-180度时所述动力转向***的幅度为0分贝所需的附加增益量。
8.根据权利要求7所述的方法，其还包括：
由所述控制器通过计算在所述动力转向***的所述幅度为0分贝时所述动力转向***为-180度所需的相位滞后量来确定所述动力转向***的相位裕度。
9.根据权利要求8所述的方法，其还包括：
通过所述控制器确定包括所述增益裕度和相位裕度的奈奎斯特图；以及
基于所述奈奎斯特图来计算稳定性裕度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述齿条干扰力是可变波形，其是正弦波、白噪声信号或多正弦信号。
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