CN111661142B - 车辆用操舵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够相对于行驶环境条件的变化确保转向控制的精度的线控转向方式的车辆用操舵装置。本发明的车辆用操舵装置具备与方向盘机械性地分离并通过转向电动机使转向轮转向的转向机构及向转向电动机提供电动机指令值的控制装置(4)。控制装置(4)具有双自由度控制***，该双自由度控制***包括用于将目标转向角转换为电动机指令值的前馈值的前馈模型(32)和用于将目标转向角与实际的转向角的差分转换为电动机指令值的反馈值的反馈模型(33)。记述前馈模型(32)的传递函数包含可变系数。控制装置(4)基于与路面反作用力相关的信息来变更可变系数。

Description

车辆用操舵装置
技术领域
本发明涉及线控转向方式的车辆用操舵装置。
背景技术
在专利文献1中，公开了在线控转向方式的车辆用操舵装置中，通过双自由度控制***来控制转向电动机的例子。在此公开的以往的双自由度控制***中，包含电动机、变速器、转向齿条、拉杆、轮胎等在内的转向轴周围的惯性力矩、转向轴周围的粘性系数被编入前馈模型。然而，在以往的双自由度控制***中，在行驶环境条件发生变化的情况下，有可能导致前馈模型与实际的控制对象的偏差扩大、转向控制的精度受损。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-225355号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供能够相对于行驶环境条件的变化确保转向控制的精度的线控转向方式的车辆用操舵装置。
用于解决课题的技术方案
本发明的车辆用操舵装置具备：转向机构，与方向盘机械性地分离并通过转向电动机使转向轮转向；以及控制装置，向转向电动机提供电动机指令值。控制装置具有双自由度控制***，该双自由度控制***包括用于将目标转向角转换为电动机指令值的前馈值的前馈模型和用于将目标转向角与实际的转向角的差分转换为电动机指令值的反馈值的反馈模型。记述前馈模型的传递函数包含可变系数。控制装置基于与路面反作用力相关的信息来变更传递函数的可变系数。
根据上述结构，在因行驶环境条件的变化而使路面反作用力发生变化的情况下，根据路面反作用力的变化来变更记述前馈模型的传递函数的可变系数。由此，能够抑制伴随行驶环境条件的变化的前馈模型与控制对象的偏差的扩大。
也可以在反馈值成为规定值以上的情况下，控制装置基于与路面反作用力相关的信息来变更传递函数的可变系数。即，传递函数的可变系数的变更也可以在反馈值成为规定值以上之后进行。由此，能够抑制前馈模型与控制对象的偏差较小的阶段中的可变系数的频繁的变更，确保控制的稳定性。
控制装置也可以将传递函数的可变系数的变更速度限制在规定的上限值以下。通过对可变系数的变更速度设置限制，能够防止车辆举动的骤变。另外，控制装置也可以在目标转向角的变更速度为规定值以下的情况下，在不超过上限值的范围内使可变系数的最大变更速度与目标转向角的变更速度相应地增大。
在车辆处于停车中的情况下或者作用于车辆的横向加速度处于饱和区域的情况下，转向控制的稳定性比响应性优先。在这样的情况下，控制装置也可以在停止传递函数的可变系数的变更的基础上，将反馈值限制在规定的上限值以下。由此，能够保持转向控制的稳定性。另外，控制装置也可以在目标转向角的变更速度为规定值以下的情况下，在不超过上限值的范围内使反馈值的最大值与目标转向角的变更速度相应地增大。
发明效果
根据本发明的车辆用操舵装置，在因行驶环境条件的变化而使路面反作用力发生变化的情况下，根据路面反作用力的变化来变更记述前馈模型的传递函数的可变系数。由此，能够抑制伴随行驶环境条件的变化的前馈模型与控制对象的偏差的扩大，因此能够相对于行驶环境条件的变化确保转向控制的精度。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的车辆用操舵装置的结构的图。
图2是示出本发明的实施方式的车辆用操舵装置的控制***的框图。
图3是将转向***模型化的图。
图4是示出路面反作用力系数K2的一个设定例的图。
图5是示出路面反作用力系数K2的另一设定例的图。
图6是示出路面反作用力系数K2的另一设定例的图。
图7是示出路面反作用力系数K2的最大变更速度的设定例的图。
图8是示出反馈值的最大值的设定例的图。
标号说明
2 车辆用操舵装置
4 控制装置
6 处理器
8 存储器
10 车轮速度传感器
20 转向机构
21 转向轴
22 操舵角传感器
23 反作用力电动机
24 转向电动机
25 转向角传感器
26 齿条轴
27 拉杆
28 方向盘
29 转向轮
31 转向***
32 前馈模型
33 反馈模型
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。但是，在以下所示的实施方式中提及各要素的个数、数量、量、范围等的数的情况下，除了特别明示的情况、原理上明显确定为该数的情况以外，本发明并不限定于该提及的数。另外，在以下所示的实施方式中说明的构造等除了特别明示的情况、原理上明显被确定为其的情况以外，对本发明来说并不是必须的。
图1是示出本发明的实施方式的车辆用操舵装置2的结构的图。车辆用操舵装置2具备转向机构20。转向机构20是不与方向盘28机械性连接而能够通过转向电动机24使转向轮29转向的线控转向方式的转向机构。方向盘28是被输入驾驶员的操舵操作的操舵部件。方向盘28经由转向轴21与反作用力电动机23连结。反作用力电动机23将与转向轮29的转向角对应的反作用力施加于方向盘28。在转向轴21设置有操舵角传感器22，该操舵角传感器22输出与方向盘28的旋转角度即操舵角对应的信号。
转向电动机24经由未图示的减速机构安装于齿条轴26。齿条轴26不与转向轴21机械连结。转向轮29经由拉杆27与齿条轴26连结。通过使转向电动机24旋转而使齿条轴26沿其轴向直线运动，由此经由拉杆27变更转向轮29的转向角。在转向电动机24设置有输出与转向轮29的转向角对应的信号的转向角传感器25。
车辆用操舵装置2具备控制装置4。控制装置4是具有至少一个处理器6和至少一个存储器8的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)。在存储器8中存储有包含用于转向控制的映射在内的各种数据、各种程序。处理器6从存储器8读取并执行程序，由此在控制装置4中实现与转向控制相关的各种功能。
控制装置4通过控制向转向电动机24供给的电动机电流来控制从转向电动机24向齿条轴26施加的用于转向控制的转矩。计测与转向控制相关联的物理量的各种传感器直接或者经由构建于车辆内的通信网络与控制装置4连接。这样的传感器至少包括操舵角传感器22、转向角传感器25及车轮速度传感器10。
图2是示出本实施方式的车辆用操舵装置2的控制***的框图。该控制***中的设备(控制对象)是按照由控制装置4决定的目标电动机电流来使转向轮29转向的转向***31。转向***31包括根据目标电动机电流向转向电动机24供给电动机电流的未图示的电动机驱动器、转向电动机24、将转向电动机24的转矩传递到齿条轴26的转矩的传递机构、以及转向轮29。
转向***31能够如图3那样进行模型化。首先，在转向***31中，按照目标电动机电流从电动机驱动器向转向电动机24输出电动机电流。在将此时的电动机电流的控制响应的时间常数设为τ时，电动机电流i与目标电动机电流i*的关系用以下的式子表示。此外，控制响应的时间常数τ是固定值，具体而言是0.001秒左右的值。
i＝(1/(1+τs))×i*
接着，在转向***31中，在转向电动机24中将电动机电流转换为电动机转矩。若将此时的电动机转矩系数设为K1，则电动机转矩TM与电动机电流i的关系由下式表示。此外，电动机转矩系数K1是固定值，具体而言是0.02～0.05Nm/A左右的值。
TM＝K1×i
接着，在转向***31中，在从转向电动机24至齿条轴26的转矩的传递机构中，转向电动机24的电动机转矩被转换为齿条轴26的齿条转矩。若将此时的齿轮比设为KG，则齿条转矩TR与电动机转矩TM的关系由下式表示。此外，齿轮比KG是固定值，具体而言是10～30左右的值。
TR＝KG×TM
接着，在转向***31中，通过齿条轴26的齿条转矩使转向轮29转向。此时的齿条转矩与转向轮29的转向角的关系取决于转向轮29从路面受到的路面反作用力。若将路面反作用力系数设为K2，则转向角δ与齿条转矩TR的关系由下式表示。路面反作用力系数K2的具体的值例如是如下那样的值，即，在干燥路面上转向角δ为30度的情况下，若将齿条行程设为80mm，则齿条转矩TR成为10000Nm左右。
δ＝(1/(K2×s2))×TR
根据以上，转向***31的模型能够通过以下的传递函数来表示。
转向***模型：((K1×KG)/(K2×s2))×(1/(1+τs))
再次返回到图2，继续说明本实施方式的车辆用操舵装置2的控制***。控制***由能够如上述那样进行模型化的转向***31及具有双自由度控制***的控制装置4构成，该双自由度控制***包括前馈模型32和反馈模型33。
在前馈模型32中，根据目标转向角δ*来算出目标电动机电流i*的前馈值iff*。在转向***31如上述那样模型化的情况下，前馈模型32例如能够通过以下的传递函数来表示。
前馈模型：K1/(K2×KG×s2)
在反馈模型33中，根据目标转向角δ*与实际的转向角δ的差分来算出目标电动机电流i*的反馈值ifb*。在反馈控制例如为PD控制的情况下，反馈模型33能够通过以下的传递函数来表示。Kp是比例增益，τD是微分时间。
反馈模型：Kp×(1+τD×s)
由前馈模型32算出的前馈值iff*与由反馈模型33算出的反馈值ifb*相加，作为其合计值的目标电动机电流i*作为电动机指令值而被提供给转向电动机24。但是，电动机指令值也可以不一定是电流。例如，也可以将由转向电动机24产生的电动机转矩的目标值作为电动机指令值。
另外，如上所述，在前馈模型32的传递函数中包含路面反作用力系数K2。在前馈模型32中，将路面反作用力系数K2作为能够根据行驶环境条件而变化的可变系数来处理，而不是作为固定值来处理。控制装置4基于由车轮速度传感器10、转向角传感器25等信息取得装置取得的信息来变更路面反作用力系数K2。由信息取得装置取得的信息是与路面反作用力相关的信息，例如包括车速、路面摩擦系数、转向角、ABS或VSC的工作状态等。以下，具体说明针对各信息的路面反作用力系数K2的设定。
图4是示出相对于车速V的路面反作用力系数K2的设定的例子的图。车速越低，转向轮29的惯性越大，转向轮29越难以追随齿条轴26的齿条转矩的变化。因此，在其他条件一定的情况下，如图4所示，车速V越低，则控制装置4将路面反作用力系数K2设定为越大的值。此外，在本实施方式中，车速使用车轮速度传感器10的信号来计测。
图5是示出相对于路面摩擦系数μ的路面反作用力系数K2的设定的例子的图。路面摩擦系数越低，转向轮29越容易滑动，转向轮29越容易追随齿条轴26的齿条转矩的变化。因此，在其他条件一定的情况下，如图5所示，路面摩擦系数μ越低，则控制装置4将路面反作用力系数K2设定为越小的值。此外，路面摩擦系数无法直接计测，因此需要进行推定，但对该推定方法没有限定。例如，既可以根据由导航***取得的与路面状态相关的信息来推定路面摩擦系数，也可以使用由车轮速度传感器10等车辆传感器取得的传感器信息来推定路面摩擦系数。
图6是示出相对于转向角δ的路面反作用力系数K2的设定的例子的图。随着转向角δ变大，作用于转向轮29的扭转力增大，因此，转向轮29难以追随齿条轴26的齿条转矩的变化。因此，在其他条件一定的情况下，如图6所示，转向角δ越大，则控制装置4将路面反作用力系数K2设定为越大的值。此外，在本实施方式中，转向角δ使用转向角传感器25的信号来计测。
另外，控制装置4在ABS、VSC正在工作的情况下，与ABS、VSC未工作的情况相比将路面反作用力系数K2变更为较小的值。与ABS、VSC的工作状态有关的信息从未图示的ABS的控制装置、VSC的控制装置向控制装置4提供。
如上所述，控制装置4根据与路面反作用力相关的多个参数来变更路面反作用力系数K2。作为根据各参数来变更路面反作用力系数K2的具体方法，例如可以使用映射。即，可以在存储器8存储将路面反作用力系数K2与各参数建立关系的映射，参照映射来决定路面反作用力系数K2。另外，也可以分别设定与车速V对应的路面反作用力系数K2V、与路面摩擦系数μ对应的路面反作用力系数K2μ、与转向角δ对应的路面反作用力系数K2δ、与ABS的工作状态对应的路面反作用力系数K2ABS、与VSC的工作状态对应的路面反作用力系数K2VSC等，通过以下式子计算路面反作用力系数K2。
K2＝K2V×K2μ×K2δ×K2ABS×K2VSC
根据以上说明的控制***，在因行驶环境条件的变化而使路面反作用力发生变化的情况下，根据路面反作用力的变化来变更记述前馈模型32的传递函数的路面反作用力系数K2。路面反作用力系数K2的变更以使目标转向角δ*与实际的转向角δ的差分减少的方式进行。由此，能够抑制伴随行驶环境条件的变化的前馈模型32与实际的转向***31的偏差的扩大，因此能够针对行驶环境条件的变化确保转向控制的精度。
此外，路面反作用力系数K2的变更也可以在前馈模型32与实际的转向***31的偏差在某种程度上扩大之后进行。具体而言，也可以先将路面反作用力系数K2的值固定，并以由反馈模型33算出的反馈值ifb*成为规定值以上为条件，进行路面反作用力系数K2的变更。由此，能够抑制前馈模型32与实际的转向***31的偏差较小的阶段的路面反作用力系数K2的频繁的变更，能够确保控制的稳定性。
另外，在进行路面反作用力系数K2的变更的情况下，也可以对路面反作用力系数K2的变更速度(每单位时间的变更量)施加限制。图7是示出路面反作用力系数K2的最大变更速度的设定例的图。在图7所示的例子中，使路面反作用力系数K2的最大变更速度与目标转向角的变更速度的增大相应地增大，但在目标转向角的变更速度超过规定值的情况下，将路面反作用力系数K2的最大变更速度保持为固定值。即，路面反作用力系数K2的变更速度被限制在规定的上限值以下。这样，通过对路面反作用力系数K2的变更速度设置限制，具有能够防止车辆举动的骤变的优点。
另外，在车辆处于停车中的情况下或者作用于车辆的横向加速度处于饱和区域的情况下，转向控制的稳定性比响应性优先。在这样的情况下，也可以在停止路面反作用力系数K2的变更的基础上，如图8所示，将由反馈模型33算出的反馈值ifb*限制为规定的上限值以下。通过设置这样的限制，能够保持转向控制的稳定性。另外，如图8所示，也可以在目标转向角的变更速度为规定值以下的情况下，在不超过上限值的范围内使反馈值的最大值(最大FB值)与目标转向角的变更速度相应地增大。

Claims (6)

1.一种线控转向方式的车辆用操舵装置，其特征在于，具备：
转向机构，与方向盘机械性地分离并通过转向电动机使转向轮转向；以及
控制装置，向所述转向电动机提供电动机指令值，
所述控制装置具有双自由度控制***，该双自由度控制***包括用于将目标转向角转换为所述电动机指令值的前馈值的前馈模型和用于将所述目标转向角与实际的转向角的差分转换为所述电动机指令值的反馈值的反馈模型，记述所述前馈模型的传递函数包含可变系数，
所述控制装置基于与路面反作用力相关的信息来变更所述可变系数。
2.根据权利要求1所述的线控转向方式的车辆用操舵装置，其特征在于，
在所述反馈值成为规定值以上的情况下，所述控制装置基于与路面反作用力相关的信息来变更所述可变系数。
3.根据权利要求2所述的线控转向方式的车辆用操舵装置，其特征在于，
所述控制装置将所述可变系数的变更速度限制在规定的上限值以下。
4.根据权利要求3所述的线控转向方式的车辆用操舵装置，其特征在于，
在所述目标转向角的变更速度为规定值以下的情况下，所述控制装置在不超过所述上限值的范围内使所述可变系数的最大变更速度与所述目标转向角的变更速度相应地增大。
5.根据权利要求1所述的线控转向方式的车辆用操舵装置，其特征在于，
在车辆处于停车中的情况下或者作用于所述车辆的横向加速度处于饱和区域的情况下，所述控制装置在停止所述可变系数的变更的基础上，将所述反馈值限制在规定的上限值以下。
6.根据权利要求5所述的线控转向方式的车辆用操舵装置，其特征在于，
在所述目标转向角的变更速度为规定值以下的情况下，所述控制装置在不超过所述上限值的范围内使所述反馈值的最大值与所述目标转向角的变更速度相应地增大。
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