电力辅助的转向系统的制作方法
【专利摘要】一种电力辅助的转向装置，包括操作地连接到转向机构的电机(1)；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(Tcol)的转矩信号发生器(6)，用于产生指示方向盘或转向柱的角位置的柱位置信号(Ncol)的柱位置信号发生器(10)以及适于接收由感测部件产生的信号并从中产生表示要由电机施加到转向机构的转矩的转矩要求信号的信号处理单元(7)。信号处理单元(8)包括：输出辅助转矩信号的第一信号处理电路(12)；第二信号处理电路(13)，在使用中第二信号处理电路在车辆的方向盘远离中心位置移动一段时间后方向盘朝中心位置返回移动的情况下向第一处理电路的输入信号和输出信号当中的至少一个施加附加偏移转矩，在方向盘从中心位置移开的情况下附加偏移转矩减小或不被施加；以及适于从辅助转矩信号产生转矩要求信号(8)的转矩要求信号发生电路。
【专利说明】
电力辅助的转向系统
技术领域
[0001]本发明涉及这样一种类型的电力辅助的转向系统，其中电机适于向诸如转向柱之类的转向组件施加辅助转矩，以便减少驾驶员控制车辆所需的努力。【背景技术】
[0002]在简单的电力辅助转向系统中，提供了被布置为使得转向柱中的转矩水平能够被测量的转矩传感器。根据这种测量，控制器计算指示要由附连到转向柱的电机生成的转矩的转矩要求信号的值。电机向柱施加与驾驶员要求的相同意义的转矩，从而减少转动方向盘所需的努力。
[0003]在典型的装置中，转向柱转矩和辅助转矩之间的关系由助力曲线(boost curve) 设置。这是柱转矩与辅助转矩之间的映射，其中对于给定的输入转矩，定义乘数值，该乘数值确定输入信号要乘上的量。为了施加助力，用于给定的输入转矩的乘数的值将不是统一的1.0。例如，如果乘数是2.0,则输出辅助转矩将是测量的转矩的两倍，如果乘数是0.5,则输出辅助转矩将是测量的柱转矩的一半。代替乘数，还有可能利用查找表来限定输入转矩与辅助转矩之间的关系，或者以任何其它方便的方式来限定两者的关系。然后，助力曲线将被硬编码到查找表中。
【发明内容】
[0004]根据第一方面，本发明提供了电力辅助的转向系统，其包括将方向盘操作地连接到车辆的车轮的转向机构，以及操作地连接到该转向机构的电机，其中方向盘具有与车辆向前直行的移动相对应的中心位置;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信号发生器、用于产生指示方向盘或转向柱的角位置的柱位置信号的柱位置信号发生器以及适于接收由感测部件产生的信号并从其产生表示要由电机施加到转向机构的转矩的转矩要求信号的信号处理单元，其中信号处理部件包括:
[0005]第一信号处理电路，其接收依赖于转矩信号的输入信号并输出辅助转矩信号，第一信号处理电路的输入与输出之间的关系由助力曲线限定，
[0006]第二信号处理电路，在车辆的方向盘远离中心位置移动一段时间后方向盘朝中心位置移回的情况下，该第二信号处理电路在使用中向第一处理电路的输入信号和输出信号当中的至少一个提供附加偏移转矩，在方向盘从中心位置移开的情况下该附加偏移转矩减小或不被施加；以及
[0007]转矩要求信号发生电路，其适于处理辅助转矩信号，以产生转矩要求信号。
[0008]因此，本发明从电机施加与方向盘的限定的移动相对应的附加量的辅助转矩。
【申请人】已经理解到，这种限定的范围是驾驶员已进入恒定半径转弯的可靠指示。离开中心的初始移动对应于在进入转弯时方向盘加载(wheel loading up)，而朝中心返回的移动发生在驾驶员放松他们施加到已感觉到转向加载的方向盘上的力时。在实践中，这种返回将通过非常小的角度(1或2度的柱角度或更小)，这是几乎所有驾驶员在恒定拐角时都会碰到的，尽管他们不会自觉地意识到这一点。
[0009]附加偏移或“保持”转矩有助于驾驶员“保持”拐角，从而减少他们为了对抗由车辆在拐角周围的移动施加到转向的扭转力而需要施加的转矩的量。在实践中，通过在驾驶员进入拐角之后(如通过他们放松一点他们施加的转向角所指示的)施加该转矩，在很大程度上这会被驾驶员忽视。因此，它不会在进入拐角时破坏加载时转向的感觉，从而减少驾驶员所需的努力，但仍保留良好的转向感。
[0010]信号处理部件可以适于检测从转向朝中心移回到转向从中心移开的过渡，并且可以在转向从中心移开时减小偏移转矩，直到它达到零，其后当转向从中心进一步移开时施加零偏移转矩。
[0011]它可以线性减小。
[0012]信号处理还可以适于检测从转向从中心移开到转向朝中心移回的过渡，并且可以在转向朝中心移回时线性增加偏移转矩，直到它达到映射的偏移转矩值，其后在转向朝中心进一步移回时遵循转矩映射。
[0013]它可以线性地增加。它可以以与当转向从中心移开时它减小的速率相等且相反的速率增加。
[0014]如果转向柱移动得不够远不足以到达映射，当移动回中心时，或者对于达到零的偏移转矩，由斜坡(ramp)限定的偏移转矩将继续被使用，直到转向已经移动这样的时间。
[0015]斜坡可以独立于车辆速度并独立于柱转矩。所施加的偏移的量还可以独立于由转矩传感器测得的柱转矩。[〇〇16]因此，信号处理电路可以作为转向角的函数逐渐增大和减小偏移转矩。这提供了高度可重复的转向感。
[0017]信号处理部件检测转向的移动方向的改变，并且可以通过在限定的时间间隔处存储转向位置的值并且比较当前值与先前的值来做这件事。
[0018]第一信号处理部件可以使用助力曲线，该助力曲线包括期望的辅助转矩到输入信号值的映射，增益随着输入信号值的增加线性或非线性地增加。输入信号值将通常是柱转矩或者在适当的时候是柱转矩加上附加转矩量值。由该装置产生的辅助转矩将或者是从助力曲线输出的值，或者是那个值加上施加到助力曲线的输出的任何附加偏移转矩。当然，可以提供对信号的进一步处理以获得最终的辅助转矩值。
[0019]当附加量的保持或偏移转矩在助力曲线之前施加时，这将增加施加到助力曲线的输入信号的值，然后增加的输入信号将由助力曲线来助力。实际上，助力曲线“看到更大的柱转矩”，然后确实如此，并且就好像驾驶员已经对柱施加了比他们实际施加的更大的转矩，从而给予更多的辅助。
[0020]当附加偏移转矩在助力曲线之后施加时，附加转矩增加从助力曲线输出的信号的值以产生修改后的辅助转矩信号，该修改后的辅助转矩信号被用来产生电机转矩要求信号。在每种情况下，净效果是针对由驾驶员施加的给定转矩由电机施加的转矩的值的增加以及由此驾驶员为了在拐角保持轮子而需要施加的转矩量的减小。
[0021]第二处理部件也可以适于向输入信号或输出信号或两者施加一定量的偏移转矩， 并且在每种情况下所施加的量可以是角位置信号的值的函数。通过这种方式，我们的意思是它可以随柱位置的改变而改变。它可以向施加到助力曲线和来自助力曲线的输入信号和输出信号施加不同量的偏移转矩。在每种情况下，偏移可以被附加地施加到转矩信号。
[0022]第二信号处理可以仅向输入信号、仅向输出信号或者向输入和输出信号两者施加附加偏移转矩。
[0023]当向助力曲线的输入信号和输出信号施加附加转矩时，施加到每一者的附加转矩的量可以被调整，使得在低车速时，相对较多的偏移转矩被施加到输入信号并且较少的偏移转矩被施加到输出，以实现辅助转矩的给定增加，并且在较高的车速时，相对较多的偏移转矩被添加到输出并且较少的偏移转矩被添加到输入，以实现辅助转矩的相同的给定增加。
[0024]因此，该装置可以包括车辆速度传感器，其产生指示车辆的速率的输出，并且第二信号处理电路可以被布置为接收速率信号并且对输入或输出或两者施加附加的助力，其中附加的助力是速率信号的值的函数。[〇〇25]第二处理部件可以对助力曲线的低于阈值速度的输入但不对助力曲线的输出施加附加保持转矩，并且可以切换成对助力曲线的高于阈值的输出但不对高于阈值的输入施加附加保持转矩。
[0026]
【申请人】已经发现，在一些情况下，在低速时在输入处施加附加转矩是有益的，因为它对转向返回中心的能力具有最小影响，尤其是当助力曲线具有接近中心位置的死区 (dead band)时。另一方面，他们已经发现，在较高的车辆速度时向输出施加助力可以是有益的，因为它可以改善在较高的车辆速度时更为重要的返回特性的线性度。
[0027]第二处理电路可以根据转向角位置到偏移转矩的预定义映射来确定要添加到输入(或输出)的附加偏移转矩的大小。[〇〇28] 一旦转向已经从中心移开至少设定的量，第二信号处理部件就可以只施加附加转矩，从而在将在其处不施加附加转矩的中心位置的周围创建死区，而不考虑方向盘的移动方向。作为替代，该量可以持续地越过限定范围的角度。这可以给出驾驶员已经进入曲线并且保持辅助适当的更多信心。[〇〇29]辅助转矩信号可以接受信号处理部件的进一步的处理，以提供被用来生成转矩要求信号的整体辅助转矩信号。通常，该装置将通过组合辅助转矩信号与一个或多个附加转矩成分(例如，阻尼、自定心)来生成转矩要求信号。
[0030]转矩信号发生器可以包括连接到转向柱或附连到其的另一机械部件的单个传感器。
[0031]该装置可以包括电子存储器区域，在其中限定缩放因子或助力曲线的函数和/或任何查找表被存储。[〇〇32]信号处理单元可以由执行存储在存储器区域中的程序指令的处理器实现。指令可以使处理器执行限定信号处理单元的不同子单元的多个不同步骤或功能。但是，有可能利用分立的电子部件来实现信号处理单元，分立的电子部件诸如数字逻辑门、形成每个子单元的一组逻辑门。
[0033]该装置可以包括电机驱动电路，该电机驱动电路接收转矩要求信号并且向电机驱动级施加适当的信号，以便使电机输出所要求的转矩。这个驱动级将通常包含桥接电路。
[0034]根据第二方面，提供了一种操作电力辅助的转向系统的方法，该方法包括以下步骤:
[0035]生成指示由转向机构的一部分承载的转矩的转矩信号，
[0036]生成指示方向盘或转向柱的角位置的柱位置信号，[〇〇37]从所述信号产生辅助转矩信号，该辅助转矩信号包括表示要通过以下步骤由电机施加到转向机构的转矩的转矩要求信号的组成部分:
[0038]利用限定输入信号与输出之间的关系的助力曲线来处理依赖于转矩信号的输入信号；以及
[0039]在方向盘远离中心位置移动一段时间后车辆的方向盘朝中心位置移回的情况下向输入信号和输出信号当中的至少一个施加附加偏移转矩，在转向随后开始从中心位置移开的情况下附加偏移转矩减小或不施加。
[0040]该方法可以包括向输入信号和输出信号两者都施加偏移转矩。这可以包括向输入或输出信号添加附加转矩或者将输入或输出信号乘以可以大于1.0的增益。【附图说明】
[0041]参考附图并且如附图所示，现在将以示例的方式描述本发明的仅三种实施例，在附图中:
[0042]图1是根据本发明的电力辅助转向系统的示意图；[0043 ]图2是表示图1的系统中的电机的闭环控制的框图；
[0044]图3是示出由根据本发明的第一方面的转向组件的实施例、为了产生辅助转矩而利用图1的系统的信号处理单元采取的功能步骤的框图；
[0045]图4是示出由根据本发明的第一方面的转向组件的替代实施例采取的功能步骤的框图；
[0046]图5是示出由根据本发明的第一方面的转向组件的另一替代实施例采取的功能步骤的框图；
[0047]图6是示出在图3的实施例中、当转向从中心移开时施加到助力曲线的输入信号的附加偏移转矩的量(实线)与当转向在初始移开之后移回中心时施加的附加偏移转矩的量 (虚线)之间的关系的图；
[0048]图7是示出对于图4和5的实施例、当转向从中心移开时施加到助力曲线的输出信号的附加偏移转矩的量(实线)与当转向在初始移开之后移回中心时施加的附加偏移转矩的量(虚线)之间的关系的图；
[0049]图8示出了在车辆使用期间典型的转弯操纵中所施加的附加保持转矩的变化；以及
[0050]图9示出了在图3至5的任一实施例中的由第一处理电路施加的典型助力曲线。 【具体实施方式】
[0051]典型的电力辅助转向系统在附图的图1中示出。该系统包括电机1，其通过(可选的)齿轮箱3作用于驱动轴2。驱动轴2以蜗轮4终止，其中蜗轮4与在转向柱5的一部分上设置的方向盘或者操作地连接到转向柱的轴共同操作。例如，电机可以作用于转向系统的转向齿条(steering rack)。当然，这不应当被视为对我们所寻求的保护范围的限制，并且设想本发明应用到的其它电力辅助的转向系统。
[0052]转向柱5承载转矩传感器6,转矩传感器6适于测量在方向盘(未示出)以及转向柱抵抗由车辆车轮(也未示出)提供的阻力而转动时由车辆的驾驶员产生的、由转向柱承载的转矩Tcol。来自转矩传感器6的输出信号Tcol被馈送到信号处理单元7的第一输入端。[〇〇53]角位置传感器10也设置在转向柱轴上。如图1中所示，这耦合到转矩传感器6,因为它通过监视从转矩传感器输出的信号来测量位置。这产生指示转向柱的角位置Ncol的输出信号。来自位置传感器的输出Ncol被馈送到信号处理单元7的第二输入端。这可以包括电子处理器单元或其它电子电路。[〇〇54]还提供了车辆速度传感器11，其产生指示车辆的速率的输出信号。[〇〇55]总共三个输入值被传递到信号处理单元:柱位置Ncol、车辆速度V和柱转矩Tcol。 [〇〇56]信号处理单元7作用于这三个输入信号，以产生被传递到电机控制器9的转矩要求信号8作为其输出。电机控制器9将转矩要求信号8转换成用于电机1的驱动电流。为了产生这种要求信号，处理单元包括多个子单元，每个子单元执行单个处理步骤或一组特定的步骤。
[0057]转矩要求信号8的值对应于要由电机1施加到转向柱的辅助转矩的量。该值将从在一种意义上与电机的最大输出转矩相对应的最小值变化，通过当要求信号为零时的零转矩，变化到相反意义上的最大电机转矩。[〇〇58]电机控制器9接收转矩要求信号作为其输入并且产生被馈送到电机的电流，以便在电机驱动轴2处重现期望的转矩。就是施加到转向柱轴5的这个辅助转矩减少了驾驶员转动方向盘所需的努力。这形成如图2中所示的闭合控制环路。
[0059]转矩要求信号8由至少两部分组成。第一部分是辅助转矩Tassist，该辅助转矩 Tassist依赖于驾驶员通过方向盘施加到转向柱的转矩的量。第二部分是(可选的)阻尼转矩要求，它的提供是为了改善转向感和/或增强系统的安全性。其它转矩要求信号可以附加地被使用，例如，以帮助对抗侧风对车辆的影响，该影响会造成车辆偏离预期路径。
[0060]辅助转矩信号是作为如转矩传感器6测量的、转向柱中的转矩的函数得出的。测量的转矩与辅助信号之间的关系基本上是线性的。但是，其它可能的关系可以被用来将转矩映射到辅助信号。如在本领域中广泛已知的，输入与输出之间的关系限定助力曲线。典型的助力曲线在图中示出。随着测量的转矩增加，辅助信号的大小通常增加。还应当理解的是， 辅助转矩信号可以依赖于诸如车辆速度之类的其它参数(如果需要的话)以及转向柱位置。 在那种情况下，典型的是，在高速时减小辅助转矩信号的值以增强稳定性而在非常低速时增加辅助转矩信号的值以方便停车操纵。[〇〇61]图3示意性地示出了根据本发明第一实施例的装置的信号处理部件的更多细节。 如可以看到的，信号处理部件7包括向输入信号施加作为柱转矩的函数的助力曲线的第一信号处理电路12。这种助力曲线的输出限定辅助转矩。此外，信号处理部件7还包括在第一电路12之前的第二处理电路13。第二电路在输入端处接收转矩信号Tcol并且在某些车辆操作条件下修改转矩信号，以产生被馈送到第一信号处理电路的助力曲线的修改后的转矩信号。[〇〇62]在车辆已经适应转弯操纵的情况下，第二处理电路13用来向输入到助力曲线的转矩信号施加增加，如由朝中心返回的小移动之后的柱远离中心的移动所指示的。第二处理电路监视位置信号，以确定这个条件被满足。当这样时，第二处理电路通过用增益乘以输入信号或者通过添加设定量的额外转矩来增加输入信号值。增益或所添加的设定量的转矩是由输入转矩与柱位置之间的映射限定的，如图6中所示。当然，在本发明的范围内，其它映射是可能的。映射示出所施加的附加保持转矩的量，保持是指这个附加转矩在帮助驾驶员在转弯期间保持方向盘中所发挥的角色。
[0063]每当转向保持静止或朝中心移回时，第二处理电路将继续根据虚线15表示的映射来施加附加转矩助力。如果转向停止移回并且开始从中心移开，则第二处理电路将逐渐停止施加附加转矩助力并代替地遵循实线16。
[0064]从实线到虚线，S卩，从零偏移转矩到映射的偏移转矩的过渡包括偏移转矩随转向角的线性变化。当转向朝中心移回时，第二处理部件通常会斜坡上升偏移量，而当转向从中心移开时，通常会斜坡降低偏移量。在每种情况下，可以应用相等且相反的变化率。随着角度改变，斜坡将继续，直到转矩变成零(远离中心的移动)或者满足映射的偏移转矩(朝中心的移动)。
[0065]通常，对于映射中的任何给定点，增加/减少的速率将被选择以使得整个过渡在转向柱角变化的大约1或2度内发生。
[0066]图8示出在使用中的装置。在第一时间段中，驾驶员施加使转向从中心位置移开的增加转矩。这在图中由线A-B表示。在这个时候，第二信号处理电路不向输入信号施加助力。 然后，一旦适应拐角，驾驶员就稍微朝中心移回方向盘。这常常是柱旋转不超过1度左右的非常小的移动。第二信号处理电路检测这种移动，并且沿线B-C施加过渡转矩助力，从而以与转向角的改变成比例的线性方式增加转矩。在过渡之后，在由第二信号处理电路设定的映射之后，附加转矩被施加，并且当转向朝中心移回时，转矩助力遵循线C-D/A。[〇〇67]第二实施例在图4中示出。在这种布置中，第二处理电路13不向助力曲线的输入施加附加转矩。代替地，它向第一处理电路12的输出施加附加转矩助力，从而增加中间辅助转矩值。第二处理部件的功能基本上与第一实施例中对应的功能相同，区别在于助力是在助力曲线之后而不是在之前施加的。对于远离中心的移动(实线18)和返回中心的移动(虚线 17)，附加转矩随柱位置Ncol变化的典型映射在图7中示出。[〇〇68]在图5所示的第三实施例中，第二处理电路13增大输入信号并且还增大来自第一信号处理电路12的助力曲线的输出。它对助力曲线的输入和输出进行增大的量是依赖于车辆速度而作出的。在低车速时，所施加的整体助力主要是通过增大输入信号而很少或不增大输出信号来实现的。在高车速时，助力主要是通过增大助力曲线的输出信号而很少或不增大输入信号来施加的。在这些较高与较低的速度之间，施加到输入和输出的助力的比例将在这些边界之间变化。
[0069]映射值中的这种变化由映射上的方块箭头表示，示出作为车辆速度的函数的映射值的移动方向。一般而言，整个曲线将根据需要向上或向下移动，当转向朝中心移回时偏移遵循修改后的曲线的路径。在图5中示出的还有助力曲线随车辆速度的变化，再次由方块箭头表示。
【主权项】
1.一种电力辅助的转向装置，包括将方向盘操作地连接到车辆的车轮的转向机构以及 操作地连接到所述转向机构的电机，其中所述方向盘具有与车辆向前直行的移动相对应的 中心位置;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信号发生 器、用于产生指示所述方向盘或转向柱的角位置的柱位置信号的柱位置信号发生器以及适 于接收由感测部件产生的信号并从中产生表示要由所述电机施加到所述转向机构的转矩 的转矩要求信号的信号处理单元，其中所述信号处理装置包括:第一信号处理电路，所述第一信号处理电路接收依赖于转矩信号的输入信号并输出辅 助转矩信号，第一信号处理电路的输入与输出之间的关系由助力曲线限定，第二信号处理电路，在使用中所述第二信号处理电路在车辆的方向盘远离中心位置移 动一段时间后方向盘朝中心位置移回的情况下向第一处理电路的输入信号和输出信号当 中的至少一个提供附加偏移转矩，在方向盘从中心位置移开的情况下所述附加偏移转矩减 小或不被施加；以及转矩要求信号发生电路，所述转矩要求信号发生电路适于从辅助转矩信号产生转矩要 求信号。2.如权利要求1所述的电力辅助的转向装置，其中所述信号处理装置适于检测从转向 朝中心移回到转向从中心移开的过渡，并且当转向从中心移开时，在检测到所述过渡后减 小偏移转矩，直到偏移转矩达到零，之后当转向进一步从中心移开时施加零偏移转矩。3.如权利要求1或权利要求2所述的电力辅助的转向装置，其中所述信号处理装置适于 检测从转向从中心移开到转向朝中心移回的过渡，并且当转向朝中心移回时，在检测到所 述过渡后线性地增加偏移转矩，直到达到映射的偏移转矩值，之后在转向进一步朝中心移 回时遵循转矩映射。4.如前面任何一项权利要求所述的电力辅助的转向装置，其中所述信号处理装置通过 以限定的时间间隔存储转向位置的值并且比较当前值与先前的值来检测转向的移动方向 的改变。5.如前面任何一项权利要求所述的电力辅助的转向装置，其中所述第一信号处理装置 使用助力曲线，所述助力曲线包括期望的辅助转矩到输入信号值的映射，增益随着输入信 号值的增加而线性或非线性地增加，并且其中助力曲线的输入信号包括柱转矩或者在适当 情况下包括柱转矩加上附加转矩量值。6.如前面任何一项权利要求所述的电力辅助的转向装置，其中所述第二信号处理装置 适于仅向输入信号或仅向输出信号或向输入信号和输出信号两者施加一定量的偏移转矩， 并且在每种情况下所施加的量是角位置信号的值的函数。7.如权利要求6所述的电力辅助的转向装置，其中，偏移转矩被施加到助力曲线的输入 信号和输出信号并且施加到每一者的附加转矩的量被调整，使得在低车辆速度时，相对较 多的偏移转矩施加到输入信号并且较少的偏移转矩施加到输出以实现辅助转矩的给定增 加，而在较高的速度时，相对较多的偏移转矩添加到输出并且较少的偏移转矩添加到输入， 以实现辅助转矩的相同的给定增加。8.如前面任何一项权利要求所述的电力辅助的转向装置，其中所述第二处理电路根据 转向角位置到偏移转矩的预定义映射来确定要添加到助力曲线的输入或输出的附加偏移 转矩的大小。9.一种操作电力辅助的转向系统的方法，所述方法包括以下步骤:生成指示由转向机构的一部分承载的转矩的转矩信号，生成指示方向盘或转向柱的角位置的柱位置信号，从所述信号产生辅助转矩信号，所述辅助转矩信号包括表示要通过以下步骤由电机施 加到转向机构的转矩的转矩要求信号的组成部分:利用限定输入信号与输出信号之间的关系的助力曲线来处理依赖于转矩信号的输入 信号；以及在车辆的方向盘远离中心位置移动一段时间后方向盘朝中心位置移回的情况下，向输 入信号和输出信号当中的至少一个施加附加偏移转矩，在转向随后开始从中心位置移开的 情况下附加偏移转矩减小或不被施加。10.如权利要求9所述的方法，包括向输入信号和输出信号两者施加偏移转矩。11.一种电力辅助的转向装置，基本上如参考附图所描述并且如附图所示的那样。
【文档编号】B62D5/04GK105992723SQ201480065460
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年10月8日
【发明人】J·P·法拉利
【申请人】Trw有限公司