用于电动动力转向系统中故障隔离的方法和系统与流程

本公开总体上涉及一种用于识别电动动力转向系统中的故障的方法和系统。

背景技术：

电动动力转向(eps)是对液压动力转向的直接替代，但在操作期间消耗显著更少的能量。eps在混合动力车辆中是特别有吸引力的，其中发动机可以运行或可以不运行，产生用于运行液压泵的间歇性机械动力源，但是连续且充足的电力源。eps使用电子扭矩传感器来测量方向盘扭矩，并且电动机用于向转向齿条施加额外的扭矩。eps系统不仅为驾驶员提供转向辅助，而且还是最近开发的主动安全功能的致动器，诸如车道保持和车道变换辅助。因此，重要的是在故障之前识别电动动力转向系统中的故障，使得可以采取纠正措施。

技术实现要素：

提供了一种隔离车辆的电动动力转向系统中的故障的方法。车辆可以包括但不限于诸如汽车、卡车、公共汽车、飞机、全地形车、船、拖拉机等的任何移动平台。该方法包括计算多个故障特征分量中的每一个故障特征分量的值。将多个故障特征分量的计算值中的每一个与每一个故障特征分量的相应阈值进行比较，以确定多个故障特征分量的计算值中的任何一个是否超过其相应的阈值。当多个故障特征分量的计算值中的至少一个超过其相应的阈值时，自动执行控制动作以指示电动动力转向系统中的检测到的故障。将上述阈值比较结果与指示用于预先识别的故障的预先计算的阈值比较结果的故障表进行比较，以确定上述阈值比较结果是否对应于预先识别的故障。基于故障表比较结果，自动执行控制动作以指示电动动力转向系统中的检测到的已知故障或检测到的未知故障。

还提供了一种用于车辆的电动动力转向系统。电动动力转向系统包括方向盘，其配置成接收包括转向扭矩和转向角的一组驾驶员转向输入。扭矩传感器配置成测量转向扭矩，而角度传感器配置成测量转向角。电动动力转向系统进一步包括转向组件和转向电动机，所述转向电动机可操作用于以部分地取决于转向角和转向扭矩的扭矩水平将可变的电动机辅助扭矩传递到转向组件。控制器包括有形的非暂态存储器，并且可操作以执行用于识别电动动力转向系统中的故障的一组指令。具体地，控制器可操作以计算多个故障特征分量中的每一个故障特征分量的值。多个故障特征分量包括：来自电动机电路方程的残差值，从轮胎动力学模型计算的第一自对准扭矩值和从扩展状态观测器计算的第二自对准扭矩值之间的差的绝对值和用于电动动力转向系统的标称参数，第一自对准扭矩值和第二自对准扭矩值之间的差的方差，电动动力转向系统中的估计的电动机电阻，电动动力转向系统中的估计的电动机反电磁力(emf)常数，以及来自车辆动力学方程的残差值。控制器将多个故障特征分量的计算值中的每一个与每一个故障特征分量的相应阈值进行比较，以确定多个故障特征分量的计算值中的任何一个是否超过其相应的阈值。当多个故障特征分量的计算值中的至少一个超过其相应的阈值时，自动执行控制动作以指示电动动力转向系统中的检测到的故障。然后将上述阈值比较结果与指示用于预先识别的故障的预先计算的阈值比较结果的故障表进行比较，以确定上述阈值比较结果是否对应于预先识别的故障。基于阈值比较结果与故障表的比较，自动执行控制动作以指示电动动力转向系统中的检测到的已知故障或检测到的未知故障。

从下面结合附图对用于执行本教导的最优模式的详细描述，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是具有安装在转向柱上的电动动力转向(eps)系统和配置成用于识别eps系统中的已知和未知故障的控制器的车辆的示意图。

图2是表示识别电动动力转向系统中的故障的方法的流程图。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将认识到，诸如“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等术语用于描述性地用于附图，并且不表示对由所附权利要求限定的本公开的范围的限制。此外，本文中可以在功能和/或逻辑块部件和/或各种处理步骤方面描述教导。应当认识到，这样的块部件可以由被配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件部件组成。

参考附图，其中贯穿若干附图，相同的参考标记对应于相同或相似的部件，并且从图1开始，车辆10包括安装在转向柱上的电动动力转向(eps)系统20和控制器50。车辆可包括但不限于任何移动平台，诸如汽车、卡车、公共汽车、飞机、全地形车、船、拖拉机、工业车辆等。控制器50示意性地示为单个单元，然而控制器50的各种元件可以分布在多个专用控制器或电子控制单元(ecu)之间，例如电动机控制单元、转向控制单元等。此外，控制器50的各种元件可以位于车辆外部或外侧，诸如在中央处理位置处。例如，控制器50的一些部件和/或功能可以在车辆10中定位/执行，并且控制器50的其他部件和/或功能可以位于远离车辆10的位置，其中在必要时在其间发送数据。

本控制器50被配置用于识别电动动力转向系统20中的已知故障或未知故障。如本文所使用的，电动动力转向系统20中的“故障”被定义为相对于校准的正常工作的标准超过电动动力转向系统20的可测量参数的容许操作范围的偏差。控制器50进一步被配置用于例如通过经由显示器17(例如显示屏、指示灯、图标等)记录诊断代码和/或向车辆10的驾驶员显示信息来执行适合于电动动力转向系统20中的识别故障的控制动作。可替代地，控制器50可以执行远离车辆的控制动作，诸如向远程处理/维护设施发送电子邮件、文本或其他警报。

车辆10包括方向盘12。方向盘12响应于驾驶员转向输入而旋转，这在图1中由双箭头19共同表示。方向盘12可操作地连接到转向柱14，所述转向柱14进而连接到转向组件16。在一个实施例中，转向组件16是齿条和小齿轮组件，但是其他转向组件可以取决于设计来使用。转向组件16最终使前轮胎25相对于路面27取向，例如通过在一组前轴(未示出)上移动拉杆18，如本领域中充分理解的。

扭矩传感器23和可选的转向角传感器21可相对于转向柱14定位。扭矩传感器23测量并向控制器50发送扭矩传感器信号(箭头123)。同样，转向角传感器21测量并向控制器50发送转向角信号(箭头121)。控制器50处理信号121、123以及附加的车辆操作数据(箭头11)，例如车辆速度、质量等，并且确定由转向电动机32执行当前转向操纵所需的转向辅助量。控制器50经由电动机控制信号(箭头13)与转向电动机32通信。转向电动机32通过生成并传递通过减速齿轮组的电动机扭矩(箭头15)并且传递到转向组件16来响应电动机控制信号(箭头13)。

仍参考图1，控制器50可以使用控制器局域网(can)、串行总线、数据路由器和/或其他合适的网络连接将电动机控制信号(箭头13)发送到转向电动机32。控制器50的硬件部件可以包括位于车辆10内和/或远离车辆10的一个或多个数字计算机，每一个数字计算机具有微处理器或中央处理单元(cpu)、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电可编程只读存储器(eprom)、高速时钟、模数(a/d)和数模(d/a)电路以及输入/输出电路和装置(i/o)，以及适当的信号调节和缓冲电路。

位于控制器50内或容易访问和由此可执行的每一组算法或计算机可执行指令，包括执行如下所述的本方法100所需的任何算法或计算机指令，可以存储在有形的非暂态的计算机可读存储器54上，并根据需要由控制器50的相关硬件部分执行，以提供位于车辆10内和/或远离车辆10的所公开的功能。扩展状态观测器52被包括作为控制器50的软件功能性的一部分，其中状态观测器52应用状态空间反馈控制律，如本领域中所公知的。控制器50还编程有或以其它方式具有对轮胎动力学模型56和eps系统模型58的访问。用于计算第一自对准扭矩(sat)和第二sat的轮胎动力学模型56和eps系统模型58的操作分别是本领域技术人员已知的，并且在转让给本公开的受让人的申请号：13/075,263的美国专利8,634,986中描述。因此，在本文中不详细描述分别计算第一自对准扭矩(sat)和第二sat的操作的轮胎动力学模型56和eps系统模型58。

参考图2，总体上示出了隔离车辆10的电动动力转向系统20中的故障的方法100。方法100包括计算多个故障特征分量中的每一个故障特征分量的值。计算故障特征分量的值的步骤通常由图2中的框102指示。故障特征分量是电动动力转向系统20的参数，所述电动动力转向系统20可以被监测和/或计算，并且用于评估电动动力转向系统20和/或其部件的操作。故障特征分量可以包括但不限于来自电动机电路方程的残差值，从轮胎动力学模型56计算的第一自对准扭矩(sat)值和从扩展状态观测器52计算的第二sat值之间的差的绝对值，以及电动动力转向系统20的标称参数，第一sat值和第二sat值之间的差的方差，电动动力转向系统20中的估计的电动机32电阻，电动动力转向系统20中的估计的反电磁力(emf)常数，以及来自车辆10动力学方程的残差值。

来自轮胎动力学模型56的第一sat值和来自扩展状态观测器52的第二sat值和电动动力转向系统20的标称参数的计算对于本领域技术人员是已知的。因此，这里不描述由控制器50用来计算第一sat值和第二sat值的过程。控制器50使用已知的数学运算来计算第一sat值和第二sat值之间的差的绝对值。如本文所使用的，绝对值被定义为不考虑其符号(例如，+或-)的实数的幅度。另外，控制器50使用已知的数学运算来计算第一sat值和第二sat值之间的方差。如本文所使用的，方差被定义为与平均数的平方差的平均值。

来自电动机电路方程的残差值可以从下面的方程1)计算。

参考方程1)，r1是电动机电路方程的残差值，r是转向电动机32电阻的标称值，kt是反emf常数标称值，im是转向电动机32的测量电流，n是转向电动机32和转向组件16(例如齿条和小齿轮)之间的齿轮比，vm是电动转向电动机32的测量电势(电压)，并且是小齿轮角速度，其可以从转向角传感器21的测量导出(例如通过获取时间导数)。如本文所使用的，术语“标称值”定义为特定参数的正常操作值。

来自车辆10动力学方程的残差值可以从下面的方程2)计算。

参考方程2)，r2是车辆10动力学方程的残差值，vx是测量的纵向车辆10速度，kμ是不足转向系数的假定标称值，l是车辆10轴距的假定标称值，是车辆10的测量的偏航率，并且δ是车轮角。车轮角δ根据下面的方程3计算。

参考方程3)，n′是小齿轮角与车轮角(rwa)的比率，并且θpm是测量的小齿轮角，其可以从转向轮角度传感器21获得。

可以使用具有变化的遗忘因子方法100的递归最小二乘法来计算电动动力转向系统20中的估计的转向电动机32电阻。另外，电动动力转向系统20中的电动机反emf常数也可以使用具有变化的遗忘因子方法100的递归最小二乘法来计算。如本领域技术人员所知，递归最小二乘滤波器是递归地找到最小化与输入信号相关的加权线性最小二乘函数的系数的自适应滤波器。如本领域技术人员所知，遗忘因子对较老的误差样本给出指数地较小的权重。如本领域技术人员已知的，当估计误差增加时，变化的遗忘因子临时减小，使得可以发生快速适应，并且当估计误差减小时，返回到接近1的值，使得适应对测量噪声不敏感。

一旦控制器50已经计算了故障信号分量的值，控制器50就将估计的转向电动机32电阻和估计的电动机反emf常数的计算值与每一个相应的故障信号分量的相应的标称值进行比较，以确定计算的转向电动机32电阻值和/或计算的电动机反emf常数值是否偏离它们相应的标称值。将估计的电动机32电阻和估计的电动机反emf常数与它们相应的标称值进行比较的步骤通常由图2中的框104指示。如果估计的电动机32电阻和估计的电动机反emf的值都偏离它们相应的标称值，则电动动力转向系统20的一个或多个部件可能存在故障。

当控制器50确定计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数值都偏离相应值(一般在106处指示)时，则控制器50将故障特征分量的一个或多个计算值与每一个故障特征分量的相应阈值进行比较，以确定故障特征分量的计算值中的任何一个是否超过其相应的阈值。当计算或估计的转向电动机32电阻值和计算或估计的电动机反emf常数值偏离它们相应的标称值两者时，将故障特征分量与它们相应的阈值进行比较，一般由图2中的框108指示。故障特征分量的每一个故障特征分量的相应阈值可以被认为是距它们相应标称值的最大容许偏差。因此，超过其相应阈值的计算值可以被认为在容许的操作范围之外和/或指示动力转向系统中的故障。

具体地，当控制器50确定计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数值都偏离它们相应的标称值(一般地在106处指示)时，则控制器50将来自电动机电路方程的残差值的绝对值与电动机阈值进行比较，将第一sat值和第二sat值之间的差的绝对值与sat误差阈值进行比较，将第一sat值和第二sat值之间的差的方差与sat方差阈值进行比较，并将来自车辆10动力学方程的残差值的绝对值与动态阈值进行比较。控制器50将这些故障特征分量与相应的阈值进行比较，以确定故障特征分量的值是否超过它们相应的阈值。具体地，控制器50确定来自电动机电路方程的残差值的绝对值是否大于电动机阈值，第一sat值和第二sat值之间的差的绝对值是否大于sat误差阈值，第一sat值和第二sat值之间的差的方差是否大于sat方差阈值，或者来自车辆10动力学方程的残差值的绝对值是否大于动态阈值。

通常由图2中的框108指示的故障特征分量与它们相应阈值的比较定义了用于到达故障特征分量的阈值比较结果，其统称为阈值比较结果。阈值比较结果指示每一个故障特征分量是否超过或不超过其相应的阈值。因此，阈值比较结果不包括故障特征分量中每一个故障特征分量的实际值，而是将比较的结果提供给它们相应的阈值，结果是每一个故障特征分量超过或不超过其阈值。阈值比较结果提供结果的列表、顺序或组合，其中所有故障特征分量超过它们相应的阈值，所有故障特征分量不超过它们相应的阈值，或其中一些故障特征分量超过它们相应的阈值并且故障特征分量的其余部分不超过它们相应的阈值的组合。

控制器50然后将阈值比较结果与故障表进行比较。当计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数值都偏离相应的值时，将阈值比较结果与故障表比较，通常由图2中的框110指示。故障表将阈值比较结果的不同可能组合(即超过或不超过它们相应阈值的每个故障特征分量的组合)与预先识别的或已知的故障相关联。换句话说，故障表指示对于动力转向系统20中的预先识别的或已知的故障的预先计算的阈值比较结果。在这样做时，控制器50可以确定故障特征部件阈值比较结果是否对应于电动动力转向系统20中预先识别或已知的故障。

当估计的转向电动机电阻和估计的电动机反emf常数都偏离它们相应的标称值时，控制器50自动执行控制动作以指示电动动力转向系统20中检测到的故障。控制动作可以包括，但不限于以下中的至少一个：在控制器50中记录诊断代码，在车辆10内显示图标或消息，通知远程位置/设施，发送诸如电子邮件、文本等的消息，或本文没有具体指出或描述的一些其他动作。

如果控制器50确定阈值比较结果与在故障表中指示的预定或已知故障的结果匹配(一般地在112处指示)，则控制器50识别在控制动作中的电动动力转向系统20中的特定识别的故障。识别电动动力转向系统20中的已知或特定识别的故障通常由图2中的框114指示。

如果控制器50确定阈值比较结果与一般在116处指示的故障表中定义的任何已知故障不匹配或不相关，则控制器50执行指示电动动力转向系统20中未知故障的一般控制动作。识别电动动力转向系统20中的未知故障通常由图2中的框118指示。

当控制器50确定计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数值中的至少一个不偏离它们相应的标称值，即，计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数中的至少一个接近或靠近它们相应的标称值(通常在120处指示)，则控制器50将故障特征分量的计算值中的一个或多个与每一个故障特征分量的它们相应阈值进行比较，以确定故障特征分量的计算值中的每一个是否超过其相应的阈值或者不超过其相应的阈值。当计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数值中的至少一个不偏离它们相应的标称值时，将故障特征分量与它们相应的阈值进行比较，一般由图2中的框122指示。如上所述，故障特征分量中每一个故障特征分量的相应阈值可以被认为是与它们相应标称值的最大容许偏差。因此，超过其相应阈值的计算值可以被认为在容许的操作范围之外和/或可以指示动力转向系统中的故障。

具体地，当控制器50确定计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数值中的至少一个不偏离它们相应的标称值(通常在120处指示)时，则控制器50将来自电动机电路方程的残差值的绝对值与电动机阈值进行比较，将第一sat值和第二sat值之间的差的绝对值与sat误差阈值进行比较，将第一sat值和第二sat值之间的差的方差与sat方差阈值进行比较，将计算的转向电动机32电阻值和标称转向电动机32电阻值之间的差的绝对值与电阻阈值进行比较，将计算的电动机反emf常数值和电动机反emf常数的标称值之间的差的绝对值与emf阈值进行比较，并且将来自车辆10动力学方程的残差值的绝对值与动态阈值进行比较。

控制器50将这些故障特征分量与相应的阈值进行比较，以确定故障特征分量中每一个故障特征分量的值是否超过它们相应的阈值，或者是否不超过它们相应的阈值。当控制器50确定计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数值中的至少一个不偏离它们相应的阈值时，确定故障特征分量的值是否超过或不超过它们相应阈值的步骤通常由图2中的框124指示。具体地，控制器50确定电动机电路方程的残差的绝对值是否大于电动机阈值，第一sat值和第二sat值之间的差的绝对值是否大于sat误差阈值，第一sat值和第二sat值之间的差的方差是否大于sat方差阈值，计算的转向电动机32电阻值和标称转向电动机32之间的差的绝对值是否大于电阻阈值，计算的电动机反emf常数值和电动机反emf常数的标称值之间的差的绝对值是否大于emf阈值，或者来自车辆10动力学方程的残差值的绝对值是否大于动态阈值。

当多个故障特征分量的计算值中没有一个超过它们相应的阈值(通常在126处指示)时，则控制器50可以确定电动动力转向系统20正确地操作。如果控制器50确定电动动力转向系统20正确地操作，则控制器50可以不采取动作，或者可替代地，控制器50可以自动地执行通常由图2中的框129指示的控制动作，以指示没有检测到电动动力转向系统20中的故障。这种控制动作可以包括例如在控制器50中记录诊断代码，在存储在控制器50的存储器中的诊断代码中注册值，向远离车辆的位置发送信号，或者在车辆或远离车辆处采取一些其他动作。

通常由图2中的框124指示的故障特征分量与其相应阈值的比较定义了每一个故障特征分量的阈值比较结果，其统称为阈值比较结果。如上所述，阈值比较结果提供指示每一个故障特征部分是否超过或不超过它们相应阈值的结果的组合。

当故障特征分量的计算值中的至少一个超过其相应的阈值(通常在128处指示)时，则控制器50将阈值比较结果与故障表进行比较。当计算的转向电动机32电阻值和计算的电动机反emf常数值中的至少一个不偏离它们相应的标称值时，将阈值比较结果与故障表进行比较，通常由图2中的框130指示。如上所述，故障表将阈值比较结果的不同可能组合与预先识别的或已知的故障相关联。在这样做时，控制器50可以确定阈值比较结果是否对应于与阈值比较结果的所述组合相关联的电动动力转向系统20中的一个或多个预先识别的或已知的故障。

当多个故障特征分量的计算值中的至少一个超过其相应的阈值时，控制器50自动执行控制动作以指示电动动力转向系统20中的检测到的故障。控制动作可以包括，但不限于以下中的至少一个：在控制器50中记录诊断代码和/或在车辆10内显示图标或消息，通知或以其它方式向远离车辆10的位置发送消息，或者这里没有具体描述的在车辆10或远离车辆10处的一些其他动作。

如果控制器50确定阈值比较结果与在故障表中指示的预定义或已知故障匹配(通常在132处指示)，则控制器50识别在控制动作中电动动力转向系统20中的特定识别的故障。识别电动动力转向系统20中的已知或特定识别的故障通常由图2中的框134指示。

如果控制器50确定阈值比较结果与在故障表中定义的任何已知故障不匹配或相关(通常在136处指示)，则控制器50执行指示电动动力转向系统20中的未知故障的一般控制动作。识别电动动力转向系统20中的未知故障通常由图2中的框138指示。

详细描述和附图或图是对本公开的支持和描述，但是本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行所要求保护的教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本公开的各种替代设计和实施例。