专利名称：具有异常补偿功能的电动转向系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种电动转向系统和方法；更为具体地，本发明涉及一种电动转向系统的扭矩传感器故障补偿，该扭矩传感器故障补偿基于扭矩传感器的估值扭转角。
背景技术：
在一个用于帮助司机车轮转向操作的电动转向系统中，当检测到扭矩传感器的异常时，通过防故障装置来切断助力。即，在检测到该异常后，马上将施加到该助力电机中的电流减少为零。结果是，由于电机所产生的助力丧失，该转向轮的操作力会突然变得非常大。
通过检测用于控制转向轮的替代扭矩传感器，或者通过将停止助力等作为防故障操作来补偿这些情况。但是，该替代扭矩传感器使得电动转向系统的可安装性降低，并且停止助力要求司机增大操作力。
在专利文献US6,148,949(JP-A-11-59447)中，针对可安装性和助力丧失，提出一种在扭矩传感器故障的情况下的转向轮控制，该转向轮控制利用基于来自转向角传感器的转向角和来自速度传感器的速度信号的估值扭矩。在专利文献JP-A-9-58505中，提出了另一种方法，在该方法中，向助力电机提供的与车辆速度成比例的预先确定的电机电流以恒定下降比例下降至零。在专利文献JP-A-2000-185660中，提出了又一种用于扭矩传感器故障的方法，即，通过利用不使用扭矩传感器信号的系统的连续控制，例如利用转向角信息控制，来禁止使用扭矩传感器信号的控制。
在上面的文献中，第一个和第二个文献存在由转向角传感器在转向轮端，或者与转向轴连接的扭杆的小齿轮端上的位置而引起的转向扭矩准确性的问题。而且，第二个文献迫使司机最终施加的转向力(没有助力)增加。第三个文献除了缺少助力之外，还存在和第一个、第二个文献中一样的准确性的问题。
发明内容
所以本发明的一个目的是为车辆提供一个电动转向系统和一种方法，在该方法中，在扭矩传感器发生故障的情况下，通过准确地估值转向扭矩来继续转向力助动功能。
根据本发明，基于司机对转向轮的操作，通过向电机提供电流，电动转向系统将转向扭矩施加到转向装置中。在所述电动转向系统中，包括一个扭杆的扭矩传感器检测转向轮的转向力。控制器检测与转向轮和扭杆的一端连接的转向轴的转动角、与小齿轮和扭杆的另外一端连接的小齿轮轴的转动角以及扭矩传感器的输出的异常。在所述电动转向系统中，当检测出扭矩传感器的异常时，用一个装置检测所述转向轮的转向力，其中该装置基于转向轴的转动角和小齿轮轴的转动角来计算转向力。
在控制器中，通过使用电机转动角传感器和转向转动角传感器的输出，来检测扭杆的扭转角，其中电机转动角传感器和转向转动角传感器两者都是电动转向系统中的组件。基于转向扭矩是由扭杆弹簧常数与扭杆扭转角度相乘来估值的假设，可以准确地计算在扭矩传感器发生故障情况下的用于转向助力的替代扭矩，从而扩展电动转向系统的助力功能。
即，根据转向转动角传感器的输出和电机转动角传感器的输出，来计算与所述转向轴(转向轴和小齿轮轴)连接的扭杆的扭转角，且然后根据该扭转角和扭杆的弹簧常数来计算转向扭矩，并且结果是，该扭矩被作为所述转向轮的助力控制的替代助力扭矩使用。
根据上述描述的结构，安装一个与扭矩传感器发生故障相关的替代扭矩计算装置，并且可以准确地计算估值的转向扭矩。该替代助力控制量也可以被准确计算。因此，车辆的司机既不会遭受操作转向轮时的不舒服感觉，也不会被迫在转向时增大操作力。
在所述电动转向系统中，当没有检测到扭矩传感器的异常且扭矩传感器的输出信号处于预先确定的范围中时，替代扭矩计算装置确定转向轴和小齿轮轴的基准位置。根据本结构，在扭矩传感器正确工作的同时，该转向轴和小齿轮轴的基准位置不断更新，其结果是，通过基于那些轴的最近基准位置来准确地估值替代转向扭矩，准确地计算在扭矩传感器发生故障情况下的替代助力控制量。
在所述电动转向系统中，当检测出扭矩传感器的异常时，所述替代扭矩计算装置根据扭矩扭转角的估算结果计算出替代转向扭矩，其中该估值结果基于偏离所述基准位置的扭杆一端的转动角与偏离所述基准位置的扭杆的另一端的转动角的比较结果。根据这个结构，可以通过准确地估值替代转向扭矩来准确地计算在扭矩传感器发生故障的情况下的替代助力控制量。因此，车辆的司机既不会遭受操作转向轮时的不舒服感觉，也不会被迫施加增加的操作力来操作转向轮。
在电动转向系统通常使用基于转动角传感器的转动角和扭矩传感器的输出的助力计算方法工作的同时，当检测出扭矩传感器的异常时，该助力计算方法立即切换到一种替代方法，该替代方法基于转动角传感器的转动角和该转动角的基准位置。
通过在下文中结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述及其他目的，特征和优点将变得更加明显，其中图1是一个示出根据本发明的一个电动转向系统的框图；图2是一个示出计算基准助力控制量的过程的流程图。
发明详述如图1所示，在电动转向系统1中，转向轮10与转向轴12a连接。转向轴12a的下端与扭矩传感器40连接。小齿轮轴12b的上端与扭矩传感器40连接。在小齿轮轴12b的下端，设置一个图中没有示出的小齿轮。在转向齿轮箱16中，该小齿轮与齿条18啮合。横拉杆20的一端与齿条18的一端连接。横拉杆20的另外一端通过方向臂22与前轮24连接。同样，另一横拉杆20的一端与齿条18的另外一端连接。另一横拉杆20的另外一端通过方向臂22与另一前轮24连接。此外，在小齿轮轴12b上，助力电机15与减速装置17连通。
由齿轮等组成的减速装置17，将助力电机15的转动传送给小齿轮轴12b，并且因此转动该小齿轮轴12b使齿条18移动，从而导致车轮24转向。
扭矩传感器40包括一个公知扭杆40a和一对解析器(resolver)40b(角度检测传感器)，该对解析器40b在轴向延长的位置与扭杆连接。当转动转向轴12a时，将与转向轴12a的转动角成比例的扭矩施加到扭杆40a。通过用解析器40b检测扭杆40a的两端处的转动角之差，利用该检测角差值和扭杆40a的弹簧常数，来计算施加在扭杆40a上的扭矩。然后将计算出的扭矩发送给转向控制器30。
用于检测转向轮10的转动角的转向角传感器54连接在转向轴12a上。转向角传感器54由公知的转动角检测装置组成，例如转动编码器或者解析器，并且作为第一转动角检测装置工作。然后，将检测到的信息发送到转向控制器30。
通过具有公知的转动角检测装置(例如转动编码器等)的电机转动角传感器49(第二转动角检测装置)来检测电机15的转动角。电机转动角传感器49可以由取代转动编码器的解析器组成。将来自电机转动角传感器49的信号发送到转向控制器30。
转向控制器30包括一个公知的CPU 31，一个RAM(随机存取存储器)32，一个ROM(只读存储器)33，一个I/O接口34，和一个连接所有组件的总线35，转向控制器执行异常检测和替代扭矩的计算。该CPU 31控制存储在只读存储器33和随机存取内存32中的程序和数据。ROM 33有一个程序存储区33a和一个数据存储区33b。转向控制程序33p存储在程序存储区33a中。执行转向控制程序33p所需要的数据存储在数据存储区33b中。
通过执行存储在ROM 33中且由CPU 31处理的转向控制程序33p，转向控制器30计算与由扭矩传感器40检测的扭矩对应的助力扭矩(基本助力控制量)。然后，该控制器30通过电机驱动电路14向助力电机15施加电压，以输出所计算出的助力扭矩。通过利用电机转动传感器49检测电机15的转动角和利用电流传感器50检测电机电流，该控制器30进一步计算实际施加的助力扭矩，并且通过使用反馈控制(助力控制)来调整助力扭矩。只要可以集成到系统1中，该电动转向系统1的助力电机15可以是直流电机，无刷电机等。为了转向控制的准确性，将检测车辆速度的速度传感器51与系统1连接。
在操作中，如图2所示，通过执行CPU 31中的转向控制程序33p，控制器30计算助力控制量。
首先，在步骤S1中，基于来自转向角传感器54的信号，计算转向轮侧(即，转向轴12a侧)上的扭杆40a的转动角。然后，在步骤S2中，基于来自电机转动角传感器49的信号和减速装置17的减小比，计算小齿轮侧(即小齿轮轴12b侧)的扭杆40a的转动角。由于减速装置17的减小比为常数，所以可以基于电机15的转动角计算小齿轮轴12b的转动角。
此外，基于来自扭矩传感器40的输出信号(输出电压)，该转向控制器30连续地检查扭矩传感器40的正确性。即，当扭矩传感器40的输出电压处于预先确定范围内时，扭矩传感器的工作被定义为正常，而当扭矩传感器40的输出电压不在预先确定范围内时，扭矩传感器的工作被定义为异常。
当扭矩传感器的工作被定义为正常时(步骤S3否)，基于扭矩传感器40的输出信号，计算转向扭矩(步骤S4)。
此外，在这种情况下，当转向扭矩符合从0牛顿米开始的预先确定范围内时，即，当车辆沿直线行驶或者转向轮在空挡位置时(步骤S5是)，基于来自转向角传感器54的信号，利用转向轮侧(转向轴12a侧)上的扭杆40a的转动角来确定转向轴12a的基准位置(步骤S6)。接着，基于来自电机转动角传感器49的信号和减速装置17的减小比，利用小齿轮侧(小齿轮轴12b侧)的扭杆40a的转动角来决定小齿轮轴12b的基准位置(步骤S7)。上述的基准位置可以通过平均以前计算中的基准位置来计算。系统刚刚启动后的初始基准位置可以从转向控制器30的EEPROM(电可擦除只读存储器)等(图中没有示出)存储介质中提取。
基于上述步骤S4中计算出的转向扭矩，来计算基准助力控制量。
当基于扭矩传感器40的输出将扭矩传感器的工作确定为异常(步骤S3是)时，停止基于从扭矩传感器输出信号得到的转向扭矩的基准助力控制量的计算。然后，计算转向轮10侧(转向轴12a侧)的扭杆40a的转动角与在步骤S6中计算出的基准位置之间的差(步骤S9)。相应地也计算出小齿轮侧(小齿轮轴12b侧)的扭杆40a的转动角与步骤S7中计算出的基准位置之间的差值(步骤S10)。
计算扭杆40a的估值扭转角，作为转向轮10侧(转向轴12a侧)上的扭杆40a的偏离基准位置的转动角与小齿轮侧(小齿轮轴12b侧)的扭杆40a的偏离基准位置的转动角之间的差值(步骤S11)。
通过将扭杆40a的估值扭转角与扭杆40a的弹簧常数相乘，来计算替代转向扭矩(步骤S12)。该替代转向扭矩用于基准助力控制量的计算(步骤S13)。
虽然结合优选实施例对本发明进行了说明和描述，但是，本领域技术人员应当明白，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明做出各种变化和修改。
权利要求
1.一个车辆电动转向系统(1)，该系统具有一个电机(15)，该电机基于转向轮(10)的操作，将扭矩提供给转向装置，该转向装置包括一个转向轴(12a)和一个小齿轮轴(12b)，该系统包括一个包括扭杆(40a)的扭矩传感器(40)，用于检测用于控制所述电机(15)的转向轮的转向力；一个异常检测装置，用于检测所述扭矩传感器(40)的异常；第一转动角检测装置，用于检测与所述转向轮(10)及所述扭杆(40a)的一端连接的所述转向轴(12a)的转动角；以及第二转动角检测装置，用于检测与小齿轮及所述扭杆(40a)的另外一端连接的所述小齿轮轴(12b)的转动角；其特征在于一个替代扭矩计算装置，当通过所述异常检测装置检测到所述扭矩传感器(40)异常时，基于所述转向轴转动角和所述小齿轮轴转动角，该装置计算用于控制所述电机(15)的替代转向力。
2.如权利要求1所述的车辆电动转向系统(1)，其中，在所述扭矩传感器(40)正确工作的同时，所述替代扭矩计算装置确定所述转向轴(12a)的基准位置和所述小齿轮轴(12b)的基准位置。
3.如权利要求2所述的车辆电动转向系统(1)，其中，当所述异常检测装置检测到所述扭矩传感器(40)的异常时，根据扭杆(40a)的估值扭转角，所述替代扭矩计算装置计算替代转向扭矩，其中扭杆(40a)的估值扭转角基于偏离所述基准位置的扭杆(40a)一端的转动角与偏离所述基准位置的扭杆(40a)另外一端的转动角之间的比较结果。
4.一种通过计算车辆电动转向系统(1)中的替代转向扭矩来补偿扭矩传感器(40)异常的方法，该方法包括以下步骤检测转向轴转动角；检测小齿轮轴转动角；检测所述扭矩传感器(40)的异常；在所述扭矩传感器(40)正常工作时，基于所述扭矩传感器(40)的输出计算转向扭矩；并且当所述异常检测装置检测到异常时，根据基于转向轴(12a)的转动角与齿轮轴(12b)的转动角之差的估值转向角来计算替代转向扭矩。
全文摘要
车辆电动转向系统(1)包括一个扭矩传感器(40)，该扭矩传感器包括一个扭杆(40a)，用来检测施加在转向轮(10)上的转向力。第一转动角检测装置，检测与扭杆(40a)连接的转向轴(12a)的转动角，和第二转动角检测装置，检测与扭杆(40a)连接的齿轮轴(12b)的转动角。一个转向控制器(30)检测扭矩传感器(40)的输出的异常。当检测到扭矩传感器(40)的异常时，该转向控制器(30)取代扭矩传感器(40)，基于转向轴(12a)的转动角和齿轮轴(12b)的转动角来检测转向扭矩。
文档编号B62D5/04GK1651293SQ20051000678
公开日2005年8月10日 申请日期2005年2月4日 优先权日2004年2月4日
发明者森田裕之 申请人:株式会社电装