用于在电动助力转向系统中衰减平坦道路震动的方法

专利名称：用于在电动助力转向系统中衰减平坦道路震动的方法
技术领域：
本发明涉及电动助力转向系统，更具体地涉及用于动态地衰减方向盘处的平坦 道路震动的一套方法。
背景技术：
当机动车驾驶员沿任 一旋转方向转动方向盘时，电动助力转向给驾驶员提供了 转向助力。用来帮助驾驶员转向的电动助力转向(EPS)系统的电动机可与转向系统的齿 条相连(REPS系统)或与转向柱相连(CEPS系统)，在图IA和IB对它们进行了举例说 明。图IA表示CEPS系统的例子。机动车40设有电动助力转向系统24，电动助力 转向系统24可以包括传统的齿条-齿轮转向机构36，齿条-齿轮转向机构36包括齿轮箱 52下的有齿的齿条(未示出)和转向柱小齿轮(未示出)。当方向盘26转动时，上部的 转向轴29通过旋转接头34使下部的轴51转动；下部的转向轴51使柱小齿轮转动。柱 小齿轮的旋转使齿条移动，齿条使转向横拉杆38(仅仅示出了一个)移动，转向横拉杆38 使转向节39 (仅仅示出了一个)移动以转动轮胎42 (仅仅示出了一个)。通过控制器16和包括电动机驱动器46的助力致动器来提供电动助力。控制器 16通过线路12从车辆电源10接收电力，接收线路14上的代表车速的信号和线路20上 的来自转向柱旋转位置传感器32的柱小齿轮角度。当方向盘26转动时，转矩传感器28 感测车辆操作者施加在方向盘26上的转矩并在线路18上向控制器16提供操作者转矩信 号。响应于车速、操作者转矩，在某些情况下还响应于收到的柱小齿轮角度信号，控制 器16推导出所需的电动机电流并通过总线22将该电流提供给电动机驱动器46，电动机驱 动器通过蜗轮47和电机小齿轮48向转向轴29提供转矩辅助。关于它的细节在1999年11 月9日授予Sebastian等人的美国专利5982067中被描述，其全部内容在此并入作为参考。 控制器16的实施例的例子在1997年9月16日授予Kaufmann等人的美国专利5668722中 被描述，其全部内容在此并入作为参考。图IB表示REPS系统的例子。电动助力转向系统60包括传统的齿条-齿轮转 向机构62，齿条-齿轮转向机构包括有齿的齿条64，有齿的齿条64与用于指向轮胎(未 示出)转动的转向横拉杆(未示出)相连。转向柱具有下部的组件66，下部的组件具有 柱小齿轮68，柱小齿轮与有齿的齿条64的齿70啮合以便转向柱的转动在有齿的齿条处施 加转矩，取决于转向柱的转动方向，所述转矩导致有齿的齿条向左或向右平移。电动助 力转向系统的电动机驱动器72通过电机小齿轮74传动地连接到有齿的齿条，其中电机小 齿轮可以被例如皮带或齿轮连接装置例如经由滚珠丝杠机构76机械地连接。电的操作一 般地如同参考图IA描述的，因为它适合于图IB的配置。用于CEPS和REPS的另外的传感器可以加以利用，并且常常用来产生电机转 子位置，能求这些信号关于时间的微分，最后提供转子转速和加速度的估计值。用这些 被求微分的信号提供有利的电控特性会在随后的段落中描述并且对于读者将变得显而易见。此外，在一些无电刷电机机械化的情况下，转子位置也用于磁性地向转子分配电力，其中转子位置相对于静止元件必须是已知的，静止元件例如是与可旋转的永久磁铁 转子互相作用的静止绕组。多种电机配置都能用于实现转子处的所需机械转矩，作为例 子如有刷电机、感应电机和同步电机。与电机元件的静止和旋转构件之间的机械转矩的 产生相关联的这些机械化和实践对于电动机领域的技术人员来说是众所周知的，其中电 动机不仅用于转向系统，而且一般地用于在仪表、风扇、飞轮和使用可旋转原动机的其 他工业机器中通过电动机的动作产生机械转矩。独立于在甚至非常平坦的路面上由道路引起的振动，或除了该振动之外另外 地，机动车的旋转的轮胎、轮子、制动器转子和轴承毂的不一致的情况可能引起周期性 的振动。此外，这些振动能在方向盘处表现出再现的、周期性的扭转振动，其一般被称 为“震动(shake)”，其中该震动随着速度的增加更加明显并且在大于大约50英里每小 时(mph)的速度时最显而易见。这些不一致的、周期性的情况使转向系统的齿条以与震 动的周期性相关的周期性振动，并且一般地，在大约10至20Hz之间最显著。震动可以 在方向盘处被驾驶员感觉为周期性旋转振动，该周期性旋转振动被称为“平坦道路震动 (smooth road shake) ” (SRS)，一般地，其一般在大约50至IOOmph之间的速度下在大约 10至20Hz之间最显著。在50mph，平坦道路震动以大约IOHz发生，其频率与速度近似 呈线性函数，所以在lOOmph，平坦道路震动以大约20Hz发生。因而，本领域中需要某一套方法，其提供平坦道路震动的衰减，特别是响应于 机动车的不同速度动态地衰减平坦道路震动。

发明内容
本发明是一种给电动助力转向(EPS)系统的齿条提供最大动态刚度的方法，其 被调谐以衰减方向盘处的平坦道路震动(SRS)。根据本发明的方法，通过由现有的EPS电机惯量组成的有效的动态调谐减振器 (TVA)的策略建立来选择地增大转向系统的反向传动平移阻抗，从而减小方向盘处对扭 转SRS的车辆灵敏度，其中在REPS系统的情况下，现有的EPS电机惯量支撑在柱小齿 轮传动装置、连接轴和齿条的连接旋转联接器的抗扭刚度上，在CEPS系统的情况下，现 有的EPS电机惯量支撑在柱传动装置、连接轴和连接旋转联接器的抗扭刚度上，其共同 被称为EPS电机总成。反向传动平移阻抗在转向系统的概念配置中是施加的力与齿条端 部处的齿条移动之比，另外地，除了转向横拉杆被分离且驱动力被施加在齿条处之外， 反向传动平移阻抗与转向系统的车内配置中的相同。在这个配置中，通过通常用在车辆 中的所有硬件，即转向柱、护套、中间连接轴、万向节等等，方向盘保持固定到转向系 统。这些阻抗的测量结果也可在实验室试验台上得到，在实验室试验台，转向子系统被 复制在试验台上，并且在齿条端部施加力，模拟车辆动态条件，通过它，可以观察到和 量化在此提到的效果。在频域中，阻抗，对于平移系统为力除以平移位移的复量的比的 相位复数矢量，对于转动系统为转矩除以转动位移的复量比的相位复数矢量。术语平移 齿条刚度是平移阻抗的大小并且是标量。术语转动齿条阻抗可以用来描述连接到齿条 (REPS)或转向轴(CEPS)的电机系统的贡献，并且由连接处的转矩除以连接处的角位移 的相位矢量比来定义。术语转动齿条刚度是转动阻抗的大小并且是标量。对于REPS，转动齿条刚度和其对平移齿条刚度的贡献是成比例的并且通过电机轴到齿条小齿轮的有 效半径的平方相关联。对于CEPS，转动齿条刚度和其对平移齿条刚度的贡献是成比例 的并且通过转向和电机驱动连接轴处的传动比相对齿条处的有效小齿轮半径的平方相关 联。在REPS和CEPS系统的平移和旋转元件处的这些等效的阻抗关系是许多直接且级联 的传 动机构的特点并且一般用来表征许多传统齿轮传动配置的动力学的特性以便进行相 似的分析。此外，动态力、转矩和位移之间的所有这些描述和关系是众所周知的，并且 一般由动力学分析领域的技术人员实施。因而，按照上述关系，术语“齿条刚度”可以 适用于“转动齿条刚度”或“平移齿条刚度”。根据本发明的方法，被机械地调谐的TVA的共振频率在SRS —般遭遇的频率附 近。因而，作为根据本发明的方法的另一个方面，这个共振频率作为车速的函数动态地 改变以有利地抑制SRS周期性内容，例如通过使用对速度敏感的“惯性补偿”，其中 术语“惯性补偿”是指响应于测量的或通过电机位置的二阶时间导数计算的电机转子加 速度，通过选择地改变EPS电机中的电流来作用转矩，其用来增加或减小电机转子的表 观机械总惯量，表观机械总惯量包括机械惯量和施加的响应加速度的电机转矩的组合效 果。本发明的方法的另外的方面包括对速度敏感的补偿性阻尼，补偿性阻尼反映阻尼的 (多个)机械源的特性，即EPS电机转子对地或串联式扭转轴阻尼，其中串联式扭转轴 阻尼包括连接轴和齿轮元件的阻尼，所以通过例如电机转子和连接小齿轮或其他旋转连 接件之间的被连接的元件的相对运动获得阻尼，即阻尼是通过这些连接元件的小的、但 非零的相对角运动而不是它们关于外壳或支撑机构(“地”)的整体运动获得的。通过 利用传感器实际检测所述相对运动或通过部分检测的使用并依靠流行的动力学进行推断 以估计相对运动，随后施加与这些速度运动成比例的电机转矩，来实现这些响应于速度 的转矩的应用。施加的响应于速度的电机转矩可以是倾向于增加，或更一般地且与这里 的教导一致，倾向于减小表观机械阻尼，导致有利的机械动态特性，如下面描述的。根据本发明的SRS衰减方法包括提供被机械地调谐的扭转动态系统(TVA)， 其包括EPS电机惯量，EPS电机惯量支撑在齿条的连接齿轮和轴上(REPS系统)或转向柱 的齿轮和轴上(CEPS系统)；关于SRS的频带的中频段机械地调谐TVA，对于大约IOHz 至20Hz的SRS频带而言，SRS的频带的中频段例如是大约15Hz的频率；经由EPS电机 中的电流控制，通过控制器管理的对速度敏感的“惯性_补偿”来动态地转换TVA的调 谐频率，这转换了 TVA的有效共振频率，导致在SRS频率处的最后表观TVA共振频率； 和控制器管理的阻尼控制，其也经由电机中电流的控制进行，控制器管理的阻尼控制抵 消了先前存在的机械阻尼特性和由于用于多数组合式机械的和电子增强的TVA频率变换 的时滞的惯性补偿导致的控制器阻尼补偿的组合。根据本发明的方法，凭借EPS电机中的电流控制，通过在EPS电机内的磁相互 作用的电子控制来提供动态调谐减振器的动态调谐，其有效地提供了 EPS电机转子的惯 量的模拟变化，从而提供了由其引起的TVA的共振频率的变化。根据本发明的SRS衰减方法的执行的最后结果是齿条刚度在SRS频率处的显著 的倍增的增加，致使转向装置对于动态负载非常硬，并且仅仅在SRS频率及其附近减小 齿条相对于外壳的动态运动。这又导致在SRS频率处方向盘的震动(即，小角度的来回 振动)减小，因此驾驶员不会察觉到SRS。转向装置刚度的频率选择性也能实现单独设计的和控制器补充的用于正向传动的性质的所需动态特性，正向传动的性质影响优选的 转向和操作性能，其一般出现在低频。因而，本发明的目标是提供一种减小在方向盘处的对扭转SRS的车辆敏感性的方法，其是通过有效动态调谐减振器(TVA)的策略建立来选择地增大转向系统的反向传 动阻抗而提供的，有效动态调谐减振器包括现有的EPS电机惯量，在REPS系统的情况 下，现有的EPS电机惯量支撑在电机小齿轮传动装置、连接轴和到齿条的联接器的抗扭 刚度上，或在CEPS系统的情况下，现有的EPS电机惯量支撑在电机小齿轮传动装置、连 接轴和到柱的联接器的抗扭刚度上。本发明提供以下技术方案方案1. 一种用于衰减机动车转向柱的方向盘处的平坦道路震动的方法，所述机 动车具有包括电动机和齿条的电动助力转向系统，该方法包括下列步骤确定所述机动车的预定驾驶条件期间的所述平坦道路震动的频率范围；和将所述机动车电动助力转向系统的电动助力转向电机总成机械地调谐到预定频 率，从而提供被调谐的减震器，该减震器具有基本上最接近所述平坦道路震动的频率范 围的被机械地调谐的共振频率。方案2.如方案1所述的方法，还包括阻尼所述被调谐的减震器以使齿条刚度在所述平坦道路震动的所述频率范围处 最大，从而使得在车速范围内将所述方向盘处的平坦道路震动减到最小。方案3.如方案2所述的方法，还包括a)确定所述车辆的运行速度处的平坦道路震动频率；b)除非所述平坦道路震动的频率是被机械地调谐的共振频率，否则将所述被调 谐的减震器动态地调谐到所述速度处的平坦道路震动的频率；和c)将所述被调谐的减震器的阻尼减到最小以使齿条刚度在所述平坦道路震动的 频率处最大，从而使得将所述方向盘处的平坦道路震动减到最小。方案4.如方案3所述的方法，还包括周期性地重复所述步骤a)至C)。方案5.如方案3所述的方法，其特征在于所述电动助力转向电机总成的机械调 谐基本上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率的 被调谐的减震器。方案6.如方案3所述的方法，其特征在于b)和C)的所述步骤包括控制所述电动 助力转向系统的电动机中的电流以提供实现所述步骤b)的动态调谐的电动助力转向总成 的惯量的等效量和提供实现所述步骤c)的最小化阻尼的转矩。方案7.如方案6所述的方法，还包括在所述步骤C)中，被调谐的减震器的对速 度敏感的补偿性阻尼以便在提供电动助力转向总成的惯量的等效量时将步骤b)引起的惯 性时滞减到最小。方案8.如方案7所述的方法，其特征在于在所述步骤a)中，根据下列两者中的 至少一个确定在所述机动车的运行速度处的平坦道路震动1)机动车速度和平坦道路震 动频率之间的预定关系，和2)所述电动助力转向系统的转矩信号的周期性动力学内容。方案9.如方案8所述的方法，其特征在于所述电动助力转向电机总成的机械调 谐基本上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率的被调谐的减震器。
方案10.如方案9所述的方法，还包括周期性地重复所述步骤a)至C)。方案11.如方案8所述的方法，其特征在于在电动助力转向系统的电动机驱动地 与所述齿条通过界面连接的电动助力转向系统上执行所述步骤b)和C)。方案12.如方案11所述的方法，其特征在于所述电动助力转向电机总成的机械 调谐基本上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率 的被调谐的减震器。方案13.如方案8所述的方法，其特征在于在电动助力转向系统的电动机与所述 转向柱驱动地通过界面连接的电动助力转向系统上执行所述步骤b)和c)。方案14.如方案13所述的方法，其特征在于所述电动助力转向电机总成的机械 调谐基本上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率 的被调谐的减震器。方案15.如方案8所述的方法，其特征在于步骤a)、b)和C)利用所述机动车的 预先确定的多个参数，还包括对于超过预定范围的偏差周期性地评价所述多个参数，其 中如果所述偏差超过所述预定范围，则响应于所述偏差更新所述多个参数。方案16.如方案15所述的方法，其特征在于所述电动助力转向电机总成的机械 调谐基本上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率 的被调谐的减震器。方案17.如方案8所述的方法，其特征在于步骤a)、b)和C)在所述平坦道路震 动的周期性激励频率附近是频带受限的。方案18.如方案17所述的方法，其特征在于所述电动助力转向电机总成的机械 调谐基本上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率 的被调谐的减震器。方案19. 一种用于衰减机动车转向柱的方向盘处的平坦道路震动的方法，所述机 动车具有包括电动机和齿条的电动助力转向系统，该方法包括下列步骤a)确定所述机动车的预定驾驶条件期间的所述平坦道路震动的频率范围；b)将所述机动车电动助力转向系统的电动助力转向电机总成机械地调谐到预定 频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率的被调谐的减震器；c)确定所述车辆的运行速度处的平坦道路震动频率，其根据下列两者中的至少 一个确定1)机动车速度和平坦道路震动频率之间的预定关系，和2)所述电动助力转向 系统的转矩信号的周期性动力学内容；d)除了所述被机械地调谐的共振频率之外，响应于所述频率范围的全部频率的 关系，将所述被调谐的减震器动态地调谐到在所述速度的所述平坦道路震动的频率；和e)将所述被调谐的减震器的阻尼减到最小以使齿条刚度在所述平坦道路震动的 频率处最大，从而使得将所述方向盘处的平坦道路震动减到最小；其中所述d)和e)的步骤包括控制所述电动助力转向系统的电动机中的电流以提 供实现所述步骤d)的动态调谐的所述电动助力转向总成的惯量的等效量和提供实现所述 步骤e)的最小化阻尼的转矩。方案20.如方案19所述的方法，其特征在于在所述步骤b)中，所述电动助力转向电机总成的机械调谐基本上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械 地调谐的共振频率的被调谐的减震器。方案2 1.如方案20所述的方法，还包括在所述步骤e)中，所述被调谐的减震器 的对速度敏感的补偿性阻尼以便在提供所述电动助力转向总成的惯量的等效量时将步骤 d)引起的惯性时滞减到最小。方案22.如方案21所述的方法，还包括周期性地重复所述步骤C)至e)。方案23.如方案22所述的方法，其特征在于步骤c)、d)和e)利用所述机动车的 预先确定的多个参数，还包括对于超过预定范围的偏差周期性地评价所述多个参数，其 中如果所述偏差超过所述预定范围，则响应于所述偏差更新所述多个参数。方案24.如方案23所述的方法，其特征在于在电动助力转向系统的电动机与所 述齿条驱动地通过界面连接的电动助力转向系统上执行所述步骤d)和e)。方案25.如方案23所述的方法，其特征在于在其电动机与所述转向柱驱动地通 过界面连接的电动助力转向系统上执行所述步骤d)和e)。方案26.如方案22所述的方法，其特征在于步骤c)、d)和e)在所述平坦道路震 动的周期性激励频率附近是频带受限的。方案27.如方案26所述的方法，其特征在于在其电动机与所述齿条驱动地通过 界面连接的电动助力转向系统上执行所述步骤d)和e)。方案28.如方案26所述的方法，其特征在于在其电动机与所述转向柱驱动地通 过界面连接的电动助力转向系统上执行所述步骤d)和e)。从下面对优选实施例的详细说明，本发明的这个及另外的目标、特征和优点将
变得更清楚。


图IA是现有技术的柱电动助力转向(CEPS)系统的示意图。图IB是现有技术的齿条电动助力转向(REPS)系统的部分截面图。图2是包括动态调谐减震器(TVA)的电动助力转向系统的一例子，其适合于根 据本发明的平坦道路震动(SRS)衰减方法来操作。图3A是根据本发明的方法的例如在图2示出的动态调谐TVA的有效、简化的动 态特性的示意性表示。图3B是根据本发明的方法的图3A的动态调谐TVA的有效动态特性的示意性表 示，包括了传动装置和分布的扭力柔度的考虑。图4是根据本发明的SRS衰减方法的示例性执行过程的算法。图5是反向传动的平移齿条刚度_频率的图表，示出了未使用本发明的转向总成 的和使用了本发明的转向总成的平移齿条刚度的曲线，示出了用于SRS衰减的中心放大 频率峰值。图6例示了根据本发明利用图4的算法400中的实践来确定SRS频率。图7例示了根据本发明利用图4的算法400中的实践来确定EPS电机转矩。图8例示了根据本发明利用图4的算法400中的适应的实践来更新控制参数。图9A是第一图表，例示了根据本发明在图8中使用的第一和第二预定振幅极限。图9B是第二图表，例示了根据本发明在图8中使用的第一和第二预定相位角极 限。
具体实施例方式现在参考 附图，图2至5表示根据本发明的动态地衰减机动车方向盘处的平坦道 路震动(SRS)的方法的不同方面。图2表示适合于根据本发明的SRS衰减方法操作的CEPS系统的例子。机动车 40’设有电动助力转向系统100，电动助力转向系统100可以包括传统的齿条齿轮转向机 构36，该齿条齿轮转向机构36包括齿轮箱52下的有齿的齿条(未示出)和柱小齿轮(未 示出)。当方向盘26转动时，上部的转向轴29通过接头34使下部的轴51转动；下部的 转向轴51使柱小齿轮转动。柱小齿轮的旋转使齿条移动，齿条使转向横拉杆38 (仅仅示 出了一个)移动，转向横拉杆38使转向节39(仅仅示出了一个)移动以转动轮胎42(仅 仅示出了一个)。通过控制器16’和包括电动机驱动器104的助力致动器来提供电动助力。控制 器16’通过线路12从车辆电源10接收电力，接收线路14上的代表车速的信号和线路20 上的来自柱旋转位置传感器32的柱小齿轮角度。当方向盘26转动时，转矩传感器28检 测车辆操作者施加在方向盘26上的转矩并在线路18上向控制器16’提供操作者转矩信号。响应于SRS调谐控制器102、接收到的车速、操作者转矩，柱小齿轮角度和转子 位置信号，并且和SRS调谐控制器一道，控制器16’推导出所需的电动机电流并通过总 线22’将该电流提供给电动机驱动器104，电动机驱动器104通过蜗轮106和电机小齿轮 108向转向轴29提供转矩辅助。SRS调谐控制器102从车辆电源10接收电力(未示出) 并通过线路Iio与控制器16’双向通信。动态调谐减振器(TVA) 112包括EPS电动机驱 动器104、蜗轮106和电机小齿轮108，由现有的EPS电机惯量组成，在该CEPS系统的 情况下，现有的EPS电机惯量支撑在柱小齿轮传动装置、连接轴和到齿条的联接器的抗 扭刚度上，或在REPS系统的情况下，现有的EPS电机惯量支撑在柱小齿轮传动装置、连 接轴和旋转联接器的抗扭刚度上，其共同被称为EPS电机总成。图3A是根据本发明的方法的动态调谐减振器(TVA)，例如TVAl 12，的有效、 简化的动力学特性的示意图300。普通技术人员将认识到需要考虑传动装置和分布的扭 力柔度，因而需要将这些特征包含在全面概念模型和如图3B中所示的更复杂的示意图 300’中。普通技术人员还将认识到，即使图3B的更全面的示意图300’显示了预定线 性阻尼要素C1至c5，但由于在特定的机械化中阻尼起源的真实本质，所以任何或全部阻 尼要素C1至C5可以是库仑摩擦和静摩擦要素。图3B是根据本发明的方法的动态调谐减振器(TVA)例如图3A的TVA112的有 效动态特性的示意图300’，包括对传动装置和分布的扭力柔度的考虑。图3B显示了 EPS电动机驱动器104内包括传动比为N的传动装置的EPS电机转子的惯量I’ m，在连 接轴和轴承支撑件处的有效抗扭刚度]^至]^5，电机小齿轮的惯量I’ p，由EPS电机转子 轴承支撑件和EPS电机转子与电机小齿轮108之间的联轴器引起的有效阻尼系数C1至c5，以及代表角位移的角运动变量θ i、θ2、03和0’ m。EPS电机转子、齿轮106的轴和 电机小齿轮108绕轴线A’的旋转可以是顺时针方向或逆时针方向的，通过EPS电机施 加的转矩314和在小齿轮处的连杆的转矩312也被示出。这两个转矩都能在两个方向上 存在，因此，被称为双极转矩。对于特定的车辆车型，通过本领域中众所周知的技术同 时根据经验确定、预先确定或计算出I’ m、I’ p、1^至]^5、(^至化和θ^ θ2、θ3与 θ，m,以使得TVA112被调谐成在预定SRS频率例如15Hz处机械地共振。 此外，在非常小的动态角运动下，元件如衬套和轴承常常与分段扭转的弹力起 反作用，并且必须通过有效刚度ki至k5连同线性阻尼要素C1至C5在整体性能中被如此理 解。同样，联接器和齿轮可以表现余隙一样的性质(未示出)，其进一步使动态响应变复 杂。然而，在具有全部这些复杂情况的应有方面，并且在不损失任何特性或一般性的情 况下，为了举例说明其基本的动态特性和有利作用的简化表示，图3A涉及有效惯量和有 效连接阻抗。因而，图3A表示一模型，如本领域中典型表示的，其具有EPS电动机驱动器 104内包括传动装置(未示出)的EPS电机转子的有效惯量Im、蜗轮106的轴的有效抗扭 刚度k、电机小齿轮的惯量Ip、由EPS电机转子轴承支撑件引起的有效阻尼系数Cm和在 EPS电机转子与电机小齿轮108之间的蜗轮106的联轴器的有效阻尼系数c的理想等效的 线性表示。EPS电机转子、蜗轮106的轴和电机小齿轮108绕轴线A的旋转可以是顺时 针方向或逆时针方向的。对于特定的车型，通过本领域中众所周知的技术同时根据经验 确定、预先确定或计算出im、ip、k、ep*0m，同时根据经验确定阻尼系数C和Cm以使 得TVAl 12被调谐成在预定SRS频率例如15Hz处机械地共振。在具有简化的一阶控制器响应表示(对于本领域技术人员众所周知的应用)的拉 普拉斯变换域(S =拉普拉斯变量)中的图2的TVA112的运动的方程式被给出为+ z^T+ 7^s2 +(A+ cs^ += 0( 1 )其中C、Cm和k已经预先确定，θ m和θ p是角运动变量并且分别代表EPS电机 转子和电机小齿轮绕蜗轮106的轴的角位移，Y1。和Yd。分别代表用来确定在给定的SRS 频率处的用于“惯性补偿”和“阻尼补偿”的必需转矩量的惯性补偿增益和阻尼补偿增 益。针对每个SRS频率和车辆模型计算Y1。的值并且将Y1。的值置于第一查找表中，同 时针对每个SRS频率和车辆模型根据经验确定Y d。的值并将Y d。的值置于第二查找表中。 第一和第二查找表优选地驻留在SRS调谐控制器102中。τ ic和τ dc分别代表与惯性补 偿和阻尼补偿的相应应用相关联的时滞，并且被根据经验确定。在REPS系统或CEPS系统中，能通过如下的拉普拉斯变换表示转动齿条阻抗 RS RS = {k + cs){\-^-)(2)其中通过对于》求解方程式(1)而获得f。
PP在每种情况下，理想地且在实践上不能实现的，但为了传达概念的原因仍然描 述的，在给定SRS频率处的转动的或平移的齿条刚度的无穷大的量意味着齿条的零线性位移，由于该零线性位移，方向盘的振动行为在该频率处是零，因此驾驶员不会察觉到 任何SRS。虽然不能用实际的机械化和控制器特性实现，但实现较接近该理想抽象概念 的性能的趋向，而不是用无频率选择的动态刚性加强来背离这个情形，例如导致了改进 的SRS性能。与上述描述相呼应，根据本发明的SRS衰减方法包括下列步骤，将关于图4对 其进一步详细说明1.通过本领域已知的技术机械地调谐EPS电机总成，以在预定SRS频率例如中 频段SRS频率如15Hz处共振，以提供被机械调谐的动态调谐减振器TVA，例如图2的 TVAl 12。2.如果需要的话，通过控制通向EPS电机的电流，将TVA，例如图2的 TVA112，动态地调谐到利用“惯性_补偿”根据车速和在EPS转矩传感器中测量的周期 性的动力学内容中的至少一个确定的SRS频率。3.通过控制通向EPS电机的电流在确定的SRS频率处利用“阻尼补偿”将TVA 的阻尼最小化，该“阻尼补偿”抵消了预先存在的机械阻尼特性和由于使用于多数组合 式机械的和电子增强的TVA频率变换的时滞的惯性补偿导致的控制器阻尼补偿的组合， 以便使齿条刚度(转动的或平移的)在SRS频率处最大，同时维持TVA的振动稳定性和 其他所需动态特性，从而在SRS频率将方向盘震动减到最小，藉此使驾驶员最少地察觉 至Ij SRS。为了在没有特殊性或一般性的任何损失的情况下进一步说明该方法并简化本发 明的方法的概念传达，能估计方程式(1)中的时滞项τ,。和τ d。并且可以在图3中将Ip设 定成零，从而阐明导致拉普拉斯域中调整过的转动齿条刚度转移函数的动态特性，其被 如下给出
「—π Τρ — cmks + kydcs + ImCs3 + IJs2 + CCmS2 + CydcS1 + cyics3 + kylcs2( . ν— =----2-2K J J
Pk + ims + +cs+cms + rdcs其中Tp是施加在电机小齿轮108处的转矩，θρ代表电机小齿轮绕蜗轮106的轴 的角位移。为了使方程式(3)的量值是理想地无穷大，要求方程式(3)的分母的量为零。方 程式(3)的分母的各项可以被分成两组第一组包括三项[k+ImS2+YieS2]，第二组包括三
项[CS+CmS+YdcS]。对于给定的SRS频率，第一组的项是实数的并且S2项代表EPS电机转子的机械 的角加速度和EPS控制器的响应于角加速度的贡献，它们根据EPS电机转子位置信号的 微分和控制器的增益来确定。通过设定第一组的项等于零，能根据角加速度和参数k、 Im和Y1。确定将TVA动态地调谐到根据车速确定的SRS频率的“惯性补偿”所需的EPS 电机转矩的量。为了动态地降低SRS频率，将为了 “惯性补偿”而确定的EPS电机转 矩的量加到通过齿条作用的机械惯量效果以增大最后得到的有效惯量。为了动态地升高 SRS频率，从通过齿条作用的机械惯量结果减去为了 “惯性补偿”而确定的EPS电机转 矩的量以减小最后得到的有效惯量。当控制器16’与SRS调谐控制器102—道提供通向 EPS电机的电流时，这得以实现。 对于给定的SRS频率，第二组的项是虚数的并且‘S’项响应于根据EPS电机转子位置信号确定的EPS电机转子的角速度。EPS电机转子的角速度通过机械作用产生TVA的阻尼，并且通过设定第二组的项等于零，能根据角速度和参数C、Cn^PYtk确定理 想的“阻尼补偿”(即，零阻尼或无穷大的转动齿条刚度)所需的EPS电机转矩的量。 当控制器16，与SRS调谐控制器102—道提供通向EPS电机的电流时，这得以实现，抵 消了先前存在的机械阻尼特性和由于使用于多数组合式机械的和电子增强的TVA频率变 换的时滞的惯性补偿导致的控制器阻尼补偿的组合。然而，实际上，存在针对每个车辆 模型根据经验确定的最小阻尼极限或最大转动齿条刚度，所以，例如，如果阻尼减小到 该最小阻尼极限以下，则TVA变得在振动上不稳定。可以在给定的SRS频率附近监视动 态转矩传感器信号以确定是否已经获得最小阻尼。图4是参考图2作为例子用于执行根据本发明的SRS衰减方法的算法400。在框402，TVA112被调谐以在预定的SRS频率，优选地中频段SRS频率，例如 15Hz,机械地共振，如前所述。之后，在框404获得车速并且在框406根据车速和在转 矩传感器中测量的周期性动力学内容中的至少一个估计SRS频率。在框408，如果框406 的SRS频率等于TVAl 12的机械共振频率，则控制转到框412。否则，控制转到框410。在框410，可利用EPS电机转子位置信号来获得EPS电机转子角速度和角加速 度，通过它们可计算所需的EPS电机转矩以将TVA动态地调谐到如上所述在框406确定 的SRS频率，其中通过控制器16，与SRS调谐控制器102 —道提供的通向EPS电机的电 流实现将TVA的动态频率调谐到SRS频率，其中该动态调谐可以导致TVA的时滞惯量。 在这方面，如果框406的SRS频率大于TVAl 12的机械共振频率，则SRS频率处的等效 惯量被从其机械共振频率处的惯量减小时滞的TVA惯量，且SRS频率处的等效阻尼被从 其机械共振频率处的阻尼减小固有阻尼，该固有阻尼由与时滞的TVA惯量相关联的时滞 所引起；然而，如果框406的SRS频率小于TVAl 12的机械共振频率，则SRS频率处的 等效惯量被从其机械共振频率处的惯量增大时滞的TVA惯量，且SRS频率处的等效阻尼 被从其机械共振频率处的阻尼增大固有阻尼，该固有阻尼由与时滞的TVA惯量相关联的 时滞所引起。在框412，确定EPS电机转矩以将阻尼减到最小和使转动齿条刚度达到最大，同 时维持如上所述在框406确定的用于SRS频率的TVA的振动稳定性。之后，控制转到框 414。在框414，将在框412确定的EPS电机转矩应用于TVA(即，EPS电机总成)以 在框406确定的SRS频率处实现最小阻尼和最大转动齿条刚度，其中通过控制器16’与 SRS调谐控制器102 —道提供的通向EPS电机的电流实现SRS频率处阻尼的最小化，抵 消了预先存在的机械阻尼特性和由于用于多数组合式机械的和电子增强的TVA频率变换 的时滞的惯性补偿导致的控制器阻尼补偿的组合。然后控制转到框416，在那里测量并分 析转矩传感器信号。之后，控制转到框418。在框418，如果在框416的转矩传感器信号的分析表明在动态特性和补偿之间具 有足够的相容性(如下)并准许不对补偿性质或表进行更新(看下面)，则控制转到框 404，在那里除了框402之外，算法400重新开始。否则，控制转到框420。在框420，如果足够数量的分析已经发生，其中性能度量超过预定极限，则表明 偏离了预期性能，所以基于预定考虑(看下面)，需要更新用于补偿性质或表的参数，控制转到框422。在这方面，作为非限制性的例子，从预期性能的偏离表明需要更新用于补 偿性质或表的参数，其包括转矩传感器信号中周期性内容的检测到的频率对预期的频 率的差异，在周期性频率处或附近可观察到的表观阻尼，和转矩信号中周期性内容的检 测到的振幅对比预期的振幅。此外，这些偏离能被检测或能通过改变控制参数并测量转 矩传感 器中的变化结果来确认它们的存在。如果偏离足够大，或偏离的图形(例如，在 多个独立速度的偏离事件率)变得明显，则存在更新补偿性质或表的需求。在框422，更新用于补偿性质和表的参数。之后，控制转到框404，在那里除了 框402之外，算法400重新开始。本领域普通技术人员将认识到，在框418、420和422中如同适应性而采取的行 为意味着控制参数的变化被准许并为了改进的动态性能而被执行。取决于在这些适应性 框执行的增量变化的大小，这种参数修正可以是积极进取的或缓和的。利用随着时间的 经过的参数变化量，即，它们的积极进取的或缓和的特性，这些适应性的实践对于本领 域普通技术人员是众所周知的，其中所述随着时间的经过的参数变化量通过过程的循环 时间和在框422采取的建议的参数变化的所占份额来确定。图6和7例示了图4的算法400中的实践的使用，其可应用于有或没有适应性的 实践的情况；图8至9B例示了算法400中适应性的实践的使用。图6表示根据本发明利用图4的算法400中的示例性实践来确定框406的SRS频率。图7例示了根据本发明利用图4的算法400中的实践来确定EPS电机转矩。在 图7中，分别利用θ皿的测量值的一阶和二阶导数确定角速度Com和角加速度α m。角速 度ω m和角加速度Cim分别乘Yde和Yie以产生线路702上的阻尼补偿转矩和线路704上 的惯性补偿转矩，阻尼补偿转矩和惯性补偿转矩由加法器706求和并作为第一输入708提 供给加法器710。 Ydc^P Y IC的值能通过例如稍后描述的图8的适应的实践动态地更新。 加法器710的第二输入712代表现有的电机指令转矩，例如转向助力、积极回位到中心、 道路边坡补偿等等。加法器710的输出714是EPS电机转矩。图8例示了根据本发明利用图4的算法400中的适应的实践来更新控制参数。 图8是在框416至422中利用的适应的实践的示意性描述800，通过框416至422中的适 应的实践，预定参数和极限被更新。框802的时间周期性转矩传感器信号在框804进行 傅里叶变换，藉此转矩传感器SRS频率附近的扭转行为(即，光谱振幅和相位角)和转 矩传感器SRS频率可在框804的输出806得到。框804的输出806是框808的第一输入 806，，框810的输入806”，和框812的输入806”，。框814的车速被输入到包含“频率查找表”的框816以获得映射的SRS频率 818，映射的SRS频率818是框808的第二输入。在框808，如果来自第一输入806， 的转矩传感器SRS频率在预定限度内不等于映射的频率818，则在框820更新“频率查 找表”。轮胎磨损、轮胎充气变化、以及新轮胎是一些例子，藉此可能发生“频率查找 表”中需要更新到“频率查找表”的变化。否则，算法400在框822继续。对作为SRS频率的指示的速度的依靠减少了对实际SRS频率的检测的计算要 求。该实践的领域中的普通技术人员还将认识到作为备选方案的依赖于检测到的SRS频 率的周期性内容的方法。当车速用于至少在前面提到的理由时，将需要内插的和外插的频率估计值。使用SRS频率对车速的相依性具有函数的相互关系的任何数量的数学形式 可实现这些内插和外插。数学形式的例子包括SRS频率对车速的线性的、分段线性的、 平方律的、立方的和多项式的相依性，其主要地由轮胎性质的特性确定，以检测到的相 互关系证明。也能以一种方式通过车速和测量的动态转矩的周期性内容的结合来估计 SRS频率，通过该方式，车速被不成比例地使用并且测量的转矩信号的周期性内容为了证实的目的而以例如若干分钟的、若干小时的、若干天的或等效的增加里程的规律仅仅 被偶尔地检测。这是优选的实施方法并且是包含在图8中的方法。在框810，如果来自806”的在转矩传感器SRS频率周围的扭转行为(即，光谱 振幅和相位角)表明阻尼小于预定水平1，则在框824更新Yd。表。否则，算法400在 框826继续。在框812，如果来自806”的在转矩传感器SRS频率周围的扭转行为(即，光谱 振幅和相位角)表明阻尼大于预定水平2，则在框828更新Yd。表。否则，算法400在 框830继续。图9A是第一图表900，其例示了根据本发明在图8中使用的第一和第二预定振 幅极限，使用了 15Hz的SRS频率作为例子。曲线902至914代表在SRS频率附近的预 定光谱带内的光谱振幅-频率图，可在框804的输出806处得到，分别具有百分之0.05、 0.25、0.50、1.00、4.00和8.00的阻尼系数。在SRS频率附近的预定光谱带内若干个预 定频率处的具有一个给定阻尼系数的振幅比表明存在于SRS频率附近的阻尼量，其中振 幅比越大，阻尼越大并且可以用来确定低阻尼和高阻尼的极限。例如，对于给定阻尼系 数在15Hz和151/2HZ处的振幅比可以用来确定低阻尼极限，极限1-916，其在图8的框 810使用，或确定高阻尼极限，极限2-918，其在图8的框812使用。图9B是第二图表900’，其例示了根据本发明在图8中使用的第一和第二预定 相位角极限，其使用了 15Hz的SRS频率作为例子。曲线902’至914’代表在SRS频 率附近的预定光谱带内的相位角-频率图，可在框804的输出806得到，分别具有百分之 0.05、0.25、0.50、1.00、4.00和8.00的阻尼系数。在SRS频率附近的预定光谱带内SRS 频率处的具有不同阻尼系数的相位角斜率的比值表明存在于SRS频率处的阻尼量，其中 所述比值越大，阻尼越低并且可以用来确定低阻尼和高阻尼的极限。例如，对于阻尼系 数1.00和4.00的在15Hz处的斜率比值可以用来确定低阻尼极限，极限1-916’，其在图 8的框810使用，或确定高阻尼极限，极限2-918’，其在图8的框812使用。由于Yd。和Y1。可以是速度的函数，所以产生、保留和更新这些值的表的上述实 践包括遍及速度范围的多个值，以使得在一车速项目处或其附近的车辆操作识别对于该 速度合适的值。例如通过标称的阻尼补偿值和惯性补偿值、所需的SRS效果、计算要求 和速度分辨率来预先确定速度的可适用范围和表项目的数量。图5是平移齿条刚度-SRS频率的图表500，示出了未使用本发明的转向总成的 平移齿条刚度的曲线，曲线502，其具有大约IOHz的SRS中心频率，和使用了本发明的 转向总成的平移齿条刚度的曲线，曲线504和506，它们分别示出了大约8Hz和15Hz的 SRS衰减中心频率，508和510。衰减中心频率508和510表明根据本发明的方法在大约 8Hz和15Hz的相应SRS频率处的大的或最大的转动齿条刚度或小的或最小的阻尼，从而 在大约8Hz和15Hz的相应SRS频率处将方向盘震动(即，小角度的来回振动)最小化，因此驾驶员最少地觉察到SRS。在曲线502的IOHz处缺乏尖锐的峰表明非最小阻尼或非 最大转动齿条刚度，因而在IOHz的SRS频率处，方向盘振动动作将不会被最小化，因此 与使用本发明的情况相比，驾驶员将多得多地意识到SRS。因此，通过通过轮胎的滚动性质估计周期性频率作为速度的函数的相互关系和/ 或检测EPS的转矩传感器中的周期性频率，通过控制在周期性激励附近的峰值转动齿条 刚度的中心频率以使得使用中当速度波动时这些频率存在实际上的校准，实现了各种速 度上的有效SRS衰减。通过利用前面说明的实践改变TVA的表观共振频率以使得它处于 周期性SRS激励频率或其附近，获得频率的该校准。还应该注意，惯性和阻尼补偿可选地可以是频带受限的以使得仅仅在周期性激 励频率附近实现前面提及的所需效果。利用对检测到的加速度和速度或最后确定电机驱 动的输出控制信号起作用的滤波的、限制频带的工具，这是可能的。通过避免转向事件 的典型的一些情况如在高频(超过通频带的低通转角频率)的振动不稳定性和在较低频率 (存在于通频带的高通转角频率以下)对正向传动的性质的干涉效果的另外的优点能通过 这些带限工具享受到。滤波器工具是本领域技术人员众所周知的，其可以被实施用于至 少上述目的。表I使用了被调谐成在15Hz机械地共振的TVA，并且仅仅作为启发性的假设 的、非限制性的例子代表在根据本发明执行图4的算法400期间提供的值的指示。该系 统可用于CEPS禾口 REPS。表I
权利要求
1.一种用于衰减机动车转向柱的方向盘处的平坦道路震动的方法，所述机动车具有 包括电动机和齿条的电动助力转向系统，该方法包括下列步骤确定所述机动车的预定驾驶条件期间的所述平坦道路震动的频率范围；和将所述机动车电动助力转向系统的电动助力转向电机总成机械地调谐到预定频率， 从而提供被调谐的减震器，该减震器具有基本上最接近所述平坦道路震动的频率范围的 被机械地调谐的共振频率。
2.如权利要求1所述的方法，还包括阻尼所述被调谐的减震器以使齿条刚度在所述平坦道路震动的所述频率范围处最 大，从而使得在车速范围内将所述方向盘处的平坦道路震动减到最小。
3.如权利要求2所述的方法，还包括a)确定所述车辆的运行速度处的平坦道路震动频率；b)除非所述平坦道路震动的频率是被机械地调谐的共振频率，否则将所述被调谐的 减震器动态地调谐到所述速度处的平坦道路震动的频率；和c)将所述被调谐的减震器的阻尼减到最小以使齿条刚度在所述平坦道路震动的频率 处最大，从而使得将所述方向盘处的平坦道路震动减到最小。
4.如权利要求3所述的方法，还包括周期性地重复所述步骤a)至c)。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述电动助力转向电机总成的机械调谐基本 上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率的被调谐 的减震器。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于b)和C)的所述步骤包括控制所述电动助力 转向系统的电动机中的电流以提供实现所述步骤b)的动态调谐的电动助力转向总成的惯 量的等效量和提供实现所述步骤c)的最小化阻尼的转矩。
7.如权利要求6所述的方法，还包括在所述步骤C)中，被调谐的减震器的对速度敏 感的补偿性阻尼以便在提供电动助力转向总成的惯量的等效量时将步骤b)引起的惯性时 滞减到最小。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于在所述步骤a)中，根据下列两者中的至少 一个确定在所述机动车的运行速度处的平坦道路震动1)机动车速度和平坦道路震动频 率之间的预定关系，和2)所述电动助力转向系统的转矩信号的周期性动力学内容。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述电动助力转向电机总成的机械调谐基本 上调谐到所述频率范围的中频段频率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率的被调谐 的减震器。
10.一种用于衰减机动车转向柱的方向盘处的平坦道路震动的方法，所述机动车具有 包括电动机和齿条的电动助力转向系统，该方法包括下列步骤a)确定所述机动车的预定驾驶条件期间的所述平坦道路震动的频率范围；b)将所述机动车电动助力转向系统的电动助力转向电机总成机械地调谐到预定频 率，从而提供具有被机械地调谐的共振频率的被调谐的减震器；c)确定所述车辆的运行速度处的平坦道路震动频率，其根据下列两者中的至少一个 确定1)机动车速度和平坦道路震动频率之间的预定关系，和2)所述电动助力转向系统 的转矩信号的周期性动力学内容；d)除了所述被机械地调谐的共振频率之外，响应于所述频率范围的全部频率的关 系，将所述被调谐的减震器动态地调谐到在所述速度的所述平坦道路震动的频率；和 e)将所述被调谐的减震器的阻尼减到最小以使齿条刚度在所述平坦道路震动的频率 处最大，从而使得将所述方向盘处的平坦道路震动减到最小；其中所述d)和e)的步骤包括控制所述电动助力转向系统的电动机中的电流以提供实 现所述步骤d)的动态调谐的所述电动助力转向总成的惯量的等效量和提供实现所述步骤 e)的最小化阻尼的转矩。
全文摘要
本发明涉及用于在电动助力转向系统中衰减平坦道路震动的方法。一种减小方向盘处对扭转平坦道路震动(SRS)的车辆敏感性的方法，其通过如下方式提供通过有效动态调谐减震器选择性地增加转向系统的反向传动阻抗，所述有效动态调谐减振器包括现有的电动助力转向电机惯量，在REPS系统的情况下，现有的电动助力转向电机惯量支撑在到齿条的传动装置的抗扭刚度上，或在CEPS系统的情况下，现有的电动助力转向电机惯量支撑在柱旋转轴的抗扭刚度上。
文档编号B62D5/04GK102019955SQ201010293249
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月23日
发明者D·K·霍格兰德, J·D·索波奇, K·L·奥布利扎杰克, W-H·马 申请人:通用汽车环球科技运作公司