本发明涉及一种对车辆的转向系统施加由电动机产生的转向辅助力的电动助力转向装置，特别是涉及一种电动助力转向装置，其不会受到车辆、转向系统的制造上的个体差异、经年变化等的影响，并且能够实现与转向角以及车辆信息相对应的所希望的转向扭矩。
背景技术：
电动助力转向装置(eps)利用电动机的旋转力对车辆的转向系统进行辅助控制，其将电动机的驱动力经由减速装置通过诸如齿轮或传送皮带之类的传送机构作为转向辅助力施加给转向轴或齿条轴。为了准确地产生辅助控制的扭矩，这样的现有的电动助力转向装置进行电动机电流的反馈控制。反馈控制调整电动机外加电压，以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值之间的差变小，电动机外加电压的调整通常通过调整pwm(脉冲宽度调制)控制的占空比(dutyratio)来进行。
参照图1对电动助力转向装置的一般结构进行说明。如图1所示，转向盘(方向盘)1的转向柱轴(转向轴或方向盘轴)2经过减速齿轮3、万向节4a和4b、齿轮齿条机构5、转向横拉杆6a和6b，再通过轮毂单元7a和7b，与转向车轮8l和8r连接。另外，在转向柱轴2上设有用于将转向盘1的转向扭矩作为扭力杆的扭转扭矩检测出来的扭矩传感器10，对转向盘1的转向力进行辅助的电动机20通过减速齿轮3与转向柱轴2连接。电池13对用于控制电动助力转向装置的控制单元(ecu)30进行供电，并且，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元30。控制单元30基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩th和由车速传感器12检测出的车速vel，进行作为辅助指令的电流指令值的运算，通过对运算出的电流指令值实施补偿等而得到的电压控制值vref，来控制供应给电动机20的电流。此外，用于检测出转向角的转向角传感器14不是必须的，也可以不设置转向角传感器14。还有，也可以通过与电动机20连接的诸如分解器之类的旋转传感器来获得转向角。
另外，收发车辆的各种信息的can(controllerareanetwork，控制器局域网络)40被连接到控制单元30，车速vel也能够从can40处获得。此外，收发can40以外的通信、模拟/数字信号、电波等的非can41也可以被连接到控制单元30。
在这样的电动助力转向装置中，控制单元30主要由cpu(也包含mpu、mcu或类似装置)构成，该cpu内部由程序执行的一般功能如图2所示。
参照图2对控制单元30的功能和动作进行说明。如图2所示，来自扭矩传感器10的转向扭矩th和来自车速传感器12的车速vel被输入到电流指令值运算单元31中。电流指令值运算单元31基于转向扭矩th和车速vel并使用辅助图(アシストマップ)等来运算出电流指令值iref1。运算出的电流指令值iref1在加法单元32a中与来自用于改善特性的补偿单元34的补偿信号cm相加，相加后得到的电流指令值iref2在电流限制单元33中被限制了最大值，被限制了最大值后得到的电流指令值irefm被输入到减法单元32b中，减法单元32b对电流指令值irefm和电动机电流检测值im进行减法运算。
pi(比例积分)控制单元35对作为在减法单元32b中得到的减法结果的偏差i(＝irefm-im)进行pi控制，经过pi控制后得到的电压控制值vref被输入到pwm控制单元36中，与载波信号cf同步以便运算出占空比，通过pwm信号并经由逆变器37来对电动机20进行pwm驱动。电动机电流检测器38检测出电动机20的电动机电流值im，由电动机电流检测器38检测出的电动机电流值im被反馈输入到减法单元32b中。
补偿单元34先在加法单元344中将检测或估计出的自对准扭矩(sat)343与惯性补偿值342相加，然后在加法单元345中再将在加法单元344得到的加法结果与收敛性控制值341相加，最后将在加法单元345得到的加法结果作为补偿信号cm输入到加法单元32a中以便进行电流指令值的特性改善。
就这样，在基于现有的电动助力转向装置的辅助控制中，通过扭矩传感器将通过驾驶员的手动输入而被施加的转向扭矩作为扭力杆的扭转扭矩检测出来，并且，主要是根据该转向扭矩来设定用来进行前馈辅助控制的电流指令值。因此，由于车辆、转向系统的制造上的个体差异以及车辆、转向系统的经年变化等的影响，所以很难维持同等水平的转向性能。
作为解决这样的问题的车辆控制装置，例如提出了日本专利第5208894号公报(专利文献1)。专利文献1中所公开的车辆控制装置为这样一种车辆控制装置，即，具备转向角检测模块、目标设定模块和控制模块，其中，转向角检测模块检测出基于驾驶员的转向操作的转向盘的转向角；目标设定模块当从转向盘的中立状态以不切换转向方向的方式对转向盘进行转向操作的时候，在转向角或转向盘的转向扭矩小于所规定的值的范围内，基于相对于转向角的变化的转向扭矩的变化的比例的感觉量和转向扭矩的感觉量求出的驾驶员的手感量为一定，并且，在转向角或转向扭矩等于或大于所规定的值的范围内，基于驾驶员的手感量随着转向角或转向扭矩的增加而单调增加的转向角或转向扭矩与驾驶员的手感量之间的预先设定好的关系，将与检测出的转向角相对应的转向扭矩设定为目标值；控制模块进行控制以便使得能够实现由目标设定模块设定的转向扭矩的目标值。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5208894号公报
技术实现要素：
发明要解决的技术问题
在专利文献1中所公开的车辆控制装置中，通过求出转向扭矩(扭转角)的目标值与检测出的转向扭矩(检测出的扭转角)之间的偏差并对该偏差进行pi(比例积分)控制，来实现转向扭矩的目标值。其结果为，由于电动机、转向机构系统的摩擦量因车辆、转向系统的制造上的个体差异、经年变化等而发生变化，所以相对于作为目标的转向扭矩的追随性会受到影响。
因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种电动助力转向装置，其通过对转向柱角进行控制以便使其追随与转向角以及车辆信息(车速、横摆率、横向加速度等)相对应的值，来实现所希望的转向感觉，并且不会受到车辆、转向系统的制造上的个体差异、经年变化等的影响。
解决技术问题的手段
本发明涉及一种电动助力转向装置，其至少基于转向扭矩运算出电流指令值，通过基于所述电流指令值来驱动电动机，以便对转向系统进行辅助控制，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：具备目标转向柱角运算单元和转向柱角控制单元，所述目标转向柱角运算单元基于转向角以及车辆信息运算出目标转向柱角，所述转向柱角控制单元基于所述目标转向柱角以及检测出的实际转向柱角运算出所述电流指令值，对转向柱角进行角度控制以便使其追随与所述转向角以及所述车辆信息相对应的值。
还有，本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即：所述车辆信息至少为车速、横摆率、横向加速度；或，所述目标转向柱角运算单元由转向扭矩设定单元、除法单元和第一减法单元构成，所述转向扭矩设定单元根据所述转向角来设定所希望的转向扭矩，所述除法单元通过将所述所希望的转向扭矩除以扭力杆的弹簧常数以便计算出目标扭转角，所述第一减法单元从所述转向角中减去所述目标扭转角；或，所述转向柱角控制单元由目标转向柱角速度运算单元、微分单元和速度控制单元构成，所述目标转向柱角速度运算单元基于所述目标转向柱角与所述实际转向柱角之间的差来运算出目标转向柱角速度，所述微分单元基于所述实际转向柱角来运算出实际转向柱角速度，所述速度控制单元基于所述目标转向柱角速度以及所述实际转向柱角速度来运算出所述电流指令值；或，所述目标转向柱角速度运算单元由第二减法单元和位置控制单元构成，所述第二减法单元求出所述目标转向柱角与所述实际转向柱角之间的角度差，所述位置控制单元通过使比例常数与所述角度差相乘以便运算出所述目标转向柱角速度；或，所述速度控制单元由第三减法单元、积分单元、比例控制单元和第四减法单元构成，所述第三减法单元求出所述目标转向柱角速度与所述实际转向柱角速度之间的速度差，所述积分单元对所述速度差进行积分后，再使其与积分增益相乘，所述比例控制单元使比例增益与实际转向柱角速度相乘，所述第四减法单元通过从所述积分单元的输出中减去所述比例控制单元的输出以便求出所述电流指令值；或，所述转向柱角控制单元由目标转向柱角速度运算单元、微分单元、速度前馈控制单元、加法单元和速度控制单元构成，所述目标转向柱角速度运算单元基于所述目标转向柱角与所述实际转向柱角之间的差来运算出目标转向柱角速度，所述微分单元基于所述实际转向柱角来运算出实际转向柱角速度，所述速度前馈控制单元对所述目标转向柱角进行速度前馈控制，所述加法单元通过使来自所述速度前馈控制单元的速度前馈控制值与所述目标转向柱角速度相加以便求出最终目标转向柱角速度，所述速度控制单元基于所述最终目标转向柱角速度以及所述实际转向柱角速度来运算出所述电流指令值；或，附加了限制器，所述限制器通过限制所述速度控制单元的输出的上下限值以便输出所述电流指令值。
发明效果
根据本发明的电动助力转向装置，通过对转向柱角进行角度控制以便使其追随与转向角以及车辆信息(车速、横摆率、横向加速度等)相对应的值，来实现所希望的转向扭矩。还有，在本发明中，因为根据用来实现所希望的转向扭矩的目标转向柱角与检测出的实际转向柱角之间的偏差来进行角度控制，所以不会受到车辆、转向系统的制造上的个体差异、经年变化等的影响，并且还能够维持同等水平的转向性能。
附图说明
图1是表示电动助力转向装置的概要的结构图。
图2是表示电动助力转向装置的控制系统的结构示例的结构框图。
图3是表示本发明的结构示例的结构框图。
图4是表示目标转向柱角运算单元的结构示例的结构框图。
图5是表示转向柱角控制单元的结构示例的结构框图。
图6是表示本发明的整体动作示例的流程图。
图7是表示转向柱角控制单元的动作示例的流程图。
图8是表示转向柱角控制单元的其他的结构示例的结构框图。
图9是用于说明本发明的效果的特性图。
图10是用于说明本发明的效果的特性图。
具体实施方式
本发明的电动助力转向装置为了不受车辆、转向系统的制造上的个体差异、经年变化等的影响，并且实现与转向角以及车辆信息相对应的所希望的转向扭矩，具备目标转向柱角运算单元和转向柱角控制单元，其中，目标转向柱角运算单元基于转向角以及车辆信息运算出目标转向柱角，转向柱角控制单元基于目标转向柱角以及检测出的实际转向柱角运算出电流指令值，并且，对转向柱角进行角度控制以便使其追随与转向角以及车辆信息相对应的值。
通过这样做，就不会受到车辆、转向系统的制造上的个体差异、经年变化等的影响，并且还能够维持同等水平的转向性能。
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
图3示出了本发明的实施方式的一个示例。如图3所示，作为相对于扭力杆的转向盘一侧的转向盘角的转向角θh被输入到目标转向柱角运算单元110中，车速、横摆率、横向加速度等的车辆信息vi也被输入到目标转向柱角运算单元110中。由目标转向柱角运算单元110运算出的目标转向柱角θref被输入到转向柱角控制单元120中，通过由转向柱角控制单元120运算出的电流指令值iref来对eps转向系统100进行驱动控制。转向柱角控制单元120运算出能够使转向柱角追随目标转向柱角θref的电流指令值iref。还有，eps转向系统100设有用于检测出作为相对于扭力杆的转向柱一侧的角度的转向柱角的传感器，检测出的实际转向柱角θ被输入到转向柱角控制单元120中。
目标转向柱角运算单元110例如具有图4所示的结构。也就是说，转向角θh被输入到转向扭矩设定单元111和减法单元113中，转向扭矩设定单元111按照所规定的函数来输出与转向扭矩θh相对应的所希望的转向扭矩。在除法单元112中将所希望的转向扭矩除以扭力杆的弹簧常数kt，作为在除法单元112中得到的除法结果的目标扭转角δθref被减法输入到减法单元113中。减法单元113从转向扭矩θh中减去目标扭转角δθref，作为在减法单元113中得到的减法结果的目标转向柱角θref(＝θh－δθref)被输出。
通过这样做，由目标转向柱角运算单元110运算出的目标转向柱角θref被输入到转向柱角控制单元120中。还有，实际转向柱角θ也被输入到转向柱角控制单元120中。
转向柱角控制单元120例如具有图5所示的结构。也就是说，目标转向柱角θref被加法输入到减法单元121中，实际转向柱角θ被减法输入到减法单元121中，同时还被输入到用于进行时间微分的微分单元123中。由减法单元121计算出的角度差(＝θref－θ)被输入到位置控制单元122中与比例常数kpp相乘，以便运算出目标转向柱角速度ω2。减法单元121以及位置控制单元122构成了目标转向柱角速度运算单元。
目标转向柱角速度ω2被加法输入到用于进行i-p控制的速度控制单元130内的减法单元131中。还有，由微分单元123运算出的实际转向柱角速度ω1被减法输入到速度控制单元130内的减法单元131中，同时还被输入到比例控制单元133中。在减法单元131中得到的减法结果(＝ω2－ω1)被输入到积分单元132中被积分并且与积分增益kvi相乘，以便获得积分结果sc1。积分结果sc1被加法输入到减法单元134中，还有，比例控制单元133的比例控制的结果sc2被减法输入到减法单元134中。限制器124通过限制作为在减法单元134中得到的减法结果的电流指令值ir(＝sc1－sc2)的上下限值以便输出电流指令值iref。速度控制单元130运算出能够使实际转向柱角速度ω1追随目标转向柱角速度ω2的电流指令值ir。
在这样的结构中，参照图6的流程图来对其整体动作示例进行说明。
首先，输入转向角θh和车辆信息vi(步骤s10)，目标转向柱角运算单元110运算出目标转向柱角θref(步骤s20)。目标转向柱角θref被输入到转向柱角控制单元120中，并且，来自eps转向系统100的实际转向柱角θ也被输入到转向柱角控制单元120中(步骤s30)。转向柱角控制单元120基于目标转向柱角θref以及实际转向柱角θ来进行角度控制(步骤s40)，基于通过运算求出的电流指令值iref对eps转向系统100进行驱动控制(步骤s70)，重复上述动作直到结束为止(步骤s71)。
图7示出了转向柱角控制单元120的动作示例。如图7所示，首先，输入目标转向柱角θref和实际转向柱角θ(步骤s41)，减法单元121计算出角度差(＝θref－θ)，计算出的角度差被输入到位置控制单元122中，并且，实际转向柱角θ被输入到微分单元123中(步骤s42)。位置控制单元122基于角度差来运算出目标转向柱角速度ω2(步骤s43)，微分单元123通过时间微分来运算出实际转向柱角速度ω1(步骤s44)。
目标转向柱角速度ω2以及实际转向柱角速度ω1均被输入到减法单元131中，减法单元131计算出目标转向柱角速度ω2与实际转向柱角速度ω1之间的角速度差(＝ω2－ω1)(步骤s45)。计算出的角速度差被输入到积分单元132中以便对其进行积分控制(步骤s46)，实际转向柱角速度ω1被输入到比例控制单元133中以便对其进行比例控制(步骤s47)。积分结果sc1以及比例控制的结果sc2均被输入到减法单元134中，减法单元134计算出差(＝sc1－sc2)(步骤s48)，并且将该差作为电流指令值ir输出到限制器124，通过限制器124限制了电流指令值ir的上下限值之后(步骤s50)，输出电流指令值iref(步骤s51)。
图8示出了转向柱角控制单元120的其他的结构示例。如图8所示，设有用于将增益kvf与目标转向柱角θref的微分值相乘，并将该乘法结果与目标转向柱角速度ω2相加的速度前馈控制单元140。将通过该乘法结果与目标转向柱角速度ω2相加而得到的值作为最终目标转向柱角速度ω3，最终目标转向柱角速度ω3被输入到速度控制单元130中。通过这样的速度前馈控制单元140，能够提高转向柱角θ相对于目标转向柱角θref的追随性(灵敏度)。
例如，作为第一实施方式，通过目标转向柱角表(目標コラム角テーブル)来输出能够根据转向角θh而成为所希望的转向扭矩的目标转向柱角θref，并且，运算出用于通过角度控制使转向柱角θ追随目标转向柱角θref的电流指令值。在像图9(a)那样改变转向角θh的情况下，计算出用来实现所希望的转向扭矩的目标转向柱角θref，并且，使转向柱角θ追随计算出的目标转向柱角θref。作为结果，相对于图9(b)所示的所希望的扭转角δθref(粗线)，实际的扭转角δθ如细线所示那样。在图9(b)中，所希望的扭转角δθref(粗线)与实际的扭转角δθ(细线)之间的差为微差，在没有转向角θh的变动的范围内两者是相同的。其结果为，作为手感出现的转向扭矩如图9(c)所示那样(省略了所希望的转向扭矩)。
还有，为了提高转向柱角θ相对于目标转向柱角θref的追随性，也可以通过将上述第一实施方式所示的目标转向柱角速度ω2与通过相当于目标转向柱角θref的微分值的值与增益相乘而得到的值相加(也就是说，通过进行速度前馈控制)，以便求出最终目标转向柱角速度ω3。图10示出了第二实施方式的模拟结果。图10(a)示出了转向角θh的变化，通过图10(b)可知，相对于所希望的扭转角δθref(粗线)，与第一实施方式的扭转角δθ(细线)相比，第二实施方式的扭转角δθ(虚线)更追随所希望的扭转角δθref。在图10(b)中，所希望的扭转角δθref(粗线)和实际的扭转角δθ(虚线)几乎重叠在一起，还有，在没有转向角θh的变动的范围内，所希望的扭转角δθref(粗线)、第一实施方式的扭转角δθ(细线)以及第二实施方式的所希望的扭转角δθref(虚线)是相同的。作为手感出现的转向扭矩如图10(c)所示那样。
此外，为了抑制sat外部干扰的影响，也可以在抑制sat估计值的电流指令值的方向上对角度控制的电流指令值进行加法运算。还有，速度控制单元并不限于如上所述的i-p控制，例如，也可以在速度控制单元中使用pi控制、p控制、pid控制或pi-d控制。
另外，在没有用于检测出转向柱角的角度传感器的情况下，也可以通过从转向角(转向盘角)中减去扭力杆的扭转角(扭矩检测用)，即，通过过“转向柱角＝转向角－扭转角”，来求出转向柱角。
附图标记说明
1转向盘
2转向柱轴(转向轴或方向盘轴)
10扭矩传感器
12车速传感器
13电池
20电动机
100eps转向系统
110目标转向柱角运算单元
111转向扭矩设定单元
120转向柱角控制单元
122位置控制单元
123微分单元
124限制器
130速度控制单元
140速度前馈控制单元