具有波动补偿的电动转向系统的制作方法

本发明涉及根据权利要求1和7的前序部分所述的电动转向系统和根据权利要求8的前序部分所述的用于消除电动转向装置中的转矩波动的方法。

背景技术：

电动转向(eps)系统提供耦合到转向齿轮的电机并且响应于通过转向柱输入的驱动转矩来提供动力辅助。具有逆变器(inverter)的电子控制单元控制电机。为了实现足够的动力辅助，响应于驱动转矩输入来计算目标电机转矩。逆变器利用分谐波方法、空间矢量调制或滞环电流控制器为电机馈送相电流以产生转矩。由此，在相电流和/或驱动转矩中产生了谐波和非谐波干扰频谱。由于这种频谱会导致整个转向系统声音异常和转矩异常，因此是不期望的。所述现象被称为转矩波动，并且它是由于感应电场偏离正弦形状或者电流测量偏移行为或增益误差不理想而引起。即使当转矩波动足够小以至于在大多数应用中不被认为是问题时，许多eps系统中的电机输出也会提供给与操作手轮紧密耦合的转向部件；并且车辆操作者甚至可以在高转矩辅助转向模式(例如低速停车操作)中感觉到和/或可以听到小的转矩波动和壳体振动。

在一些eps中，在反馈回路中将电机的驱动转矩控制成需求电机转矩。控制回路使用目标电机转矩来处理控制操作。目标电机转矩通常也被称为参考电机转矩。需求、目标和参考将在本文中用作同义词。然而，需求电机转矩和目标电机转矩不是静态值。需求电机转矩和目标电机转矩是取决于驱动转矩输入以及也许其他输入值的动态值。

因此，为了抑制eps中的电机或其他部件所产生的振动和噪声，通常根据振动和噪声的原因来采取各种对策。例如，欧洲专利ep2000389b1公开了一种电动转向装置，该电动转向装置包括：转向力辅助装置，该转向力辅助装置向转向系统施加辅助力，以用于辅助车辆转向系统中的方向盘的转向操作；和控制装置，该控制装置控制转向力辅助装置的动作。控制装置包括衰减装置，该衰减装置根据电机的旋转角速度来衰减特定的频率分量，以减小有序分量的转矩波动并抑制振动和噪声的产生。然而，这个过程是复杂的，并影响了电机的动态特性。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种电动转向装置，与现有的解决方案相比，该电动转向装置轻松且准确地减小了转矩波动，并且有效地抑制了振动和噪声的产生，而不会限制电机的动态特性。

该技术问题通过具有权利要求1和7中所列特征的电动转向装置来解决。

-相应地，一种电动转向装置，其用于通过电机的转子相对于定子的旋转，来将由电机产生的转矩赋给转向机构，从而辅助机动车辆的转向，该装置包括：

-转向控制器，其接收至少表示施加到方向盘的转矩的信号并确定目标电机转矩；

-电机控制器，其包括第一控制部，该第一控制部从转向控制器接收目标电机转矩并接收转子的电角频率，并且将目标电机转矩转换成目标电流，目标电流表示在固定于旋转转子的电角频率的坐标系中，

-电机控制器包括将目标电流转换成目标电压的坐标变换部，该目标电压表示在固定于定子的坐标系中；以及

-逆变器，其将目标电压变换成电机电流，并且该装置还包括确定补偿电压的至少一个波动补偿单元和将补偿电压相加到目标电压的加法器，其中

-至少一个波动补偿单元包括第一波动控制部，该第一波动控制部从转向控制器接收目标电机转矩并接收转子的电角频率，以将目标电机转矩转换成补偿电流，该补偿电流表示在固定于旋转部的坐标系中，该旋转部以n倍的电角频率旋转，

-至少一个波动补偿单元包括波动坐标转换部，该波动坐标转换部将补偿电流转换成补偿电压并将该补偿电压输出到加法器，该补偿电压表示在固定于定子的坐标系中。

优选地，至少一个波动补偿单元包括坐标变换部，该坐标变换部将电机电流变换到二维旋转参考系(d-q)中，该二维旋转参考系固定于n倍的电机的转子的电角频率。d-q坐标轴彼此正交。

进一步优选地，至少一个波动补偿单元包括至少一个低通滤波器，由此，一个低通滤波器分量提供为补偿电流的d分量，并且一个低通滤波器分量提供为补偿电流的q分量。

优选地，至少一个波动补偿单元包括两个查找表，查找表中存储有补偿参考信号。补偿参考信号应该是补偿电流，该补偿电流在固定于电机的旋转转子的坐标系中确定并且具有d分量和q分量(如目标电机电流一样)。优选地，每个查找表由电角频率的多个阈值的列和目标电机转矩值的多个阈值的行组成。查找表的矩阵包含作为实际电角频率和实际目标电机转矩的结果的预定合适补偿电流。一个查找表显示了d电流，另一个查找表显示了q电流。当实际目标电机转矩的值在两行之间和/或实际电角频率在两列之间时，进行插值操作以确定补偿电流。

作为查找表的替代方案，可以使用计算函数来确定补偿电流的d电流和q电流。

作为使用电角频率的替代方案，也可应用机械转子转速。

优选地，插值为线性插值。

在一个优选实施例中，至少一个波动补偿单元包括将补偿电流转化成补偿电压的至少一个单元，该补偿电压表示在定子固定坐标系中。

优选地，逆变器包括单分流电阻器，该单分流电阻器重构电机电流。

另一个实施例基本上包括相同的元件，但是波动补偿单元产生待相加到目标电压的任意给定的电角频率或者从目标电压消除任意给定的电角频率。

该问题还通过具有权利要求8中所列特征的用于消除机动车辆的电动转向装置中的转矩波动的方法来解决。

相应地，所述方法包括以下步骤：

-接收表示施加到方向盘的转矩的信号；

-基于所接收的信号确定目标电机转矩；

-将目标电机转矩变换成目标电流，目标电流表示在固定于旋转转子的电角频率的坐标系中；

-将目标电流变换成目标电压，目标电压表示在固定于定子的坐标系中；以及

-将目标电压变换成电机电流；

-在至少一个波动补偿单元产生补偿电压；

-将补偿电压相加到目标电压的相加操作；

-从转向控制器接收目标电机转矩并接收转子的电角频率，以将目标电机转矩变换成补偿电流，补偿电流表示在固定于旋转部的坐标系中，旋转部以n倍的旋转转子的电角频率旋转，

-将补偿电流变换成补偿电压并将补偿电压输出到相加操作，补偿电压表示在固定于定子的坐标系中。

在优选的实施例中，补偿电压通过以下步骤来确定：

-将电机电流变换到二维旋转参考系中，该二维旋转参考系以n倍的转子位置信号的频率固定于电机的转子；

-利用至少一个低通滤波器对变换后的电机电流进行滤波；

-将滤波后的电流与查找表进行比较，并且必要时根据查找表对滤波后的电流进行调节；以及

-将所得到的电流变换成补偿电压。

优选地，除了低通滤波，还对电流的dc分量进行滤波以去除偏移。低通滤波器还包括用于d分量的一个低通滤波部件和用于电流的q分量的一个低通滤波部件。

附图说明

将参考附图描述本发明的优选实施例。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件或功能类似的部件。

图1示出了电动转向装置的示意图；

图2是示出电动转向装置的电气结构的框图；

图3是详细示出电气结构的另一框图；

图4示出了本发明的第二实施例的框图；

图5是示出本发明的另一实施例的框图；

图6示出了逆变器电路的示意图。

具体实施方式

图1是电动转向装置1的示意图。方向盘2固定于转向轴3，并且转向轴3经由齿轮齿条机构5耦合到齿条4。转向轴3随转向操作的旋转通过齿轮齿条机构5转化成齿条4的往复直线运动。齿条4的线性运动改变转向轮6的转向角。为了提供转向辅助，安装在齿条壳体侧的电机7经由齿形橡胶带9驱动滚珠丝杠机构8。

通过转向控制器10和包括电机7和电机控制器13的动力辅助致动器11来提供电动辅助。转向控制器10接收表示由车辆操作者施加到方向盘2的车速v和转矩tts的信号。控制器10响应于车速v、操作转矩tts来确定目标电机转矩td，并将该信号提供给电机控制器13，在电机控制器13中计算占空比以经由pwm(脉冲宽度调制)产生相电流。

图2示出了电动转向装置1的电气结构的框图。转向控制器10接收表示由车辆操作者施加到方向盘2的车速v和转矩tts的信号，并且推导目标电机转矩td。该转矩馈送给确定用于pwm的电压输入的电机控制器13，并且电机驱动器14经由pwm产生电机电流iu、iv、iw。为了波动补偿，存在额外的控制单元15，在控制单元15中，电机电流iu、iv、iw变换成n倍的电角速度ω，以对与(n-1)次电谐波转矩对应的(n-1)次谐波电流进行补偿。

图3中详细示出了电动转向装置1的控制流程结构。在该控制流程结构中，没有示出电源。基于目标电机转矩td，通过第一控制部131确定目标电流id,d和iq,d，第一控制部131包括pi控制器16、单元17和分析电场减弱部30。目标电流id,d和iq,d决定了电机电压条件和电机转矩。它们表示在固定于转子的旋转坐标系(d-q)中，其以电机7的转子的电角频率ω旋转。然后，目标电流id,d和iq,d经由电流控制器18、19转换成目标电压uq,d、ud,d。为了避免电过载，使用最大电压umax。在电压反馈部132中计算二次ud,d和二次uq,d之和的平方根，即sqrt((ud,d)²+(uq,d)²)。电流控制器18、19基于电流调节回路误差信号和控制器的当前状态来计算目标电压。在转换成目标电压uq,d、ud,d之后，坐标变换部20将表示在旋转的二维d-q坐标系中的量转化成表示在固定于定子的坐标系中的量uα，d、uβ，d。在下一步骤中，通过加法器500将来自波动补偿单元15的电压相加到目标电压uα，d、uβ，d，并且逆变器14(其可以是三相逆变器)将所得到的电压变换到电机7的三相对称坐标系中，并且逆变器14将电压变换成电机电流iu、iv、iw。一方面，通过坐标变换部22将这些电机电流iu、iv、iw变换到固定于转子的电角频率的二维坐标系中，并且将它们作为实际的电流iq,fb、id,fb反馈给pi控制器16和单元17后面的主回路，以作为电流反馈控制。另一方面，将电机电流iu、iv、iw的一部分馈送给波动补偿单元15。在坐标变换部23中将电机电流iu、iv、iw变换到二维旋转参考系(7次d-q)中，二维旋转参考系与转子的七倍电角频率同步旋转。在图3的例子中，波动补偿对6次电谐波起作用。d-q坐标系与基本谐波相似，以便达到原始转矩的6次谐波，并且需要高于6倍的频率位置信号。因此，所应用的坐标变换与d-q变换类似，但是，位置信号并非实际的转子位置，而是给定的6次谐波与七的乘积，这意味着转子位置信号通过频率倍增器230进行了频率倍增。换句话说，信号变换成了角频率θ的七倍。

之后，低通滤波器24对相电流的其他频率成分进行阻尼，因此留下平稳的dc值作为反馈信号，该dc值描述了7次谐波电流的幅度和相位。然后，将得到的电流id7,fb、iq7,fb与存储了补偿参考信号的查找表25、26进行比较。补偿参考信号由电机转矩6次谐波的fft(快速傅立叶变换)分析来确定，并且给出了消除6次转矩谐波的参考值。查找表是转子速度和电机负载的二维函数。列索引是与电角频率对应的转子机械速度的值(以rpm计)。列索引的值可以是30rpm、100rpm、200rpm、400rpm、600rpm、800rpm、1000rpm、1200rpm、1400rpm，和/或可以限定在50rpm和2000rpm之间的多于5个元素之间。行索引是目标电机转矩td。作为行的替代例，也可以使用电机负载(未示出)。第一行例如可以取最大转矩的0％、25％、50％、75％、100％的值。在测量的操作点之间应用线性插值。因此，不需要在线调谐的带通滤波器或类似装置。之后，两个pi控制器27、28将得到的电流误差转化成电压ud,d、uq,d。需要时，pi控制器27、28可以根据查找表25、26来调节电流。最后，另一个坐标变换部29执行将电压变换到定子固定坐标系中。然后，通过加法器500将这些定子固定电压uα,dcomp、uβ.dcomp相加到主回路的电压uα，d、uβ，d，以对6次谐波所引起的波动进行补偿。为了避免干扰，可以限制补偿调节输出。在这个例子中，输出限制为+/-3％。优选限制在从+/-1％到+/-6％的范围内。所得到的电压矢量具有两个分量α和β；与转子同步旋转的基本谐波和以高于七倍的频率旋转的小得多的谐波。这导致了两个并行的调节回路，这两个调节回路在频域中彼此分开，因此，基本回路具有例如在0hz与100hz之间的近似带宽，而补偿回路例如在100hz与1000hz之间的频率范围内工作。

图4所示的控制流程结构与图3所示的基本控制流程结构相同，除了所涉及的待补偿谐波之外。根据图3，坐标变换将坐标变换部23中的电机电流变换到与n倍的转子的电角频率同步旋转的二维旋转参考系(n次d-q)中。查找表特别适用于编号n。“n”是自然数。在如图3所述的例子中，“n”可以是七。其他特征与根据图3的实施例类似。

在d-q参考系中，电机基本谐波电流表示为dc值。为了消除或产生较高的谐波转矩电流，必须将较高的频率分量施加到相位。这些较高的分量在d-q参考系中表示为ac值，并且这些谐波电流的频率随着转子速度发生变化。图4的波动补偿单元15通过坐标变换产生了用于任何n次谐波电流的旋转参考系。在该n次参考系中，n次谐波相电流表示为dc值。对基本谐波建立相同的pi电流调节结构。通过相同的位置信号将补偿控制器的输出变换回来，并且将补偿参考电压相加到逆变器输入处的主调节参考电压。

如图5所示，波动补偿可以包括不止一个波动补偿单元150、1500、15000、150000，其中，每个波动补偿单元对特定的谐波进行补偿，如同根据图3或图4的实施例。每个波动补偿单元如同图3或图4的实施例一样工作，但是坐标变换的编号n不同，因此同时消除了数个n-1次谐波。

图6示出了具有单分流电阻技术的图3或图4的逆变电路14，该单分流电阻技术仅利用包含在流经dc总线的电流中的信息，来重构三相电机电流iu、iv、iw。单分流三相重构的最主要原因在于成本的降低。除了成本优势之外，单分流算法允许使用不给各相提供单独接地连接的电源模块，并且使用相同的电路来感测全部三个相位。

低通滤波器24需要小心实施。在一个实施例中，低通滤波器包括两个滤波器，第一低通滤波器去除基本d和q电流的平均值。在去除后，应用n次坐标变换。变换后的信号包含作为dc电平的n次谐波幅度和作为ac电平的所有其他谐波。利用第二低通滤波器可以去除所有其他谐波。这两个滤波器优选是具有2-5hz转角频率的简单的一阶低通滤波器。

此外，可以用函数发生器主动消除或产生噪声。函数发生器(例如锯齿型函数发生器)创建“虚拟位置信号”，该虚拟位置信号可以用来代替相乘的转子位置信号。在这种情况下，可以不对给定的谐波进行补偿，但是可以在电机中产生任意给定的频率或从电机中消除任意给定的频率。

本发明提供了一种电动转向装置，该电动转向装置能够轻松且准确地减小转矩波动，并且能够有效地抑制振动和噪声的产生，而不会限制电机的动态特性。

新方法使用了通过固定于转子n次谐波旋转的坐标变换所产生的旋转坐标系。通过使用这个参考系，谐波正弦相电流可以表示为dc电平。标准的pi调节器可以以与它们用于基本谐波的方式相同的方式来使用。由于补偿调节器利用dc电平工作，因此该方法可将操作范围扩展到高达1khz左右。此外，补偿只使用了逆变器电压的4％左右，因此，即使在电场减弱区域，它也能够正常工作。本发明的电动转向装置并不限于3极电机，并且也可以应用于例如4个或5个极对电机。此外，它并不限于特定的皮带驱动动力转向辅助系统，并且通常可用于电动转向系统。

当描述上述坐标变换时，描述了从电压到电流的变换，反之亦然。但是所有这些坐标转换都可以将电压变换成电压。电流将因电路布置而产生。