用于车辆转向的控制的方法与流程

本发明涉及一种用于控制转向系统中的反馈扭矩促动器的方法，该转向系统包括所述反馈扭矩促动器和辅助促动器。

本发明还涉及一种用于控制转向系统中的反馈扭矩促动器的系统和对应装置。

背景技术：

重型车辆和农业车辆（诸如，例如牵引车）需要大的转向辅助水平。因此，现今的辅助促动器主要是液压辅助驱动的（因为液压具有高功率密度的事实）。那意味着，如果一个人为了诸如例如车道保持辅助（lka）功能想要比标准的液压辅助阀产生的可控性更大的可控性，可能在液压促动器上添加电气辅助促动器。

这意味着，当现今的客车仅需要电气辅助促动器时，将存在两个辅助促动器，以用于解决全部控制问题（例如用于lka的可控性和动力辅助两者）。具有串联的两个辅助促动器意味着通常需要使用串联的两个扭力杆（用于测量扭矩柱），这造成的事实是，相比于仅一个扭力杆，柱刚度变为其刚度的大约一半。因为驾驶员在车辆开始转动之前将不得不扭转柱，所以弱的柱在控制上给予差的响应。似乎这是不够的，扭矩传感器是昂贵的。

带有动力辅助的一组完全不同的问题是辅助和扰动的矛盾。如果存在高辅助，驾驶员将具有强的噪声抑制但过轻的转向，这将给予糟糕的转向感。在另一个方面，具有低辅助，驾驶员将以噪声抑制为代价具有良好的扭矩积累和良好的转向感，即，驾驶员将具有遭受扭矩操纵、反冲（诸如，来自例如坑洞的力，其通常将通过转向系统传递且将转向盘“踢”开某个角度）和其他扰动（其典型地范围从来自诸如例如纵向车辙这样不平坦的道路表面的振动到由差的车轮平衡引起的振动）的转向。

用于重型车辆、建造设备和牵引车的当前技术发展水平的转向系统和转向感遭受上述问题。

为了利用较简单的系统解决具有良好反馈、良好响应和可控性（例如用于lka）的问题，我们提出一种基于以下原理的新的系统设计和新的控制方法，其包括用于反馈扭矩控制的以下方法步骤：

-借助于传感器对至少一个输入信号的测量，

-根据上述输入信号对转向角度的确定，

-转向角度的上述输入信号到目标转向盘扭矩的变换，以及

-经由闭环电流控制对所述反馈扭矩促动器的控制以获得所述目标转向盘扭矩，

且给予上述辅助促动器很高的增益，该增益造成的事实是，在此辅助促动器上的轮轴中的扭矩如此低以至于转向盘扭矩接近于上述目标转向盘扭矩，由此获得可接受的转向感。

所述方法步骤使得可能仅使用一个单扭力杆。此外，它给予驾驶员无扰动的转向反馈。

技术实现要素：

为了产生解决方案来补救上述问题，提出：

-液压促动器分派任务以具有如此高的辅助（升压曲线的高增益），使得在液压扭矩辅助促动器上的扭矩很低。目标在于移除尽可能多的外部扭矩（来自车轮力）。因此，任何扰动已在液压扭矩辅助促动器上移除。

-电气反馈扭矩促动器分派任务以产生设想的转向感。因为在反馈扭矩促动器下柱状轮轴中现在不存在扭矩（因为液压辅助促动器移除它们），所以转向感完全通过请求辅助来产生，该辅助对应于即刻需要（由于转向感的缘故）的目标转向扭矩。使用基于转向角度和车辆速度的数学模型产生转向感。现在，由于该事实可能的是，如果你基于转向角度和车辆速度知道你想要的转向扭矩，就不存在对于扭力杆的需要且不存在扭力杆扭矩传感器。你想要从数学模型获得的扭矩可通过标准的马达电流控制从电动马达直接控制。为了控制例如用于lka的转向角度，控制电气促动器的位置（相对于转向角度的目标值）。

总之，这些是本发明的优点：

-扰动消除（诸如例如扭矩操纵、反冲和其他扰动）。

-带有扭矩积累、直前位置和转向盘回正性的良好的转向感。

-高的柱刚度（由于仅一个扭力杆），由于转向盘和负重轮之间的挠曲较小从而造成较好的车辆响应。

-低成本（由于缺少一个扭力杆扭矩传感器）。

-对于转向角度控制的可控性（通过诸如例如lka的功能）。

此目的利用根据权利要求1的特征部分的用于控制车辆的转向系统的方法获得。

定义

促动器

转向反馈扭矩促动器是可用来影响转向盘扭矩或转向盘角度或转向角度的促动器。

辅助促动器是可用来作为伺服辅助使得在所述辅助促动器上的轮轴中的扭矩小于在促动器下的扭矩的促动器。通过升压曲线控制来进行伺服辅助，其中升压曲线是随所述辅助促动器上的轮轴中的扭矩而变的关于辅助的水平的非线性增益。

促动器是机械地或由ecu操作的系统或机构，且将能量源（典型地，电流、液压流体压力或气动压力）转变成运动、力或扭矩。

车辆状态

状态限定为平移或转动的位置、速度或加速度或从这些前述状态派生的状态（诸如例如车辆滑移角度，车辆滑移角度是车辆局部x轴和车辆速度矢量之间的角度）。

转向角度是转向系统中影响车辆的横向加速度或弧度的角度，其在转向系统中某处测量。这样的转向角度可为：

-前轮角度。

-铰接式车辆的铰接角度。

-在后轮转向车辆的情况下的后轮转向角度。

-在全轮转向车辆的情况下的前轮角度和后轮角度的组合。

扭力杆扭矩是通过使用传感器测量的扭矩，该传感器对在转向柱中某处安装的特定扭力杆的扭转灵敏。

转向盘扭矩是由驾驶员施加于转向盘的扭矩。此转向盘扭矩通常与扭力杆扭矩接近。

驾驶员扭矩等于转向盘扭矩。

电气结构

信号总线是其上可读取和/或传送信号的传送通道。

例如，输入信号可为由驾驶员经由转向盘施加的扭矩的测量（在转向盘和车轮之间某处测量）或从此量派生的信号。

ecu是用来读取模拟传感器信号和数字信号的电气控制单元，其可访问例如信号总线，执行任何类型的运算（诸如，例如经由发送的模拟或数字信号或通过直接控制例如来自马达控制级的电动机，执行控制任务和使促动器促动）。

控制理论

可控性描述外部输入在有限的时间间隔中将系统的内部状态从任何初始状态改变到任何其他最终状态的能力。

变换限定为使用一个或多个输入值来产生一个或多个输出值的的数学函数或查找表。

转向盘扭矩测量是在转向柱或转向盘中测量的扭矩，或是在转向齿条中测量的力乘以转向齿条和转向盘之间的扭矩比率。

频率混合是两个信号在频域中的加权和，使得信号中的一个由某个滤波器过滤且另一个由互补滤波器过滤。频率混合的示例是在两个信号中的一个上使用线性一阶低通滤波器且在另一个上使用线性一阶高通滤波器，且将两个滤波器的结果加在一起。

互补滤波器是使得互补滤波器和与它互补的滤波器的和是遍及整个频率范围的滤波器。

车辆动态

车辆模型是将负重轮角度和车辆速度变换到多个车辆偏转状态和/或车辆横向状态（即，车辆偏转率和加速度、车辆横向速度和加速度以及车身侧滑角度）的数学模型。

转向感

扭矩参考发生器是转向感控制概念，其中目标转向盘扭矩在参考发生器中计算，且然后此参考转向盘扭矩用来促动转向反馈促动器至此参考扭矩。

参考发生器子功能

横向加速度反馈扭矩是对应于车辆的横向加速度的由驾驶员感知的扭矩。

轮胎摩擦扭矩是轮胎和道路之间的摩擦或此摩擦的模型。

转向系统摩擦或摩擦扭矩是转向系统的联动装置的部分的摩擦或此摩擦的模型。

阻尼扭矩出现是由于轮胎和转向系统的阻尼或此阻尼的模型。

回正性扭矩来自转向系统的几何形状或转向系统的模型。

这些扭矩成分可与车辆速度相关。扭矩成分也可经由数学模型计算或经由车辆或转向系统中的传感器感测。

目标转向盘扭矩是横向加速度反馈扭矩、上述轮胎摩擦扭矩、摩擦扭矩、阻尼扭矩和回正性扭矩的和。

目标转向盘扭矩的部分从不同扭矩部分的数学模型计算。

横向加速度扭矩根据自行车模型计算，该自行车模型使用车辆速度和转向角度作为输入且给予横向加速度作为输出。横向加速度反馈随根据车辆模型计算的横向加速度而变。

轮胎摩擦扭矩的数学模型是角度或角速度驱动滞后的模型。轮胎的数学模型还包含松弛部分，使得在轮胎滚动时滞后的扭矩将具有松弛长度，使得滞后扭矩随着轮胎的滚动长度减小。松弛可优选地为众所周知的半衰期指数衰减函数。

轮胎摩擦的模型是滞后和松弛的组合，使得例如由于滞后扭矩的增大可与由于松弛的扭矩减小同时发生。模型的合成扭矩是两个部分的和。

摩擦扭矩的数学模型是角度或角速度驱动滞后的模型。滞后中的最大扭矩可由函数定形，使得居中的最大扭矩相比于偏心的最大扭矩是不同的。

阻尼扭矩的数学模型包括阻尼常数乘以角速度或平移速度，诸如例如在联动装置中某处测量的齿条速度，其中联动装置在负重轮和转向盘之间是机械的或液压的。阻尼常数可使得阻尼具有释放（blowoff），使得阻尼常数对于大的角速度或平移速度减小。阻尼常数可与车辆速度相关，且相比于向内侧对于向外侧转向是不同的。阻尼常数也可随转向盘扭矩或扭力杆扭矩而变。

回正性扭矩是取决于车辆速度且取决于转向盘角度或转向角度的扭矩。

附图说明

在下文中将参照优选的实施例（在附图中示意性地示出）更详细地描述本发明。我们还将在其中描述信号流且还有根据本发明的用于转向控制的基本计算步骤。

图1.带有电气和液压辅助的转向系统。

图1是转向系统（100）的示意图。在前轮轴负重轮（127）和转向辅助促动器（140）之间存在联动装置。联动装置包括经由小齿轮（122）连接至转向辅助促动器（140）的带有相关联的拉杆（125）的转向齿条（124）。转向辅助促动器包括液压辅助的转向齿条（或在牵引车或建造设备中的orbitrol阀或基于转向臂的转向系统的情况下的类似物）。转向柱包括带有扭矩传感器的扭力杆（128），扭矩传感器用于测量辅助促动器上的转向扭矩。反馈扭矩由包括辅助马达和ecu的转向反馈促动器（130）促动。驾驶员在转向盘（120）中施加驾驶员扭矩td。在转向反馈促动器（130）和转向辅助促动器（140）之间存在柱状轮轴（135）。

具体实施方式

用于控制转向系统（100）中的反馈扭矩促动器（130）的本发明基于的事实是：它包括用于辅助促动器控制的一系列步骤和用于反馈扭矩控制的一系列步骤。

在此实施例中，辅助促动器（140，见第5页）包括以下步骤：

1.当前实施例的一个很重要的方面是这样的事实：给予辅助促动器很高的增益，该增益造成的事实是在此辅助促动器上的柱状轮轴（135）中的扭矩将变得很低。在很高的增益（或陡的升压曲线）的情况下，辅助将是高的，且利用高辅助，辅助促动器上所得到的扭矩将很低。

在此实施例中，反馈扭矩促动器（130，见第5页）包括以下步骤：

1.借助于传感器对至少一个输入信号的测量。优选地需要以下信号：

从通过使用标准的车轮速度传感器（所谓的abs传感器）或驱动轴速度传感器获得的信息计算车辆速度。在车轮速度传感器的情况下，车辆速度可从非驱动轴的车轮的速度计算作为平均值，或在全轮驱动的情况下，需要更先进但对于本领域中技术人员众所周知的方法。在驱动轴速度传感器的情况下，车辆速度简单地是驱动轴速度乘以驱动轴和车轮速度之间的比率。在使用相比于轮胎至道路的摩擦可取得的动力更多动力的情况下，这样的基于驱动轴速度的车辆速度应当补偿车轮自旋。

转向角度通过使用位于转向柱中某处的角度传感器来测量，或如果位于转向系统中的别处，它应当通过使用传感器位置和柱之间的比率转变到转向柱坐标系统。

2.通过使用前述传感器，计算转向角度和车辆速度。

3.在本发明的第三步骤中，转向角度和车辆速度用来获得目标转向盘扭矩。如在附图说明之前限定的那样，目标转向盘扭矩使用数学模型计算。

作为根据本发明的方法的示例，目标转向盘扭矩包括以下扭矩成分中的一个或多个：横向加速度反馈扭矩、转向系统摩擦扭矩、轮胎摩擦扭矩、阻尼扭矩和转向盘自对准扭矩。

4.经由闭环电流控制对所述反馈扭矩促动器的控制来获得所述目标转向盘扭矩。这里，首先将目标转向盘扭矩变换到目标马达电流，且将此目标马达电流与测量的马达电流比较，其中两者之间的差异将形成控制误差。然后使用控制器最大限度地减小此控制误差，以获得目标电流且因此获得目标转向盘扭矩。

这样，在没有任何扰动的情况下获得目标转向盘扭矩。由于仅使用一个扭力杆的事实，转向柱也将是刚性的。且最终，系统的复杂性将是低的，且因此成本将低于通常情况。

轮胎摩擦扭矩考虑到车轮角度、车轮角度历史、车辆位置和车辆速度，其在低车辆速度的情况下是重要的，因为轮胎接触相比于高速下轮胎的扭转变化得更快。转向系统摩擦扭矩考虑到这样的事实：转向系统需要具有用于使驾驶员能够停顿的一定的摩擦，使得整个转向扭矩不一定由驾驶员给予。还需要一定的滞后，使得不感觉汽车是“摇晃的”或“难控制的”。阻尼扭矩提供转向角度且因此车辆响应的重要阻尼。在驱动直前时和在转弯时向外侧或向内侧的不同阻尼可为优选的，使得阻尼将匹配扭矩水平和梯度。转向盘自对准扭矩意味着转向盘在如此低以至不存在偏转和/或横向车辆状态反馈的速度下也回到直向前的位置。转向盘自对准扭矩可为插值表或软件函数。

作为根据本发明的方法的示例，目标转向盘扭矩随以下变量中的一个或多个而变：车辆速度、转向角度、转向角速度和/或转向角加速度。

这样，如果车辆状态发生期望的变化，可评估包括在目标转向盘扭矩中的参数。

在本发明的第二实施例中，移除前述辅助促动器。在另一个方面，为了在柱状轮轴中获得尽可能低的扭矩，转向系统的前轮悬架布置成使得转向力尽可能低。这通过使用零后倾角或负的后倾角来完成，使得车轮的侧力不造成任何转向系统力。

转向感以与第一实施例中相同的方式获得。

在第三实施例中，用于获得柱状轮轴（135）中的低扭矩的前述（从第一实施例和第二实施例两者）的方法以以下方式补偿。如果辅助促动器增益不够大或后倾角不可能设置成如需要的那样低，柱状轮轴扭矩将从零偏离。为了最大限度地减小此偏离的效果，在此实施例中介绍补偿扭矩。此补偿扭矩通过使用数学模型计算，该数学模型带有与用于目标转向盘扭矩的模型相同的分量。因此，横向加速度引起的扭矩偏离、摩擦引起的扭矩偏离、阻尼引起的扭矩偏离以及回正性引起的扭矩偏离将被补偿。通过使用此补偿扭矩，在没有任何扰动的情况下获得目标转向盘扭矩。由于仅使用一个扭力杆的事实，转向柱也将是刚性的。且最终，系统的复杂性将是低的，且因此成本将低于通常情况。

在第四实施例中，辅助促动器可使得连接和辅助促动器经由流体获得。这里随后是这种类型的辅助促动器的列表：

-在orbitrol阀的情况下，在转向部件和转向盘之间不存在直接的机械连接，

-在电气或机械促动的液压阀的情况下，诸如例如3/3比率阀的组合或4/3比率阀。

-或获得与上文描述的两个示例相同结果的其他阀组合。

辅助促动器的所有这些示例可与实施例一和实施例三组合建立全套组合实施例。

在第五实施例中，转向角度可以以若干方式计算，其中它们全都具有这样的共同点：它们包括在转向系统中某处可用来影响车辆的横向加速度或弧度的角度。这样的转向角度可为：

-铰接式车辆的铰接角度。

-在后轮转向车辆的情况下的后轮转向角度。

-在全轮转向车辆的情况下的前轮角度和后轮角度的组合。

-在实施例四中描述的辅助促动器的情况下的前轮角度。

转向角度的所有这些示例可与实施例一、实施例三和实施例四组合建立全套组合实施例。

从结合附图考虑的详细描述，本发明的还有其它的目标和特征将显而易见。然而，应理解的是，附图仅设计成用于说明的目的且不作为本发明的限制的限定（对于本发明的限制的限定应当在总体上参照所附权利要求和说明书）。还应当理解的是，附图不一定按比率绘制，且除非另外指示，附图仅意在概念上示出这里描述的结构和过程。