电力转向系统的制作方法

本发明涉及如下类型的电力转向系统，其中电动马达被适配为向转向部件(比如转向柱)施加辅助转矩，以便减小控制车辆所需的驾驶员努力。

背景技术：

在典型的电力转向系统中，设置有转矩传感器，该转矩传感器被布置成使得对转向柱中的转矩水平加以测量。根据这个测量，控制器计算转矩需求信号的值，该转矩需求信号的值指示要由附接至转向柱的电动马达产生的转矩。马达向柱施加与驾驶员所需要的转矩方向(sense)相同的转矩，并且因此减小使方向盘转动所需的努力。

可以通过助力曲线来设定转向柱转矩与辅助转矩之间的关系。该助力曲线是柱转矩与辅助转矩之间的映射，其中，对于给定的输入转矩，定义乘数值，该乘数值确定输入信号所乘以的量。为了施加助力，对于给定的输入转矩，乘数的值将不会是单位值1.0。例如，如果乘数为2.0，则输出辅助转矩将为测得的转矩的两倍；如果乘数为0.5，则输出辅助转矩将为测得的柱转矩的一半。替代于乘数，还可以使用查找表或以任何其他方便的方式来限定输入转矩与辅助转矩之间的关系。助力曲线于是将被硬编码到查找表中。

车辆制造商要求转向系统的摩擦水平低。对此原因是高水平的转向系统摩擦对驾驶员对转向系统的改进的感知具有负面的影响。经验丰富的驾驶员将报告的是，摩擦小的转向系统对轮胎与道路之间的接触提供了清晰、精确的反馈；而摩擦大的转向系统对轮胎与道路之间的接触提供了模糊的反馈。车辆制造商进一步要求对摩擦水平加以控制：零件间地、在操作温度和湿度范围内地、并且在车辆寿命期间地加以控制。

车辆制造商还要求转向系统具有良好的嘎嘎声表现，例如当被粗糙的道路表面输入激励时。在电力转向系统中，例如，在将马达连接至转向柱的齿轮箱内可能出现嘎嘎声。摩擦和嘎嘎声要求引起机械设计的折衷：低摩擦设计将具有一些自由游隙，这些自由游隙导致嘎嘎声；低嘎嘎声设计将不具有自由游隙，从而导致高摩擦。通常，试图满足这两个要求的设计将利用：严密的制造公差、先进的材料选择、以及先进的润滑剂(油脂)选择。

存在有几种不同形式的不希望的摩擦，这些摩擦形式之一是静态阻力或静摩擦。静态阻力或静摩擦是在当转向系统中的两个或更多个零件未相对于彼此移动时存在于它们之间的力，并且如果这两个或更多个零件要移动的话就必须克服该力。在转向系统的情况下，当驾驶员试图从静止位置开始使方向盘转动时，或者在改变方向盘正被转动的方向时，静态阻力或静摩擦对于驾驶员变得明显。

已知提供一种电力辅助转向设备，其中，对转向施加摩擦补偿转矩以补偿静摩擦和动摩擦二者。该设备基于在转向设备的设计或调试期间对转向机构中存在的静摩擦水平进行的假设来产生摩擦补偿转矩。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种操作转向设备的方法，该转向设备提供了改善的转向感觉，其中，至少部分地克服了静摩擦和动摩擦的影响，并且目的是提供一种改善的转向设备。

根据第一方面，本发明提供了一种如下类型的电力转向设备，所述电力转向设备包括：

转向机构，所述转向机构将方向盘可操作地连接至所述车辆的行走车轮；

电动马达，所述电动马达可操作地连接至所述转向机构；

转矩信号发生器，所述转矩信号发生器被适配为产生指示所述转向机构的一部分所承载的转矩的柱转矩信号；

柱角位置信号发生器，所述柱角位置信号发生器用于产生指示所述方向盘或转向柱的角位置的柱角度信号；以及

信号处理单元，所述信号处理单元被适配为接收所述柱转矩信号和所述柱角度信号，并且从中产生表示要由所述马达向所述转向机构施加的转矩的转矩需求信号，其中，所述信号处理单元包括：

第一信号处理电路，所述第一信号处理电路接收取决于所述柱转矩信号的输入信号、并且输出辅助转矩信号，所述第一信号处理电路的输入与输出之间的关系由助力曲线限定；

第二信号处理电路，所述第二信号处理电路产生摩擦补偿转矩信号，所述摩擦补偿转矩信号的值是从对所述柱转矩信号和所述柱角度信号随时间的观察中推导出的；以及

转矩需求信号发生电路，所述转矩需求信号发生电路被适配为根据所述摩擦补偿转矩信号和所述辅助转矩信号二者来产生转矩需求信号；并且

其中，所述摩擦补偿转矩信号至少部分地辅助所述驾驶员克服所述转向机构中的静摩擦和/或动摩擦的影响；

所述设备进一步包括：

摩擦估计器，所述摩擦估计器产生对所述转向机构中的静摩擦的估计；并且

其中，所述第二信号处理电路产生的所述摩擦补偿转矩信号根据所述摩擦估计被适配。

通过根据估计的摩擦来适配摩擦补偿转矩信号，该设备可以动态地补偿在该设备的使用期间以及随时间的摩擦变化。

所述第二信号处理电路通过产生无量纲的摩擦补偿因子并且将该因子乘以摩擦补偿转矩水平可以产生所述摩擦补偿转矩信号，所述摩擦补偿转矩水平是根据所估计的摩擦而被适配的。

因此，第二信号处理电路可以应用经适配的增益水平作为用于适配摩擦补偿转矩信号的机构，从而分别随着增益的增大或减小而增大或减小补偿转矩。

所述摩擦补偿因子的值可以在+1到-1的范围内，并且可以在一种布置中使用以下形式的方程被确定：

摩擦补偿因子＝x*累积柱角度+y*累积柱转矩

其中，x和y自身是缩放因子。

所述第二信号处理电路可以产生摩擦补偿因子，所述摩擦补偿因子包括从对所述柱转矩信号随时间的观察中推导出的第一分量以及从对所述柱角度信号随时间的观察中推导出的第二分量。

所述两个分量可以彼此独立，使得一个分量的值独立于另一个分量的值。

第二信号处理电路可以被适配为根据两个独立分量的总和来产生摩擦补偿转矩信号。这确保了即使分量值之一保持为零，静摩擦补偿转矩信号也可以变化。例如，如果观察到转矩在转向移动之前增大，则一些补偿将逐步引入。将显而易见的是，这有助于通过帮助驾驶员克服需要以其他方式克服静摩擦所需的转矩来减轻系统中的静摩擦的影响。

当然，第二信号处理电路一起观察柱转矩信号和柱角度信号二者以产生静摩擦补偿信号而不产生两个单独的分量也在本发明的范围内。但是从构思上说，就作为两个独立分量的结果的信号而言来考虑本发明是最简单的。

通过观察所述转向柱的一部分的转矩根据柱角度的变化可以形成所述摩擦估计。

仅当车辆和转向系统基本条件合适时，摩擦估计才可以更新。

摩擦估计器可以被配置为在每次转向系统改变方向时产生对转向系统摩擦的估计。

用于摩擦估计的车辆和转向基本系统条件、以及所得的转向数据测试可以满足以下标准中的一个或多个，以确保仅当条件适当时才能进行估计：

该设备可以包括存储估计的摩擦值的存储器。

摩擦估计器可以包括摩擦估计管理器，所述摩擦估计管理器产生指示所估计的摩擦值的置信度的置信度值。

摩擦估计器通过将固定摩擦补偿转矩水平与适配摩擦补偿转矩水平混合可以产生摩擦补偿转矩水平，其中，所述固定摩擦补偿转矩水平表示固定值，而所述适配摩擦补偿转矩水平是所述摩擦估计的函数。

摩擦估计器可以确定所述两个水平混合的比率，所述比率是摩擦估计的置信度值的函数。

摩擦估计器可以将两个水平混合，使得当所述估计中几乎没有置信度或没有置信度时，所述混合完全或主要由所述固定摩擦补偿转矩水平构成。

当摩擦估计的置信度超过置信度的阈值水平时，例如80％或更高的置信度，混合可以产生摩擦补偿转矩水平，所述摩擦补偿转矩水平主要或仅根据适配摩擦补偿转矩水平而变。

摩擦估计管理器可以产生两个与所述摩擦估计相关联的置信值，一个是长期置信度值，所述长期置信度值指示在第一时间段内所述摩擦估计的置信度水平，另一个是短期置信度值，所述短期置信度值指示在较短的第二时间段内所述摩擦估计的置信度水平，所述短期置信度值是根据一个或多个最近的摩擦估计产生的，而所述长期置信度值是取决于其中权重是可调参数的短期置信度值的值而设定的。

摩擦估计管理器可以产生长期置信度值，每当在该时间段内没有更新短期置信度值，长期置信度值就会在一段时间内随时间从高置信度值衰减到低置信度值。

在没有任何更新的摩擦估计的情况下，摩擦估计管理器可以使长期置信度朝向0％衰减，并且在没有更新的摩擦估计的情况下，使短期估计值朝向长期估计值衰减。

可替代地，在权重是可调参数的情况下，摩擦估计管理器可以使短期置信度值朝向长期置信度的加权版本衰减。

设定混合时，可以使用短期置信度值。

在转向设备与正被驾驶的车辆一起使用时，摩擦估计管理器可以使用第一策略来更新一个或多个置信度估计值，而在停放车辆并且转向设备未活动时，摩擦估计管理器可以使用第二策略来更新一个或多个置信度估计值。可以通过车辆点火被打开来识别在使用中，并且可以通过车辆点火被关闭来识别停车。

在系统中留一些摩擦可能是有益的，以便不完全补偿，以获得更自然的转向感。第二处理器件可以根据目标摩擦和估计摩擦两者设定第二信号处理电路产生的摩擦补偿转矩信号。

第二处理器件可以根据目标摩擦与估计摩擦之间的差异来适配摩擦补偿转矩信号。设备可以将摩擦补偿转矩分量与固定摩擦补偿转矩分量混合。

本发明的一个关键方面是使用实际摩擦估计，这样可以洞悉系统中的摩擦随时间的变化以及对这些估计中的置信度进行管理。

转矩需求信号发生电路可以被布置为通过将摩擦补偿转矩信号与辅助转矩信号求和来产生转矩需求信号。

为了确保摩擦补偿转矩信号在直线行驶时和弯道行驶时均对转向方向的所有变化做出反应，并且为了确保该反应与柱转矩的变化成比例，第二信号处理电路可以被布置为以与驾驶信号的变化成比例的方式来改变第一分量和第二分量中的每一个分量。因此，第一分量和第二分量可以以与时间无关的、而是仅与基本驱动信号有关的方式改变。驾驶信号指的是柱转矩信号或柱角度信号。

因此，第一分量可以取决于累积柱转矩信号，累积柱转矩信号具有从柱转矩信号的历史观察值中推导出的值。

同样，第二分量可以取决于累积柱角度信号，累积柱角度信号具有从柱角度信号的历史观察值中推导出的值。

第二信号处理电路可以产生的累积柱转矩信号的值在-n到+n的范围内，对于柱转矩信号的持续增大，所述值饱和于+n，对于柱转矩信号的持续减小，所述值饱和于-n，并且所述值在-n到+n的范围内呈成比例的方式，从而跟踪柱转矩信号的所有变化。n的值可以是任何正数，并且通常方便地被设定为n＝1。

只要柱转矩信号增大，第一分量的值就可以与增大的柱转矩信号成比例地增大，直到幅度达到上限+n，并且然后只要柱转矩信号不减小，第一分量的值就将保持在该上限，并且第一分量的值与减小的柱转矩信号成比例地减小，直到幅度达到下限-n，并且然后只要柱转矩信号不增大，第一分量的值就将保持在该下限。

第一分量没有复位值，只要柱转矩信号值持续一段时间保持为任意值，该第一分量就保持其最后值。

第二分量也可以以相同的方式改变，但是根据柱角位置信号而不是柱转矩信号的累积变化而变化。

因此，第二分量的值可以在下限-m与上限+m之间的范围内，所述值与增大的柱位置成比例地增大，直到幅度达到所述上限+m，并且只要柱位置信号不减小，所述值就保持在该上限，并且所述值与减小的柱位置成比例地减小，直到幅度达到所述下限，然后只要柱位置不增大，所述值就将保持在该下限，第二分量的值没有复位值，并且在所述柱停止旋转时保持最后值。m的值可以是任何正数，并且通常方便地设定为m＝1。

申请人已经意识到，成比例响应是最优选的，因为成比例响应使得能够以对驾驶员的打扰最小的方式引入静摩擦补偿值。摩擦补偿因子的响应与驾驶信号的改变成比例。

在一种方便的布置中，第二信号处理电路可以被布置为通过产生缩放差异以及其后的有限积分器来产生两个分量中的每个分量。可以通过观察驾驶信号(转矩或柱角度)的后续时间采样之间的差异，然后通过对该差异缩放1/极限倍以形成信号“缩放δ”(即，输入信号的微分以及其后的缩放)来形成缩放差异。有限积分器可以对信号“缩放δ”进行累积求和，从而将求和限制在-n至+n或-m至+m的范围内，以给出所需的在这些极限的饱和。所需分量是有限积分器的输出。可以选择缩放，使得所得积分具有范围+/-1，但也可以不缩放，并且得到+/-极限的范围。在本发明的范围内其他变型是可能的。

所述两个分量中的每个分量的上限和下限，+/-m和+/-n，可以被设定为等于+1和-1，并且第二信号处理电路可以被布置为将两个分量与一些额外的缩放进行组合，以给出也在+1到-1的范围内的摩擦补偿因子，如上所述，在一种布置中，所述摩擦补偿因子可以使用以下形式的等式确定：

摩擦补偿因子＝x*累积柱角度+y*累积柱转矩

其中，x和y是缩放因子。

最方便地将这些缩放因子都设置在0.0到1.0范围内，并且使得x+y＝1，尽管给予它们基本相等的权重0.5可能是优选的，使得在将n和m被设定为1并且x+y＝1的情况下，该函数将给出在+1至-1范围内的摩擦补偿因子。因此，补偿因子是两个独立分量的总和。这些独立分量的总和产生了摩擦补偿因子(并且因此产生了转矩)，该摩擦补偿因子抢先执行每个和每次转向操纵(因为驾驶员需要向方向盘施加转矩以便使转向系统开始旋转)。为了有效地补偿转向系统摩擦的负面影响，重要的是在驾驶员执行操纵时施加摩擦补偿转矩。相比之下，仅基于柱转矩的摩擦补偿转矩将倾向于过早施加，而基于柱角度的摩擦补偿转矩将倾向于过晚施加。

第一信号处理单元可以使用助力曲线，该助力曲线包括期望的辅助转矩相对于输入信号值的映射，增益随着输入信号值的增大而线性或非线性地增大。设备产生的辅助转矩将是从助力曲线输出的值，或者是加上施加至助力曲线的输出的任何附加偏移转矩的值。当然，可以对信号进行进一步的处理以实现最终辅助转矩值。

设备可以包括电子存储器区域，该电子存储器区域中存储限定缩放因子或助力曲线的函数、和/或任何查找表。第一分量和第二分量中的每个分量的上限n和下限m以及摩擦补偿因子图(或相关参数x和y)可以是固定的，或者可以随时间变化。它们可以例如根据车辆速度、柱位置、或温度而变化，温度可以是转向设备的一部分的温度或环境温度。

转矩信号发生器可以包括连接至转向柱的单个转矩传感器或附接至转向柱的另一个机械部件。

信号处理单元可以通过执行存储在存储器区域中的程序指令的处理器来实现。指令可以使处理器执行许多不同的步骤或功能，这些步骤或功能限定了信号处理单元的不同子单元。然而，可以使用离散的电子部件来实现信号处理单元，比如数字逻辑门、形成每个子单元的一组逻辑门。

设备可以包括马达驱动电路，该马达驱动电路接收转矩需求信号，并且将适当的信号施加于马达驱动级，以使马达输出所需转矩。这个驱动级通常将包括桥式电路。

附图说明

现在将仅通过示例的方式，参照附图并如附图所展示地描述本发明的一个实施例，在附图中：

图1是现有技术电力辅助转向系统的示意图；

图2是表示图1的系统中的马达的闭环控制的框图；

图3是展示了由根据本发明的转向组件的实施例中的信号处理单元进行以产生转矩需求信号的功能步骤的框图；

图4是在产生摩擦补偿信号期间使用的两个分量的映射；

图5是示出了如何使用驾驶信号(可以是转矩信号或柱角度信号)来产生用于输入到图4的映射图的累积信号的框图；

图6示出了在示例性操纵期间，当驾驶员施加转矩并随后转动方向盘时，摩擦补偿因子如何在图上移动；

图7是展示了如何使用摩擦补偿因子来产生摩擦补偿信号的框图；

图8(a)示出了根据本发明的非限制的驾驶信号的实例；

图8(b)根据本发明产生的非限制的累积信号的实例；

图9示出了根据本发明的电力辅助转向系统的实施例，该电力辅助转向系统采用增强的摩擦适配和补偿方案；

图10(a)示出了非限制的转矩随时间变化的实例；

图10(b)示出了非限制的柱角度随时间变化的实例；

图10(c)展示了在反向期间由柱转矩相对于累积柱角度引起的滞后特性；

图11(a)至(c)展示了在反向期间由累积总转矩相对于累积柱角度引起的滞后特性；

图12展示了用于逆时针至顺时针(ccw-cw)反向和顺时针至逆时针(cw-ccw)反向的部分滞后曲线；以及

图13详细示出了由摩擦估计器在产生摩擦补偿转矩增益时执行的功能。

具体实施方式

在附图的图1中展示了典型的电力辅助转向系统。系统包括电动马达1，该电动马达通过(可选的)齿轮箱3作用在驱动轴2上。驱动轴2终止于蜗轮机构4，该蜗轮机构与设置在转向柱5的一部分上的轮协作，或与可操作地连接至转向柱的轴协作。例如，马达可以作用在转向系统的转向齿条上。当然，这不应被认为是对我们寻求的保护范围的限制，并且设想了可以应用本发明的其他动力辅助转向系统。例如，替代于如图所示的柱驱动系统(其中马达作用在转向柱上)，该系统可以是所谓的皮带驱动类型，其中马达直接连接至转向齿条。

转向柱5承载有转矩传感器6，该转矩传感器被适配为测量由转向柱承载的柱转矩t柱，该柱转矩由车辆的驾驶员跟随方向盘(未示出)时产生，以及因此转向柱逆着由车辆行走车轮(也未示出)提供的阻力转动时。来自转矩传感器6的输出信号(在本文中称为转矩信号)t柱被馈送至信号处理单元7的第一输入。

角位置传感器10也设置在转向柱轴上。如图1所示，该角位置传感器联接至转矩传感器6，因为该角位置传感器通过监测转矩传感器输出的信号来对位置进行测量。该角位置传感器产生指示转向柱的角位置q柱的输出信号，在本文中称为柱位置信号。来自位置传感器的输出q柱被馈送至信号处理单元7的第二输入。该信号处理单元可以包括电子处理器单元或其他电子电路系统。

信号处理单元7作用于两个输入信号，以产生转矩需求信号8作为该信号处理单元的输出，该转矩需求信号传递至马达控制器9。马达控制器9将转矩需求信号8转换为用于电动马达1的驱动电流。为了产生这个需求信号，处理单元包括多个子电路，这些子电路中的每一个子电路均执行单个处理步骤或一组特定的步骤。

转矩需求信号8的值与要由电动马达1向转向柱施加的辅助转矩的量相对应。该值将从与马达的一个方向上的最大输出转矩相对应的最小值，经过当要求信号为零时的零转矩，变化到相反方向的最大马达转矩。

马达控制器9接收转矩需求信号作为其输入，并且产生电流，电流被馈送至马达，以在马达驱动轴2处再产生所期望的转矩。正是向转向柱轴5施加的这个辅助转矩减小了驾驶员使方向盘转动所需的努力。这形成如图2所示的控制闭环。

转矩需求信号8由至少两部分构成。第一部分是辅助转矩t辅助，辅助转矩取决于驾驶员通过方向盘向转向柱施加的转矩的量，该转矩的量根据转矩信号t柱的值确定。第二部分是(可选的)阻尼转矩要求，阻尼转矩要求是为了改善转向感并且/或者增强系统的安全性而提供的。此外，可以使用其他转矩需求信号，例如以帮助抵消侧风对车辆的影响，侧风可能导致车辆偏离预期的路线。

如上所述，根据由转矩传感器6测量的转向柱中的转矩推导出辅助转矩信号。测得的转矩与辅助信号之间的关系基本上是线性的。然而，可以使用其他可能的关系将转矩映射到辅助信号。如本领域中众所周知的，输入与输出之间的关系限定了助力曲线。随着测得的转矩增大，辅助信号的幅度通常会增大。还将理解的是，辅助转矩信号可能取决于其他参数，比如车辆速度(如果需要)和转向柱位置。在那种情况下，通常在高速时减小辅助转矩信号的值以增强稳定性，而在极低速时增大辅助转矩信号的值以使停车操纵变得容易。

图3示意性地示出了根据本发明实施例的设备的信号处理单元的更多细节。如可以看出的，信号处理单元7包括第一信号处理电路12，该第一信号处理电路将助力曲线施加至输入信号，该输入信号为柱转矩的函数。这个助力曲线的输出限定了辅助转矩。另外，该信号处理单元还包括第二信号处理电路13，该第二信号处理电路在这个示例中与第一信号处理电路12并联。第二电路接收柱转矩信号t柱作为输入、并且在某些车辆操作情况下产生修改转矩需求信号的附加信号。如将在下文中解释的，这种修改的目的是引入附加的转矩分量，该附加的转矩分量至少部分地抵消系统中的摩擦的任何影响。显著地，本发明的提案能够减小由于系统中的静摩擦而引起的负面感觉。

第二信号处理电路13用于在限定的情况下施加转矩需求信号。这些情况是：驾驶员施加的转矩正在增大或减小，并且作为独立因素，转向柱正在沿一个方向或另一个方向移动而不是静止。特别地，附加转矩量以成比例的方式逐渐增大或逐步引入，直到达到极限值，类似地，当驾驶员沿相反的方向施加转矩或使旋转反向时，附加转矩量逐步引出。重要的是，附加转矩将在两个条件中的仅一个条件得到满足时逐步引入，使得当引入驾驶员施加的转矩时，甚至在柱开始移动之前，附加转矩也会开始逐步增大。在这方面，可以认为转矩和柱角度对补偿信号的值具有独立的影响。

申请人已经意识到，可以通过观察驾驶员施加的转矩来“预测”转向将要从静止移动到旋转，并且从此开始向转矩需求信号引入分量，该分量抵消掉驾驶员由于系统中的静摩擦而将必须以其他方式克服的任何阻抗转矩。当转向确实开始移动时，通过进一步将这个分量与附加量加以组合，可以实现非常好的转向感，并且驾驶员对转向系统中的任何静摩擦几乎没有感觉。

驾驶员对转向系统摩擦的负面感知产生于以下两个情况：当驾驶员试图从非旋转的转向状态开始转向时，以及当驾驶员试图改变转向系统的旋转方向时。

为了引入这个附加分量，第二信号处理电路独立地观察或监测转矩信号t柱和位置信号q柱。当第二信号处理电路观察到转矩信号和位置信号中任一个信号正在增大或减小时，附加分量将逐步引入，如果继续满足条件则直到该附加分量达到极限值为止，或者直到该附加分量再次逐步引出为止。

要添加的附加摩擦补偿转矩信号的值由从柱转矩推导出的、被称为累积柱转矩的信号与从柱角度信号推导出的、被称为累积柱角度的信号之间的映射限定，该附加摩擦补偿信号的值提供了摩擦补偿因子，该摩擦补偿因子进而乘以摩擦补偿转矩水平。图4示出了示例性映射。当然，在本发明的范围内其他映射是可能的。图7示出了如何将摩擦补偿转矩水平施加至该图以产生最终的摩擦补偿转矩值。注意的是，在这个实施例中，图7的功能全部由第二信号处理电路13实现。

可以看出的是，该映射基于两个分量部分，每个分量部分的值是独立的，其中第一分量部分取决于对柱转矩信号的观察，并且第二分量部分基于对柱位置信号的观察。

通常，柱角度分量的范围将被选择为使得从零到上限或下限的完全过渡在0.1度到1.0度的柱移动内发生。相似地，柱转矩信号分量的范围将被选择为使得从零到上限或下限的完全过渡在转矩信号改变0.1nm到1.0nm时发生。

图5示出了用于产生构成摩擦补偿转矩信号的两个分量的一种具体实现方法。对于柱转矩分量，这个实施例中的实现方式由缩放差异以及其后的有限积分器构成。缩放差异形成驾驶信号的后续时间采样之间的差异，并且对该差异进行缩放1/极限倍，以形成信号“缩放δ”。“极限”是上/下转矩的幅度值。有限积分器对信号“缩放δ”进行累积求和，从而将求和限制在-1至+1的范围内。因此，第一分量将取在-1到+1的范围内的值，随着驾驶员施加的转矩的持续增大或减小而饱和于上限或下限。

第二分量以完全相同的方法产生，但是是基于柱位置。

图8(a)和图8(b)示出了示例性驾驶信号以及将产生的对应的累积信号，该驾驶信号可以是柱转矩信号或柱角度信号。可以清楚地看到极限处的饱和，以及对驾驶信号的小变化的跟踪。

然后这两个分量相加在一起，最方便的是通过一些附加的缩放，从而如下给出也在+1到-1范围内的摩擦补偿因子：

摩擦补偿因子＝0.5*累积柱角度+0.5*累积柱转矩

0.5的项确保实现所需的+1到-1的输出范围。当然，可以使用其他项，并且如果需要，可以对两个分量赋予不相等的权重。

应注意的是，这是图4所示的图(倾斜平面)的数学表达式。改变权重会改变倾斜平面的斜度。更复杂的形状是可能的，但这需要查找表或更复杂的方程。

然后，这个摩擦补偿因子可以乘以摩擦补偿转矩水平，该摩擦补偿转矩水平通常与可以存储在设备的存储器中的预限定的摩擦值相对应，以给出转矩值。例如，摩擦值通常为2nm至3nm，表示驾驶员为了克服系统中固有的摩擦以使方向盘转动而必须简单地施加的转矩，因此可以施加2nm至3nm的增益因子来抵消这个固有的摩擦。

图6示出了针对从逆时针方向到顺时针方向的转向旋转的变化，图上“累积柱转矩”和“累积柱角度”的典型轨迹。驾驶员通过增大柱转矩(第一箭头)来开始方向改变，累积柱转矩信号从-1朝向0增大，摩擦补偿转矩因子从-1增大到-0.5，以支持预期的旋转方向变化。转向系统旋转方向开始改变(第2箭头)，柱角度开始增大，累积柱角度开始从-1向+1增大，同时柱累积柱转矩进一步从0增大到1，摩擦补偿转矩从-0.5增大到+1，从而反映了转向方向变化的确认。

对于转向摩擦水平固定并且不会改变(零件间地，随着温度、湿度、以及年限)的转向系统设计；上述固定摩擦补偿就足够了。对于确实发生这些变化的转向系统设计，摩擦补偿量的一些变化可能是有益的。

申请人已经意识到，可以通过根据转向机构中的实际摩擦改变摩擦补偿转矩增益的值，而容易地适配补偿。这引入了一种使上述摩擦补偿转矩值适应转向系统的摩擦的变化的新颖方式，该变化由于变化(比如零件间、温度、湿度、以及年限)引起。结果是，驾驶员对转向系统的感知是：无论基本机械转向系统的条件如何，转向系统的摩擦始终小。

在下文将描述的本发明范围内的实施例中，通过向转向设备添加进一步的特征来动态地改变图7中的“摩擦补偿转矩增益”而实现适配。在所描述的示例中，系统产生两个不同的“柱转矩”信号。“上柱转矩”是由转矩传感器测量的转矩，该转矩传感器对驾驶员向方向盘施加的转矩敏感。“总下柱转矩”是由驾驶员和电力转向马达二者施加的总转矩，并且是转向系统所受到的总负载(包括摩擦)的量度。补偿使用“上柱转矩”，因为其最适合提供驾驶员转向位置变化的提前信息。估计使用“总下柱转矩”，因为其最适合测量转向系统摩擦。

如图9所示，除了图3的实施例的所有功能之外，设备包括摩擦估计器20，该摩擦估计器将柱2的总下柱转矩和角度作为输入，根据对转向系统摩擦的这种估计产生经适配的摩擦补偿转矩水平并输出该摩擦补偿转矩水平。“适配”是指系统使用中的值随时间变化，以反映系统中的摩擦变化。因为驾驶员仅注意到一小类别的转向操纵的转向系统摩擦，主要是在车辆以合理速度移动时绕中心的小而缓慢的转向输入，图9的摩擦估计器可以集中于针对相同类别的转向操纵仅估计实际转向系统摩擦。这意味着驾驶员(有意或无意)为“感受到”转向系统摩擦水平而进行的任何尝试，产生新的转向系统摩擦信息可用于适配机构，从而使适当水平的摩擦补偿被施加，使得驾驶员“感受到”转向系统摩擦被调节到目标水平。

尽管该设备的确确保了任何感受到转向系统摩擦的尝试，的确产生调节转向系统摩擦的趋势，但在车辆已经长时间停放、或以不允许进行适配的方式操作的情况下(例如，低速驾驶或明显偏离中心驾驶)，存在的风险是转向系统摩擦的累积知识可能会过时。这将意味着，如果车辆随后以感受到摩擦的方式行驶，则将会出现短暂的行为，其中施加不适当水平的摩擦补偿(太多或太少)，直到适配对新的摩擦条件作出响应。

摩擦估计器20包括产生摩擦估计值的估计块21、以及将置信度值应用于摩擦估计的摩擦估计管理器22。置信度值和估计值与固定的摩擦补偿水平一起处理，以产生摩擦补偿转矩增益。

估计管理器22将置信度值(例如0％到100％)附加至转向系统摩擦估计。在车辆已经以产生新的转向系统摩擦信息的方式被驾驶一段时间的情况下，则从最近的摩擦估计中，我们可以合理地预期转向系统摩擦估计将是准确的，并且置信度高。在车辆已经以不产生新的转向系统摩擦信息的方式被驾驶一段时间的情况下，我们不能再预期转向系统摩擦估计将是准确的，并且置信度将是低的。

当车辆停放一段时间，并且由于车辆转向设备未活动(关掉)而无法获得摩擦估计值时，转向系统摩擦估计值的置信度取决于车辆停放时间的长度。如果停放时间短(几分钟)，则我们可以合理地预期在停放时间段结束时的转向系统摩擦与停放时间段开始时的转向系统摩擦相当。如果停放时间很长(几小时)，则我们不能再预期在停放时间段结束时的转向系统摩擦与停放时间段开始时的转向系统摩擦相当。

在没有新的转向系统摩擦估计值的情况下，历史数据(来自同一转向系统)可以提供关于特定转向系统的摩擦水平的预期。为此，本发明保持对转向系统的短期和长期摩擦估计。

根据置信度对计算出的摩擦补偿转矩增益进行调制，使得高置信度估计值的应用具有完全转矩授权，而低置信度估计值的应用具有低转矩授权。该方法通过确保仅完全授权作用于高置信度估计值，避免了不正确的摩擦补偿水平的施加。在特定转向系统上没有任何摩擦信息的情况下，我们仍可能想要施加一定水平的摩擦补偿，以校正整个零件族具有过大摩擦的已知趋势。

图9的设备包括摩擦估计块21。在这个示例中，每次转向系统改变方向时，摩擦估计块21都产生对转向系统摩擦的估计。通过观察转向机构的转向轴所承载的总转矩随柱角度的变化，可以形成摩擦估计。仅当车辆和转向系统基本条件合适时，估计器才可以更新。图9的所描述实施例的特征在于，转向系统摩擦估计的适合条件也适合于转向系统摩擦评估。

用于摩擦估计的车辆和转向系统基本条件以及所得的转向数据测试可以是上述表1中列出的条件。

应注意的是，由于用于反向的转向轴角行程是固定的；并且要求在整个转向反向期间，以一致的方式改变下柱角度；反向时间限制和下柱速度限制引起对柱速度与柱加速度二者的有效限制。

摩擦估计器的目的是估计总转矩相对于转向轴角度的滞后。图10示出了在转向方向反转期间轴角度相对于轴转矩的典型行为。cw-ccw转向反向的特征是，角度增大变为角度减小；并且总转矩增大变为转矩减小。通常，转矩的变化引起角度的变化(由于转向机构的惯性)。转矩相对于角度的图揭示了具有特征斜度的滞后特性。通常，斜度随速度增大；并且是由于为了抵抗通过转向横拉杆和转向齿轮传递到转向柱轴的轮胎侧向力的分量而需要的转向转矩引起的。

估计上图中的滞后的一种简单且稳健的方法是考虑在转向方向反转期间累积轴角度和累积轴转矩信号的行为。在前述发明中描述了累积信号的形成。图11示出了这种行为。各种滞后特性塌陷折叠为单个滞后特性。

图11示出了由累积总转矩相对于累积柱角度引起的滞后特性，并且图12示出了顺时针到逆时针(cw-ccw)反向和逆时针到顺时针(ccw-cw)反向的部分滞后曲线。cw-ccw转向反向开始于累积下柱角度离开上限的点，并且结束于当累积下柱角度达到其下限的点。同样，ccw-cw转向反向开始于累积角度离开下限的点，并且结束于当累积角度达到其上限的点。在这两种情况下，摩擦估计都是累积总转矩距指示的“零摩擦”线(特征斜度)的平均距离。

通常，累积角度信号的范围由期望在其内执行摩擦估计的角度范围确定。较小的范围意味着要考虑更多的转向反向，但每次反向只考虑少量数据点；较大的范围意味着要考虑更少的转向反向，但每次反向要考虑大量数据点。通常会发现折衷方案。累积总转矩信号的最佳范围是确保累积总转矩信号在累积角度也达到其极限值的点处达到其极限值的范围。

最佳范围可以被示出作为以下的函数：摩擦、角度范围、斜度和净空(考虑噪音)。由于最佳范围取决于设备寻求估计的值，因此有必要反馈回估计的值(来自较早的操纵)，以确定稍后操纵的适当范围。可以显示该过程是收敛的：如果初始估计值过高，则后续估计值将降低，并且推动整体估计器(包括反馈)达到正确值；同样，如果初始估计值过低，则后续估计值将变高，并且将再次推动整体估计器(包括反馈)达到正确值。

可以将可选的速度校正应用于摩擦估计，以考虑由于空气动力学负载和其他因素(图9中未示出)引起的不同车辆速度下的摩擦测量的变化。

短期估计和长期估计以及置信度由摩擦估计发生器根据下表2更新：

表2：在驾驶期间更新短期和长期估计和置信度

每个摩擦估计更新表示进入摩擦估计器的新的摩擦信息。新的摩擦信息首先影响短期估计和置信度，然后传播到长期估计和置信度：短期估计基于新的摩擦信息进行更新，长期估计基于新的短期估计进行更新，短期和长期置信度朝向100％增加(短期置信度增加超过长期置信度增加)。

时间的流逝表示摩擦信息的丢失，因为获得的摩擦信息已经陈旧。变陈旧过程首先影响长期估计和置信度，然后传播到短期估计和置信度。长期置信度朝向0％衰减。短期估计朝向长期估计衰减，短期置信度朝向长期置信度的加权版本衰减。这个衰减过程认识到以下事实：长期估计和置信度表示底线，在没有新更新的情况下，短期估计和置信度朝向底线衰减。

为了实现良好的中心感觉，期望短期摩擦估计对转向系统中的真正变化做出反应，而且期望短期摩擦估计不对估计错误做出反应。由于这个原因，期望短期摩擦估计总体上以缓慢的方式对转向系统摩擦的变化做出响应；但以较快的方式对系统的摩擦变化做出反应：

-在启用转向设备的运转循环之后；并且/或者，

-在轮胎-道路摩擦变化之后。

提出的设计包含两个要素以确保这个所期望的响应(图9中未示出)：

运转助力：在运转循开始时为预设数量的短期更新提供更快的短期学习更新；

平衡过滤器：检测系统的估计器正或负不平衡，并且为与检测到的不平衡一致的更新提供更快的短期学习。

当停放车辆时，转向系统断电，并且不能获得新的摩擦信息。下面的表3总结了在停放持续时间开始时转向摩擦信息可以如何用于提供在停放持续时间结束时的转向系统摩擦的可靠指示。对于短停放持续时间(几分钟)，摩擦适配从停放持续时间开始时保存的值继续进行。理由是转向系统的摩擦不可能在这个短持续时间内改变。对于长停放持续时间：恢复长期估计，并且长期置信度适当变陈旧和恢复；于是，短期估计和置信度基于恢复的长期值。对于中等停放持续时间，以与长停放持续时间相同的方式恢复长期估计和置信度；短期估计和置信度是短停放持续时间值与长停放持续时间值的混合(该混合基于停放持续时间)。

表3：车辆已经停放后更新短期和长期估计与置信度。

图13示出了摩擦估计器21的摩擦补偿转矩增益块。

摩擦补偿转矩水平包括两个部分，这两个部分被混合在一起，例如使用简单的加法，其中每个部分都被赋予了限定混合的权重：

-适配摩擦补偿转矩水平部分；以及

-固定摩擦补偿转矩水平部分。

在短期摩擦置信度较高的情况下，适配摩擦补偿转矩水平有优先级，并且应用有完全授权。在短期摩擦置信度较低的情况下，固定摩擦补偿转矩水平具有优先级，并且应用有完全授权。在短期摩擦置信度处于中间值的情况下，摩擦补偿转矩增益是适配摩擦补偿转矩水平与固定摩擦补偿转矩水平两者的加权和。

通过将短期摩擦估计与目标转向系统摩擦值进行比较来确定适配摩擦补偿转矩水平。目标摩擦值是一旦已经施加了适当的补偿，驾驶员将要感受到的摩擦水平，因为不希望消除所有的摩擦感。固定摩擦补偿转矩水平是固定转矩水平，该固定转矩水平可以施加于单独零件、零件族或完整的生产流程，以使该零件或零件族恢复到标称(并且更可接受的)的转向系统摩擦水平。