电动助力转向装置的控制方法、电动助力转向装置以及搭载了该电动助力转向装置的车辆

摘要

本发明提供电动助力转向装置的控制方法、电动助力转向装置以及搭载了该电动助力转向装置的车辆，本发明不需要用于进行摩擦补偿等的单独的补偿单元，通过角度追随控制的反馈控制能够对机械部分的经年变化等进行补偿，并且，总是能够实现由目标角度运算单元设计出来的感觉，尤其是能够容易地实现中心感觉的改善，并且，因追加功能等而给其他的功能和稳定性带来的影响变得明确。本发明的电动助力转向装置的控制方法检测出扭力杆的上侧角度，并且，检测出扭力杆的下侧角度，使用上侧角度或下侧角度的一方来设定另一方的角度目标值，检测出另一方的实际角度，基于角度目标值与实际角度之间的偏差来实施角度追随反馈控制。

说明书

技术领域

本发明涉及电动助力转向装置的控制方法、电动助力转向装置以及搭载了该电动助力转向装置的车辆。本发明将辅助控制分成目标角度运算单元和角度追随控制单元，通过目标角度运算单元来实施有关感觉的项目，通过角度追随控制单元来实施响应性、稳定性和外部干扰抑制。

背景技术

作为搭载了用于控制电动机的电动机控制装置的装置有电动助力转向装置(EPS)。电动助力转向装置利用电动机的旋转力对车辆的转向机构施加辅助力(转向辅助力)，其将通过由逆变器供给的电力来控制的电动机的驱动力经由包括减速机构在内的传送机构向转向轴或齿条轴施加辅助力。

为了准确地产生辅助力，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(duty ratio)来进行。作为电动机，通常使用可维修性优异的无刷电动机。

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的柱轴(转向轴或方向盘轴)2经过减速机构(蜗杆与蜗轮的啮合机构)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，在具有扭力杆的柱轴2上设有用于检测出转向盘1的转向扭矩的扭矩传感器10和用于检测出转向角θ的转向角传感器14，对转向盘1的转向力进行辅助的电动机20通过减速机构3与柱轴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Ts和由车速传感器12检测出的车速Vs，进行作为辅助(转向辅助)指令的电流指令值的运算，通过对电流指令值实施补偿等而得到的电压控制指令值Vref，来控制供应给EPS用电动机20的电流。

此外，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位置传感器来获得转向角。

另外，收发车辆的各种信息的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)40被连接到控制单元30，车速Vs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。控制单元30具有安装有电子部件等的控制基板。

控制单元30主要由CPU(也包含MCU、MPU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，由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Ts和由车速传感器12检测出(或来自CAN40)的车速Vs被输入到用于运算出电流指令值Iref1的电流指令值运算单元31中。电流指令值运算单元31基于被输入进来的转向扭矩Ts和车速Vs并使用辅助图(アシストマップ)等来运算出作为供应给电动机20的电流的控制目标值的电流指令值Iref1。电流指令值Iref1经由加法单元32A后被输入到电流限制单元33中，被限制了最大电流的电流指令值Irefm被输入到减法单元32B中，减法单元32B运算出电流指令值Irefm与被反馈回来的电动机电流值Im之间的偏差I(Irefm-Im)，该偏差I被输入到用于进行转向动作的特性改善的PI控制单元35中。在PI控制单元35中经过特性改善后得到的电压控制指令值Vref被输入到PWM控制单元36中，然后再通过作为驱动单元的逆变器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的电流值Im，由电动机电流检测器38检测出的电流值Im被反馈到减法单元32B中。

在加法单元32A中，对来自补偿信号生成单元34的补偿信号CM进行加法运算，通过补偿信号CM的加法运算来进行转向系统的特性补偿，从而改善收敛性和惯性特性等。补偿信号生成单元34先在加法单元34-4将自对准扭矩(SAT)34-3与惯性34-2相加，然后在加法单元34-5再将在加法单元34-4得到的加法结果与收敛性34-1相加，最后将在加法单元34-5得到的加法结果作为补偿信号CM。收敛性34-1、惯性34-2和自对准扭矩(SAT)34-3均将电动机角速度作为一个计算因素。

在这样的现有的电动助力转向装置中，在扭矩辅助控制中，基于由扭矩传感器检测出的扭矩来设定辅助扭矩，并且还基于电动机的角速度来进行摩擦补偿和惯性补偿，并且还具有用于满足各种功能的各种各样的补偿器以及上一级(车辆)要求的控制功能，各种各样的补偿器之间等互相影响的结果作为扭力杆的扭转扭矩被返回到驾驶员。因此，越增加功能，则控制设计就会变得更加复杂，并且，调节感觉需要高度的技术。还有，现有的电动助力转向装置具有这样一种控制结构，即，感觉容易随机械部分的摩擦的经年变化和个体差异而发生变化。

作为解决这样的问题的电动助力转向装置，例如有日本特开2002-160653号公报(专利文献1)、日本特开2004-203089号公报(专利文献2)以及日本特开2009-57017号公报(专利文献3)中所公开的现有技术。在日本特开2002-160653号公报(专利文献1)中，计算出车辆反力和路面信息(摩擦系数)，设定目标值(扭力杆的扭矩)，基于设定好的目标值与实际扭矩之间的偏差来进行控制。还有，在日本特开2004-203089号公报(专利文献2)中，设定目标值(扭力杆的扭矩)，基于设定好的目标值与实际扭矩之间的偏差来进行控制。另外，在日本特开2009-57017号公报(专利文献3)中，使用扭力杆的上侧和下侧的角度信息来对转向用电动机进行控制。

此外，在构成现有的减速机构的蜗杆与蜗轮的啮合机构中，如果存在间隙(齿隙，backlash)的话，则就会发生“咔哒咔哒声(gear rattling sound)”。还有，如果将间隙调节得太小的话，则摩擦扭矩就会变大，从而转向盘中立附近的感觉就会恶化。因此，在齿隙管理中，需要高精度地管理部件，并且，还需要高精度地管理部件的组装。为了解决这个问题，提出了这样一种机构，即，通过使用弹簧、橡胶等来施加预压，以便抑制住齿隙，并且，不会使摩擦增加(日本专利第4196831号公报(专利文献4))。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-160653号公报

专利文献2：日本特开2004-203089号公报

专利文献3：日本特开2009-57017号公报

专利文献4：日本专利第4196831号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

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电动助力转向装置的控制方法、电动助力转向装置以及搭载了该电动助力转向装置的车辆，本发明不需要用于进行摩擦补偿等的单独的补偿单元，通过角度追随控制的反馈控制能够对机械部分的经年变化等进行补偿，并且，总是能够实现由目标角度运算单元设计出来的感觉，尤其是能够容易地实现中心(on-center)感觉的改善，并且，因追加功能等而给其他的功能和稳定性带来的影响变得明确。

解决技术问题的手段

本发明设定角度目标值(扭力杆的上侧或下侧)，并且，基于设定好的角度目标值与实际角度之间的偏差来实施角度控制。

本发明涉及一种电动助力转向装置的控制方法，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：检测出扭力杆的上侧角度，并且，检测出所述扭力杆的下侧角度，使用所述上侧角度或所述下侧角度的一方来设定另一方的角度目标值，检测出所述另一方的实际角度，基于所述角度目标值与所述实际角度之间的偏差来实施角度追随反馈控制。

还有，本发明涉及一种电动助力转向装置，其通过基于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：具备第一角度传感器、第二角度传感器、目标角度运算单元和角度追随控制单元，所述第一角度传感器检测出扭力杆的上侧角度，所述第二角度传感器检测出所述扭力杆的下侧角度，所述目标角度运算单元使用所述扭力杆的所述上侧角度或所述扭力杆的所述下侧角度的一方、电动机电流以及车辆信息来设定角度目标值，所述角度追随控制单元基于所述角度目标值与实际角度之间的偏差来实施角度追随控制，通过所述目标角度运算单元以及所述角度追随控制单元来运算出所述电流指令值。

还有，本发明涉及一种电动助力转向装置，其通过基于电流指令值来驱动电动机，并且，通过蜗杆与蜗轮的啮合，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：具备第一角度传感器、第二角度传感器、目标角度运算单元和角度追随控制单元，所述第一角度传感器检测出扭力杆的上侧角度，所述第二角度传感器检测出所述扭力杆的下侧角度，所述目标角度运算单元使用所述扭力杆的所述上侧角度或所述扭力杆的所述下侧角度的一方、电动机电流以及车辆信息来设定角度目标值，所述角度追随控制单元基于所述角度目标值与实际角度之间的偏差来实施角度追随控制，通过所述目标角度运算单元以及所述角度追随控制单元来运算出所述电流指令值，所述蜗杆与所述蜗轮之间的啮合间隙为零或负。

发明的效果

根据本发明，因为将电动助力转向装置的辅助控制分成用于实施有关感觉的项目的目标角度运算单元和用于实施响应性、稳定性和外部干扰抑制的角度追随控制单元，所以不需要用于进行摩擦补偿等的单独的补偿单元，通过角度追随控制的反馈控制能够对机械部分的经年变化等进行补偿，并且，总是能够维持由目标角度运算单元运算出的目标角度的感觉。其结果为，尤其是能够容易地实现中心感觉的改善，并且，因为目标角度运算单元和角度追随控制单元是分开的，所以具有因追加功能等而给其他的功能和稳定性带来的影响变得明确的优点。

还有，根据本发明，因为具有角度追随控制单元，所以即使在作为今后的技术受到关注的诸如自动驾驶之类的技术中，针对来自上一级(车辆)的位置指令，也不需要另外设置位置控制单元，就这样原封不动地能够实施位置控制。

另外，因为现有的EPS控制中的减速机构的硬件结构为这样一种结构，即，蜗杆与蜗轮之间的摩擦变大，并且，电动机的惯性容易传递给驾驶员，所以通过基于弹簧等的预压机构、橡胶阻尼器等来对应。然而，在本发明中，因为通过角度追随控制能够不会受到个体差异等的影响而可以对摩擦和惯性进行补偿，所以不会让驾驶员感到不协调的感觉。通过将本发明的控制结构和减速机构的硬件结构组合起来，能够实现目标的感觉。

附图说明

图1是表示现有的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单元(ECU)内的控制结构示例的结构框图。

图3是表示本发明的实施方式的一个示例的结构框图。

图4是表示本发明的EPS转向系统和各种传感器的设置示例的结构图。

图5是表示路面反力/路面信息计算单元的结构示例的结构框图。

图6是表示角度目标计算单元的结构示例的结构框图。

图7是表示减速机构的轴承结构示例的剖面图。

图8是表示减速机构的轴承结构示例的剖面图。

具体实施方式

在本发明中，将电动助力转向装置的辅助控制分成影响感觉的目标角度运算单元和影响响应性、稳定性和外部干扰抑制的角度追随控制单元，通过目标角度运算单元来实施有关感觉的项目，通过角度追随控制单元来实施响应性、稳定性和外部干扰抑制。因此，不需要用于进行摩擦补偿、惯性补偿等的单独的补偿单元，通过角度追随控制的反馈控制能够对机械部分的经年变化等进行补偿，并且，总是能够实现由目标角度运算单元运算出的感觉。还有，能够容易地实现中心感觉的改善，并且，因追加功能等而给其他的功能和稳定性带来的影响变得明确。

另外，在本发明中，作为减速机构的硬件结构，将蜗杆与蜗轮之间的啮合间隙(齿隙)调节为零或负，并且，固定不动地固定蜗杆以便使其几乎没有旋转方向以外的自由度。因此，不会发生“咔哒咔哒声”，能够提高从电动机输出角度到扭力杆的下侧角度的刚性，还能够实现一种容易控制的硬件机构。从而，该硬件机构能够为提高角度追随控制的性能做贡献，并且还可以被期望用来提高感觉。

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，本发明将用于进行辅助控制的控制单元分成目标角度运算单元110和角度追随控制单元120，通过目标角度运算单元110来实施有关感觉的项目，通过角度追随控制单元120来实施响应性、稳定性和外部干扰抑制的控制。目标角度运算单元110由路面反力/路面信息计算单元111和角度目标计算单元112构成。路面反力/路面信息计算单元111基于由上侧角度传感器检测出的转向盘角度θ₁、由电流检测器检测出的电动机电流Im以及作为车辆信息的车速Vs计算出路面反力Fr以及路面信息(摩擦系数)μ。角度目标计算单元112基于路面反力Fr以及路面信息(摩擦系数)μ计算出角度目标值θ_2ref。在设定手里感觉到的扭矩(扭力杆的扭矩)的情况下，使用转向盘角度θ₁和扭力杆的弹簧常数Kt来计算出角度目标值θ_2ref。角度追随控制单元120为基于角度目标值θ_2ref与由EPS转向系统/车辆系统100检测出的实际角度θ₂之间的偏差(该偏差是由减法单元101求出的)来进行控制的实际角度反馈控制，由角度追随控制单元120求出的电动机电流指令值Iref被输入到加法单元102中。外部干扰103被输入到加法单元102中，在加法单元102中得到的加法结果被输入到EPS转向系统/车辆系统100中，以便对电动助力转向装置进行辅助控制。

图4是表示本发明的EPS转向系统和各种传感器的设置示例的结构图。如图4所示，路面反力Fr以及路面信息μ对转向车轮8L和8R起作用；隔着扭力杆2A，上侧角度传感器(角度θ₁)被设置在柱轴2的转向盘一侧；隔着扭力杆2A，下侧角度传感器(角度θ₂)被设置在柱轴2的转向车轮一侧。上侧角度传感器以及下侧角度传感器的分辨率均等于或小于0.02°。还有，电动机20的电动机电流Im是由电流检测器检测出的。

图5是表示路面反力/路面信息计算单元111的结构示例的结构框图。如图5所示，基于扭力杆2A的上侧角度传感器的角度θ₁(≒转向盘角度)和车速Vs计算出基准模型(标准路面)111-1的路面反力Fra。还计算出此时的基准电动机电流，通过与实际的电动机电流Im的比较，反力修正路面信息计算单元111-2对路面反力Fra进行修正，并且，计算出路面信息(摩擦系数)μ。就这样，通过少量的信息能够计算出路面反力Fr以及路面信息(摩擦系数)μ。

还有，也可以将横摆率V、横向加速度信息G、侧滑角等作为车辆信息输入到反力修正路面信息计算单元111-2中，以便计算出具有更高精度的路面反力Fr。另外，也可以使用轮胎传感器或齿条轴力测定传感器来直接测定路面反力Fr。通过高精度地计算出路面反力，使得能够确切地传达路面信息。

还有，图6是表示角度目标计算单元112的结构示例的结构框图。如图6所示，角度目标计算单元112由理想转向力计算单元112-1和角度目标值计算单元112-2构成。理想转向力计算单元112-1基于路面反力Fr以及路面信息μ计算出应该传递到驾驶员手里的理想转向扭矩Tref。理想转向扭矩Tref被输入到角度目标值计算单元112-2中，角度目标值计算单元112-2基于上侧角度传感器的角度θ₁的信息计算出角度目标值θ_2ref。

就这样，与现有的扭矩控制相比，本发明的特征在于：用于实施影响感觉的项目的目标角度运算单元110和用于实施影响响应性、稳定性等的项目的角度追随控制单元120是分开的，通过将角度追随控制单元120的频带设定为所需要的值(响应性、外部干扰抑制等)，就不再需要在现有技术中被单独设定的摩擦补偿、惯性补偿等。还有，在本发明中，因为通过角度追随控制的反馈控制能够对机械部分的经年变化等进行补偿，所以总是能够实现由目标角度运算单元110运算出(设计出来)的感觉，

其结果为，本发明能够容易地实现至今为止一直被当作技术问题的并且很难调节的中心感觉的改善。因为目标角度运算单元110和角度追随控制单元120是分开的，所以因追加功能等而给其他的功能和稳定性带来的影响变得明确。

此外，因为本发明没有像现有技术一样基于由扭矩传感器检测出的检测扭矩来决定辅助力，而是以路面信息为基础来计算出辅助扭矩，所以驾驶员能够确切地感觉到路面反力Fr以及路面信息μ。

在如专利文献1中所公开那样的扭矩目标值控制中，尽管利用转向盘角度传感器和扭矩传感器来设定目标值，但由于转向盘角度传感器的分辨率通常为0.1°左右，所以若为了生成目标值的话，则该分辨率是太粗了。因为感觉在转向盘角度0.1°以内的范围内没有变化，所以容易感觉到不协调的感觉。针对这种情况，在本发明中，通过将隔着扭力杆2A设置的两个角度传感器的分辨率都设定成等于或小于0.02°，这样就使得能够设定具有更高精度的目标值，并且还能够实现没有不协调的感觉的控制。还有，因为本发明不是扭矩目标值控制而是角度目标值控制，所以即使在作为今后的技术受到关注的诸如自动驾驶之类的技术中，针对来自上一级(车辆)的位置指令，也不需要另外设置位置控制单元，就这样原封不动地能够实施位置控制。另外，在本发明中，因为目标值为扭力杆的下侧角度，所以能够基于离车辆的轮胎的切角(cuttingangle)较近的值(在排除了扭力杆的扭转的影响的状态下)来进行控制。

尽管在本实施方式中以转向轴助力式EPS为例对本发明进行了说明，但也可以将本发明应用在齿轮助力式EPS、双齿轮助力式EPS以及滚珠螺杆型齿条齿轮助力式EPS中。

另一方面，在构成现有的减速机构的蜗杆与蜗轮的啮合机构中，存在这样一个问题，即，如果存在间隙(齿隙)的话，则就会发生“咔哒咔哒声”，但是如果将间隙调节得太小的话，则摩擦扭矩就会变大，从而转向盘中立附近的感觉就会恶化。因此，在齿隙管理中，需要高精度地管理部件，并且，还需要高精度地管理部件的组装。

为了解决这个问题，在本发明中，作为减速机构的硬件结构，将蜗杆与蜗轮之间的啮合间隙(齿隙)调节为零或负，并且，将蜗杆固定不动地固定在轴承上以便使其几乎没有旋转方向以外的自由度。也就是说，在本发明中，极力消除蜗杆的支承轴承的松动，并且，使蜗杆的旋转方向以外的自由度尽量为零。

通过这种结构，能够提高从电动机输出角度到扭力杆的下侧角度传感器θ₂的刚性，还能够实现一种容易控制的硬件机构。因此，该硬件机构能够为提高角度追随控制的性能做贡献，并且还可以被期望用来提高感觉。还有，因为本发明将蜗杆与蜗轮之间的啮合间隙(齿隙)调节为零或负，所以不会发生“咔哒咔哒声”。尽管不用担心“咔哒咔哒声”，但摩擦会变大，从而会担心感觉的恶化，然而由于本发明采用了上述分离控制的结构，所以通过角度追随控制来对摩擦进行补偿，使得能够实现感觉的改善。

图7和图8分别示出了减速机构的轴承结构的示例，其中，图7示出了“深沟滚珠轴承+四点接触滚珠轴承”的轴承结构的示例，图8示出了“深沟滚珠轴承+深沟滚珠轴承+轴向预压”的轴承结构的示例。在图7的轴承结构中，轴向负荷由四点接触滚珠轴承303来承担，并且，几乎没有轴向间隙。还有，在图8的轴承结构中，轴向负荷由两个轴承304以及305来承担，并且，以通过在轴向施加预压以便使轴向间隙变为零的尺寸来安装这两个轴承304以及305。此外，通过诸如扣环(retaining ring)、螺母之类的刚性体来施加预压。

在图7和图8所示的两个示例中，蜗杆301被固定不动地固定在电动机20的输出轴20A上，在轴向没有橡胶阻尼器，蜗杆301在轴向固定不动，并且其自由度仅为旋转方向。因此，轴向以及径向的刚性高。还有，蜗轮302与蜗杆301互相啮合，啮合间隙为零或负。

就这样，因为蜗杆301被固定不动地固定(自由度仅为旋转方向)，并且，蜗杆301与蜗轮302之间的啮合间隙(齿隙)为零，所以从电动机20的输出轴20A到扭力杆的下侧角度传感器的机械刚性变高。因此，能够提高角度追随控制的性能(响应性、稳定性等)，并且还能够提高感觉。如果在轴向和径向有橡胶阻尼器、弹簧预压的话，则来自电动机输出的刚性会因为橡胶而变低，响应性会恶化，从而只能进行被限制在该机械刚性的控制设计。还有，关于因本结构而造成摩擦的增加以及惯性感的增加从而导致感觉恶化的忧虑，因为通过提高角度追随控制的响应性来对整个用于进行辅助控制的控制单元进行补偿，所以能够实现更良好的感觉。

附图标记说明

1 转向盘

2 柱轴(转向轴或方向盘轴)

3 减速机构

10扭矩传感器

12车速传感器

14转向角传感器

20电动机

30控制单元(ECU)

100 EPS转向系统/车辆系统

110 目标角度运算单元

111 路面反力/路面信息计算单元

111-1 基准模型(标准路面)

111-2 反力修正路面信息计算单元

112 角度目标计算单元

112-1 理想转向力计算单元

112-2 角度目标值计算单元

120 角度追随控制单元