電動動力轉向裝置及其增益設定方法

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電動動力轉向裝置及其增益設定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電動動力轉向裝置及其增益設定方法。在電動動力轉向裝置中，ECU(12)包括旋轉角運算部(41)、輔助轉矩指令值運算部(42)、參考模型(43)、角度偏差運算部(44)、PD控制部(45)、加法部(47)、以及設備觀察器(48)。以與表示電動動力轉向裝置的舉動的運動方程式對應的特性方程式具有2重根的方式來設定在PD控制部(45)中使用的比例增益及微分增益、以及在設備觀察器(48)的第一增益乘法部及第二增益乘法部中使用的第一增益及第二增益。
【專利說明】
電動動力轉向裝置及其増益設定方法
技術領域
[0001 ] 本申請主張于2015年3月24日提交的日本專利申請2015-061155號的優(yōu)先權，并在此引用其全部內容。
[0002 ]本發(fā)明涉及電動動力轉向裝置(EPS)及其增益設定方法。
【背景技術】
[0003] 作為電動動力轉向裝置，已知有在轉向柱部配置有電動馬達和減速機構的轉向柱輔助式電動動力轉向裝置(以下稱為轉向柱式EPS)。轉向柱式EPS包括方向盤、轉向軸、中間軸、轉舵機構、電動馬達、以及減速機構等。轉向軸由與方向盤連結的輸入軸、與中間軸連結的輸出軸、以及連結輸入軸與輸出軸的扭桿構成。電動馬達經由減速機構與輸出軸連結。
[0004] 在本說明書中，所謂的轉向柱是指由方向盤、輸入軸、扭桿以及輸出軸構成的部分。另外，在本說明書中，所謂的動力轉向柱是指由方向盤、輸入軸、扭桿、輸出軸、減速機構、電動馬達、以及電動馬達的控制裝置構成的部分。另外，在本說明書中，所謂的一般的轉向柱式EPS是指不具備補償減速機構的摩擦的功能的轉向柱式EPS。
[0005] 在一般的轉向柱式EPS中，由電動馬達產生的馬達轉矩(輔助轉矩)經由減速機構被傳遞至輸出軸。被傳遞至輸出軸的輔助轉矩經由中間軸被傳遞至例如包括齒輪齒條機構的轉舵機構。減速機構例如是由蝸桿和蝸輪構成的蝸輪蝸桿機構。由于在減速機構中產生的摩擦較大，所以存在轉向相對于轉向操縱輸入的響應性因該摩擦的影響而惡化的可能性。
[0006] 因此，為了使轉向相對于轉向操縱輸入的響應性提高，開發(fā)出一種補償在減速機構中產生的摩擦的方法。最簡單的摩擦補償方法是根據轉向操縱速度的符號將某恒定的摩擦力加至輔助轉矩指令值的方法。
[0007] 在下述日本特開2003-170856號公報中公開有基于根據由轉矩傳感器檢測出的檢測轉向操縱轉矩運算出的輔助轉矩指令值、以及檢測轉向操縱轉矩來進行摩擦補償的方法。具體而言，基于輔助轉矩指令值來推斷減速機構的摩擦力的大小?；跈z測轉向操縱轉矩來決定減速機構的摩擦力的符號。這樣推斷出減速機構的摩擦力。然后，將推斷出的減速機構的摩擦力加至輔助轉矩指令值。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種能夠補償在動力轉向柱內產生的摩擦，并且控制系統(tǒng)成為非振動且響應性較快的系統(tǒng)的電動動力轉向裝置以及電動動力轉向裝置的增益設定方法。
[0009] 作為本發(fā)明的一實施方式的電動動力轉向裝置包括:動力轉向柱，其包括電動馬達以及放大上述電動馬達的馬達轉矩的減速機構;輔助轉矩指令值運算部，其設定上述電動馬達的輔助轉矩指令值;觀察器，其使用假定為在上述動力轉向柱中不產生摩擦并且使用上述電動馬達的旋轉角的實測值以及模型修正用增益來修正特性的觀察器用模型，來運算上述動力轉向柱的旋轉角的推斷值以及在上述動力轉向柱內產生的摩擦力的推斷值;參考模型，其是假定為在上述動力轉向柱中不產生摩擦的模型，其運算上述動力轉向柱的旋轉角的目標值;反饋操作量運算部，其通過對上述動力轉向柱的旋轉角目標值與上述動力轉向柱的旋轉角推斷值的偏差進行反饋運算來運算反饋操作量；馬達轉矩指令值運算部，其通過使用上述摩擦力推斷值以及上述反饋操作量修正上述輔助轉矩指令值來運算馬達轉矩指令值；以及馬達電流控制部，其以上述電動馬達的馬達轉矩與上述馬達轉矩指令值相等的方式控制流向上述電動馬達的馬達電流。而且，以與表示上述電動動力轉向裝置的舉動的運動方程式對應的特性方程式具有2重根的方式設定在上述反饋操作量運算部使用的反饋增益以及在上述觀察器使用的上述模型修正用增益。
[0010] 動力轉向柱的旋轉角可以是轉向柱軸(轉向軸）的旋轉角，也可以是電動馬達的輸出軸(馬達軸)的旋轉角。
[0011] 根據該結構，運算在動力轉向柱內產生的摩擦力的推斷值。然后，使用運算出的摩擦力推斷值和輔助轉矩指令值來運算馬達轉矩指令值。由此，能夠補償在動力轉向柱內產生的摩擦。另外，根據該結構，實現控制系統(tǒng)成為非振動并且響應性較快的系統(tǒng)的電動動力轉向裝置。
[0012] 作為本發(fā)明的另一實施方式的電動動力轉向裝置的增益設定方法是包括以下部件的電動動力轉向裝置的增益設定方法，上述電動動力轉向裝置包括:動力轉向柱，其包括電動馬達以及放大上述電動馬達的馬達轉矩的減速機構;輔助轉矩指令值運算部，其設定上述電動馬達的輔助轉矩指令值;觀察器，其使用假定為在上述動力轉向柱中不產生摩擦并且使用上述電動馬達的旋轉角的實測值以及模型修正用增益來修正特性的觀察器用模型，來運算上述動力轉向柱的旋轉角的推斷值以及在上述動力轉向柱內產生的摩擦力的推斷值;參考模型，其是假定為在上述動力轉向柱中不產生摩擦的模型，其運算上述動力轉向柱的旋轉角的目標值;反饋操作量運算部，其通過對上述動力轉向柱的旋轉角目標值與上述動力轉向柱的旋轉角推斷值的偏差進行反饋運算來運算反饋操作量;馬達轉矩指令值運算部，其通過使用上述摩擦力推斷值以及上述反饋操作量修正上述輔助轉矩指令值來運算馬達轉矩指令值；以及馬達電流控制部，其以上述電動馬達的馬達轉矩與上述馬達轉矩指令值相等的方式控制流向上述電動馬達的馬達電流。而且，以與表示上述電動動力轉向裝置的舉動的運動方程式對應的特性方程式具有2重根的方式設定在上述反饋操作量運算部使用的反饋增益以及在上述觀察器使用的上述模型修正用增益。
[0013] 動力轉向柱的旋轉角可以是轉向柱軸(轉向軸）的旋轉角，也可以是電動馬達的輸出軸（馬達軸）的旋轉角。根據該方法，能夠實現控制系統(tǒng)成為非振動并且響應性較快的系統(tǒng)的電動動力轉向裝置。
【附圖說明】
[0014] 通過以下參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行的詳細描述，本發(fā)明前述的和其它的特點和優(yōu)點得以進一步明確。其中，附圖標記表示本發(fā)明的要素，其中：
[0015] 圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的轉向柱式EPS的簡要結構的示意圖。
[0016] 圖2是表示圖1的ECU的電氣結構的簡圖。
[0017] 圖3是表示設備觀察器的結構的框圖。
[0018]圖4是表示摩擦力推斷部的結構的框圖。
[0019 ]圖5是表不一般的轉向柱式EPS的模擬模型(完全EPS模型）的結構的不意圖。
[0020]圖6是表示蝸輪蝸桿機構的嚙合模型的示意圖。
[0021]圖7是表示函數Fc(dh)的曲線圖。
[0022]圖8是表示函數FN(dh)的曲線圖。
[0023]圖9是表示將圖5內的動力轉向柱的模型進一步簡化而成的模擬模型（簡易EPS模型）的結構的示意圖。
[0024] 圖10是表示具有彈簧、質量、阻尼元件的一個質點系的模型的示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 以下，參照附圖對將本發(fā)明應用于轉向柱式EPS的情況的實施方式詳細地進行說明。
[0026]圖1是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的轉向柱式EPS的簡要結構的示意圖。
[0027] 轉向柱式EPS1具備用于操控車輛的作為轉向操縱部件的方向盤2、與該方向盤2的旋轉連動來使轉舵輪3轉舵的轉舵機構4、以及用于輔助駕駛員的轉向操縱的轉向操縱輔助機構5。方向盤2和轉舵機構4經由轉向軸6、第一萬向節(jié)28、中間軸7以及第二萬向節(jié)29機械連結。
[0028] 轉向軸6包括與方向盤2連結的輸入軸8、以及與中間軸7連結的輸出軸9。輸入軸8 和輸出軸9經由扭桿10在同一軸線上以能夠相對旋轉的方式連結。即，若方向盤2被旋轉，則輸入軸8和輸出軸9相互相對旋轉并且向同一方向旋轉。輸出軸9經由第一萬向節(jié)28與中間軸7連結。
[0029] 在轉向軸6的周圍設置有轉矩傳感器11。轉矩傳感器11基于輸入軸8和輸出軸9的相對旋轉位移量來檢測施加至扭桿10的扭桿轉矩(轉向操縱轉矩)Ttb。由轉矩傳感器11檢測出的扭桿轉矩Ttb被輸入至電子控制單元(ECU) 12。
[0030] 轉舵機構4由包括小齒輪軸13和作為轉舵軸的齒條軸14的齒輪齒條機構構成。在齒條軸14的各端部經由橫拉桿15以及轉向節(jié)臂（圖示略)連結有轉舵輪3。小齒輪軸13經由第二萬向節(jié)29與中間軸7連結。小齒輪軸13與方向盤2的轉向操縱連動而旋轉。在小齒輪軸 13的前端連結有小齒輪16。
[0031 ]齒條軸14沿汽車的左右方向（與前進方向正交的方向）以直線狀延伸。在齒條軸14 的軸向的中間部形成有與小齒輪16嚙合的齒條17。通過該小齒輪16以及齒條17,小齒輪軸 13的旋轉被轉換為齒條軸14的軸向移動。通過使齒條軸14在軸向移動，能夠使轉舵輪3轉舵。
[0032] 若轉向操縱(旋轉)方向盤2，則該旋轉經由轉向軸6以及中間軸7被傳遞至小齒輪軸13。然后，小齒輪軸13的旋轉通過小齒輪16以及齒條17被轉換為齒條軸14的軸向移動。由此，轉舵輪3被轉舵。
[0033] 轉向操縱輔助機構5包括用于產生轉向操縱輔動力的電動馬達18、以及用于放大電動馬達18的輸出轉矩并傳遞至轉舵機構4的減速機構19。減速機構19由包括蝸桿20、和與該蝸桿20嚙合的蝸輪21的蝸輪蝸桿機構構成。減速機構19被收納在作為傳遞機構殼體的蝸輪蝸桿殼體22內。以下，存在用i表示減速機構19的減速比(傳動比）的情況。減速比i被定義為蝸桿20的角速度〇 wg與蝸輪21的角速度〇 ww的比〇 wg/ 〇胃。
[0034]蝸桿20被電動馬達18旋轉驅動。另外，蝸輪21與轉向軸6以能夠同方向旋轉的方式連結。蝸輪21被蝸桿20旋轉驅動。
[0035]通過駕駛員轉向操縱方向盤2,蝸桿20被電動馬達18旋轉驅動。由此，蝸輪21被旋轉驅動，向轉向軸6賦予馬達轉矩并且轉向軸6旋轉。然后，轉向軸6的旋轉經由中間軸7被傳遞至小齒輪軸13。小齒輪軸13的旋轉被轉換為齒條軸14的軸向移動。由此，轉舵輪3被轉舵。即，能夠通過利用電動馬達18旋轉驅動蝸桿20來實現基于電動馬達18的轉向操縱輔助。
[0036] 作為施加至減速機構19的轉矩，有基于電動馬達18的馬達轉矩和馬達轉矩以外的外部轉矩。馬達轉矩以外的外部轉矩包括由駕駛員施加至方向盤2的驅動轉矩（driver torque)、以及從轉舵輪3側施加至齒條軸14(減速機構19)的負荷轉矩（負載負荷）。驅動轉矩被作為扭桿轉矩Ttb檢測。
[0037] 電動馬達18的轉子的旋轉角(轉子旋轉角)通過解析器等旋轉角傳感器25來檢測。另外，車速通過車速傳感器26來檢測。旋轉角傳感器25的輸出信號以及由車速傳感器26檢測出的車速V被輸入至E⑶12。電動馬達18被作為馬達控制裝置的E⑶12控制。
[0038]圖2是表示E⑶12的電氣結構的簡圖。
[0039] E⑶12通過與由轉矩傳感器11檢測出的扭桿轉矩Ttb、由車速傳感器26檢測出的車速V以及基于旋轉角傳感器25的輸出運算出的電動馬達18的旋轉角0m相應地驅動電動馬達 18，來實現與轉向操縱狀況相應的適當的轉向操縱輔助。另外，ECU 12通過驅動控制電動馬達18來實現用于減少動力轉向柱內的摩擦的影響的摩擦補償。在本實施方式中，電動馬達 18是有刷直流馬達。以下，將轉向軸(轉向柱軸)6的旋轉角稱為轉向柱旋轉角0。轉向軸6的旋轉角是動力轉向柱的旋轉角的一個例子。
[0040] E⑶12具備微型計算機40、被微型計算機40控制并向電動馬達18供給電力的驅動電路(H橋電路)31、用于檢測流向電動馬達18的電流（以下稱為馬達電流)的電流檢測用電阻(分流電阻)32以及電流檢測電路33。
[0041] 微型計算機40具備CPU以及存儲器(R0M、RAM、非易失性存儲器等），并通過執(zhí)行規(guī) 定的程序來作為多個功能處理部發(fā)揮作用。該多個功能處理部包括旋轉角運算部41、輔助轉矩指令值運算部42、參考模型43、角度偏差運算部44、PD(比例微分)控制部45、第一減速比除法部46、加法部47、設備觀察器48、第二減速比除法部49、電流指令值運算部50、電流偏差運算部51、PI (比例積分)控制部52、以及脈沖寬度調制(PWM)控制部53。
[0042]旋轉角運算部41基于旋轉角傳感器25的輸出信號來運算電動馬達18的輸出軸的旋轉角（以下稱為馬達旋轉角）Qm。
[0043]輔助轉矩指令值運算部42基于由車速傳感器26檢測出的車速V以及由轉矩傳感器 11檢測出的扭桿轉矩Ttb來運算輔助轉矩指令值Ta。
[0044] 參考模型43基于扭桿轉矩Ttb和輔助轉矩指令值1來運算假定為在動力轉向柱內不產生摩擦的情況下的、轉向柱旋轉角 0的目標值（以下稱為轉向柱旋轉角目標值。）沒。以下，將在動力轉向柱內不產生摩擦的虛擬的轉向柱式EPS模型稱為無摩擦轉向柱式EPS模型。參考模型43由無摩擦轉向柱式EPS模型構成。下述無摩擦轉向柱式EPS模型。
[0045] 角度偏差運算部44運算從參考模型43輸出的轉向柱旋轉角目標值#與從下述的設備觀察器48輸出的轉向柱旋轉角推斷值|的角度偏差A0 ( =〇_歹）。
[0046] PD控制部45對由角度偏差運算部44運算出的角度偏差A 0進行PD運算。具體而言，若將比例增益設為kp，將微分增益設為kv，則PD控制部45進行fk p ( #-.吞）.+k；v (dP/dt-d^/dt)} 的運算。第一減速比除法部46通過將PD控制部45的運算結果除以減速機構19的減速比i來運算第一輔助轉矩修正值T a, ?。
[0047] 第二減速比除法部49通過將由設備觀察器48運算出的摩擦力推斷值//N ( dh ) 除以減速機構19的減速比i來運算第二輔助轉矩修正值Ta,FC(摩擦補償值）。下述設備觀察器48的動作。
[0048] 加法部47通過將由輔助轉矩指令值運算部42運算出的輔助轉矩指令值Ta、由第一減速比除法部46運算出的第一輔助轉矩修正值1, PD、以及由第二減速比除法部49運算出的第二輔助轉矩修正值Ta,Fe相加來運算馬達轉矩指令值T mc。
[0049] 電流指令值運算部50通過將由加法部47運算出的馬達轉矩指令值Tmc除以電動馬達18的轉矩常量來運算電流指令值I m*。電流偏差運算部51運算由電流指令值運算部50運算出的電流指令值與由電流檢測電路33檢測出的實際馬達電流I m的偏差A Im( = Im*-Im) II控制部52通過對由電流偏差運算部51運算出的電流偏差A Im進行PI運算來運算應對電動馬達18施加的電壓指令值。
[0050] PMW控制部53生成與由PI控制部52運算出的電壓指令值對應的占空比的PWM信號，并賦予給馬達驅動電路31。馬達驅動電路31是H橋電路，包括多個功率元件。這些多個功率元件基于由PMW控制部賦予的PWM信號導通截止，從而與上述電壓指令值相應的電壓被施加至電動馬達18。
[0051 ]電流偏差運算部51以及PI控制部52構成電流反饋控制單元。通過該電流反饋控制單元的動作，被控制為流向電動馬達18的馬達電流接近電流指令值Im *。
[0052] 圖3是表示設備觀察器(plant observer)48的結構的框圖。
[0053]設備觀察器48包括由無摩擦轉向柱式EPS模型構成的觀察器用模型61、第三減速比除法部62、角度偏差運算部63、第一增益乘法部64、馬達速度運算部65、第四減速比除法部66、角速度偏差運算部67、第二增益乘法部68、以及摩擦力推斷部69。
[0054] 向觀察器用模型61輸入由摩擦力推斷部69運算出的摩擦力推斷值/7N ( 3h)、由轉矩傳感器11檢測出的扭桿轉矩Ttb、由加法部47(參照圖2)運算出的馬達轉矩指令值 Tmc、第一模型修正項1P. A 0、以及第二模型修正項lv. A ?。觀察器用模型61基于這些輸入來運算假定為在動力轉向柱內不產生摩擦的情況下的、轉向柱旋轉角推斷值I以及轉向柱角速度推斷值G ( =d^7dt),并且運算負荷轉矩(負載負荷)Tls。
[0055] 向摩擦力推斷部69輸入由轉矩傳感器11檢測出的扭桿轉矩Ttb、由加法部47(參照圖2)運算出的馬達轉矩指令值T mc、由觀察器用模型61運算出的負荷轉矩Tls以及轉向柱角速度推斷值G ( edg/dth摩擦力推斷部69使用這些輸入來運算在動力轉向柱內產生的摩擦力的推斷值即摩擦力推斷值哀N ( Ih )。下述摩擦力推斷部69的詳細內容。
[0056]第三減速比除法部62通過將由旋轉角運算部41運算出的電動馬達18的旋轉角0m 除以減速機構19的減速比i ( = ? wg/ ?胃)來運算實際轉向柱旋轉角9。
[0057]角度偏差運算部63運算由第三減速比除法部62運算出的實際轉向柱旋轉角0與由觀察器用模型61運算出的轉向柱旋轉角推斷值備的角度偏差A〇( =e-歹）。第一增益乘法部64通過將由角度偏差運算部63運算出的角度偏差A 0乘以預先設定的第一增益1P來運算第一模型修正項(位置)lp ? A 9。
[0058]馬達速度運算部65通過對由旋轉角運算部41運算出的馬達旋轉角0m進行時間微分來運算電動馬達18的轉子的角速度（以下稱為實際馬達角速度com)。
[0059] 第四減速比除法部66通過將由馬達速度運算部65運算出的實際馬達角速度《?除以減速機構19的減速比i ( = ? wg/ w胃)來運算實際轉向柱角速度《 (= d0/dt)。
[0060]角速度偏差運算部67運算由第四減速比除法部66運算出的實際轉向柱角速度《與由觀察器用模型61運算出的轉向柱角速度推斷值沄的角速度偏差厶? (= 00-fT)九第二增益乘法部68通過將由角速度偏差運算部67運算出的角速度偏差A ?乘以預先設定的第二增益lv來運算第二模型修正項(速度)lv ? A ?。
[00611第一模型修正項(位置）1P ? A 0以及第二模型修正項（速度）lv ? A ?用于修正觀察器用模型61的特性(構造）。即，以由觀察器用模型61運算出的轉向柱旋轉角推斷值歹與實際轉向柱旋轉角9相等，由觀察器用模型61運算出的轉向柱角速度推斷值?與實際轉向柱角速度《相等的方式修正觀察器用模型61的特性(構造）。
[0062]從設備觀察器48輸出由觀察器用模型61運算出的轉向柱旋轉角推斷值吞、以及由摩擦力推斷部69運算出的摩擦力推斷值( Hhh [0063]圖4是表示摩擦力推斷部69的結構的框圖。
[0064]摩擦力推斷部69包括正壓力運算部71、摩擦系數推斷部72、以及摩擦力運算部73。摩擦力推斷部69使用轉向柱式EPS的模擬模型以及摩擦模型來推斷在動力轉向柱內產生的摩擦力。對在摩擦力推斷部69中利用的轉向柱式EPS的模擬模型以及摩擦模型進行說明。 [00 65]圖5是表不一般的轉向柱式EPS的模擬模型（以下稱為完全EPS模型。）的結構的不意圖。
[0066]該完全EPS模型91是4個自由度的模型。該完全EPS模型91的輸入有馬達轉矩指令值Tm。、方向盤2上的驅動轉矩Tsw、通過下部軸傳遞的負荷轉矩Tis、以及未圖示的車速V。能夠檢測扭桿轉矩Ttb、馬達軸的旋轉角0 ms以及車速V。
[0067]該完全EPS模型91包括4個慣性，即，方向盤的慣性、蝸輪的慣性、蝸桿的慣性、以及馬達軸的慣性。由蝸桿以及蝸輪構成減速機構(蝸輪蝸桿機構）。驅動轉矩Tsw以及負載負荷 Tis分別被直接施加至方向盤以及蝸輪。馬達轉矩指令值Tmc被賦予給ECU內的馬達電流控制器(Current controller)。該模擬模型91所包括的ECU是不具備摩擦補償功能的一般的 ECU。例如，該ECU基于扭桿轉矩Ttb和車速V來運算馬達轉矩指令值Tm。，并以流向電動馬達的電流和與馬達轉矩指令值T m。對應的電流值相等的方式進行反饋控制。
[0068] 在圖5中，J表示慣性。0表示旋轉角。d0/dt表示角速度或者速度。k表示剛性系數 (彈性系數）。(：表示粘性系數。作為摩擦，考慮減速機構的嚙合部的摩擦?&胃^^^，忽略其它的摩擦例如軸承等的摩擦。角標sw表示方向盤，tb表示扭桿，ww表示蝸輪，wg表示蝸桿，ms 表示馬達軸。
[0069] 4個慣性的運動方程式通過下式(1)~(4)來表示。
[0070] ?方向盤
[0071 ] ? ^W) ^ 1 ^
[0072] ?蝸輪 r^ ^#綱式?.助知(獲《_ 費輸》+細壤級'、~參娜） f ^ v
[0073] -----i2) *r-*?,???? ^r-* to
[0074] ?蝸桿 rnn7t--, 餓：fef財? 錢罐》+%?#_?# ----- ^ 3) LUU/o J 丄印、
[0076] ?輔助馬達轉子
[0077] w 鄉(xiāng)卜知(K^)-hi .
[0078] Tc,?以及心^表示蝸輪以及蝸桿間的相互作用轉矩。式⑵以及(3)的相互作用轉矩Tc,ww以及T c,wg能夠使用圖6所示的蝸桿與蝸輪的嚙合模型來運算。
[0079] 在圖6中，x軸以及y軸是蝸桿以及蝸輪的節(jié)圓上的嚙合點處的切線。另外，z軸是沿著蝸輪蝸桿共用的徑向的方向。蝸輪的旋轉與y方向的移動對應，蝸桿的旋轉與x方向的移動對應。假定為壓力角0總是恒定。并且，假定為齒面的摩擦力在導程角Y的方向上作用。
[0080] 在EPS系統(tǒng)停止時，因預負荷F0,與蝸輪嚙合的蝸桿的齒在蝸輪的上下的2個點接觸。將這樣的狀態(tài)稱為二點接觸狀態(tài)。
[0081] 蝸輪與蝸桿之間的相互作用力Fe,、、.".、尹e, wg由在兩個接觸點i = l、2處產生的正壓力N :xx (x.x.=. ww:，w.g)以及摩擦力Fxx.構成。相互作用力F c, _.、F c,. w:g 通過下式(5)、（6)來表示。
[0082] 暮體雄令_ +警1娜+今-，：6)
[0083] 正壓力xx因通過系數kc的彈簧表示的材料變形而生成。上側彈簧以及下側彈簧的壓縮量分別以hi = (h0+dh) +以及h2= (h〇-dh)+來表示。ho是在系統(tǒng)的停止時因預負荷而生成的壓縮量，dh是相對的齒的位置。（A)+是若A 2 0則(A) + = A，若A<0則(A) + = 0的函數。正壓力1^，: xx以及正壓力投2, xx分別通過下式(7)、（8)來表示。
[0084] wsr|| ** ^ dh^ { 7 )
[0085] II | ^ ^ ------^ 8 )
[0086] 若上側彈簧或者下側彈簧的壓縮量為零，則接觸點消失。將兩個接觸中的一方消失時的狀態(tài)稱為一點接觸狀態(tài)。
[0087] 如下式(9)所示那樣，系統(tǒng)停止時的壓縮量ho為與預負荷F〇、剛性系數k。以及壓力角0相應的值。
[0088] h〇 = F〇/2kcsin(0)***(9)
[0089] 如下式(10)所示那樣，相對的位移dh是蝸輪與蝸桿的相對的旋轉角的函數。
[0090] dh = rWgQwgsin( y )-rwffQwffC〇s( y )."(10)
[0091 ] rwg是蝸桿的節(jié)圓半徑。rww是蝸輪的節(jié)圓半徑。
[0092] 摩擦力Ffl,xx使用正壓力||Nhxs||和摩擦系數y(假定為在2點相等），通過下式（11) 來表示。
[0093] #*爲_ 從私|__|------- (11)
[0094] 上述式(5)、（6)通過使用上述式(7)、（8)以及（11)并被投影至運動軸，而被改寫為下式（12)、（13)。
[0095] Fcy,ww=Fc(dh)cos( Y )cos(0)_liFN(dh)sin( Y )...(12)
[0096] Fcx,wg = -Fc(dh)sin( y )cos(0)-]iFN(dh)cos( y )---(13)
[0097]這里，&(此)是等效接觸力^〃((111)是等效正壓力，分別通過下式（14)、（15)來表不。
[0098] Fc(dh) =kc( (ho+dh)+-(h〇-dh) + ) ??? (14)
[0099] FN(dh) = kc( (ho+dh)++(hO_dh) + ) ??? (15)
[0100] 圖7表示函數Fc(dh)。圖8表示函數FN(dh)。在圖7以及圖8中，2cp表示| dh | < 0的二點接觸狀態(tài)，1 cp表示| dh | > 0的一點接觸狀態(tài)。
[0101]最后，如下式（16)、（17)所示那樣，相互作用力?％胃、？"^{；被乘以節(jié)圓半徑而被轉換為轉矩T。, ww、Tc, wg。
[0102] Tc,ww=rwwFcy,ww-- - (16)
[0103] Tc,wg = rwwFcx,wg---(17)
[0104] 對為了運算蝸輪蝸桿的嚙合部的摩擦系數y而使用的摩擦模型進行說明。在本實施方式中，作為摩擦模型使用LuGre模型?；贚uGre模型的摩擦系數y使用兩物體間的滑動速度v s和刷的撓曲量P并通過下式(18)來表示。
[0107] g ( Vs ) = yc+ (iiba-iic) 9A
[0108] A = -( | vs | /vsb)2
[0109] 這里，y。是庫倫摩擦系數。yba是最大摩擦系數。Vsb是產生斯特里貝克效應的滑動速度。〇〇是刷的剛性系數。W是刷的衰減系數。〇 2是粘性摩擦系數。這6個參數通過實驗求出。作為LuGre模型的輸入的滑動速度^通過下式(19)來表示。
[0110] vs = rww ? d9ww/dt ? sin( y )+rwg ? d9wg/dt ? cos( y )---(19) 在本實施方式中，摩擦力推斷部69使用將圖5的完全EPS模型91簡化而成的模擬模型（以下稱為簡易EPS模型92。）來推斷動力轉向柱內的摩擦(補償對象的摩擦）。
[0112]圖9是表示簡易EPS模型92的結構的示意圖。
[0113]在該簡易EPS模型92中，視作馬達轉矩指令值!^。與馬達軸轉矩Tms相等。另外，在該簡易EPS模型92中，視作馬達軸的旋轉角0^與蝸桿的旋轉角0wg相等。
[0114] 0ms = 0wg---(2〇)
[0115] 在該簡易EPS模型92中，如下式(21)所示那樣，視作蝸輪的旋轉角0胃與減速比i和蝸桿的旋轉角9wg的積相等。
[0116] 9ww(t) = i9wg⑴…（21)
[0117] 在該簡易EPS模型92中，如下式（22)所示那樣，減速比i使用蝸輪以及蝸桿的節(jié)圓半徑rww、rWg和導程角y來表示。
[0118] i = (rww/rwg) ? cot( y )---(22)
[0119] 即，在該簡易EPS模型92中，慣性的個數被減少至該轉向柱的旋轉角為0的單一的慣性>1=了'"+12(了\^+3〇13)。
[0120] 雖然蝸輪以及蝸桿被組合為一個，但由于接觸狀態(tài)給摩擦力帶來影響，所以運算接觸狀態(tài)的影響。
[0121]在該簡易EPS模型92中，直接輸入扭桿轉矩Ttb。因此，不包括方向盤。不測定朝向下部軸的逆輸入（負荷轉矩)Tls。然而，負荷轉矩Tls能夠經由車輛模型來測定。作為最初的方法，簡單的彈簧-阻尼軸被作為車輪的自校正反饋的代表使用。負荷轉矩T ls通過下式(23)來表不。
[0122] Tis = -k9-c(d9/dt)-- - (23)
[0123] k以及c分別是車輛模型的剛性系數以及粘性系數。
[0124] 用于簡易EPS模型92的蝸輪蝸桿的嚙合部的滑動速度vs使用上述式（19)、（21)、 (22)通過下式(24)來表示。
[0125] vs = rww(d9/dt)/sin( y )---(24)
[0126] 在簡易EPS模型92中，上述運動方程式(2)、（3)、（4)通過下式(25)來表示。
[0127] ^ -f - b§ ^
[0128] 這里，y是摩擦系數。另外，N(dh)是與減速機構的負荷狀態(tài)dh相應的等效正壓力轉矩（以下稱為正壓力N(dh)。），通過下式(26)來表示。
[0129] N(dh) = {rww/sin( Y )}FN(dh)…（26)
[0130] 返回至圖4,正壓力運算部71運算正壓力N(dh)。
[0131] 蝸輪上的外部轉矩Tww是Tww=Ttb+Tis。在蝸桿側，慣性是Jwg+Jms，外部轉矩是馬達軸轉矩Tms。另外，在穩(wěn)定狀態(tài)下，成為9ww= i 9wg= i 9ms。
[0132] 若將這些式子應用于上述運動方程式(2)、（3)、（4)，則得到下式(27)。
[0133] (l/Jww_)(Tww+rwwC〇s( Y )cos(0)Fc(dh)_rwwlisin( Y )FN(dh))
[0134] =
[0135] =
[0136] (l/i(Jwg+Jms))(Tms-rWgsin( y )cos(0)Fc(dh)-rwglicos( y )FN(dh))---(27)
[0137] 若假定為與正壓力的項FC(dh)相比能夠忽略摩擦項yFN(dh) (yFN(dh) = 0)，則Fc (dh)通過下式(28)來表示。
[0138] Fc(dh) = iJwwTms-i2(Jwg+Jms)(Tww)/(r?cos( y )cos(0)J)---(28)
[0139] 正壓力運算部71根據上述式（28)和上述式（14)(參照圖7的曲線圖）來運算dh。另外，正壓力運算部71通過將求出的dh和根據上述式(9)求出的ho代入至上述式（15)來運算F N (dh)。然后，正壓力運算部71通過將FN(dh)代入至上述式(26)來運算正壓力N(dh)(正壓力推斷值1\ ( 3h))。
[0140] 摩擦系數推斷部72基于上述式(24)來運算滑動速度Vs。此時，作為上述式(24)的d e/dt，使用由觀察器用模型61運算出的轉向柱角速度推斷值然后，摩擦系數推斷部72通過將得到的滑動速度Vs代入至上述式（18)來運算摩擦系數推斷值只。摩擦力運算部73通過將由正壓力運算部71運算出的正壓力推斷值N ( 3h)乘以由摩擦系數推斷部72運算出的摩擦系數推斷值S來運算摩擦力的推斷值(df> )。
[0141] 在上述實施方式中，摩擦力推斷部69基于考慮了在減速機構19中產生的摩擦的簡易EPS模型92來推斷在減速機構19中產生的摩擦。然后，使用推斷出的摩擦和輔助轉矩指令值來運算馬達轉矩指令值。由此，能夠補償在減速機構19中產生的摩擦。
[0142] 作為參考模型43以及觀察器用模型61，在本實施方式中，使用從圖9所示的簡易 EPS模型92去除了動力轉向柱內的摩擦yN(dh)的模型。
[0143] 以下，對在控制部45中使用的比例增益kP及微分增益kv(反饋增益）、在設備觀察器48內的第一增益乘法部64中使用的第一增益1 P(模型修正用增益）以及在設備觀察器48 內的第二增益乘法部68中使用的第二增益lv(模型修正用增益)的設定方法進行說明。
[0144] 圖10表示具有彈簧、質量以及阻尼元件的一質點系的模型。
[0145] 該模型的運動方程式通過下式(29)來表示。
[0146] m ? d2x/dt+c ? dx/dt+kx = f---(29)
[0147] 這里，m是質量，c是衰減系數，k是彈性系數（剛性系數），d2x/dt是加速度，dx/dt是速度，x是位移，f是外力。
[0148] 若對式(29)進行拉普拉斯變換，則得到下式(30)。
[0149] (ms2+cs+k)X = F--- (30)
[0150] 這里，X是位移的拉普拉斯變換，F是外力的拉普拉斯變換，s是拉普拉斯算子。
[0151] 傳遞函數H(s)通過下式(31)來表示。
[0152] H(s)=X(s)/F(s) = l/ (ms2+cs+k)-- - (31)
[0153] 式(31)的右邊的分母被稱為特性方程式(ms2+cs+k = 0)。
[0154] 特性方程式的根通過下式(32)來表示。
[0155] s = }/2m... (32)
[0156] 特性方程式的根為2重根的情況為振動與非振動的邊界(臨界衰減）。
[0157] 若將臨界衰減系數設為cc = 2，(mk)，將衰減比設為G = c/CC，則特性方程式通過下式(33)來表示。
[0158] s2+2C(k/m) ? s+k/m=0...(33)
[0159] 并且，若將coQ =，(k/m)設為固有角振動數則特性方程式通過下式(34)來表不。
[0160] s2+2^ to 〇s+to o2 = 〇--- (34)
[0161] 在臨界衰減時(G = l)，式(34)成為下式(35)。
[0162] s2+2?〇s+?〇2 = 〇---(35)
[0163] 在臨界衰減時(G = 1 )，系統(tǒng)的響應性較快，且成為非振動。
[0164] 在本實施方式中，將臨界衰減時的響應性作為目標的響應性來設定比例增益kP、微分增益kv、第一增益1 P以及第二增益lv。
[0165] 參照圖2,用簡易EPS模型92表示本實施方式的控制對象(設備）的情況下的、本實施方式的閉環(huán)系統(tǒng)(控制對象以及控制器)的運動方程式通過下式(36)、（37)、（38)、（39)來表;^ D
[0166] ?/設-練一 -+ 多一茲》+知(發(fā)一設)兵漢辦參漢一13場
[0167] J^C# - #) -1)^ W -1) + ^0 - i}-H3D ** ?
[0168] 嫌T如.一…? .竊魏
[0169] T = Ttb+iTa------(39)
[0170] 式(36)是控制對象的運動方程式，式(37)是設備觀察器48的運動方程式，式(38) 是參考模型43的運動方程式。式(36)的右邊的PN表示摩擦力推斷值pN(d￡ ),_表示實際摩擦力yN(dh)。#N_M N是摩擦補償誤差。
[0171] 將Cj) = 0-沒定義為設備觀察器48的誤差，將$ =吞-J定義為設備觀察器48與參考模型43之間的誤差。
[0172] 使用f以及$，并根據上述3個運動方程式(36)、（37)、（38)來生成表示控制系統(tǒng) 的舉動的兩個方程式(40)、（41)。
[0173] /麥 + (C + ffgiV +. ')穸 + (& .十 Ijj)貨 as +兵|/ -辦卜一M40)
[0174] /羲 + + 女v)參 + (靶十 %伊 + ' ^41)
[0175] 與各式(40)、（41)對應的特性方程式分別通過下式(42)、（43)來表示。
[0176] s2+{(c+〇2N+lv)/J}s+(k+lP)/J = 0---(42)
[0177] s2+{ (c+kv)/J}s+(k+kP)/J = 0???( 43)
[0178]若以特性方程式(42)、（43)具有2重根(負的實數)的方式設定比例增益kP、微分增益kv、第一增益1P以及第二增益lv，則得到臨界衰減的響應性。為了特性方程式(42)具有S = _C1(C1為正的實數)的2重根，需要下式(44)成立，為了特性方程式(43)具有s = -C2(C2為正的實數)的2重根，需要下式(45)成立。
[0179] (s-(-C1))2 = s2+2C1 ? s+C12 = 0---(44)
[0180] (s-(-C2))2 = s2+2C2 ? s+C22 = 0---(45)
[0181] 若比較式(42)和式(44)的系數，則得到下式(46)，若比較式(43)和式(45)的系數，則得到下式(47)。
[0184] 對C1設定所希望的值，并根據式(46)來決定第一增益1P以及第二增益lv。同樣，對 C2設定所希望的值，并根據式(47)來決定比例增SkP以及微分增益kv<Xl以及C2是設計目標的響應性的參數。
[0185] 通過這樣地決定比例增益kP、微分增益kv、第一增益1P以及第二增益l v來實現響應性快、且非振動的控制系統(tǒng)。
[0186] 在上述的實施方式中，將轉向軸(轉向柱軸)6的旋轉角設為轉向柱旋轉角0，但也可以將電動馬達18的旋轉角（馬達軸)設為轉向柱旋轉角0。
[0187] 另外，在上述的實施方式中，電動馬達18是有刷直流馬達，但例如也可以是三相無刷馬達等有刷直流馬達以外的電動馬達。
[0188] 應予說明，本發(fā)明能夠在要求保護的范圍所記載的事項的范圍內實施各種的設計變更。
【主權項】
1. 一種電動動力轉向裝置，包括：動力轉向柱，其包括電動馬達以及放大上述電動馬達的馬達轉矩的減速機構；輔助轉矩指令值運算部，其設定上述電動馬達的輔助轉矩指令值；觀察器，其使用假定為在上述動力轉向柱中不產生摩擦并且使用上述電動馬達的旋轉角的實測值以及模型修正用增益來修正特性的觀察器用模型，來運算上述動力轉向柱的旋轉角的推斷值以及在上述動力轉向柱內產生的摩擦力的推斷值；參考模型，其是假定為在上述動力轉向柱中不產生摩擦的模型，其運算上述動力轉向柱的旋轉角的目標值；反饋操作量運算部，其通過對上述動力轉向柱的旋轉角目標值與上述動力轉向柱的旋轉角推斷值的偏差進行反饋運算來運算反饋操作量；馬達轉矩指令值運算部，其通過使用上述摩擦力推斷值以及上述反饋操作量修正上述輔助轉矩指令值來運算馬達轉矩指令值;以及馬達電流控制部，其以上述電動馬達的馬達轉矩與上述馬達轉矩指令值相等的方式控制流向上述電動馬達的馬達電流，其特征在于，以與表示上述電動動力轉向裝置的舉動的運動方程式對應的特性方程式具有2重根的方式設定在上述反饋操作量運算部使用的反饋增益以及在上述觀察器使用的上述模型修正用增益。2. -種增益設定方法，其特征在于，是包括以下部件的電動動力轉向裝置的增益設定方法，上述電動動力轉向裝置包括：動力轉向柱，其包括電動馬達以及放大上述電動馬達的馬達轉矩的減速機構；輔助轉矩指令值運算部，其設定上述電動馬達的輔助轉矩指令值；觀察器，其使用假定為在上述動力轉向柱中不產生摩擦并且使用上述電動馬達的旋轉角的實測值以及模型修正用增益來修正特性的觀察器用模型，來運算上述動力轉向柱的旋轉角的推斷值以及在上述動力轉向柱內產生的摩擦力的推斷值；參考模型，其是假定為在上述動力轉向柱中不產生摩擦的模型，其運算上述動力轉向柱的旋轉角的目標值；反饋操作量運算部，其通過對上述動力轉向柱的旋轉角目標值與上述動力轉向柱的旋轉角推斷值的偏差進行反饋運算來運算反饋操作量；馬達轉矩指令值運算部，其通過使用上述摩擦力推斷值以及上述反饋操作量修正上述輔助轉矩指令值來運算馬達轉矩指令值;以及馬達電流控制部，其以上述電動馬達的馬達轉矩與上述馬達轉矩指令值相等的方式控制流向上述電動馬達的馬達電流，以與表示上述電動動力轉向裝置的舉動的運動方程式對應的特性方程式具有2重根的方式設定在上述反饋操作量運算部使用的反饋增益以及在上述觀察器使用的上述模型修正用增益。
【文檔編號】B62D5/04GK106004989SQ201610160439
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】弗雷德里克·威廉, 田村勉, 羅伯特·富克斯, 菲利普·馬爾豪普特
【申請人】株式會社捷太格特

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