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CN110869263B - 具有自适应齿轮齿条位置调节的线控转向系统 - Google Patents

具有自适应齿轮齿条位置调节的线控转向系统 Download PDF

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CN110869263B CN201880046276.XA CN201880046276A CN110869263B CN 110869263 B CN110869263 B CN 110869263B CN 201880046276 A CN201880046276 A CN 201880046276A CN 110869263 B CN110869263 B CN 110869263B
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Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆的线控转向系统(1)的齿轮齿条位置调节的方法，模块(14)被设置用于调节齿轮齿条位置，使得位置误差(sr,err)通过反馈结构中的齿轮齿条位置(sr,des、sr,est)和齿轮齿条速度(vr,des、vr,est)的名义值与估计值之间的差来确定，然后确定控制变量(T,des)以用于控制齿轮齿条(12)，并且在前馈结构中借助于齿轮齿条力估计值以对控制变量(T,des)进行扰动变量补偿。

Description

具有自适应齿轮齿条位置调节的线控转向系统
技术领域
本发明涉及用于机动车辆的线控转向系统的齿轮齿条位置调节的方法、用于控制线控转向系统的方法、以及线控转向系统。
背景技术
在线控转向系统中，转向轮的位置不直接联接至转向输入装置、例如方向盘。借助于电信号在方向盘与转向轮之间建立连接。驾驶员的转向请求由方向盘传感器接收，并且转向轮的位置根据驾驶员的转向请求借助于转向调节器进行调节。未设置与车轮的机械连接，因此在致动方向盘后不会将直接的力反馈传递给驾驶员。由于省略了车轮与方向盘之间的机械连接，因此需要调节齿轮齿条的位置，进而调节车轮的位置。希望保持齿轮齿条的位置调节尽可能准确并且不受干扰。
从公开文本DE 10 2014 105 088 A1中已知一种用于机电转向系统的调节器，在该调节器中进行与频率有关的干扰补偿。调节器设计成在考虑作用在转向系统上的干扰的同时调节伺服马达的啮合。
EP 3 006 306 A1公开了一种用于具有齿轮齿条力估计单元的机电转向系统的方法，该方法基于转向角度、方向盘速度以及其他变量来估计齿轮齿条力。
发明内容
本发明的目的是提出用于线控转向系统中的齿轮齿条位置调节的方法和设备，其可靠且准确地调节齿轮齿条位置。
通过具有本发明的用于机动车辆的线控转向系统中的齿轮齿条位置调节的方法、用于控制用于机动车辆的线控转向系统的方法、以及用于机动车辆的线控转向系统来解决该问题。
因此，提供了一种用于机动车辆的线控转向系统的齿轮齿条位置调节的方法，其包括用于调节齿轮齿条位置的模块，该模块根据在反馈结构中的齿轮齿条位置和齿轮齿条速度的期望值与估计值之间的差值确定位置误差，由此确定用于控制齿轮齿条的控制变量，其中，在前馈结构中借助于齿轮齿条力估计值对转向机构的控制变量进行扰动变量补偿。该方法使得能够基于简单的物理转向机构模型进行自适应的、敏捷且高精度的齿轮齿条位置调节。在前馈结构中，估计的干扰变量、例如轮胎回复力的估计干扰量被添加至用于调节齿轮齿条的控制变量。
如果在另一前馈结构中，借助于对静摩擦系数的估计和摩擦模型来进行控制变量的摩擦力补偿，则将是有利的。通过这种方式，调节更加准确。
相应地，估计的摩擦力在前馈结构中被添加至齿轮齿条的控制变量。
摩擦力补偿和/或干扰变量补偿优选地借助于非线性自适应估计器、特别是卡尔曼滤波器来执行。还优选的是，反馈结构包括线性二次调节器，使得两者不相互妨害并且调节器可以对应地设置齿轮齿条的位置，并且/或者在前馈结构中考虑非线性并且在反馈系统中考虑线性系统。
如果将估计的静摩擦系数作为输入包括在齿轮齿条力估计器中，则是有利的。
优选地，将静摩擦系数与由齿轮齿条力估计器估计的齿轮齿条速度一起作为输入提供至摩擦模型。
在一个优选实施方式中，摩擦模型对摩擦力进行了补偿，并且由该摩擦模型产生的扭矩被添加到估计的齿轮齿条力以及控制齿轮齿条的控制变量中。估计的齿轮齿条力在之前借助于根据发动机水平以机械的方式确定的转换系数转换成估计的齿轮齿条扭矩。
摩擦模型优选地是非对称的、改进的动态摩擦模型，特别是隆德-格勒诺布尔摩擦模型。
此外，提供了一种用于控制用于机动车辆的线控转向系统的方法，包括：
-电子可调式转向调节器，该电子可调式转向调节器作用在转向轮上；
-控制单元；
-反馈致动器，该反馈致动器可以由驾驶员根据驾驶员对转向角度的请求经由转向输入装置来致动，并且该反馈致动器向转向输入装置发出反馈信号作为对驾驶员的请求和机动车辆的车辆状态的反应；
-信号传输器，该信号传输器将驾驶员的请求传输至控制单元；
-其中，控制单元控制转向调节器，以将驾驶员的请求转换成转向轮的偏转，其中，控制单元包括用于调节齿轮齿条位置的模块，该模块借助于前述方法调节齿轮齿条位置。
此外，提供了一种用于机动车辆的相应的线控转向系统，该系统被设计成执行前述方法。
附图说明
随后参照附图更详细地解释本发明的优选实施方式。在附图中，相同或功能相同的部件用相同的附图标记表示。所示出的是：
图1：线控转向系统的示意图；
图2：线控转向系统的控制的框图，该线控转向系统具有用于调节齿轮齿条位置的模块；
图3：用于调节齿轮齿条位置的框图；以及
图4：利用齿轮齿条摩擦模型和齿轮齿条摩擦估计单元对齿轮齿条位置进行另一次调节的框图。
具体实施方式
在图1中示出了线控转向系统1。旋转角度传感器(未显示)被应用在转向轴2上并检测驾驶员转向角度α，该角度通过转动在该示例中被设计为方向盘的转向输入装置3来施加，该角度可以被指定为方向盘旋转角度或驾驶员的转向请求。然而，也可以检测转向扭矩。操纵杆可以起转向输入装置的作用。此外，反馈致动器4被应用于转向轴2并且例如通过使用作用在方向盘3上的复位扭矩401或抵抗扭矩来起到在方向盘3上模拟来自车道70的反馈的作用，并且通过这种方式向驾驶员给出关于车辆的转向和驾驶表现的反馈。如图2中所示，通过使用转向轴2的经由旋转角度传感器测量的方向盘旋转角度α，经由信号线将驾驶员的转向请求传输到反馈致动器监控单元10。方向盘旋转角度α由此可以包括例如从-720°到+720°的范围内的若干旋转，其中，0°表示希望向前直行。反馈致动器监控单元10借助于施加的方向盘旋转角度α而将驾驶员的转向请求传输至控制单元60。反馈致动器监控单元10优选地还承担对反馈致动器4的控制。反馈致动器监控单元10也可以设计成与控制单元60集成在一起。控制单元60控制电动转向调节器6，该电动转向调节器6根据来自旋转角度传感器的信号和具有控制变量T,aus的其他输入变量来控制转向车轮7的位置。转向调节器6经由转向杆转向机构8、例如齿轮齿条转向机构并经由拉杆9和其他部件间接地作用在转向车轮7上，并使转向车轮7枢转至车轮转向角度β。
图2示出了线控转向系统的控制。反馈致动器4除了接受其他信号之外，还接收来自旋转角度传感器的信号，该旋转角度传感器测量并存储方向盘旋转角度α、方向盘加速度以及方向盘3处的方向盘速度。反馈致动器4与控制反馈致动器4的反馈致动器监控单元10通信。反馈致动器监控单元10另外经由信号线50从转向调节器6的控制单元60接收道路信息13，例如道路状态或车辆转向角度。控制单元60经由信号线50从反馈致动器监控单元10接收驾驶员侧的转向命令51、例如方向盘旋转角度α。
控制单元60在用于根据反馈致动器监控单元10传输的驾驶员的转向请求和其他信号来调节齿轮齿条位置的模块14中确定齿轮齿条12的期望齿轮齿条位置sr,des和期望齿轮齿条速度vr,des，从而可以由此确定用于电动转向调节器6的期望扭矩或控制变量T,des。替代性地，对于齿轮齿条位置而言，转向轮7的轮转向角度β可以用以确定控制变量。根据控制变量T,des以及控制单元60已经确定的其他变量确定用于使转向车轮7枢转的轮转向角度β。
来自转向调节器6和转向机构8的测量值120、例如在齿轮齿条12上测得的力、轮转向角度、以及道路信息13和齿轮齿条位置sr,meas被发送到控制单元60。
在图3和图4中示出了用于调节齿轮齿条位置的模块14的两个实施方式。
如图3中所描绘的，模块14接收期望齿轮齿条值作为用于调节齿轮齿条位置sr,est的输入。这些包括期望齿轮齿条位置sr,des和期望齿轮齿条速度vr,des。齿轮齿条力估计单元15除了估计齿轮齿条力Fr,est以外，还估计齿轮齿条位置sr,est和齿轮齿条速度vr,est。根据齿轮齿条位置和齿轮齿条速度的期望值与估计值之间的差来确定位置误差sr,err，调节器16首先通过该位置误差确定控制变量T,des，该控制变量对应于用于控制齿轮齿条12的期望扭矩。估计的齿轮齿条力Fr,estrack(＝控制变量，期望扭矩的非线性部分)借助于根据发动机扭矩水平以机械的方式确定的转换系数而转换，从而由此确定估计的齿轮齿条扭矩Tr,estrack并将其添加至最初确定的控制变量T,des，并且以这种方式确定要输出的实际控制变量T,aus，该实际控制变量然后被发送到用于控制齿轮齿条12的转向调节器6。当前的齿轮齿条位置sr,meas和齿轮齿条速度vr,meas是在齿轮齿条处测量的，并且估计的期望扭矩T,est是在齿轮齿条12处确定的。这些值sr,meas、vr,meas和T,est作为输入被提供至齿轮齿条力估计单元15。
齿轮齿条力估计单元15使用非线性估计方法(EKF)起作用，而调节器16(线性二次调节器(LQR))使用线性方法起作用，使得两者不会相互妨害并且调节器16可以对应地调节齿轮齿条位置。
图4示出了对应于图3的用于调节齿轮齿条位置sr,est的模块，然而，该模块已经由齿轮齿条摩擦估计单元17和齿轮齿条摩擦模型18扩展以用于提高精度。
齿轮齿条摩擦估计单元17的估计器是像齿轮齿条力估计单元15的齿轮齿条力估计器的非线性自适应估计器，并且该估计器接收测得的齿轮齿条位置sr,meas、测得的齿轮齿条速度vr,meas、估计的期望扭矩T,est和估计的齿轮齿条力Fr,estrack作为输入，并由此形成静摩擦系数μ,rackest(斯特里贝克摩擦)。静摩擦系数与由齿轮齿条速度估计器15估计的齿轮齿条速度vr,est一起作为输入提供至摩擦模型18。该摩擦模型对摩擦力进行补偿并由该摩擦模型确定扭矩Tμ,des，该扭矩借助于根据发动机扭矩水平以机械的方式确定的转换系数从估计的齿轮齿条力Fr,estrack(＝控制变量，期望扭矩的非线性部分)转换为估计的齿轮齿条扭矩Tr,estrack，并且该估计的齿轮齿条扭矩被添加至最初确定的控制变量T,des中，这就是如何确定要输出的实际控制变量T,aus的方式，然后将该实际控制变量提供给转向调节器。通过这种方式，补偿了系统的非线性特性和未知的干扰变量。使用线性二次调节器16(LQR)有效地调节系统的其余线性动力学。LQR基于线性齿轮齿条模型，在该模型中包括齿轮齿条的质量、阻尼和刚度，并且该模型优选地包括齿轮齿条的位置误差、速度误差和位置积分误差。
齿轮齿条摩擦模型由包括静摩擦和动摩擦的静态模型或动态摩擦模型(例如，隆德-格勒诺布尔模型)组成。
静摩擦系数μ,rackest也作为附加输入与sr,meas、vr,meas和T,est一起包括至齿轮齿条力估计器15中。
齿轮齿条位置、齿轮齿条速度、控制变量和摩擦力在相应的估计单元中通过使用卡尔曼滤波器而被连续估计。卡尔曼滤波器的概念涉及用于估计非线性系统的时间发展的方法，通过该方法可以从测量信号中消除干扰。为此目的，过滤器需要要被估计的系统的模型。

Claims (10)

1.一种用于机动车辆的线控转向系统(1)的齿轮齿条位置调节的方法，其中，设置有用于调节所述齿轮齿条位置的模块(14)，所述模块(14)根据反馈结构中的所述齿轮齿条位置(sr,des、sr,est)和齿轮齿条速度(vr,des、vr,est)的期望值与估计值之间的差来确定位置误差(sr,err)，根据所述位置误差(sr,err)确定控制变量(T,des)以用于控制齿轮齿条(12)，并且在前馈结构中借助于齿轮齿条力估计值对所述控制变量(T,des)进行扰动变量补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制变量(T,des)的摩擦力补偿借助于估计的静摩擦系数(μ,rackest)和摩擦模型(18)在另一前馈结构中执行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述摩擦力补偿和/或所述扰动变量补偿借助于非线性自适应估计器来执行。
4.根据前述权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，所述反馈结构包括线性二次调节器(16)。
5.根据权利要求2至3中的一项所述的方法，其特征在于，所述估计的静摩擦系数(μ,rackest)作为输入包括在齿轮齿条力估计器(15)中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述静摩擦系数(μ,rackest)与由所述齿轮齿条力估计器(15)估计的所述齿轮齿条速度(vr,est)一起作为输入提供至所述摩擦模型(18)。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述摩擦模型(18)对所述摩擦力进行补偿并且由所述摩擦模型(18)确定扭矩(Tμ,des)，所述扭矩(Tμ,des)被添加至估计的齿轮齿条力(Fr,estrack)和所述控制变量(T,des)以用于控制所述齿轮齿条(12)。
8.根据权利要求2至3中的一项所述的方法，其特征在于，所述摩擦模型(18)是非对称的、改进的动态摩擦模型。
9.一种用于控制用于机动车辆的线控转向系统的方法，包括：
-电子可调式转向调节器(6)，所述电子可调式转向调节器(6)作用在转向轮(7)上，
-控制单元(60)，
-反馈致动器(4)，所述反馈致动器(4)能够由驾驶员根据驾驶员对转向角度的请求经由转向输入装置(3)来致动，并且所述反馈致动器(4)向所述转向输入装置发出反馈信号作为对所述驾驶员的请求和所述机动车辆的车辆状态的反应，
-信号传输器，所述信号传输器将所述驾驶员的请求传输至所述控制单元(60)，
-其中，所述控制单元(60)控制所述转向调节器(6)，以将所述驾驶员的请求转换成所述转向轮(7)的偏转，其特征在于，所述控制单元(60)包括用于调节齿轮齿条位置的模块(14)，所述模块(14)借助于如权利要求1至8中的一项所述的方法调节所述齿轮齿条位置。
10.一种用于机动车辆的线控转向系统(1)，包括：
-电子可调式转向调节器(6)，所述电子可调式转向调节器(6)作用在转向轮(7)上，
-控制单元(60)，
-反馈致动器(4)，所述反馈致动器(4)能够由驾驶员根据驾驶员对转向角度的请求经由转向输入装置(3)来致动，并且所述反馈致动器(4)向所述转向输入装置发出反馈信号作为对所述驾驶员的请求和所述机动车辆的车辆状态的反应，
-用于信号传输的装置，所述用于信号传输的装置将所述驾驶员的请求传输至所述控制单元(60)，
-其中，所述控制单元(60)控制所述转向调节器(6)，以将所述驾驶员的请求转换成所述转向轮(7)的偏转，其特征在于，所述线控转向系统(1)设计成执行如权利要求1至9中的一项所述的方法。
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