專利名稱：具有自動轉向功能的電動轉向裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及裝備有轉向助力馬達的電動轉向裝置，以對方向盤的轉向進行助力。
背景技術：
日本首次公開專利No.2003-267248公開了一種電動轉向裝置，其可以測量汽車轉向軸的轉向扭矩并按照該測量的扭矩的函數來控制電動馬達(即，轉向助力馬達)，以產生轉向軸的轉向助力扭矩。
正如上述公開專利中所教導的，這種類型的電動轉向裝置具有缺陷當駕駛員以較低的速度、較小的轉彎將車輛駛入車庫時，駕駛員自身將消耗大量時間和精力，從而導致駕駛員疲勞。特別地，當駕駛員將車輛倒進車庫時，駕駛員需要一邊操作方向盤一邊保證車輛后面的安全。因而，駕駛員需要將方向盤來回轉動，很困難地才能將車輛正確地移進車庫。
近來，已經使用配備有后部監(jiān)控攝像機的車輛，或者利用這種后部監(jiān)控攝像機或后部傳感器自動倒車入庫的車輛，然而，這導致車輛的成本升高。
發(fā)明內容
因此本發(fā)明的一個主要目的是避免現有技術的上述缺陷。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于車輛的車輛電動轉向裝置，其被設計用來減小駕駛員的轉向力。
根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種可以應用在汽車上的電動轉向裝置。該電動轉向裝置包括(a)馬達，用于在車輛的方向盤轉動時產生轉向助力扭矩；(b)扭矩傳感器，用于測量轉向扭矩；(c)車速傳感器，用于測量所述車輛的速度；(d)轉向速率確定電路，用于確定所述方向盤的轉向速率；(e)馬達控制器，用于基于所述扭矩傳感器測得的轉向扭矩以及所述車速傳感器測得的車速控制所述馬達的運轉；決策電路，用于判斷與所述車輛的預先選定的操作狀態(tài)相關的狀態(tài)參數是否滿足給定的要求；以及(e)自動轉動控制器，用于根據由所述轉向速率確定電路確定的轉向速率執(zhí)行自動轉向控制，以維持所述馬達產生所述轉向助力扭矩來轉動所述方向盤，當所述決策電路判定所述狀態(tài)參數已滿足所述給定的要求時，所述自動轉向控制器啟動所述自動轉向控制，或者，當所述決策電路判定所述狀態(tài)參數已經偏離所述給定的要求時，所述自動轉向控制器停用所述自動轉向控制。
例如，當車輛駕駛員駕車以低速小轉彎入庫時，該電動轉向裝置用于減小使駕駛員的轉向力。
在本發(fā)明的優(yōu)選模式中，當轉向扭矩落在一給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。例如，當車輛在諸如泥濘的路面這樣的不平坦的路面上行駛時，可能會引起方向盤意外的轉動，這就需要駕駛員的轉向力。因此，就將駕駛員有意開始轉動方向盤的轉動力范圍確定為所述給定的范圍。這允許自動轉向控制器執(zhí)行自動轉動控制以只在駕駛員需要的情況下才將轉向助力扭矩增加到方向盤上，從而將駕駛員的不適度或者發(fā)生事故的可能性降到最小。
當車輛的速度落在給定的范圍(如5km/h或更小)內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
當轉向速率落在給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
電動轉向裝置還可以包括用于測量方向盤的轉向角的轉向角傳感器。當方向盤的轉向角落在給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
電動轉向裝置還可以包括電流傳感器，用于測量流經所述馬達的電流。當由所述電流傳感器測出的電流落在給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
電動轉向裝置還可以包括角位置確定電路，用于確定方向盤的角位置。其中當方向盤的角位置達到預定位置時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數超出所述給定的要求。通過從所述方向盤的最大可轉向角度減去一給定角度來得到該預定位置。
當方向盤的轉向角達到一個預定角度時，所述決策電路就判定所述狀態(tài)參數超出所述給定的要求。通過從所述方向盤的最大可轉向角度減去一給定角度來得到該預定角。
根據下面給出的詳細說明以及本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖，可以更全面地理解本發(fā)明，然而，本發(fā)明的優(yōu)選實施例不應當被看成是將本發(fā)明限制在這些特定的實施例上，而其僅僅是用于解釋和理解本發(fā)明。
在附圖中圖1是示出根據本發(fā)明的電動轉向裝置的結構的視圖；圖2是示出安裝在圖1的電動轉向裝置上的轉向控制器的電路結構的方塊圖；和圖3是舉例說明圖1的電動轉向裝置的轉向速率保持控制的操作的時間圖。
具體實施例方式
參照附圖，其中相似的參考標號表示在幾個圖中類似的部件，特別參考圖1，其示出根據本發(fā)明的用于車輛的電動轉向裝置1。
方向盤10連接到轉向軸12a上。如圖所示，轉向軸12a的下端與扭矩傳感器11連接。扭矩傳感器11的下端與小齒輪軸12b的上端接合。該小齒輪軸12b在其下端上安裝有一個小齒輪(未示出)，該小齒輪與轉向器殼體16內的齒條18嚙合。該齒條18的兩端與橫拉桿20的端部相連。該橫拉桿20的另一端通過轉向節(jié)臂22連接到車輪24。電動馬達15通過一個齒輪(未示出)來連接小齒輪軸12b，這就構成了所謂的電動式轉向裝置。
可選地，馬達15可以與齒條18同軸連接，或者安裝在轉向器殼體16內，以驅動小齒輪軸12b。
扭矩傳感器11用于測量駕駛員作用在方向盤10上的轉向力，并且可以通過公知的扭矩傳感器來實現，該扭矩傳感器由一個扭力桿和一對彼此間隔扭力桿長度而布置的諸如分解器(resolver)這樣的傳感器構成。具體地，該扭矩傳感器11對轉向軸12a的扭矩進行響應，以將一個指示該扭矩的信號提供給轉向控制器30。
轉向角傳感器13連在轉向軸12a上，用于測量轉向軸12a的轉向角和轉向速率。該轉向角傳感器13可以通過公知的由旋轉編碼器和分解器構成的角度傳感器來實現。該轉向角傳感器13向轉向控制器30輸出傳感器信號。該轉向控制器30使用該傳感器信號并確定轉向軸12a的轉向角和轉向速率。該轉向速率以單位時間(例如1秒)轉向角的變化的方式來給出。
該電動轉向裝置1還包括電流傳感器8、角位置傳感器9和車速傳感器17。該角位置傳感器9通過公知的由旋轉編碼器和分解器構成的位置傳感器來實現，用于測量馬達15的旋轉軸的角位置，并將指示該角位置的信號輸出給轉向控制器30。馬達15通過齒輪減速機構(未示出)與小齒輪軸12b相連。因此，角位置傳感器9的輸出也是小齒輪軸12b或方向盤10的角位置的函數。車速傳感器17通過公知的包括旋轉編碼器等的速度傳感器來實現，用于測量車輛速度，并將指示該車輛速度的信號輸出給轉向控制器30。
該轉向控制器30主要由CPU 31、RAM 32、ROM 33、I/O設備34(即，輸入/輸出接口)和電連接上述部件的總線35構成。CPU 31讀取ROM 33和RAM 32輸出的程序和數據，并執(zhí)行給定的控制任務。ROM 33包括程序存儲區(qū)域33a和數據存儲區(qū)域33b。程序存儲區(qū)域33a內存有轉向控制程序33p。數據存儲區(qū)域33b內存有用于執(zhí)行該轉向控制程序33p的數據。
轉向控制器30用于執(zhí)行存儲在ROM 33內的轉向控制程序33p，以確定由馬達15產生的驅動扭矩，該驅動扭矩是扭矩傳感器11所測得的扭矩以及轉向角傳感器13所測得的轉向速率的函數，并通過馬達驅動器14向馬達15施加一個電壓，在馬達15中創(chuàng)建該確定的驅動扭矩需要馬達驅動器14。馬達15可以是可在電動轉向裝置1內使用的任意類型，并且比如由直流電機或無電刷電機來實現。
圖2是示出轉向控制器30的電路結構的方塊圖，該轉向控制器30用于在電動轉向裝置1運行期間循環(huán)執(zhí)行在轉向控制程序33p中的馬達控制任務和其它任務。
該轉向控制器30主要由轉向助力控制電路42和轉向速率保持電路43組成。該轉向助力控制電路42包括相位補償模塊49、助力電流確定模塊50、校正電流確定模塊51、電流加法器模塊52、最大電流確定模塊53和電流控制模塊54。該轉向速率保持電路43包括轉向速率保持功能控制模塊44、轉向速率保持控制模塊45、轉向速率保持功能關閉控制模塊46、轉向速率保持電流上限控制模塊47和控制電流加法器模塊48。
轉向助力控制電路42像在公知的電動轉向裝置中的轉向助力控制電路一樣進行操作。具體來說，轉向助力控制電路42在助力電流確定模塊50中確定將施加到馬達15上的轉向助力電流，該電流是由相位補償模塊49所計算的相位補償因子以及由車速傳感器17所測出的車速的函數。校正電流確定模塊51用于確定一個電流(即，校正因子)，該電流是轉向角傳感器13所測出的轉向速率的函數，用來校正由助力電流確定模塊50確定出的轉向助力電流。電流加法器模塊52用于將校正電流確定模塊51所提供的校正電流與助力電流確定模塊50所提供的轉向助力電流相加。日本首次公開專利No.8-91236公開了該轉向助力控制電路42工作的一個例子，在此以參考的方式并入其公開內容。
控制電流加法器模塊48用于將電流加法器模塊52和轉向速率保持電流上限控制模塊47的輸出進行相加，以產生控制電流。最大電流確定模塊53用于判定該控制電流是否在一個允許范圍內。如果不在允許范圍內，則該最大電流確定模塊53選擇預定的上限值作為控制電流。電流控制模塊54用于確定產生該控制電流所需要的電壓，并將該電壓施加到馬達15上。
轉向速率保持功能控制模塊44被設計成利用扭矩傳感器11、車速傳感器17、轉向角傳感器13、電流傳感器8以及角位置傳感器9的輸出中的至少一個作為狀態(tài)參數，用以判定將在下文詳細說明的轉向速率保持功能開啟標記是否被切換到打開狀態(tài)。具體來說，當該狀態(tài)參數滿足給要求時，例如其處在一個給定范圍內時，該轉向速率保持功能控制模塊44就將轉向速率保持功能開啟標記切換到打開狀態(tài)，以啟動轉向速率保持控制，該轉向速率保持控制調節(jié)由馬達15施加在小齒輪軸12b上的扭矩，以便將方向盤10的轉向速率保持為基本恒定?？梢允褂门ぞ貍鞲衅?1、車速傳感器17、轉向角傳感器13、電流傳感器8以及角位置傳感器9中的兩個或多個輸出的組合來作為如上文所述的狀態(tài)參數。在這種情況下，當所有的狀態(tài)參數都分別落在給定范圍內時，轉向速率保持功能控制模塊44就將轉向速率保持功能開啟標記切換到打開狀態(tài)。
當轉向速率保持功能開啟標記被切換到打開狀態(tài)時，轉向速率保持控制模塊45工作以確定轉向速率保持電流，該電流是轉向速率反饋控制所必需的，以將轉向速率的瞬時值保持為常數。
在轉向速率控制功能開啟標記處于打開狀態(tài)期間，當扭矩傳感器11、車速傳感器17、轉向角傳感器13、電流傳感器8以及角位置傳感器9中的至少一個輸出落在相應的給定范圍外時，轉向速率保持功能關閉控制模塊46工作以輸出一個轉向速率保持功能關閉信號，該信號關閉或者停用轉向速率保持功能。
轉向速率保持電流上限控制模塊47用于當轉向速率控制功能開啟標記處于打開狀態(tài)時，選擇馬達15的額定電流的最大值來作為施加到馬達15上的電流的上限值，或者若轉向速率控制功能開啟標記處于關閉狀態(tài)，則將該電流的上限值逐漸減小到與轉向運動的瞬時角度相匹配的值。
圖3示出了由轉向控制器30執(zhí)行的轉向速率保持控制(即，轉向速率保持功能)的操作的一個示例。
在該例子中，采用由扭矩傳感器11測出的扭矩以及由車速傳感器17測出的車速作為激活轉向速率保持功能的狀態(tài)參數。轉向速率保持功能控制模塊44和轉向速率保持功能關閉控制模塊46一直在監(jiān)測由扭矩傳感器11測出的轉向扭矩的瞬時值以及由車速傳感器17測出的車速的瞬時值。當扭矩超過在比如2到3Nm的范圍內選定的值T1，并且車速低于在比如5到10km/h的范圍內選定的值V1時，轉向速率保持功能控制模塊44就將轉向速率保持功能開啟標記置于打開狀態(tài)，以啟動轉向速率保持控制。轉向速率保持控制模塊45然后確定如上文所述的轉向速率保持電流，該電流用于在轉向速率保持控制開始時將轉向速率保持為常數。
當車速超過V1時，轉向速率保持功能控制模塊44就將轉向速率保持功能開啟標記切換到關閉狀態(tài)，以終止轉向速率保持控制。為了消除馬達15速度的突變，這通常會使車輛駕駛員感到不舒適，轉向速率保持電流上限控制模塊47工作以將施加到馬達15上的電流上限逐漸減小為零(0)。這使得由轉向速率保持控制模塊45所確定的轉向速率保持電流可以以較低速度減小。
如果在執(zhí)行轉向速率保持功能期間，駕駛員以較大的扭矩轉動方向盤10，則轉向速率保持功能控制模塊44可以被設計成將轉向速率保持功能開啟標記切換到關閉狀態(tài)以終止轉向速率保持控制，使得由扭矩傳感器11測得的轉向扭矩超過預選值(例如T1)。
或者，如果在執(zhí)行轉向速率保持功能期間，車輛駕駛員以使轉向速率超出比如60度/秒到180度/秒的允許范圍的速度(即單位時間轉向角傳感器13的輸出變化量)轉動方向盤10，則轉向速率保持功能控制模塊44可以被設計成將轉向速率保持功能開啟標記切換到關閉狀態(tài)以終止轉向速率保持控制。
如果在執(zhí)行轉向速率保持功能期間，由電流傳感器8測得的流經馬達15的電流或者其變化超出預定的允許范圍，則轉向速率保持功能控制模塊44還可以被設計成將轉向速率保持功能開啟標記切換到關閉狀態(tài)以終止轉向速率保持控制。
此外，如果在執(zhí)行轉向速率保持功能期間，由角位置傳感器9測得的角位置超出預定的允許范圍，則轉向速率保持功能控制模塊44還可以被設計成將轉向速率保持功能開啟標記切換到關閉狀態(tài)以終止轉向速率保持控制。
眾所周知，有一種行程末端沖擊安全控制，其用于當方向盤的角位置超過給定的限制時，減小由轉向助力電動馬達產生的轉向助力扭矩，或者停止該扭矩的產生，從而提高馬達的耐久性并節(jié)約其能耗。轉向控制器30裝備有該功能。下面將對其進行說明。
類似于典型的方向盤，方向盤10被設計成只允許從中間位置向每個方向轉動給定的圈數(例如兩圈)。該圈數取決于車輛的類型。方向盤10在每個方向被允許轉動的角度范圍限制通常被稱作行程末端。當方向盤10的角位置落入在馬達停止初始角位置附近定義的范圍內時(下文將對其進行詳細說明)，轉向控制器30啟動轉向運動停止指令，該指令由在電動轉向裝置1的運行狀態(tài)期間循環(huán)執(zhí)行的轉向控制程序33p提供。
當車速大于預選值時，且由扭矩傳感器11測出的轉向扭矩處在零(0)Nm附近的范圍內時，轉向控制器30確定車輛為直線行駛或者方向盤10處在中間位置上，并且對轉向角傳感器13的輸出進行采樣，以將由轉向角傳感器13測出的方向盤10的角位置確定為參考位置。
當轉動方向盤10，且上述狀態(tài)參數落入啟動轉向速率保持控制的給定范圍內時，如上文所述的，電動馬達15開始在方向盤10上施加轉向助力扭矩，從而使其可以在沒有駕駛員的轉向力的情況下也能繼續(xù)進行自動轉向。隨后轉向控制器30對轉向角傳感器13的輸出進行采樣，并計算其與參考位置的偏差，以將該偏差確定為方向盤10的真正的角位置。
通常，當切斷電動馬達的電源時，電動馬達受到慣性力的作用，使得其可繼續(xù)旋轉一段時間。電動馬達15也是如此。因此，在停止馬達15后，方向盤10不會立刻停止轉動。作用在馬達15上的慣性力取決于馬達單位時間的轉數(即，馬達15的轉速)。由于行程末端的沖擊所產生的傳遞到方向盤10上的不期望的機械沖擊力可以通過精確地選定上述馬達停止初始角位置來消除，從而當供給馬達15的電流達到上限之后馬達15的角位置減小到零(0)，馬達15在慣性力的作用下繼續(xù)轉動，隨后至少在行程末端處停止。
作用在馬達15上的慣性力取決于在執(zhí)行轉向速率保持控制期間馬達15的轉速。因此，可以計算出馬達15在慣性力的作用下繼續(xù)轉動的角度范圍。在轉向控制器30中預先設定供給馬達的電流上限的速率。因此，利用這些參數，可以確定供給馬達15的電流上限為零(0)時馬達15的角位置。從這個位置往回計算，就可以確定在應當開始減小供給馬達15的電流上限時的馬達15的角位置(即，上述馬達停止初始角位置)。
當轉向控制器30采樣角位置傳感器9的輸出并確定馬達15的角位置已達到馬達停止初始角位置時，轉向速率保持功能控制模塊44就將轉向速率保持功能開啟標記切換到關閉狀態(tài)以終止轉向速率保持控制。這就避免了通常會使駕駛員感到不適的方向盤10在行程末端的沖擊。
然而，如果在需要啟動轉向速率保持控制時方向盤10的角位置(即馬達15的角位置)已經達到馬達停止初始角位置，則轉向控制器30不啟動轉向速率保持控制。
在執(zhí)行轉向速率保持功能期間的行程末端沖擊安全控制中，當方向盤10達到對應于馬達停止初始角位置的角位置時，轉向速率保持功能控制模塊44可以終止轉向速率保持控制。
或者，在執(zhí)行轉向速率保持功能期間可以通過下述方式來啟動行程末端沖擊安全控制。具體來說，利用轉向角傳感器13的輸出(即方向盤10的實際角位置)以及作用在馬達15上的慣性力，確定在供給馬達15的電流上限為零(0)時方向盤10的角位置。利用供給馬達的電流的上限的速率，該速率如上文所述在轉向控制器30中預先設定，可以確定方向盤10的角度范圍，在該角度范圍內，在供給馬達15的電流上限開始減小后，方向盤10繼續(xù)轉動并且隨后停止。當方向盤10的實際角位置達到上述范圍時，轉向速率保持功能控制模塊44終止轉向速率保持功能。
在執(zhí)行轉向速率保持功能期間的行程末端沖擊安全控制中，或者可以通過下述方式來確定馬達停止初始角位置。計算最大的可轉向角，該最大的可轉向角是在方向盤10的參考位置與方向盤10左右最大程度轉動所達到的角位置之間的范圍。根據這個角，可以減去馬達15的角度范圍以確定出馬達停止初始角位置，其中在該馬達15的角度范圍內，在供給馬達15的電流的上限開始減小之后，馬達15繼續(xù)轉動并然后停止。
盡管為了便于更好的理解而根據優(yōu)選實施例來對本發(fā)明進行說明，但是應該理解本發(fā)明可以在不偏離本發(fā)明宗旨的前提下以各種變型方式來實施。因此，本發(fā)明應該被理解為包括了所示實施例的所有可能的實施方式以及改型，其可以在不偏離所附權利要求闡明的本發(fā)明宗旨的情況下進行實施。
權利要求
1.一種用于車輛的電動轉向裝置，包括馬達，用于在轉動車輛的方向盤時產生轉向助力扭矩；扭矩傳感器，用于測量轉向扭矩；車速傳感器，用于測量所述車輛的速度；轉向速率確定電路，用于確定所述方向盤的轉向速率；馬達控制器，用于基于所述扭矩傳感器測得的轉向扭矩以及所述車速傳感器測得的所述車輛的速度，控制所述馬達的運轉；決策電路，用于判定與所述車輛的預先選定的操作狀態(tài)相關的狀態(tài)參數是否滿足給定的要求；以及自動轉動控制器，用于根據由所述轉向速率確定電路確定的轉向速率來執(zhí)行自動轉向控制，以維持所述馬達產生所述轉向助力扭矩來轉動所述方向盤，當所述決策電路判定所述狀態(tài)參數已滿足所述給定的要求時，所述自動轉向控制器啟動所述自動轉向控制，當所述決策電路判定所述狀態(tài)參數已經偏離所述給定的要求時，所述自動轉向控制器停用所述自動轉向控制。
2.據權利要求1所述的電動轉向裝置，其中當所述轉向扭矩落在給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
3.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，其中當所述車輛的速度落在給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
4.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，其中當所述轉向速率落在給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
5.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，還包括用于測量所述方向盤的轉向角的轉向角傳感器，其中當所述方向盤的轉向角落在給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
6.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，還包括電流傳感器，用于測量流經所述馬達的電流，其中當由所述電流傳感器測出的電流落在給定的范圍內時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數滿足所述給定的要求。
7.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，還包括角位置確定電路，用于確定所述方向盤的角位置，其中當所述方向盤的角位置達到預定位置時，所述決策電路判定所述狀態(tài)參數偏離所述給定的要求。
8.根據權利要求7所述的電動轉向裝置，其中通過從所述方向盤的最大可轉向角度中減去一給定角度來給出所述預定位置。
9.根據權利要求5所述的電動轉向裝置，其中當所述方向盤的轉向角達到預定角度時，所述決策電路就判定所述狀態(tài)參數超出所述給定的要求。
10.根據權利要求9所述的電動轉向裝置，其中通過從所述方向盤的最大可轉向角度中減去一給定角度來給出所述預定位置。
全文摘要
一種用于車輛的電動轉向裝置，其可以減小駕駛員的轉向力。該電動轉向裝置被設計成用來執(zhí)行自動轉向控制。當轉向力落在駕駛員期望開始有意地轉動方向盤的轉向力范圍內時，啟動自動轉向控制。當轉向力超出該范圍時，停用自動轉向控制。這允許根據駕駛員的需要來減小駕駛員的轉向力。
文檔編號B62D117/00GK1657352SQ20051005655
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月16日 優(yōu)先權日2004年2月16日
發(fā)明者林二郎 申請人:株式會社電裝