CN101434258B - 动力辅助转向控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一动力辅助转向控制系统，其包含：一驱动模组、一处理模组以及一车况感测模组，其中，该驱动模组可传动一汽车方向盘，该车况感测模组可感测汽车车速、轮速、方向盘转角等行车状况参数，并将行车状况参数送至该处理模组，使该处理模组依据不同的行车状况控制该驱动模组，使该驱动模组在适当时机辅助该方向盘转动，让驾驶者顺畅地操作该方向盘。

Description

动力辅助转向控制系统 

技术领域

本发明是一种辅助转向控制系统，尤其是关于一种可辅助汽车转向，让驾驶者在各种不同开车情况下获得辅助转向或稳定方向盘的控制系统。 

背景技术

具有动力辅助的方向盘可以有效减轻驾驶者在开车转向时的施力负担，因此，动力方向盘早为每台汽车的标准配备。电动辅助转向系统(动力方向盘)的种类很多，其效能与特性均略有些微差异，但其所应用的原理与功效均大同小异。一般而言，传统的电动辅助转向系统仅由车速与驾驶者的输出扭力作为马达出力的依据，对于转向角度、转向角速度与转向角加速度的变化并无进行修正控制，在某些条件下造成驾驶者操作上的重手感。例如一名称为“车辆控向装置”，公告号为200307617的中国台湾专利，仅针对阻尼、摩擦与惯性等控制逻辑作为辅助转向马达输出依据，驾驶者在某些特定操作条件下仍旧会存在不佳的操作感受。综上所述，前述的车辆控向装置或传统的电动辅助转向系统虽能够达到一定的转向辅助效能，但是却仍存在如下缺点： 

1.辅助转向的补偿输入侦测讯号不完善，导致某些特定操作条件下仍旧会存在不佳的操作感受。 

2.前述补偿运算逻辑及侦测讯号本身功能受限制，目前的电动辅助转向系统无法依据路面状态或行车状态进行转向辅助的回馈，在某些特定行车状态下，例如经过凹陷处、经过凸起处、爆胎等，系统无法提供驾驶者该有的转向辅助及回正功能。 

发明内容

为解决前述电动辅助转向系统因为补偿判断逻辑不够完善，导致特定状态下驾驶者在操控方向盘时仍旧会感到重手感以及无法依据行车状况提供回馈补偿的问题，本发明提供一种动力辅助转向控制系统，其包含： 

一驱动模组，与一汽车的一方向盘连接，并于一特定时刻输出一特定力矩以辅助该方向盘转动； 

一处理模组，其与该驱动模组电性连接，且依据一行车及方向盘转动状态输出一增益控制该驱动模组，使该驱动模组可辅助该方向盘转动； 

一电流感测器，其输入端与该驱动模组电性连接，读取该驱动模组的工作电流并将该工作电流讯号传送至该处理模组；以及 

一车况感测模组，其感测该方向盘的转动扭力矩、方向盘的转动角度、行车速度、刹车命令以及四轮轮速，其输出端与该处理模组电性连接，并将感测的讯号传送至该处理模组； 

其中，该处理模组依据该车况感测模组及该电流感测器所传送的讯号执行一方向盘角加速度运算单元、一方向盘角速度运算单元、一反作用力运算单元、一基本辅助控制逻辑、一回正补偿控制逻辑、一阻尼补偿控制逻辑、一惯性补偿控制逻辑、一冲击补偿控制逻辑以及一爆胎补偿控制逻辑的运算结果，再将运算结果送至一马达控制运算单元执行加总运算，而输出该增益至该驱动模组以辅助该方向盘转动； 

其中，该车况感测模组包含： 

一方向盘扭力感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测该方向盘转动时的扭力矩并将该扭力矩讯号传送至该处理模组； 

一车速感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测该汽车的行车速度并将该行车速度讯号传送至该处理模组； 

一方向盘转角感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测该方向盘的转角并将该转角讯号传送至该处理模组； 

一刹车命令感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测该汽车的刹车命令并将该刹车命令传送至该处理模组；以及 

一四轮轮速感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测汽车各轮的转动轮速并将该转动轮速传送至该处理模组； 

其中，该驱动模组包含一马达驱动器以及一马达，该马达驱动器的输入端与该处理模组电性连接，该马达驱动器的输出端与该马达电性连接，该马达可驱动该方向盘，其中，当该处理模组依据该车况感测模组及该电流感测器的输出讯号运算后，输出该增益至该马达驱动器，使该马达驱动器驱动该马达而辅助该方向盘转动。 

藉此，本发明的处理模组可以执行多种补偿运算逻辑，每一个补偿运算逻辑的输入参数、运算条件均不相同，让汽车行驶时即使遭遇不同的状况，均能使驱动模组以适当的力矩控制该方向盘，减低驾驶者的操作不适及危险操作的问题。 

附图说明

图1为本发明较佳实施例的方块图。 

图2为本发明较佳实施例的一处理模组可执行的逻辑方块示意图。 

图3为本发明较佳实施例的一基本辅助控制逻辑的一方向盘扭力矩与一增益的关图。 

图4为本发明较佳实施例的该基本辅助控制逻辑的一车速与增益的关系图。 

图5为本发明较佳实施例的一回正补偿控制逻辑的一方向盘角加速度与增益的关系图。 

图6为本发明较佳实施例的回正补偿控制逻辑的一方向盘转角及增益的关系图。 

图7为本发明较佳实施例的回正补偿控制逻辑的车速与增益的关系图。 

图8为本发明较佳实施例的一阻尼补偿控制逻辑的方向盘转角与增益的关系图。 

图9为本发明较佳实施例的阻尼补偿控制逻辑的车速与增益的关系图。 

图10为本发明较佳实施例的一惯性补偿控制逻辑的车速与增益的关系图。 

图11为本发明较佳实施例的惯性补偿控制逻辑的方向盘转角与增益的关系图。 

图12为本发明较佳实施例的一冲击补偿与爆胎补偿控制逻辑的方向盘角速度与增益的关系图。 

图13为本发明较佳实施例的一汽车行驶经过路面凸起或凹陷时反作用力及车速改变示意图。 

图14为本发明较佳实施例的该冲击补偿与爆胎补偿控制逻辑的方向盘角加速度与增益的关系图。 

图15为本发明较佳实施例的一汽车爆胎或轮胎气压快速泄漏的轮速、车速与一反作用力的变化示意图。 

【主要组件符号说明】 

(10)处理模组 

(20)车况感测模组 

(22)方向盘扭力感测器 

(24)车速感测器 

(26)方向盘转角感测器 

(28)刹车命令感测器 

(29)四轮轮速感测器 

(30)驱动模组 

(32)马达驱动器 

(34)马达 

(40)电流感测器 

具体实施方式

请参考图1，为本发明动力辅助转向控制系统(Electric Power Steering)的较佳实施例，其包含一处理模组10、一车况感测模组20、一驱动模组30以及一电流感测器40，其中，该车况感测模组20的输出端与该处理模组10连接，该驱动模组30的输入端与该处理模组10连接，该电流感测器40的输入端与输出端分别与该驱动模组30及该处理模组10连接。 

请参考图2，该处理模组10可依据不同的一行车及方向盘转动状态控制该驱动模组30，其可为汽车的一行车控制计算机或为一连接于该行车控制计算机的电子模组；该行车及方向盘转动状态包含一行车速度、一刹车命令、一方向盘扭力、一方向盘转角以及四个轮子的轮速等与方向盘转动相关的行车状态参数。本较佳实施例的处理模组10为具有方向盘动力辅助功能的行车控制计算机，其接收该车况感测模组20及该电流感测器40的输出讯号，并依据所接收的讯号执行一方向盘角加速度运算单元、一方向盘角速度运算单元、一反作用力运算单元、一基本辅助控制逻辑、一回正补偿控制逻辑、一阻尼补偿控制逻辑、一惯性补偿控制逻辑、一冲击补偿控制逻辑以及一爆胎补偿控制逻辑的运算后，再将运算结果送至一马达控制运算单元执行加总运算而产生一输出增益，将该输出增益输往该驱动模组30。 

该车况感测模组20包含输出端分别与该处理模组10连接的一方向盘扭力感测器22、一车速感测器24、一方向盘转角感测器26、一刹车命令感测器28以及一四轮轮速感测器29；其中，该方向盘扭力感测器22、该车速感测器24、该方向盘转角感测器26、该刹车命令感测器28以及该四轮轮速感测器29分别感测汽车方向盘受转动时的扭力矩、汽车行驶速度、方向盘的转动角度、刹车是否受到触发以及汽车四个轮子的个别速度。其中，该车速感测器24可为一汽车行车速度的电子感测组件，或者，也可为传统估测方法，例如利用轮速、变速箱输出轴转速等运算而得的车速结果。

该驱动模组30包含一马达驱动器32以及一马达34，该马达驱动器32的输入端与该处理模组10电性连接，该马达34的输入端与该马达驱动器32连接，其中，该马达34与汽车的方向盘连接，其可给予该方向盘一特定力矩以辅助方向盘转动。这样，该处理模组10可依据该行车及方向盘转动状态而调整至该马达驱动器32的输出，而可进一步调整该马达34提供给该方向盘转向的辅助输出。 

该电流感测器40的输入端与该马达34电性连接，其感测该马达34的工作电流，并将感测结果传送至该处理模组10。其中，该马达34的工作电流与该方向盘的转动状态相关联，使该处理模组10可依据该工作电流取得该马达34及方向盘的实时工作状态，这样，当该方向盘或该马达34因汽车行驶遭受突发状况(例如爆胎、冲击……等)而改变工作状态时，将使该工作电流产生些微的改变，因此处理模组10可据此实时调整对该驱动模组30的输出，以进一步稳定汽车行驶的状态。 

为更进一步说明该处理模组10接收该车况感测模组20及该电流感测器40的讯号与送至该驱动模组30之间的关系，以及该处理模组10可执行的方向盘角加速度运算单元、方向盘角速度运算单元、反作用力运算单元、基本辅助控制逻辑、回正补偿控制逻辑、阻尼补偿控制逻辑、惯性补偿控制逻辑、冲击补偿控制逻辑以及爆胎补偿控制逻辑等不同的运算的功能，请参考图3-15，其中： 

该基本辅助控制逻辑的运算，为该处理模组10依据该方向盘扭力感测器22及该车速感测器24的输出讯号，分别经不同的非线性转换关系将所侦测的输出讯号转换为一增益(Gain)。本较佳实施例的增益与该方向盘扭力感测器22及该车速感测器24的输出讯号关系分别如图3及图4所示。 

该回正补偿控制逻辑，是该处理模组10依据该方向盘转角感测器26的输出讯号执行该方向盘角加速度运算单元后，该处理模组10进一步配合该方向盘的转角、扭力矩以及车速进行运算而将运算结果送至该马达控制运算单元30。其中，该回正补偿控制逻辑运算的主要目的在于辅助驾驶者回正汽车行驶动态至直行，并改善车身在回正过程的稳定性。其中，方向盘扭力矩与车速作为是否激活回正补偿控制逻辑的依据，当上述扭力矩及车速满足下列公式(1)、(2)时，该处理模组1 

0则执行该回正补偿控制逻辑运算。 

T_driner＜T_re(1) 

V_vehicle＜V_re(2) 

其中， 

T_driver为方向盘扭力矩； 

T_re为回正补偿控制逻辑激活的扭力矩临界值； 

V_vehicle为车速； 

V_re为回正补偿控制逻辑激活的车速临界值。 

其中，该回正补偿控制逻辑运算后的增益与方向盘的角加速度、方向盘转角及车速的关系分别如图5、图6及图7所示。 

而方向盘角加速度的运算如下列公式： 

$\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{\θ}(k+1)-2\mathrm{\θ}\left(k\right)+\mathrm{\θ}(k-1)}{T^2}---\left(3\right)$

其中， 

为方向盘角加速度； 

θ为方向盘转角； 

T为取样时间； 

k为时间步骤； 

图5的横轴代表方向盘角加速度，纵轴代表增益，以本较佳实施例为例，其第1、2象限则代表反转(方向盘朝逆时针方向转)，第3、4象限则代表正转。 

该阻尼补偿控制逻辑，是该处理模组10依据该方向盘转角感测器26的输出讯号经该方向盘角速度运算单元换算而得到方向盘的角速度后，再配合该方向盘扭力感测器22、该车速感测器24及该方向盘转角感测器26的输出讯号而形成该增益。当车速与扭力矩分别满足下列公式(4)、(5)时，则执行该阻尼补偿控制逻辑运算以产生增益： 

T_driver＜T_da  (4) 

V_vehicle＞V_da (5) 

其中， 

T_da为阻尼补偿控制逻辑激活的扭力矩临界值； 

V_da为阻尼补偿控制逻辑激活的车速临界值。 

该阻尼补偿控制逻辑的方向盘的角速度可由公式(6)求得： 

Θ(k-1)＝(Θ(k)-Θ(k-1)/T    (6) 

其中， 

Θ为方向盘角速度； 

Θ为方向盘转角； 

T为取样时间； 

k为时间步骤。 

如图8所示，当方向盘转角越大则阻尼补偿控制逻辑的增益负数呈非线性增加，该阻尼补偿控制逻辑的激活时机是车辆速度大于其设定值(V_da)，以及方向盘扭力值小于其设定值(T_da)时，才进行阻尼补偿控制逻辑的运算与控制。 

该惯性补偿控制逻辑中，其是补偿驾驶者转动方向盘速度较快时产生重手感的问题，由于传统的惯性补偿逻辑仅是依据方向盘的角加速度来调整惯性补偿的输出增益值，本较佳实施例中，作为惯性补偿控制逻辑运算的输入参数中特别包含方向盘转角与车速讯号，其中，该处理模组10依据方向盘角加速度运算单元的结果，并配合该车速感测器24及该方向盘转角感测器26的输出而形成输出增益，其中该增益与车速及方向盘转角的关系分别如图10与图11所示。 

该冲击补偿控制逻辑的输入讯号包含车速感测器24、该方向盘转角感测器26的输出及方向盘角速度运算单元以及反作用力运算单元的结果而输出该增益。 

该爆胎补偿控制逻辑的输入讯号则包括该方向盘扭力感测器22、该车速感测器24、该方向盘转角感测器26、该刹车命令感测器28、该四轮轮速感测器29以及该电流感测器40的输出。其中，该冲击补偿控制逻辑及该爆胎补偿控制逻辑是综合这些感测器的输出讯号，判断汽车行驶在路上的各种状况，使该处理模组10依据不同的行车状况控制该驱动模组30，辅助驾驶者有效控制汽车的行驶安全及舒适性。其中，冲击补偿主要目的是针对汽车行驶在道路上因路面的凸起或凹陷使轮胎受到干扰而将冲击力直接传递至方向盘，导致汽车误转向或让驾驶者感到不舒适；冲击补偿主要在车辆低速行驶时做动，其工作条件如公式(7)、(8)所示： 

V_vehicle≤V₁    (7) 

|(T_R(k)-T_R(k-1))/t|≥I(8) 

其中， 

V_vehicle为车速； 

V₁为车速的一临界设定值； 

T_R为路面施予该方向盘的一转向柱的反作用力； 

I为转向柱反作用力的时变率的临界设定值； 

t为取样时间； 

k为时间步骤； 

其中，当车速(V_vehicle)低于一临界设定值(V₁)时(如公式(7)所示)、路面施予该方向盘的一转向柱的反作用力(T_R)及其时变率满足公式(8)时，则冲击补偿控制逻辑即参照图12的关系运算并输出增益；例如，图13即为本较佳实施例仿真汽车在路上行驶时，左侧轮胎遇上路面凸起或凹陷时反作用力(T_R)与车速(V_vehicle)的变化情形。其中，反作用力(T_R)由该反作用力运算单元由方向盘扭力矩、方向盘角加速度以及辅助力矩等计算求得，其中，该辅助力矩可由电流感测器的讯号计算而得。如下列公式(9)： 

$T_{\mathrm{driver}}+T_{\mathrm{assist}}+T_R=J\·\stackrel{..}{\mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

其中， 

T_driver为方向盘的扭力矩； 

T_assist为马达34输出的辅助力矩； 

J为转向柱的旋转惯量； 

为方向盘角加速度。 

另外，该爆胎补偿控制逻辑主要欲解决汽车在高速行驶时，因汽车轮胎气压快速泄漏造成汽车具有异常的行驶动态变化，及驾驶者因惊吓而快速操作方向盘等状况所导致的问题。 

该爆胎补偿控制逻辑首先判断反作用力T_R是否满足前述公式(10)与下列公式(11)： 

V_vehicle≥V₂  (10) 

$\left(\right|\frac{T_R\left(k\right)-T_R(k-1)}{t}\left|\right)\≥B---\left(11\right)$

其中，V₂为爆胎补偿控制逻辑的车速临界设定值；若公式(10)、(11)均满足，则将各个轮胎的轮速与车速比较如下列公式(12)式所示： 

V_vehicle-V_wheel，i＞F，i＝1，2，3，4        (12) 

其中， 

V_wheel，i为某一特定轮胎的轮速； 

F为车速与特定轮胎轮速的差距的临界设定值； 

或者，也可取四个轮速的平均值与各轮速比较，如下列公式(13)所示： 

max(ave(V_wheel)-V_wheel，i)＞G，i＝1，2，3，4    (13) 

其中， 

ave(V_wheel)为四个轮胎的平均轮速； 

G为轮速差异的临界设定值； 

若公式(12)或公式(13)成立，则该处理模组10即确认为汽车发生爆胎，其实时地由该车况感测模组20及该电流感测器40侦测车速、刹车命令、方向盘转角、该马达工作电流及四轮轮速等讯号，并进行爆胎补偿控制逻辑运算(如图14所示)，以产生增益传送给该马达控制运算单元并输出及控制该驱动模组，以补偿及避免驾驶者因爆胎而惊慌地过度转动方向盘。如图15所示，其为一汽车爆胎或气压快速泄漏时四轮轮速、车速以及反作用力的变化。 

Claims (7)

1.一种动力辅助转向控制系统，其特征在于，其包含：

一驱动模组，与一汽车的一方向盘连接，并于一特定时刻输出一特定力矩以辅助该方向盘转动；

一处理模组，其与该驱动模组电性连接，且依据一行车及方向盘转动状态输出一增益控制该驱动模组，使该驱动模组可辅助该方向盘转动；

一电流感测器，其输入端与该驱动模组电性连接，读取该驱动模组的工作电流并将该工作电流讯号传送至该处理模组；以及

一车况感测模组，包含：

一方向盘扭力感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测该方向盘转动时的扭力矩并将该扭力矩讯号传送至该处理模组；

一车速感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测该汽车的行车速度并将该行车速度讯号传送至该处理模组；

一方向盘转角感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测该方向盘的转角并将该转角讯号传送至该处理模组；

一刹车命令感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测该汽车的刹车命令并将该刹车命令传送至该处理模组；以及

一四轮轮速感测器，其输出端与该处理模组电性连接，其感测汽车各轮的转动轮速并将该转动轮速传送至该处理模组；

其中，该处理模组依据该车况感测模组及该电流感测器所传送的讯号执行一方向盘角加速度运算单元、一方向盘角速度运算单元、一反作用力运算单元、一基本辅助控制逻辑、一回正补偿控制逻辑、一阻尼补偿控制逻辑、一惯性补偿控制逻辑以及一冲击补偿控制逻辑以及一爆胎补偿控制逻辑的运算结果，再将运算结果送至一马达控制运算单元执行加总运算，而输出该增益至该驱动模组以辅助该方向盘转动，其中：

该冲击补偿逻辑是在行车速度低于一车速临界设定值、反作用力的时变率大于一设定值时，该处理模组接受该车速感测器、该方向盘转角感测器、该方向盘角速度运算单元以及该反作用力运算单元的输出及结果，改变该增益；该方向盘角速度与增益的负数呈非线性正比。

2.如权利要求1所述的动力辅助转向控制系统，其特征在于，该驱动模组包含一马达驱动器以及一马达，该马达驱动器的输入端与该处理模组电性连接，该马达驱动器的输出端与该马达电性连接，该马达可驱动该方向盘，其中，当该处理模组依据该车况感测模组及该电流感测器的输出讯号运算后，输出该增益至该马达驱动器，使该马达驱动器驱动该马达而辅助该方向盘转动。

3.如权利要求1或2所述的动力辅助转向控制系统，其特征在于，

该方向盘角加速度运算单元依据该方向盘转角感测器的输出计算该方向盘转动的角加速度；

该方向盘角速度运算单元依据该方向盘转角感测器的输出计算该方向盘转动的角速度；以及

该反作用力运算单元依据该方向盘角加速度运算单元的结果以及该方向盘扭力感测器及该电流感测器的输出计算该汽车行驶遭遇爆胎、胎压快速泄漏、经过凸起物或经过凹陷处时，该方向盘的反作用力。

4.如权利要求3所述的动力辅助转向控制系统，其特征在于，

该基本辅助控制逻辑依据该方向盘扭力感测器及该车速感测器的输出计算该增益，其中，该方向盘扭力矩与该增益呈非线性正比；以及

该基本辅助控制逻辑的行车速度与该增益呈非线性反比。

5.如权利要求3所述的动力辅助转向控制系统，其特征在于，

该回正补偿控制逻辑是该处理模组经判定该扭力矩低于一扭力矩临界设定值及该行车速度是否低于一行车速度临界设定值后，依据该方向盘扭力感测器、该车速感测器、该方向盘转角感测器以及方向角加速度运算单元的输出及结果输出该增益；其中，该增益与角加速度的绝对值呈非线性反比；该方向盘转角与该增益的负数呈非线性正比；该行车速度与该增益的负数呈非线性反比；

该阻尼补偿控制逻辑是依据该方向盘扭力感测器、该车速感测器、该方向盘转角感测器以及该方向盘角速度运算单元的输出及结果运算后改变该增益；其中，该方向盘转角与该增益的负数呈非线性正比；该行车速度在超过一车速临界设定值后，该增益的负数与行车速度呈非线性正比；

该惯性补偿控制逻辑是该处理模组依据该车速感测器、该方向盘转角感测器及该方向盘角加速度运算单元的输出及结果运算后，改变该增益；其中，该增益与行车速度呈非线性正比；该增益与方向盘转角成非线性正比；以及

该爆胎补偿控制逻辑是在行车速度高于一车速临界设定值以及反作用力的时变率大于一设定值时，该处理模组接受该车速感测器、该方向盘转角感测器、该刹车命令感测器、该四轮轮速感测器、该方向盘角加速度运算单元以及该反作用力运算单元的输出及结果，改变该增益；其中，该方向盘角加速度与增益的负数呈非线性正比。

6.如权利要求5所述的动力辅助转向控制系统，其特征在于，该爆胎补偿控制逻辑是比较车速与每一轮的轮速的差异判别发生爆胎的轮胎以改变该增益及该特定力矩。

7.如权利要求5所述的动力辅助转向控制系统，其特征在于，该爆胎补偿控制逻辑是比较所有轮的平均轮速与每一轮的轮速的差异判别发生爆胎的轮胎以改变该增益及该特定力矩。

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