用于控制電致動器的方法與流程

本發明涉及具有權利要求1前序部分特征、用于對電致動器進行控制的方法，以及在優選實施例中，涉及用于對具有權利要求17前序部分特征、用于機動車輛的機電轉向系統進行控制的方法。

背景技術：

針對例如在機動車輛的操作中產生的動態干擾變量和最小控制偏差，利用P控制器、PI控制器或PID控制器的傳統控制方法不能很好地適用于高動態需求。

在具有電動輔助的轉向系統(也稱為電伺服轉向系統)中，例如，使用循環球式機構以將電動機的轉動運動轉換為齒條的軸向運動。除了方向盤和齒條之間的機械連接外，電動機還可以用作電輔助驅動器或用于線控轉向式轉向。在線控轉向式轉向系統中，由駕駛員對方向盤設定的轉向需求并非在直接機械路徑上而是在電路徑或液壓路徑上傳遞到可轉向車輪。根據現有技術，通過轉向轉矩傳感器對駕駛員施加到方向盤的轉向轉矩進行測量。根據源于轉向轉矩傳感器的與轉向轉矩有關的信息，將控制指令傳遞到電動機的致動裝置。在線控轉向式轉向系統的情形中，對駕駛員施加的轉向角度(而非施加的轉向轉矩)進行測量并且由該轉向角度確定用于電動機的控制指令以致動轉向。控制算法計算電動機的所需轉矩以將齒條移動到期望位置中。

優選地，控制算法或控制方法設計為使得在控制電伺服轉向系統的情形中與齒條的位置對應的電驅動器的位置遵循預定目標值，該預定目標值具有盡可能小的時間延遲以及沒有過大的擺動。此外，期望位置控制具有對內部和外部干擾變量不太敏感的穩健的控制響應。

傳統上，利用P、PI或PID控制器建立前文提到的傳統控制系統上的這些控制算法，這些控制算法基于對車輛轉向的線性、時不變的數學描述。控制的質量主要取決于數學模型的準確性和系統的線性度。在用于機動車輛的轉向系統的情形中，這些傳統控制方法一般不適于滿足機動車輛操作的高動態需求。傳統控制系統僅僅能在有限程度內處理系統的線性度偏差或與時間有關的錯誤(例如，由取決于道路和負荷狀態等的車輛動力學中的改變引起的線性度偏差或與時間有關的錯誤)。這些內部和外部干擾變量對轉向系統的穩定性和控制準確性具有顯著影響。

技術實現要素：

因此，本發明的目標是提供具有改善的控制準確性和較小的過大擺動的、用于對電致動器進行控制的控制方法以及相應的控制算法。

通過具有權利要求1特征的方法以及具有權利要求17特征的轉向系統實現上述目標。本發明的有益改進在從屬權利要求中進行闡釋。

因此，一種用于控制電致動器的方法，其包括以下步驟：

-通過控制器確定致動電動機的操縱變量T1，

-以從作為狀態變量的位置X開始，

-到達作為目標位置的目標位置Xd，以及其中

-基于所述操縱變量T1計算所述電致動器的控制值，

其中，通過使用所述目標位置的二階時間導數d²Xd/dt²和實現的控制改變ΔX|_T-ΔX|₀計算所述致動電動機的所述操縱變量T1，其中

ΔX|_τ＝目標位置-時間τ處的實際位置，以及

ΔX|₀＝目標位置-時間t＝t0處的實際位置。

目標位置Xd不應當理解為靜態值而是取決于相應行駛狀態的值。具體地，輸入的轉向角度在行程期間是可變的，因此，可以由時間的函數表示。

通過該控制，致動器以具有改善的控制準確性和較低的過大擺動的方式被致動。

可以設置為通過使用所述實際位置的時間導數dX/dt計算所述致動電動機的所述操縱變量T1。

還可以設置為通過使用在所述目標位置Xd和所述實際位置X之間的偏差ΔX的時間積分計算所述致動電動機的所述操縱變量T1。

在優選實施例中，對所述操縱變量T1進行如下計算

其中，Y是總和并且具有被加數P＝μ*a1*K1*(ΔX-ΔX|₀)和以及其中對變量進行如下定義：

UV＝傳動比或控制器增益，

K1，a1＝調諧參數，

F2＝加權函數，

U2＝加權因數，

μ＝加權因數。

可以設置為變量X具有被加數其中，變量a2是調諧參數以及η是加權因數。

所有加權因數(例如已經介紹的加權因數μ和η)對在軟件中的實施僅僅起到次要作用。它們可以容易地具有數值1。物理上，它們用于適應量綱單位。

此外，為了改善控制性能，可以設置為變量Y具有被加數和/或其中U1是加權因數以及F1是加權函數。

優選地，可以設置為變量Y具有兩個被加數和

變量Y還可以具有被加數

此外，變量Y還可以具有被加數其中，β1是調諧參數。

此外，變量Y可以具有被加數其中，U3是另外的加權因數以及F2是另外的加權函數。

在優選實施例中，所述致動電動機的所述操縱變量T1進行如下計算且Y＝P+DD+I1+D1+D2+I2+S。

可以設置為F1和/或F2是常數函數。

此外，可以設置為通過cos(ω3*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+cos(ω2*t)]和/或sin(ω3*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+sin(ω2*t)]確定F1和/或F2，其中，q1和q2是另外的加權因數。

提出的用于對電致動器進行控制的方法特別適用于對機電轉向系統進行控制。

優選地，所述致動器的狀態變量X是齒條的位置和/或車輪的樞轉角度。

在有益的實施例中，所述致動器是通過齒輪機構(例如滾珠絲杠傳動裝置或蝸輪機構)將驅動轉矩傳遞到所述齒條的電動機。

在優選實施例中，所述操縱變量T1是所述致動電動機的轉矩輸出，其中，基于所述操縱變量T1確定供應到所述致動電動機的目標電流值和/或目標電壓值。然而，還可以想到并且可行的是，直接使用被供應到電動機的繞組的電流和/或電壓作為操縱變量。然后，必須在以上介紹的計算規則中設置相應的轉換因數。

如權利要求1至3中闡釋的控制方法還適用對用于機動車輛的轉向運動的期望轉矩進行控制。在該情形中，可以使用抵消駕駛員施加在方向盤上的轉向運動的相反轉矩(＝恢復轉矩或實際轉矩)作為表示狀態變量的位置X，該相反轉矩作為對駕駛員引入方向盤的轉向運動的反應而與駕駛員對抗。然后，致動電動機的轉矩輸出或被供應到電動機的電流用作操縱變量T1。因此，想要對抗轉向運動的期望目標轉矩被相應地用作目標位置Xd。期望的目標轉矩可以由例如轉向軸的轉速和/或轉向軸的轉速的變化得出。此外，例如機動車輛的速度等其他參數可以用于確定目標轉矩。該值可以存儲成預定表格形式或在運行時間利用函數計算。該值可以通過使用現有技術中的已知轉矩傳感器直接確定。

還提供機電電動機車輛轉向系統，其具有被設定為實施至少一個前述方法的控制器。

附圖說明

以下，將通過附圖更詳細地闡釋本發明的優選實施例，其中：

圖1和圖3示出機電轉向系統的示意圖，根據圖1在方向盤和可轉向車輪之間具有機械聯接以及根據圖3在方向盤和可轉向車輪之間具有線控轉向式設計而沒有機械聯接，以及

圖2示出圖1或圖3的機電轉向系統的控制的示意圖。

具體實施方式

圖1示出具有電動輔助的轉向系統1的示意圖，該轉向系統具有方向盤2、轉向柱3a和3b、托架4、致動器5和齒條6。在該示例中示出機電動力轉向系統，其中，存在從方向盤2到轉向機構20以及最終到車輪8的機械通道。方向盤2連接到轉向柱3a。轉向柱3a安裝在托架4中使得該轉向柱能夠軸向地和豎直地移動。經由可轉動地固定聯接到轉向柱3a的下轉向柱3b，將方向盤的轉動傳遞到轉向機構20中，通過該方式實施齒條6的軸向移動以及因此車輪8的樞轉。為了輔助轉向運動，使用致動器5(其經由控制器21驅動)的電動輔助并且輔助車輪8的樞轉。在托架4中還布置轉向傳感器(未示出)，該轉向傳感器檢測轉向柱3a的當前轉動角度以及由此檢測方向盤2的當前轉動角度(即，位置)。在該示例中，轉向柱3a的當前轉動角度β(也稱為轉向角度)表示與目標位置Xd關聯的變量。為了通過齒條6的軸向位移表示車輪的樞轉，使齒條在其自由端處連接到橫桿7并且經由這些橫桿7聯接到可轉向車輪8。將齒條6在其縱向上可移動地安裝在轉向殼體(未示出)中。用于輔助轉向運動的致動器5具有致動電機M(未示出)和齒輪機構。通過電機的驅動軸(未示出)將來自致動電機M的輸出轉矩傳遞到齒條6以及由此傳遞到車輪8。由于即將被傳遞的力很大，所以電機的驅動軸通常經由滾珠絲杠傳動裝置(未具體示出)作用在齒條上。然而，如現有技術中足夠熟知的，還可以想到以及可行的是其他聯接機構。經由電子控制器21致動致動器5。為了該致動，控制器經由信號線接收來自轉向傳感器的信號并且在相應控制單元中評估所述信號。

根據本發明的教導還可以應用于具有液壓動力輔助的伺服轉向系統以及應用于線控轉向類型的伺服轉向系統。線控轉向類型的伺服轉向系統在方向盤2和轉向機構20之間沒有機械通道。這將在示例中通過不存在下轉向柱3b的轉向系統來提供，如圖3所示。然后，齒條6還可以形成為沒有齒的推力桿，在與圖3對應的示例中，僅經由致動器5移動該推力桿。

圖2示出圖1或圖3的機電動力轉向系統的控制單元9的示意圖。在轉向傳感器10中對駕駛員施加到方向盤2的轉向角度β進行測量。由此，在信號處理單元24中確定目標位置Xd。將被確定的目標位置Xd和作為實際值X的齒條6的實際位置或車輪8的樞轉角度傳遞到控制單元。在該示例中，提供車輛速度V和/或施加到方向盤的轉矩T_TS和/或另外測量的或計算的變量22作為可能的另外輸入變量。在輸入變量的預處理11之后，接下來進行最終產生輸出變量23的控制部段12。在后處理13之后，輸出變量構成目標變量，即，電動機的致動轉矩T1。在根據本發明的控制系統中，在相應的時間確定電動機的相應的致動轉矩T1。然后基于該致動轉矩T1，以已知的方式確定電驅動器(PWM)14中的相應的目標電流I并且將該目標電流供應到施加轉矩的電動機15。可以將具體的處理步驟16設置為與控制部段并列，該處理步驟也能夠對致動轉矩T1產生影響。

基于在位置偏差中實現的變化(ΔX-ΔX|₀)以及基于目標位置的二階時間導數(即，致動加速度)，在控制部段中確定致動轉矩T1。

如果實際位置的時間導數和/或目標位置的二階時間導數用于計算實際轉矩T1，則可以實現進一步改進。

此外，如果在確定致動轉矩T1中還包括積分致動變化以及已經消耗的轉向功以及致動方向的時間積分形式的波動，則可以進一步改進控制。

在示出的實施例中，電動機T1的致動轉矩由以下項的總和計算:

·成比例項(P)：

P＝μ*a1*K1*(ΔX-ΔX|₀)

在位置偏差中實現的變化乘以常數第一因數K1的乘積；

·雙差分項(DD)：

目標位置Xd的二階時間導數與第二因數F2的乘積，其中第二因數F2是常數或由函數表示。該項DD對應于致動加速度；

·第一積分項(I1)：

從致動位置偏差開始的時間間隔乘以常數第一因數K1并且乘以兩個常數μ*a1和η*a2；該項對應于瞬間消耗的致動功；

·第二積分項(I2)：

在致動位置偏差中的時間變化的時間積分乘以常數第一因數K1和第二常數a2；該項用作對已經累積的波動或在致動位置偏差中的變化的測量；

·第一差分項(D1)：

實現的致動變化中的時間變化乘以常數第一因數K1的乘積；

·第二差分項(D2)：

位置的時間變化與第一常數U1乘以第一因數F1的乘積，其中第一因數F1是常數或由函數表示。該項對應于致動速度；

·致動方向的積分波動(S)：

致動位置偏差的速度和致動位置偏差的積分方向的總和的積分。該項對應于控制系統的損失，具體為摩擦。

根據以下說明定義公式中和描述中的縮寫：

X＝實際位置

Xd＝目標位置

ΔX|_τ＝目標位置-在時間τ處的實際位置

ΔX|₀＝目標位置-在時間t＝t0處的實際位置

UV＝傳動比-控制器增益

K1，a1，a2，β1＝調諧參數

ω1，ω2，ω3＝角頻率值(優選地ω1＝3/s，ω2＝1/s，ω3＝2/s，其中，“s”表示量綱單位秒。)

U1，U2，q1，q2＝加權因數。這里，優選地，調諧參數和角頻率值和加權因數均不等于零。

該控制的特別優選實施例的出發點是Lyapunov穩定性定理。Lyapunov定理說明系統通過使能量連續地從該系統移除而變得穩定。在被動系統的情形中，通常通過摩擦實施該能量的移除。根據Lyapunov定理，這里操縱變量表示為項S。項S對應于人為產生的摩擦，根據Lyapunov穩定性定理，該摩擦抵消外部不穩定影響。

S可以用作對控制的質量的測量。如果該符號連續變化，則沒有足夠準確地設計控制器。然后，可以適當地改變諸如常數和因數等參數。這可以在控制器中自動地實施。利用自動改變，可以實現對相應車輛以及具體對相應駕駛員的適應。為了增加系統動力學，由函數形成因數F1和F2。

在第一實施例中，確定F1和F2如下：

F1＝sin(ω1*t)，F2＝cos(ω3*t)。

在第二實施例中，確定F1和F2如下：

F1＝sin(ω1*t)+λ*|ΔX|*[sin(ω2*t)]，以及

F2＝cos(ω3*t)+λ*|ΔX|*[cos(ω2*t)]。

其中，λ是另外的加權因數。

在優選實施例中，給定F1和F2如下：

F1＝sin(ω1*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+sin(ω2*t)]，以及

F2＝cos(ω3*t)+λ*|ΔX|*[e^{(-q1*(t-t0)-q2*|ΔX|)}+cos(ω2*t)]。

能夠想到并且可行的是，通過cos函數替換F1中的sin函數以及同時通過sin函數替換F2中的cos函數。

此外，能夠想到并且可行的是，在控制器中使F1和/或F2使用用于F1和F2的前述函數的任意組合。具體地，可以使用常數變量或上述函數中的一個用于F1，以及同樣地，可以使用常數變量或上述函數中的一個用于F2。

函數F1和F2將正弦或余弦激勵施加到目標變量，以及在優選實施例的情形中，施加指數式衰減。因此，可以遵循方法“持續激勵”。

當車輛啟動或例如如果操縱變量是零時，在控制中將時間t設定為從t返回t0。在機動車輛運動停止后的每一次運動開始時，還可以將時間t從t重新設定為t0。

在另外的實施例中，還可以額外地使用第二雙差分項DD2：

其中，U3是另外的加權因數。

然后，計算操縱變量T1如下：

此外，在實施例中可以設置對轉矩、車輛速度、轉向角度、轉向角速度以及另外的變量的其他具體處理，例如用于安全功能或在預處理11中或在具體的處理步驟16中起作用的其他功能。還可以想到并且可行的是，基于其他測量變量或計算變量(例如，轉矩和/或車輛速度和/或轉向角度和/或轉向角速度和/或其他變量)改變調諧參數。

當然，為了通過控制器計算操縱變量T1，不必考慮所有列舉出的項。正如之前已經描述的，可以單獨地或在極廣泛的組合范圍中考慮上述項。因此，在改善的文本內，已經表明不總是需要項S來表示控制。根據待控制的系統的復雜性，基于權利要求1中介紹的控制方法已經能夠實現與現有技術相比改善的控制性能。通過添加其他項(例如在權利要求中和說明書中闡釋的)，控制性能可以被改善并且適用于更復雜的系統。

用于對用于機動車輛的機電伺服轉向系統進行控制的、根據本發明的方法甚至在發生線性度偏差或對系統的時變擾動時，電驅動器也具有非常高的控制準確性和非常低的過大擺動。盡管該控制僅僅處理用于參數的上限值而非準確值，但是通過根據本發明的方法實現電驅動器的操縱變量的高精度。