电机控制装置和转向系统的制作方法

1.本发明涉及电机控制装置以及包括该电机控制装置的转向系统，电机控制装置对转向系统中的电动机进行控制，该转向系统包括转向机构和电动机，转向力的一部分被从液压机构施加至转向机构。


背景技术：

2.如pct国际公开第2018/055803号中所描述的，存在包括具有使用电动机的电动辅助和使用液压机构的液压辅助的两个辅助机构的转向系统。该转向系统在从操作构件例如方向盘输入的转向扭矩小的情况下仅使用电动机极为精细地辅助转向，并且在转向扭矩大的情况下使用电动机和液压机构一起辅助转向。


技术实现要素：

3.当前，为了实现自动驾驶技术，可以通过自动控制向驾驶员的操作施加辅助力的电动机来支持驾驶员的转向操作，或者自动控制装置可以执行该转向操作。
4.在打算将这些自动驾驶技术引入包括电动机和液压机构的转向系统中时，发明人发现在涵盖操作构件和转向机构的转向系统中发生了自激振动。
5.本发明提供一种抑制自激振动的电机控制装置以及包括该电机控制装置的转向系统。
6.根据本发明的第一方面，提供一种电机控制装置，该电机控制装置对转向系统中的电动机进行控制，该转向系统包括：液压机构，其将转向力的一部分施加至使转向轮转向的转向机构；以及电动机，其施加转向力的另一部分。电机控制装置包括：实际转向角获取单元，其被配置成获取转向轮的实际转向角；目标转向角获取单元，其被配置成获取作为转向轮的转向角的目标值的目标转向角；控制值生成单元，其被配置成生成用于控制电动机以使转向轮的实际转向角达到目标转向角的电机控制值；以及指令值计算单元，其被配置成生成通过从电机控制值滤除转向系统的固有频率而获得的指令值。
7.根据本发明的第二方面，提供了一种转向系统，该转向系统包括：转向机构，其使转向轮转向；液压机构，其将转向力的一部分施加至转向机构；电动机，其将转向力的另一部分施加至转向机构；电机控制装置，其对电动机进行控制；第一扭杆，其被布置在电动机与操作构件之间；以及第二扭杆，其被布置在电动机与转向机构之间。电机控制装置被配置成：获取转向轮的实际转向角；获取作为转向轮的转向角的目标值的目标转向角；生成用于控制电动机以使转向轮的实际转向角达到目标转向角的电机控制值；以及生成通过从电机控制值滤除基于第一扭杆和第二扭杆的固有频率而获得的指令值。
8.根据本发明的第三方面，提供了一种转向系统，该转向系统包括：转向机构，其使转向轮转向；液压机构，其将转向力的一部分施加至转向机构；电动机，其将转向力的另一部分施加至转向机构；以及电机控制装置，其对电动机进行控制。电机控制装置被配置成：获取转向轮的实际转向角；获取作为转向轮的转向角的目标值的目标转向角；生成用于控
制电动机以使转向轮的实际转向角达到目标转向角的电机控制值；以及生成通过从电机控制值滤除转向系统的固有频率而获得的指令值。
9.根据各方面，可以抑制转向系统中的自激振动。
附图说明
10.下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点和技术及工业意义进行描述，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：
11.图1是示意性地示出包括电机控制装置的转向系统的图；
12.图2是示出电机控制装置的功能配置的框图；
13.图3是示出考虑到转向系统的固有频率的转向系统的模型的图；以及
14.图4是示意性地示出包括电机控制装置的转向系统的另一示例的图。
具体实施方式
15.在下文中，将参照附图描述根据本发明的实施方式的电机控制装置以及包括该电机控制装置的转向系统。在下面的实施方式中描述的数值、形状、材料、构成元件、构成元件之间的位置关系和连接状态、步骤、步骤的顺序仅是示例并且不旨在限制本发明。在下面的描述中，多个发明可能被描述为一个实施方式，并且在所附权利要求书中未描述的要素被认为是根据权利要求书的发明的任意要素。附图是经过适当的强调、省略和比例调整以图示本发明的示意图，并且可能与实际的形状、位置关系和比例不同。
16.图1是示意地示出包括电机控制装置的转向系统的图。转向系统200是根据目标转向角使转向轮220转向并改变安装有转向系统200的车辆的行驶方向的系统。转向系统200包括转向机构230、液压机构240、电动机110、手动操作装置210和电机控制装置100。
17.转向机构230是使转向轮220转向的机构。转向机构230不受特别限制，并且在该实施方式中采用齿条齿轮。具体地，转向机构230包括小齿轮轴231、齿条轴232和拉杆233。
18.小齿轮轴231是包括与设置在齿条轴232中的齿条啮合的小齿轮的杆状构件。小齿轮轴231连接至电机控制装置100并且以从电机控制装置100施加的扭矩旋转，使得齿条轴232沿齿条轴232的轴向方向移动。
19.齿条轴232是包括与小齿轮轴231啮合且被设置在其外周表面的一部分上的齿条的构件，齿条轴232将小齿轮轴231的旋转转换成齿条轴232的轴向方向上的平移，并经由拉杆233使转向轮220转向。液压机构240连接至齿条轴232，并且用于使转向轮220转向的转向力即辅助力的一部分被液压地施加至齿条轴232。齿条轴232容纳在齿条壳体中，齿条壳体附接至车体，并且齿条轴232的移动由齿条壳体引导。
20.液压机构240基于小齿轮轴231等的旋转角来调整液压，并且将沿齿条轴232的轴向方向的力作为转向力的一部分施加至齿条轴232。液压机构240不受特别限制，并且在该实施方式中包括动力缸241、旋转阀242、油泵243和储油箱244。
21.动力缸241包括缸246，缸246被活塞245分隔成两个空间，并且活塞245通过调整填充这两个空间的油的液压来沿齿条轴232的轴向方向移动。活塞245连接至齿条轴232，并且活塞245将沿移动方向的力施加至齿条轴232。
22.旋转阀242是调整被供应至由活塞245分隔的两个空间的液压的装置。旋转阀242
的结构不受特别限制，并且在该实施方式中包括被插在小齿轮轴231与电机控制装置100之间的第二扭杆282。旋转阀242通过进行如下调整来控制活塞245的操作：调整针对由于第二扭杆的扭转引起的内阀和外阀的相对移动而从油泵243供应的并且被供应至由活塞245分隔的两个空间中的一个空间的油的量；并且调整另一个空间中的过剩油之中再循环至储油箱244的油的量。
23.电动机110输出被施加至转向机构230的辅助力的一部分。将由电动机110生成的驱动力传递至转向机构230的传递模式不受特别限制，并且在该实施方式中，电动机110与连接至转向机构230的小齿轮轴231的转向轴构件111连接而无需在其间插入减速齿轮，并且将电动机110的输出轴的旋转以1:1的旋转比传递至小齿轮轴231。作为从电动机110施加至转向机构230的转向力的电机转向力比作为从液压机构240施加至转向机构230的转向力的液压转向力小得多。例如，用于使转向轮220转向的力的大部分为液压转向力，并且电机转向力作为用于控制转向轮220的转向角和转向方向的控制力(控制信息)被传递至转向机构230。
24.手动操作装置210是可以通过使得驾驶员能够操作操作构件211例如方向盘来使转向轮220转向的装置。在该实施方式中，如图1所示，手动操作装置210包括操作构件211、轴构件212、第一扭杆281和扭矩检测装置213。手动操作装置210还可以包括反作用装置和目标转向角检测装置。
25.轴构件212是机械地连接至操作构件211并响应于操作构件211的操作而旋转的杆状构件。轴构件212与转向机构230之间的连接模式不受特别限制，并且例如在该实施方式中，轴构件212可以经由转向轴构件111机械地连接至小齿轮轴231。
26.手动操作装置210可以在自动驾驶期间使用离合器等切断轴构件212与小齿轮轴231之间的机械连接，并且可以是所谓的无连杆线控转向系统，在无连杆线控转向系统中，轴构件212和转向机构230不是机械地连接的。
27.第一扭杆281是布置在轴构件212中并且根据通过使得驾驶员能够操作该操作构件211而输入的扭矩扭转的构件。扭矩检测装置213检测第一扭杆281的扭转量并输出操作扭矩。第一扭杆281和扭矩检测装置213用于例如自动驾驶等级2中的超驰(override)的检测。
28.图2是示出电机控制装置的功能配置的框图。电机控制装置100是基于目标转向角来控制电动机110的装置并且是电子控制单元(ecu)。电机控制装置100包括作为通过执行程序而实现的处理单元的实际转向角获取单元134、目标转向角获取单元131、控制值生成单元132和指令值计算单元133。在该实施方式中，电机控制装置100还包括作为处理单元的滤波器信息获取单元135。
29.实际转向角获取单元134获取转向轮220的实际转向角。在该实施方式中，实际转向角获取单元134基于从附接至转向轮220、用于使转向轮220转向的连杆机构等的传感器输出的信号获取实际转向角。
30.目标转向角获取单元131获取用于使转向轮220转向的目标转向角。在该实施方式中，目标转向角获取单元131从控制转向系统200以便执行自动驾驶的自动控制装置250获取目标转向角。
31.手动操作装置210可以包括目标转向角检测装置。目标转向角检测装置是检测操
作构件211的旋转角并将检测到的旋转角作为目标转向角输出的装置。例如，目标转向角检测装置将轴构件212的旋转检测为操作构件211的旋转。目标转向角检测装置的类型不受特别限制，并且其示例包括附接至电动机110的旋转变压器、旋转编码器以及如下装置：所述装置包括与轴构件212一起旋转的初级齿轮以及与初级齿轮啮合的具有不同直径的两个次级齿轮，并且可以通过使用霍尔元件等检测设置在次级齿轮中的永磁体的旋转来检测输出轴的旋转方向以及旋转角。
32.自动控制装置250是自动驱动其中安装有转向系统200的车辆的ecu。在该实施方式中，自动控制装置250例如从摄像机251或传感器诸如激光lidar 252获取关于车辆外部的障碍物、白线、信号等的信息，基于所获取的信息顺序地生成与自动驾驶相对应的目标转向角，并且将所生成的目标转向角输出至目标转向角获取单元131。
33.控制值生成单元132基于由目标转向角获取单元131获取的目标转向角和由实际转向角获取单元134获取的实际转向角来控制电动机110，使得转向轮220的实际转向角达到目标转向角。在该实施方式中，从包括多个开关元件的pwm逆变器260向电动机110供应电力。控制值生成单元132基于目标转向角与实际转向角之间的差生成用于控制电动机110的目标扭矩作为电机控制值。通常，pid控制用于生成目标扭矩。具体地，通过将目标转向角与实际转向角之间的差的项、该差的积分项以及该差的微分项分别与比例增益、积分增益和微分增益相乘并对各项求和来将目标扭矩计算为电机控制值。
34.指令值计算单元133生成通过从由控制值生成单元132生成的电机控制值滤除转向系统200的固有频率而获得的指令值。在该实施方式中，转向系统200的固有频率可以例如由图3中示出的模型示意性地表示。图3示意性地示出了在驾驶员已经将操作构件211锁定的状态下通过如下惯性确定的转向系统200的固有频率：基于被布置在第一扭杆281与第二扭杆282之间的电动机110的电机轴、转向轴构件111等的质量的惯性；基于连接至第二扭杆282等的液压机构240的松动而生成的惯性。
35.在该实施方式中，指令值计算单元133基于以从控制值生成单元132获取的电机控制值作为输入的低通滤波器来计算指令值，并将所计算的指令值输出。低通滤波器仅输出比转向系统200的转向系统的固有频率低的频率。例如，延迟系统的传递函数可以被例示为一个低通滤波器。具体地，以下描述的表达式1表示一阶延迟系统的模型。
36.g(s)＝1/(1 ts)表达式1
37.指令值计算单元133将作为通过低通滤波器的电机控制值的指令值转换为电流命令值并将经转换的电流命令值输出至pwm逆变器260。
38.滤波器信息获取单元135获取关于通过分析或测量转向系统200的固有频率而获得的滤波器的滤波器信息。例如，可以通过设置第一扭杆281的弹簧常数、第二扭杆282的弹簧常数、连接在第一扭杆281与第二扭杆282之间的构件的惯性矩以及基于连接至第二扭杆282的端部的液压机构240的惯性矩，通过分析来得出转向系统200的固有频率。固有频率可以通过仿真得出。在实际测量中，从电动机110生成频率为f＝1hz至200hz的q轴电流，并且可以将q轴命令电流与实际扭矩之间的关系中增益为峰值的位置设置为转向系统200的固有频率。滤波器信息获取单元135获取并存储基于所获取的固有频率而得出的时间常数t作为模型信息，并将该模型信息输出至指令值计算单元133。
39.在电机控制装置100中，由滤波器信息获取单元135获取的时间常数t被输入至指
令值计算单元133，即使在转向系统200是具有不同固有频率的不同类型的情况下，通过得出t并将所得出的t输入至电机控制装置100可以使安装在不同类型的转向系统200中的电机控制装置100共用化。
40.利用包括电机控制装置100的转向系统200，可以抑制转向系统中的自激振动。
41.本发明并不限于上述实施方式。例如，包括通过将在该说明书中描述的要素组合并且将一些要素排除而实现的实施方式作为本发明的实施方式。在不脱离本发明的主旨即所附权利要求书中描述的词语的含义的情况下，通过执行本领域技术人员考虑的各种修改而获得的修改示例包括在本发明中。
42.例如，如图4所示，转向系统200可以是无连杆线控转向系统，其中，手动操作装置210和转向机构230不是机械地连接的，并且电机控制装置100控制电动机110以使得转向轮220基于从手动操作装置210的目标转向角检测装置214输出的目标转向角转向。
43.控制值生成单元132计算目标扭矩作为电机控制值，但是控制值生成单元132可以将所计算的目标扭矩转换为目标电流并将该目标电流作为电机控制值输出。在这种情况下，指令值计算单元133可以将通过对目标电流应用低通滤波器而获得的指令值输出至电动机110。
44.指令值计算单元133生成通过从由控制值生成单元132生成的电机控制值滤除转向系统200的固有频率而获得的指令值。然而，指令值计算单元133可以获取目标转向角与实际转向角之间的差的固有频率信息，并且控制值生成单元132可以在考虑目标转向角与实际转向角之间的差的固有频率信息的情况下，在将滤波器应用于目标转向角与实际转向角之间的差之后，通过pid控制获取目标电流。
45.指令值计算单元133输出通过基于以从控制值生成单元132获取的电机控制值作为输入的低通滤波器的计算的指令值，将指令值转换为电流命令值，并将该电流命令值输出至pwm逆变器260。然而，指令值计算单元133可以将从控制值生成单元132获取的电机控制值转换为电流值，输出通过基于以电流值作为输入的低通滤波器的计算的电流命令值，并将该电流命令值输出至pwm逆变器260。
46.本发明适用于车辆，特别是需要大的力以使转向轮转向的大型车辆、农用车辆、工程车辆等。