利用估算的馬達電流的應急離開轉向輔助的製作方法
2023-06-06 14:41:21 1
本發明涉及一種機電式電動車輛的動力轉向機構，更具體地，涉及這樣一種機電式電動車輛的動力轉向機構：其能夠測量得到馬達電流並且估算得到目標電流，從而通過將測量的馬達電流與估算的目標電流進行比較來識別和修正發生的錯誤。本發明還涉及一種在機電式電動車輛的動力轉向機構中用於電流反饋控制的方法。
背景技術：
在電力轉向裝置中，通過根據由駕駛員施加至方向盤的轉向扭矩來驅動電機，從而將輔助力施加至轉向機構。具有反相器的電子控制單元控制馬達。反相器將正弦的馬達參數(電流、電壓、磁通量)輸入給馬達以用於產生扭矩。通常，通過電流反饋測量來監控電機的輸入故障。該電流測量會突然發生故障。一般而言，通過比較兩個電流測量通道的信號來檢測電流測量中的異常，並且如果差值大於特定的極限，則觸發關斷。在這種情況下，系統不能確定出哪個電流可用於控制。轉向輔助力不再存在，這會使駕駛員感到不適。
ep1737116a1公開了一種用於電機的控制裝置，其中，即使在異常的情況下(即，電流不流經電機的一相，或反相器斷開連接等)，也使得適於異常的電流流經電機並且使馬達扭矩的輸出能夠繼續。然而，不利的是，該方法不能在電流測量的所有相故障的情況下工作；系統關閉會導致轉向輔助損失。
技術實現要素：
本發明的目標是提供具有控制機構的機電式電動車輛的動力轉向機構，即使在電流測量故障的情況下，該機構也提供電流給電機。
本發明提供了這樣一種機電式電動車輛的動力轉向機構：其通過將電機產生的扭矩施加至轉向機構來輔助電動車輛的轉向，所述機構包括：
轉向控制器，其至少接收表示車輛速度v和施加至方向盤的扭矩tts的信號以及轉子位置信號，以獲取目標馬達扭矩td，
馬達控制器，其接收來自轉向控制器的目標馬達扭矩td，並將其轉換成在固定於定子的坐標系中所表示的目標電壓uα,d、uβ,d，
馬達驅動器，其將目標電壓uα,d、uβ,d變換成馬達電流iu、iv、iw，
至少一個電流測量單元，其測量馬達電流iu、iv、iw，
其中，該機構還包括：電流估算單元，其估算目標電流idest、iqest＝i1,est；以及診斷單元，其將目標電流idest、iqest＝i1,est與測量電流iq1、id1＝i1和/或測量電流iq2、id2＝i2進行比較，測量電流是從測量的馬達電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2轉換成二維d-q坐標系的，以識別和修正發生的錯誤。估算的電流信號用於確定是否至少一個電流測量是錯誤的。如果由於常見原因錯誤而導致至少一個電流測量不能操作，則其它的電流測量單元能夠提供輔助轉向。如果由於常見原因錯誤而導致兩個測量單元都不能操作，則將估算的信號用於控制，以提供應急離開(limpaside)。診斷單元能夠用作電流反饋控制，將實際電流反饋回至馬達控制電路的主迴路。
根據本發明，在u-v-w坐標系中測量馬達電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2，並且將馬達電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2轉換至d-q坐標系，所述馬達電流在d-q坐標系中表示為測量的馬達電流iq1、id1＝i1、iq2、id2＝i2。將上述經變換的測量的馬達電流iq1、id1＝i1、iq2、id2＝i2與估算的目標電流idest、iqest＝i1,est進行比較，估算的目標電流idest、iqest＝i1,est在旋轉的d-q坐標系中由電流估算單元提供。
在優選的實施方案中，該機構包括坐標變換單元，將測量的馬達電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2變換成在二維d-q坐標系中表示的測量電流iq1、id1＝i1、iq2、id2＝i2。所述坐標變換單元進行變換，意味著將在u-v-w坐標系中測量的馬達電流值iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2變換成在d-q坐標系中表示的馬達電流值表示iq1、id1＝i1、iq2、id2＝i2。由診斷單元在d-q坐標系中實現估算的目標電流idest、iqest＝i1,est與測量的馬達電流iq1、id1＝i1、iq2、id2＝i2之間的比較。通過利用d-q坐標系，能夠在任意時刻將估算的電流idest、iqest＝i1,est與冗餘測量的馬達電流iq1、id1＝i1進行比較，並且如果期望的話，將估算的電流idest、iqest＝i1,est與測量的馬達電流iq2、id2＝i2進行比較。兩個冗餘測量的馬達電流i1、i2的使用提升了故障安全狀態，並且使得能夠改善診斷安全性。
有利的是，馬達驅動器包括反相器，其將電壓uα,d、uβ,d變換成三相電壓uu、uv、uw＝u2。
在優選的實施方案中，電流估算單元包括馬達模型單元，所述馬達模型單元輸入有基於反相器輸出的電壓uu、uv、uw的估算的電壓uuest、uvest、uwest，並且優選地包括坐標變換，該坐標變換將估算的馬達電流變換成固定於馬達的轉子的二維(d-q)旋轉參考系idest、iqest。在優選的實施方案中，馬達模型至少利用旋轉角速度ω和電壓uuest、uvest、uwest作為輸入參數，而不利用估算的繞組溫度tcoil。
在更優選的實施方案中，電流估算單元至少具有轉子的旋轉角速度ω和估算的電壓uuest、uvest、uwest以及估算的繞組溫度tcoil作為輸入參數。估算的繞組溫度tcoil能夠基於剛剛輸入至馬達的電壓和/或測量的電流來估算。剛剛是指在坐標變換開始之前的0、1和60秒之間的優選的時間段。更優選地，用於估算繞組溫度的時間段在過去的60秒與5分鐘之間。
有利地，該機構包括兩個冗餘電流測量單元。以這種方式，估算的信號用於確定電流測量單元中的一個是否出現故障並且確定哪一個電流測量單元出現故障。將可用信號用於控制。能夠保持轉向輔助。
在優選的實施方案中，馬達驅動器包括一個單分流器，其利用兩個獨立的運算放大器來重構馬達電流。
優選地，馬達驅動器包括兩個分流器，每個分流器在一條線路上，以重構馬達電流iu、iv、iw。
另外，本發明提供了在機電式電動車輛的動力轉向機構中用於電流反饋控制的方法，所述方法包括以下步驟：
至少接收表示車輛速度v和施加至方向盤3的扭矩tts的信號和轉子位置信號，
基於接收到的信號來確定目標馬達扭矩td，
將目標馬達扭矩td轉換成在固定於定子的坐標系中表示的目標電壓uα,d、uβ,d，以及
將目標電壓uα,d、uβ,d轉換成馬達電流iu、iv、iw，
在至少一個電流測量單元中測量馬達電流，
在電流估算單元中估算目標電流idest、iqest＝i1,est，
在診斷單元中將估算的目標電流idest、iqest＝i1,est與測量的馬達電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2進行比較，
將實際的馬達電流iq,fb、id,fb＝i2反饋至主迴路。
優選地，轉子的旋轉角速度ω、基於目標電壓uα,d、uβ,d的估算的電壓uuest、uvest、uwest以及估算的繞組溫度tcoil為馬達模型單元的輸入參數。
在有利的實施方案中，該機構包括兩個冗餘的電流測量單元。
附圖說明
以下在附圖的幫助下來描述本發明的示例性實施方案。在全部的附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件或者功能相似的部件。
圖1為示出了機電式動力轉向機構的示意圖；
圖2為示出了電力轉向裝置的電結構的框圖；
圖3為具體示出了圖2中的電路的另一個框圖；以及
圖4僅示出了反相器的示意圖。
圖5示出了反相器的另一個示意圖。
具體實施方式
在圖1中，機電式動力轉向機構1示意性地示出了轉向軸2，轉向軸2連接至由駕駛員操作的方向盤3。轉向軸2經由小齒輪6而聯接至轉向齒條5。轉向齒條杆4連接至轉向齒條5和電動車輛的轉向輪(steeredwheels)30。轉向軸2的旋轉藉助於小齒輪6而引起轉向齒條5的軸向位移，小齒輪6採用抗扭矩方式(torque-proofmanner)連接至轉向軸2。為了提供轉向輔助，安裝至齒條殼體的側面的電機7通過帶齒的橡膠帶9來驅動滾珠絲槓機構8。經由轉向控制器10和包括電機7和馬達控制器13的動力輔助致動器11來提供電力輔助。示例中的轉向控制器10接收表示車輛速度v的信號和通過車輛操作人員施加至方向盤的扭矩tts的信號。另外，隨著電機7的轉子轉動，在電機7中產生轉子位置信號，並且該轉子位置信號被提供至轉向控制器10。響應於車輛速度v、操作者扭矩(operatortorque)tts和轉子位置信號，控制器10確定目標馬達扭矩td，並將信號提供至馬達控制器12，其中，通過pwm(脈寬調製)來計算馬達電流。電機7為永磁激勵馬達。
圖2示出了電力轉向裝置的電結構的框圖。轉向控制器10接收表示車輛速度v和由車輛操作人員施加至方向盤的扭矩tts的信號，並且確定出目標馬達扭矩td。將該扭矩td輸入至馬達控制器13，馬達控制器13確定出pwm的電壓輸入，並且馬達驅動器14通過pwm來產生馬達電流iu、iv、iw＝i1。因此，電機7產生扭矩t以補償操作者扭矩tts。在電流估算單元15中，通過馬達控制器13和馬達模型單元16確定出的電壓u2來計算估算的電流i1,est。診斷單元17接收估算的電流i1,est、來自轉子位置傳感器31(rps傳感器)的測量的馬達角度以及冗餘測量的馬達電流i1,1、i1,2(分別通過電流測量單元18、19來測量)，並且將估算的馬達電流i1,est與測量的馬達電流i1,1、i1,2進行比較。如果在電流測量單元的一個中檢測出故障，則沒有故障的電流測量單元可以輸入轉向輔助。為此，將電流i2反饋至馬達控制器13的主迴路中，作為電流反饋控制。
電力轉向裝置1的電結構具體地示於圖3中。基於目標馬達扭矩td，經由pi控制器20和單元21來確定目標電流id,d和iq,d。目標電流id,d和iq,d用於確定馬達電壓狀況和馬達扭矩。它們表示為固定於電機7的轉子的旋轉參考系(d-q)。隨後，目標電流id,d和iq,d通過電流控制器22、23被轉換成目標電壓uq,d、ud,d。之後，坐標變換24將旋轉的二維d-q坐標系轉換成固定於定子的坐標系uα,d、uβ,d。在下一步驟，反相器25將電壓變換成電機7的三維坐標系，並且傳感器將電壓變換成馬達電流iu、iv、iw。對於電流反饋控制，在兩個電流測量單元18、19中冗餘地測量馬達電流iu、iv、iw。在坐標系變換260，對測量電流iu1、iv1、iw1、iu2、iv2、iw2進行變換，這意味著轉換成旋轉的二維d-q坐標系，並且被輸入至診斷單元17。反相器25的輸出電壓uu、uv、uw被傳送至電流估算單元15，並且被變換成估算的電壓uuest、uvest、uwest，然後輸入至馬達模型單元16。馬達模型單元16從轉子的旋轉角速度ω、估算的電壓uuest、uvest、uwest、估算的繞組溫度tcoil以及可能還從馬達角度確定出估算的電流i1,est。另外，在馬達模型單元16中執行坐標變換16』，以輸出估算的電流idest、iqest＝i1,est，其中，估算的電流被表示於固定於電機7的轉子的旋轉參考系(d-q)。估算的電流idest、iqest＝i1,est被傳送至診斷單元17。診斷單元17將估算的電流i1,est與測量電流id1、iq1、id2、iq2進行比較。rps傳感器31測量馬達角度並且將該信息傳送至馬達控制器13和反饋迴路中的坐標變換單元260，以確定出實際電流iq,fb；id,fb＝i2。
估算的電流i1,est表示如果在馬達控制器13與反相器25之間的電流計算期間發生錯誤，則診斷單元17能夠確定出的目標電流。診斷單元17將從馬達模型單元16接收到的估算的電流i1,est與來自電流測量單元18、19的兩個測量電流id1,q1和id2,q2進行比較。如果在電流測量單元18、19的一個中檢測出故障，則可以利用來自沒有錯誤的電流測量單元18、19的信號來執行轉向輔助。為此，電流i2反饋至pi控制器20和單元21之後的馬達控制電路的主迴路，作為電流反饋控制。在電流測量單元18、19兩者都發生故障的情況下，基於估算的電流i1,est，可以通過反饋實際電流i2而對某一時間保持轉向輔助。
如圖4中所示，伺服電機經由成組的mosfet26而通過控制單元來致動，其中，在三相繞組的情況下，一共設置了六個mosfet26。每個mosfet26將分配的相繞組u、v、w切換至車載電源供應電壓或者接地電位(earthpotential)。這在高頻下發生，使得時間上的平均值在相繞組u、v、w中用作有效電壓。兩個分流器(shunt)27實施在一個線路上，分別計算馬達電流。輸出信號1001傳送至電流測量單元18、19。如圖5中所示，還可以在一個線路上實施一個單分流器27，以計算馬達電流。
本發明提供了具有控制裝置的機電式電動車輛動力轉向機構，其中即使在電流測量單元發生故障的情況下也能提供電流給電機。利用估算信號來確定哪個電流測量通道錯誤，同時利用保留的信號可以保持輔助。如果兩個信號故障，則估算值用於應急離開轉向輔助，使得可以將汽車轉向安全的地方。本發明增加了轉向系統的魯棒性。