具体实施方式

现在参考附图，其中本公开将参考具体实施例进行描述，但不限于此。应当理解的是，所公开的实施例仅为对本公开的说明，本公开可以以各种形式和替代形式来实施。附图不一定是按比例的，某些特征可能会被放大或最小化，以显示特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构性和功能性细节不应被解释为限制性的，而是仅作为用于指导本领域技术人员以多种方式应用本公开的代表性基础。

如本文所用，术语“模块”和“子模块”是指一个或多个处理电路，例如专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享处理器、专用处理器或处理器组)和存储器、组合逻辑电路和/或其他适合的提供所描述的功能的部件。可以理解，以下描述的子模块可以被组合和/或进一步划分。

现在参考附图，其中技术方案将参考具体实施例进行描述，但不限于此。图1为适于实现所公开实施例的电动助力转向系统(EPS)40的示例性实施例。转向机构36为齿条齿轮式系统(rack-and-pinion type system)，并且包括位于壳体50内的齿条(未示出)和位于齿轮箱52之下的小齿轮(pinion gear)(也未示出)。当操作者输入件(以下称为方向盘26(例如，手轮等))被转动时，上转向轴29转动，并且通过万向节34与上转向轴29连接的下转向轴51使小齿轮转动。小齿轮的旋转使齿条移动，该齿条使拉杆(tie rod)38(仅示出一个)移动，进而使转向节39(仅示出一个)移动，转向节39使一个或多个转向轮44(仅示出一个)转动。

电动助力转向辅助通过总体上由附图标记24表示的控制设备提供，并且包括控制器16和电机(electric machine)19，电机19可以是永磁同步马达(PMSM)，在下文中称为电机19。控制器16通过线路12由车辆电源10供电。控制器16从车辆速度传感器17接收代表车辆速度的车辆速度信号14。转向角通过位置传感器32测量，该位置传感器可以是光学编码型传感器(optical encoding type sensor)、可变电阻型传感器或任何其他适合类型的位置传感器，并向控制器16提供位置信号20。马达速度可以使用转速计(tachometer)或任何其他装置测量，并作为马达速度信号21传输至控制器16。以ωm来表示的马达速度可以被测量、计算、或者是这两者的组合。例如，马达速度ωm可以被计算为在规定的时间间隔内由位置传感器32测量的马达位置θ的变化。例如，马达速度ωm可以根据公式ωm＝Δθ/Δt被确定为马达位置θ的导数，其中Δt为采样时间，Δθ为在采样间隔期间的位置变化。可替代地，马达速度可以根据马达位置导出，作为位置相对于时间的变化率。将理解的是，有许多众所周知的方法来计算导数函数。

当方向盘26被转动时，扭矩传感器28感测由车辆操作者施加到方向盘26的扭矩。扭矩传感器28可以包括扭力杆(未示出)和可变电阻型传感器(也未示出)，该扭矩传感器向控制器16输出与扭力杆上的扭转量有关的可变扭矩信号18。尽管这是一种类型扭矩传感器，但是与已知信号处理技术一起使用的任何其他适合的扭矩感测装置也是足够的。作为对各种输入的响应，控制器向电动马达19发送命令22，该电动马达通过蜗杆47和蜗轮48向转向系统提供扭矩辅助，从而为车辆转向提供扭矩辅助。

应当注意的是，尽管公开的实施例是通过参考用于电动转向应用的马达控制来描述的，但将理解的是这些参考仅为说明性的，并且公开的实施例可以应用于使用电动马达的任何马达控制应用，例如，转向、阀门控制等。此外，本文中的参考和描述可以适用于多种形式的参数传感器，包括但不限于扭矩、位置、速度等。还应当注意的是，本文中提及的电机包括但不限于马达，在下文中为简洁起见，将仅提及马达而不限于此。

在所描绘的控制系统24中，控制器16利用扭矩、位置和速度等来计算一个或多个命令，以传递所需的输出功率。控制器16被设置成与马达控制系统的传感器和各种系统通信。控制器16接收来自每个系统传感器的信号，量化接收到的信息，并(在此情况下，例如向马达19)提供响应于其的一个或多个输出命令信号。控制器16被配置成从逆变器(未示出)产生相应的一个或多个电压，该逆变器可以可选地与控制器16结合在一起并在本文中被称为控制器16，如此，当该一个或多个电压施加到马达19时，产生期望的扭矩或位置。在一个或多个示例中，控制器16作为电流调节器以反馈控制模式运行，以生成命令22。可替代地，在一个或多个示例中，控制器16以前馈控制模式运行，以生成命令22。因为这些电压与马达19的位置和速度以及期望的扭矩有关，所以转子的位置和/或速度以及由操作者施加的扭矩是确定的。位置编码器被连接至下转向轴51或位于马达19的端部处以检测角度位置θ。该编码器可基于光学检测、磁场变化或其他方法感测旋转位置。典型的位置传感器包括电位器(potentiometer)、分解器(resolver)、同步器(synchro)、编码器等，以及包括前述至少之一的组合。位置编码器输出位置信号20，该位置信号指示下转向轴51的角度位置，并从而指示马达19的角度位置。

期望扭矩可以由一个或多个扭矩传感器28确定，该扭矩传感器传输扭矩信号18，该扭矩信号指示被施加的扭矩。一个或多个示例性实施例包括这样的扭矩传感器28和来自该扭矩传感器的一个或多个扭矩信号18，因为其可以响应于顺应性扭力杆(complianttorsion bar)、T形杆(T-bar)、弹簧或类似设备(未示出)，它们被配置成提供指示被施加的扭矩的响应。

在一个或多个示例中，一个或多个温度传感器23位于电机19处。优选地，温度传感器23被配置成直接测量马达19的感测部的温度。温度传感器23向控制器16传输温度信号25，以帮助本文规定的处理和补偿。典型的温度传感器包括热电偶、热敏电阻、恒温控制器等，以及包括至少一个前述传感器的组合，当被适当地放置时，这些传感器提供与特定温度成比例的可校准信号。

位置信号20、速度信号21和一个或多个扭矩信号18等被施加到控制器16。控制器16处理所有的输入信号，以生成与这些信号中的每一个对应的值，从而产生转子位置值、马达速度值和扭矩值，这些值可用于本文所规定的算法中的处理。诸如上述的测量信号也通常根据需要进行线性化、补偿和过滤，以增强特性或消除所采集信号中不期望的特性。例如，信号可以被线性化以提高处理速度，或解决信号的较大动态范围。此外，可以使用基于频率或基于时间的补偿和过滤来消除噪声或避免不期望的波谱特性。

为了执行规定的功能和期望的处理，以及因此而进行的计算(例如，马达参数的识别、一个或多个控制算法等)，控制器16可以包括但不限于一个或多个处理器、一个或多个计算机、一个或多个DSP、存储器、存储件(storage)、一个或多个寄存器、计时器、一个或多个中断(interrupt)、一个或多个通信接口、和输入/输出信号接口等，以及包括上述至少一个的组合。例如，控制器16可以包括输入信号处理和过滤，以使得能够从通信接口对这种信号进行准确地采样和转换或采集。控制器16的附加特征和其中的某些过程将在本文的后面彻底地讨论。

图2示出了与蜗轮48啮合的蜗杆47。具体地，图2示出了与蜗杆47联接的驱动轴60，其中蜗杆47包括斜齿轮齿62，该斜齿轮齿绕驱动轴62螺旋地延伸。图2还示出了蜗杆47的斜齿轮齿62，其与蜗轮48的三个齿轮齿70啮合。应当理解的是，蜗杆47的斜齿轮齿62可以具有其他的尺寸或形状，该尺寸或形状可以与蜗轮48的多于或少于三个齿轮齿70啮合。在运行中，控制器16使马达19(在图2中未示出)通电，使得驱动轴60绕轴线A旋转，从而使得蜗杆47旋转。蜗杆47的旋转驱动蜗轮48旋转。应当理解的是，蜗轮48可以在两个相反方向中的任一方向上被驱动。例如，可以通过在两个相反方向中的任一方向上驱动马达19和蜗杆47，来驱动蜗轮48在顺时针(CW)方向上或逆时针(CCW)方向上旋转。

图3示出了根据本公开的方案的包括蜗杆47和蜗轮48的齿轮组。所提供的齿轮组可用于许多不同的机器或机器应用中的任何一种。例如，所提供的齿轮组可以用在电动助力转向系统(EPS)40中。驱动轴60包括用于与马达19连接的连接部64，例如花键区域。

第一停止位置80被示出为叠加在蜗轮48上的径向线。第一停止位置80表示蜗轮48在第一方向(例如顺时针)上移动时，蜗轮48的行程终点(EOT)旋转位置。第二停止位置82被示出为叠加在蜗轮48上的径向线。第二停止位置82表示蜗轮48在与第一方向相反的第二方向(例如逆时针)上移动时，蜗轮48的行程终点(EOT)旋转位置。停止位置80、82可以表示蜗轮48必须停止以防止转向系统和/或应力系统部件超程(over-travel)的位置，该超程可能是由马达19对限制系统行程的机械停止件施加的扭矩导致的。蜗轮48能在停止位置80、82处或附近经受最高扭矩载荷。这与在EOT位置处移动车轮所需的最大的力有关。停车时产生的转向齿条力对于确定转向系统的尺寸至关重要，该转向齿条力包括被传输到蜗轮48的力。齿条的总位移力为左右拉杆力之和。停车时齿条力水平的主要影响是车桥运动学、前桥载荷、轮胎尺寸、轮胎中的气压以及路面的摩擦值。

在示例构造中，控制器16使马达19通电以旋转驱动轴60，该驱动轴使蜗杆47转动。然后，蜗杆47驱动蜗轮48，使得蜗轮48旋转。响应于蜗轮旋转至停止位置80、82中的相应一个，控制器16可以使马达19停止旋转驱动轴60，从而停止驱动蜗轮48。例如，一旦蜗轮48旋转至或超过第一停止位置80，马达19就可以停止沿第一方向驱动蜗轮48。类似地，一旦蜗轮48旋转至或超过第二停止位置82，马达19就可以停止沿第二方向驱动蜗轮48。

图4描绘了图3中的齿轮组，其具有多个第一停止位置80a、80b、80c和多个第二停止位置82a、82b、82c。具体地，图4示出了本公开的齿轮组，其包括三个第一停止位置80a、80b、80c和三个第二停止位置82a、82b、82c。然而，多个第一停止位置可以包括任意数量的两个或更多个第一停止位置，多个第二停止位置可以包括任意数量的两个或更多个第二停止位置。

第一停止位置80a、80b、80c可以彼此成角度地间隔任意量。在一些实施例中，第一停止位置80a、80b、80c各自对应于蜗轮48的不同的齿轮齿70。在一个示例实施例中，第一停止位置80a、80b、80c彼此间隔蜗轮48的一个或多个齿轮齿70。在一些实施例中，第一停止位置80a、80b、80c彼此间隔蜗轮48的两个或更多个齿轮齿70。如图2所示，由于蜗杆47可以在任何给定时间与蜗轮48的两个或更多个齿轮齿70相互机械作用，因此分散蜗轮48上的磨损以使第一停止位置80a、80b、80c间隔更大量是有利的。例如，一个齿轮齿70可以在两个不同的第一停止位置80a、80b、80c处与蜗杆47啮合，这两个位置彼此间隔蜗轮48的一个齿轮齿70，但相同的齿轮齿70可以不在两个不同的第一停止位置80a、80b、80c处与蜗杆47啮合，这两个位置彼此间隔蜗轮48的两个齿轮齿70。

第二停止位置82a、82b、82c可以彼此成角度地间隔任意量。在一些实施例中，第二停止位置82a、82b、82c各自对应于蜗轮48的不同的齿轮齿70。在一个示例实施例中，第二停止位置82a、82b、82c彼此间隔蜗轮48的一个或多个齿轮齿70。在一些实施例中，第二停止位置82a、82b、82c彼此间隔蜗轮48的两个或更多个齿轮齿70。如图2所示，由于蜗杆47可以在任何给定时间与蜗轮48的两个或更多个齿轮齿70相互机械作用，因此分散蜗轮48上的磨损以使第二停止位置82a、82b、82c间隔更大量是有利的。例如，一个齿轮齿70可以在两个不同的第二停止位置82a、82b、82c处与蜗杆47啮合，这两个停止位置彼此间隔蜗轮48的一个齿轮齿70，但相同的齿轮齿70可以不在两个不同的第二停止位置82a、82b、82c处与蜗杆47啮合，这两个停止位置彼此间隔蜗轮48的两个齿轮齿70。

系统可以被配置成在第一停止位置80a、80b、80c中的不同第一位置和/或第二停止位置82a、82b、82c中的不同第二停止位置之间旋转或交替。在一些实施例中，系统被配置成每当蜗轮被驱动离开第一停止位置80a、80b、80c时，改变为第一停止位置80a、80b、80c中的不同一个。例如，每当蜗轮48被旋转超过所有的第一停止位置80a、80b、80c(即，朝向第二停止位置82a、82b、82c)时，可以改变用于停止蜗轮48的第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个。可替代地，每当蜗轮48被旋转超过某个其他预定位置时，可以改变用于停止蜗轮48的第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个。在一些实施例中，将用于停止蜗轮48的第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个改变为第一停止位置80a、80b、80c中的另一个包括以预定模式改变第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个。例如，可以以重复模式(例如，a、b、c、a、b、c…，或者a、b、a、b…)旋转停止位置。

类似地，系统可被配置成每当蜗轮被驱动离开第二停止位置82a、82b、82c时，改变为第二停止位置82a、82b、82c中的不同一个。例如，每当蜗轮48被旋转超过所有第二停止位置82a、82b、82c(即，朝向第一停止位置80a、80b、80c)时，可以改变用于停止蜗轮48的第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个。可替代地，每当蜗轮48被旋转超过某个其他预定位置时，可以改变用于停止蜗轮48的第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个。在一些实施例中，将用于停止蜗轮48的第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个改变为第二停止位置82a、82b、82c中的另一个包括以预定模式改变第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个。例如，可以以重复模式(例如，a、b、c、a、b、c…，或者a、b、a、b…)旋转停止位置。

用于停止蜗轮48的第一停止位置80a、80b、80c中的一个和/或第二停止位置82a、82b、82中的一个可以使用不同的方法例如在周期性的时间基础上来改变。

表1示出了单小齿轮电动助力转向(SPEPS)的手轮位置变化的影响，该转向具有多个停止位置，该多个停止位置由蜗轮48上的两个齿轮齿70间隔开。具体地，表1示出了间隔两个齿轮齿70的停止位置，其对应于+/-10°的手轮变化。表2示出了双小齿轮电动助力转向(DPEPS)的手轮位置变化的影响，该转向具有多个停止位置，该多个停止位置由蜗轮48上的两个齿轮齿70间隔开。具体地，表2示出了间隔两个齿轮齿70的停止位置，其对应于+/-8.54545°的手轮变化。

表1

表2

表3示出了单小齿轮电动助力转向(SPEPS)的手轮位置变化的影响，该转向具有多个停止位置，该多个停止位置由蜗轮48上的1.5个齿轮齿70间隔开。具体地，表3示出了间隔1.5个齿轮齿70的停止位置，其对应于+/-7.5°的手轮变化。表4示出了双小齿轮电动助力转向(DPEPS)的手轮位置变化的影响，该转向具有多个停止位置，该多个停止位置由蜗轮48上的1.5个齿轮齿70间隔开。具体地，表4示出了间隔1.5个齿轮齿70的停止位置，其对应于+/-6.40909°的手轮变化。

表3

表4

停止位置数量和多个停止位置之间间隔的选择是在手轮角度变化与减少蜗轮48上的磨损效果之间的权衡。可以通过使用更多的停止位置和/或间隔更远的停止位置来减少蜗轮磨损。然而，增加数量和/或增加停止位置之间的间隔会导致手轮角度变化的增加，这可能导致EPS系统40未到达转向行程的全部范围。

还提供了一种用于控制机器的方法。该方法包括以下步骤：通过马达19旋转驱动轴60；通过与驱动轴60联接的蜗杆47驱动蜗轮48，使得蜗轮48在第一方向上旋转；响应于蜗轮48在第一方向上旋转至多个第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个，使马达19停止旋转驱动轴60；以及，将第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个改变为第一停止位置80a、80b、80c中的另一个。

在一些实施例中，机器被配置为执行以下至少一项：向车辆的转向系统40施加辅助扭矩，以及控制转向系统40。例如，机器可以是机动车的电动助力转向(EPS)系统40的全部或部分。

在一些实施例中，每当蜗轮48被驱动离开第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个时，执行将第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个改变为第一停止位置80a、80b、80c中的另一个的步骤。在一些实施例中，将第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个改变为第一停止位置80a、80b、80c中的另一个的步骤包括以预定模式改变第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个。

在一些实施例中，第一停止位置80a、80b、80c中相邻的停止位置彼此间隔蜗轮48的一个齿轮齿。在一些实施例中，第一停止位置80a、80b、80c中相邻的停止位置彼此间隔蜗轮48的一个和两个齿轮齿70之间的量。在一些实施例中，第一停止位置80a、80b、80c中相邻的停止位置彼此间隔蜗轮48的两个或更多个齿轮齿70。在一些实施例中，多个第一停止位置80a、80b、80c中相邻的停止位置彼此间隔蜗轮48的一个和两个齿轮齿70之间的量。

在一些实施例中，用于控制机器的方法还包括以下步骤：通过蜗杆驱动蜗轮48，使得蜗轮48在与第一方向相反的第二方向上旋转；响应于蜗轮48在第二方向上旋转至多个第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个，使马达停止旋转驱动轴；以及，将第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个改变为第二停止位置82a、82b、82c中的另一个。

在一些实施例中，每当蜗轮48被驱动离开第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个时，执行将第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个改变为第二停止位置82a、82b、82c中的另一个的步骤。在一些实施例中，将第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个改变为第二停止位置82a、82b、82c中的另一个的步骤包括以预定模式改变第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个。

在一些实施例中，第二停止位置82a、82b、82c中相邻的停止位置彼此间隔蜗轮48的一个齿轮齿。在一些实施例中，第二停止位置82a、82b、82c中相邻的停止位置彼此间隔蜗轮48的一个和两个齿轮齿70之间的量。在一些实施例中，第二停止位置82a、82b、82c中相邻的停止位置彼此间隔蜗轮48的两个或更多个齿轮齿70。在一些实施例中，多个第二停止位置82a、82b、82c中相邻的停止位置彼此间隔蜗轮48的一个和两个齿轮齿70之间的量。

还提供了一种用于控制车辆中的动力转向系统40的方法。该方法包括以下步骤：通过马达19旋转驱动轴60；通过与驱动轴60联接的蜗杆47驱动蜗轮48，使得蜗轮48在第一方向上旋转；响应于蜗轮48在第一方向上旋转至多个第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个，使马达19停止旋转驱动轴60；以及，将多个第一停止位置80a、80b、80c中的给定的一个改变为多个第一停止位置80a、80b、80c中的另一个。

在一些实施例中，用于控制动力转向系统40的方法还包括以下步骤：通过蜗杆47驱动蜗轮48，使得蜗轮48在与第一方向相反的第二方向上旋转；响应于蜗轮48在第二方向上旋转至多个第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个，使马达19停止旋转驱动轴60；以及，将多个第二停止位置82a、82b、82c中的给定的一个改变为多个第二停止位置82a、82b、82c中的另一个。

与传统的用于运行包括涡轮的机器的系统和方法相比，本公开的系统和方法可以具有若干优点。本公开的系统和方法可以通过将磨损分散在蜗轮的较大区域上来延长蜗轮的使用寿命。此外，本公开的系统和方法可以允许齿轮组施加比使用传统行程终点限制的齿轮组更高的扭矩。例如，使用传统行程终点限制时额定为100Nm的齿轮组，在使用如本公开的系统和方法所提供的由多个软件定义的行程终点限制时，可以被额定为106Nm。

虽然仅结合有限数量的实施例对本公开进行详细描述，但应理解的是，本公开不限于这些公开的实施例，相反，本公开可以被修改以包含之前未描述但与本公开的范围相称的的任何数量的变化、改变、替换或等同物。此外，虽然已经描述了本公开的各种实施例，但应理解的是本公开的各个方案可以仅包括所描述的实施例中的一些实施例或各个实施例的组合。相应地，本公开不应视为被上述描述限制。