CN102320325A - 应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法，步骤为：由方向盘处的转角传感器测出方向盘转角并传给中央控制器；根据方向盘转角和理想传动比计算小齿轮目标转角；中央控制器将此目标转角值发送给转角电机控制器；由转角电机控制器按照目标转角值对转角电机实行闭环控制；由电流传感器测得转角电机的工作电流；查询等电流分配曲线得到辅助电机的目标工作电流；中央控制器将此目标工作电流值发送给辅助电机控制器，由辅助电机控制器按目标电流值对辅助电机实行闭环控制，实现了小齿轮转角的精确控制；中央控制器会监测发动机是否熄火；中央控制器监测两电机是否存在故障；电机发生故障时中央控制器对正常工作的电机实行的是转角控制。

Description

应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车转向控制方法，更具体地说，本发明涉及一种应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法。

背景技术

传统的转向系统(机械式、液压式和电动助力转向系统)保证了汽车按驾驶员的意志行驶，但是由于其转向传动比固定，汽车的响应特性随着车速和方向盘转角变化，因此驾驶员必须随着变化的特性作出补偿，从而保证汽车在不同的工况下都能按意愿行驶。但这影响了汽车的操纵稳定性和驾驶舒适性。因此，线控转向系统应运而生。线控转向系统可以自由设计转向系统的力传递特性和角传递特性，给汽车的转向特性设计带来了很大的发展空间，很多控制算法也随之发展。目前国内外的线控转向系统的控制方法已经取得了很多成就。基本上分为三大类：

第一类是针对单电机线控转向系统而发展的控制方法；

第二类是针对前轮独立转向的双电机线控转向系统而发展的控制方法；

第三类是针对四轮线控转向系统而发展的控制方法，主要是应用在电动车上。对于同轴电机的控制国内外已开发出相应的方法，这些方法针对电机之间的协调，间隙消除做了很多工作，但是方法也比较复杂，而且不针对汽车转向领域的特殊需求。目前，国内外尚无应用于汽车上的针对采用双电机结构的前轮非独立线控转向系统开发的双电机冗余容错控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，在保证线控转向系统既有的操纵稳定性和驾驶舒适性的前提下，提供了一种降低算法的复杂程度和技术难度，并提高系统的可靠性和安全性的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法包括如下步骤：

1.由方向盘处的转角传感器测出方向盘转角并传给中央控制器。

2.计算小齿轮目标转角。

3.中央控制器将小齿轮目标转角值发送给转角电机控制器，并将小齿轮目标转角值作为转角电机控制器的控制目标量。

4.转角电机控制器按照小齿轮目标转角值控制转角电机实现目标转角。

5.转角电机控制器中的电流传感器测得转角电机的工作电流，并由中央控制器实时采集此电流值。

6.通过查询中央控制器中已经写入的等电流分配曲线，得到辅助电机的目标工作电流。

7.由中央控制器将此目标工作电流值发送给辅助电机控制器，辅助电机控制器以该目标工作电流值为控制目标，输出控制电压，并由辅助电机控制器中的电流传感器实时反馈辅助电机的实际工作电流，实现闭环控制，完成辅助转向的功能；最终在转角电机与辅助电机的共同工作下，达到了小齿轮转角的精确控制，实现了驾驶员的最终驾驶意愿。

8.中央控制器会监测发动机是否熄火，如果已经熄火，则说明汽车本身不再需要转向能力，中央控制器停止工作，如果发动机未熄火，说明汽车仍需要转向能力，中央控制器继续工作。

9.中央控制器中的故障诊断程序监测转角电机与辅助电机的工作状态，判断其是否存在故障，如果不存在故障，则双电机线控转向系统会继续第1步骤到第9步骤的工作程序。

10.如果转角电机与辅助电机的其中之一发生故障，首先由中央控制器中的故障诊断程序监测转角电机是否发生故障，如果是转角电机发生故障，则切断转角电机电源，屏蔽转角电机，使其空转，由辅助电机承担全部转向任务；如果是辅助电机发生故障，同理，中央控制器会屏蔽辅助电机，切断电源，使其空转，由转角电机承担全部转向任务。

11.无论是转角电机或者是辅助电机发生故障，中央控制器采用单电机的控制方法控制剩下的正常工作的电机，并且对正常工作的电机实行的是转角控制。

技术方案中所述的计算小齿轮目标转角包括如下步骤：

1.由车辆的当前状态，即车速以及权利要求1中的第1)步骤中方向盘转角传感器所测得的方向盘转角，查询由模糊算法优化得到的理想传动比表，得到与车辆当前状态相匹配的理想传动比值。

2.由方向盘转角和理想传动比值计算出小齿轮目标转角。

技术方案中所述的转角电机控制器按照小齿轮目标转角值控制转角电机实现目标转角包括如下步骤：

1.转角电机控制器向转角电机输入控制电压。

2.通过转角传感器向转角电机控制器进行转角反馈。

3.调整转角电机控制器向转角电机输入的控制电压值，最终实现目标转角。

技术方案中所述的对正常工作的电机实行转角控制包括如下步骤：

1.首先由方向盘处的转角传感器测出方向盘的转角，并且传给中央控制器。

2.计算小齿轮目标转角

1)由车辆的当前状态，即车速以及第1步骤中方向盘转角传感器所测得的方向盘转角，查询由模糊算法优化得到的理想传动比表，得到与车辆当前状态相匹配的理想传动比值。

2)由方向盘转角和理想传动比值计算出小齿轮目标转角。

3.中央控制器将小齿轮目标转角值发送给转角电机控制器，并将小齿轮目标转角值作为转角电机控制器的控制目标量。

4.转角电机控制器按照小齿轮目标转角值控制转角电机实现目标转角，通过输入控制电压，并通过转角反馈实现闭环控制，把目标电流和实际工作电流作为新的输入，通过已经调好的PID参数运算出新的电压值，如果输入差值不为零，反复进行此步循环，直到输入差值为零，最终实现目标转角，完成了维持转向的目的。

5.完成转向任务后中央控制器会监测发动机是否熄火，如果已经熄火，则说明汽车本身不再需要转向能力，转角电机控制器停止工作；如果发动机未熄火，说明汽车仍需要转向能力，转角电机控制器继续工作，并持续第1步骤到第5步骤的循环工作，完成驾驶员的转向需求。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法提高了系统的可靠性，并且解决了双电机之间的协调工作问题，使得两个电机能各自按照控制目标量稳定工作，提高了系统的稳定性和安全性。

2.本发明所述的这种不同控制目标的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法简单化，易于实现，降低了中央处理器的处理时间，使得电机响应速度加快，并且工作稳定。

3.本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法中不同的控制指标，使得当系统出现故障时，维修目标明确，强化了系统的普及和实用能力。

4.本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法对任何一个电机发生故障，中央控制器都能作出应急处理，并且保持汽车的基本转向功能。

5.本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法易于与故障诊断程序的链接，易于对每个电机的工作情况作出判断，作出裁决。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法中所涉及的双电机线控转向系统的结构原理框图；

图2是本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法中所涉及的双电机线控转向系统中双电机正常工作时的控制方案的流程图；

图3是本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法中所涉及的双电机线控转向系统中双电机中的辅助电机发生故障时的控制方案的流程图；

图4是本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法中所涉及的双电机线控转向系统中双电机中的转角电机发生故障时的控制方案的流程图；

图5是本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法的控制流程图；

图6是本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法中所采用的由模糊算法优化得到的理想传动比表的轴测投影图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明针对的是双电机线控转向系统的冗余容错控制方法，所述的双电机是指所采用的转角电机与辅助电机。转角电机与辅助电机之间采用不同的控制目标，并且辅助电机的控制目标依赖于转角电机的工作电流，这样容易协调两电机之间的工作关系，方法简单，并且针对其中转角电机发生故障后，会做出应急处理，采用新的控制方法，即辅助电机变为转角电机，承担全部转向任务。

参阅图1，本发明是在硬件已经作出冗余的优势情况下，通过优异的控制方法(优秀计算机程序)来提高双电机线控转向系统的可靠性和协调能力。控制程序能保证两电机按照各自的控制目标协调工作，当其中一个电机发生故障时，仍可通过其中另一个电机独立完成转向任务。

图中是表示本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法中所涉及的双电机线控转向系统的结构原理。双电机线控转向系统包括中央控制器、转角电机控制器、辅助电机控制器、辅助电机、转角电机、转向器、转角传感器与2套结构相同的蜗轮蜗杆减速器。

所述的转向器包括壳体、一根齿条与两个结构相同的小齿轮。转向器内的一根齿条与两个小齿轮啮合，两个小齿轮的回转轴线与齿条的纵向对称线垂直，左端小齿轮与辅助电机的输出轴采用一套蜗轮蜗杆减速器相连接，右端小齿轮与转角电机的输出轴也采用一套蜗轮蜗杆减速器相连接。转角电机与辅助电机采用完全相同型号的电机，辅助电机与转角电机和转向器的连接结构形式完全相同，辅助电机与转角电机的输出轴与蜗杆同轴，采用内花键连接。蜗轮轴与小齿轮轴同轴，采用内花键连接。在齿条两端通过球头式万向节连接左右两转向轮的梯形臂。在转角电机的减速器的蜗轮轴上端安装有转角传感器，通过该传感器测得与转角电机连接的小齿轮实际转角值实现转角电机的转角控制反馈。双电机线控转向系统共采用三个控制器，即中央控制器，转角电机控制器与辅助电机控制器，转角电机控制器与辅助电机控制器只负责实现电机的目标转角和目标电流的实现，其它的运算和控制程序全部都由中央控制器来实现。在转角电机控制器和辅助电机控制器内都安装有电流控制器，用来测得转角电机和辅助电机的工作电流。

参阅图2，在双电机都正常工作时，首先是中央控制器根据方向盘转角和车速查阅基于模糊控制修订的理想传动比控制表算出小齿轮的目标转角，图6中给出了理想传动比查询表，再由转角电机控制器根据算得的目标转角来控制转角电机转到目标转角。与此同时，由转角电机控制器中的电流传感器测得的转角电机工作电流，并把此电流值时时的传给中央控制器，中央控制器再根据设定好的两电机电流关系曲线时时的运算出辅助电机的目标工作电流，基于目前两个电机采用的是结构完全相同的电机，所以优化好的曲线为等电流关系曲线，再由辅助电机控制器来控制辅助电机按照目标电流工作。由此两个电机就可以按此规律协调的工作，完成转向任务。

参阅图3，由中央控制器中的故障诊断程序时时的监控着双电机线控转向系统中的两个电机的工作状态，当辅助电机发生故障时，中央控制器会根据电机的输入输出差立即诊断出来，并立刻作出应急处理，屏蔽发生故障的辅助电机，使其不再工作，而且应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法也由双电机控制变为单电机控制，并且由转角电机独立承担全部转向任务。

参阅图4，由中央控制器中的故障诊断程序时时的监控着双电机线控转向系统中的两个电机的工作状态，当转角电机发生故障时，中央控制器会根据电机的输入输出差立即诊断出来，并立刻作出应急处理，屏蔽发生故障的转角电机，使其不再工作，而且应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法也由双电机控制变为单电机控制，此时辅助电机变为转角控制，由辅助电机独立承担全部转向任务。

参阅图5与图6，本发明所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法的步骤如下：

1.由方向盘处的转角传感器测出当前方向盘转角并时时传给中央控制器；

2.计算小齿轮目标转角

1)由车辆的当前状态，即车速以及第1步骤中方向盘转角传感器所测得的方向盘转角，查询由模糊算法优化得到的理想传动比表，得到与车辆当前状态相匹配的理想传动比值；

参阅图6，理想传动比的具体原理：横摆角速度的计算公式为

$r=G_{\mathrm{fw}}^r{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{fw}}=G_{\mathrm{fw}}^r{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{sw}}/i_{\mathrm{sw}}=G_{\mathrm{fw}}^r{G}_S{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{sw}}$

其中：

为从前轮转角δ_fw到汽车横摆角速度响应的转向增益，稳态条件下有i_sw为从方向盘转角δ_sw到汽车前轮转角δ_fw的转向传动比，i_sw＝δ_sw/δ_fw；G_S为转向系统角传动比i_sw的倒数。

从横摆角速度公式可以看出，只要设定合理的转向传动比，是在任何车速下

恒为常数，这可以保证横摆角速度增益不变，这种增益不变的转向传动比称为SBW系统理想传动比。图中的理想传动比三维表就是在任何已知车速和方向盘转角下，通过方向盘转角到横摆角速度的增益不变，并基于模糊控制优化而确定的理想传动比。

2)由方向盘转角和理想传动比值计算出小齿轮目标转角；

3.中央控制器将小齿轮目标转角值发送给转角电机控制器，并将小齿轮目标转角值作为转角电机控制器的控制目标量；

4.转角电机控制器按照小齿轮目标转角值控制转角电机实现目标转角

1)转角电机控制器向转角电机输入控制电压；

2)通过转角传感器向转角电机控制器进行转角反馈；

3)调整转角电机控制器向转角电机输入的控制电压值，最终实现目标转角；

即通过转角反馈实现闭环控制，把目标转角和实际转角的差值为新的输入，通过已经调好PID参数运算出新的电压值，如果输入差值不为零，反复进行此步循环，直到输入差值为零，最终实现目标转角；

5.与此同时，转角电机控制器中的电流传感器实时测得转角电机的工作电流，并由中央控制器实时采集此电流值；

6.在中央控制器中已经写入转角电机与辅助电机之间的工作电流关系曲线，此曲线是通过将转向阻力功率按两个电机的功率比分配给两个电机而得到的。由于电机的扭矩与电机的工作电流成正比，所以基于目前采用的是两个结构完全相同的电机，并且额定参数完全相同，所得的曲线是等电流分配曲线，通过查询该关系曲线，得到辅助电机的目标工作电流；

7.由中央控制器将此目标工作电流值发送给辅助电机控制器，辅助电机控制器以该目标工作电流值为控制目标，输出控制电压，并由辅助电机控制器中的电流传感器实时反馈辅助电机的实际工作电流，实现闭环控制，完成辅助转向的功能；最终在转角电机与辅助电机的共同工作条件下，达到了小齿轮转角的精确控制，实现了驾驶员的最终驾驶意愿；

8.完成转向任务后中央控制器会监测发动机是否熄火，如果已经熄火，则说明汽车本身不再需要转向能力，中央控制器停止工作。如果发动机未熄火，说明汽车仍需要转向能力，中央控制器继续工作；

9.中央控制器中的故障诊断程序会监测转角电机与辅助电机的工作状态，判断其是否存在故障，如果不存在故障，则双电机线控转向系统会继续循环第1步骤到第9步骤的工作程序；

10.如果转角电机与辅助电机中有一个电机发生故障，首先由中央控制器中的故障诊断程序监测转角电机是否发生故障，如果是转角电机发生故障，则切断转角电机电源，屏蔽转角电机，使其空转，由辅助电机承担全部转向任务；如果是辅助电机发生故障，同理，中央控制器会屏蔽辅助电机，切断电源，使其空转，由转角电机承担全部转向任务；

11.无论是转角电机或者是辅助电机发生故障，中央控制器采用单电机的控制方法控制剩下的正常工作的电机，并且对正常工作的电机实行的是转角控制。

所述的对正常工作的电机实行转角控制包括如下步骤：

1.首先由方向盘处的转角传感器测出当前方向盘的转角，并且传给中央控制器；

2.计算小齿轮目标转角

1)由车辆的当前状态，即车速以及第1步骤中方向盘转角传感器所测得的方向盘转角，查询由模糊算法优化得到的理想传动比表，得到与车辆当前状态相匹配的理想传动比值；

2)由方向盘转角和理想传动比值计算出小齿轮目标转角；

3.中央控制器将此目标转角值发送给转角电机控制器，并将此转角值作为转角电机控制器的控制目标量；

4.由转角电机控制器按照目标转角值控制转角电机实现目标转角，通过输入控制电压，并通过转角反馈实现闭环控制，把目标转角和实际转角的差值为新的输入，通过已经调好的PID参数，运算出新的电压值，如果输入差值不为零，反复进行此步循环，直到输入差值为零，最终实现目标转角，完成了维持转向的目的；

5.完成转向任务后中央控制器会监测发动机是否熄火，如果已经熄火，则说明汽车本身不再需要转向能力，转角电机控制器停止工作。如果发动机未熄火，说明汽车仍需要转向能力，转角电机控制器继续工作，并持续第1步骤到5步骤的循环工作，完成驾驶员时时的转向需求。

Claims (4)

1.一种应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法，其特征在于，所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法包括如下步骤：

1)由方向盘处的转角传感器测出方向盘转角并传给中央控制器；

2)计算小齿轮目标转角；

3)中央控制器将小齿轮目标转角值发送给转角电机控制器，并将小齿轮目标转角值作为转角电机控制器的控制目标量；

4)转角电机控制器按照小齿轮目标转角值控制转角电机实现目标转角；

5)转角电机控制器中的电流传感器测得转角电机的工作电流，并由中央控制器实时采集此电流值；

6)通过查询中央控制器中已经写入的等电流分配曲线，得到辅助电机的目标工作电流；

7)由中央控制器将此目标工作电流值发送给辅助电机控制器，辅助电机控制器以该目标工作电流值为控制目标，输出控制电压，并由辅助电机控制器中的电流传感器实时反馈辅助电机的实际工作电流，实现闭环控制，完成辅助转向的功能；最终在转角电机与辅助电机的共同工作下，达到了小齿轮转角的精确控制，实现了驾驶员的最终驾驶意愿；

8)中央控制器会监测发动机是否熄火，如果已经熄火，则说明汽车本身不再需要转向能力，中央控制器停止工作，如果发动机未熄火，说明汽车仍需要转向能力，中央控制器继续工作；

9)中央控制器中的故障诊断程序监测转角电机与辅助电机的工作状态，判断其是否存在故障，如果不存在故障，则双电机线控转向系统会继续第1)步骤到第9)步骤的工作程序；

10)如果转角电机与辅助电机的其中之一发生故障，首先由中央控制器中的故障诊断程序监测转角电机是否发生故障，如果是转角电机发生故障，则切断转角电机电源，屏蔽转角电机，使其空转，由辅助电机承担全部转向任务；如果是辅助电机发生故障，同理，中央控制器会屏蔽辅助电机，切断电源，使其空转，由转角电机承担全部转向任务；

11)无论是转角电机或者是辅助电机发生故障，中央控制器采用单电机的控制方法控制剩下的正常工作的电机，并且对正常工作的电机实行的是转角控制。

2.按照权利要求1所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法，其特征在于，所述的计算小齿轮目标转角包括如下步骤：

1)由车辆的当前状态，即车速以及权利要求1中的第1)步骤中方向盘转角传感器所测得的方向盘转角，查询由模糊算法优化得到的理想传动比表，得到与车辆当前状态相匹配的理想传动比值；

2)由方向盘转角和理想传动比值计算出小齿轮目标转角。

3.按照权利要求1所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法，其特征在于，所述的转角电机控制器按照小齿轮目标转角值控制转角电机实现目标转角包括如下步骤：

1)转角电机控制器向转角电机输入控制电压；

2)通过转角传感器向转角电机控制器进行转角反馈；

3)调整转角电机控制器向转角电机输入的控制电压值，最终实现目标转角。

4.按照权利要求1所述的应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法，其特征在于，所述的对正常工作的电机实行转角控制包括如下步骤：

1)首先由方向盘处的转角传感器测出方向盘的转角，并且传给中央控制器；

2)计算小齿轮目标转角

(1)由车辆的当前状态，即车速以及第1)步骤中方向盘转角传感器所测得的方向盘转角，查询由模糊算法优化得到的理想传动比表，得到与车辆当前状态相匹配的理想传动比值；

(2)由方向盘转角和理想传动比值计算出小齿轮目标转角；

3)中央控制器将小齿轮目标转角值发送给转角电机控制器，并将小齿轮目标转角值作为转角电机控制器的控制目标量；

4)转角电机控制器按照小齿轮目标转角值控制转角电机实现目标转角，通过输入控制电压，并通过转角反馈实现闭环控制，把目标电流和实际工作电流作为新的输入，通过已经调好的PID参数运算出新的电压值，如果输入差值不为零，反复进行此步循环，直到输入差值为零，最终实现目标转角，完成了维持转向的目的；

5)完成转向任务后中央控制器会监测发动机是否熄火，如果已经熄火，则说明汽车本身不再需要转向能力，转角电机控制器停止工作；如果发动机未熄火，说明汽车仍需要转向能力，转角电机控制器继续工作，并持续第1)步骤到第5)步骤的循环工作，完成驾驶员的转向需求。

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