CN105172886B - 一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统及控制方法，包括电磁转差离合器，控制单元，轮速传感器，扭矩传感器，压力传感器，供电电路；轮速传感器、扭矩传感器以及压力传感器均与控制单元的输入端相连接，控制单元的输出端与供电电路相连接，供电电路与电磁转差离合器相串联，电磁转差离合器设置在发动机与转向泵之间；控制单元根据轮速传感器、扭矩传感器以及压力传感器提供的信息，计算转向阻力矩T_a、助力斜率系数k、助力电流I₁，并将助力电流送给供电电路；供电电路根据助力电流I₁大小输出励磁电流I给电磁转差离合器；电磁转差离合器根据励磁电流I输出转速信息至转向泵。本发明同时兼顾低速转向的轻便和高速转向时的路感。

Description

一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及重型车辆底盘转向系统与电磁电路领域，特别是涉及应用于重型车辆新型电磁离合器式液压助力转向系统(E-ECHPS)的转向主力控制系统及控制方法技术。

背景技术

传统液压助力转向系统(HPS)，转向泵直接由发动机驱动，是一种设计简单、易于实现的转向助力系统，从一定程度上减轻了驾驶员转向时的负担，但是其助力不可调，仅仅与发动机转速成正相关，低速时转向助力过小，高速时转向助力过大，同时因为产生了多余的助力，使得一部分能耗浪费。电动液压助力系统(EHPS)，转向泵由一个独立的电动机驱动，而其输入电流的大小由控制单元决定，克服了HPS的转向不可调，可以做到在低速时助力较大，高速时助力较小，减少了多余的能耗，但是因为成本与系统安全等问题，在重型车辆上应用有限。

目前，电磁转差离合器(ESC)多分为励磁式电磁转差离合器和永磁式电磁转差离合器两种，因为励磁式转差离合器的控制环节较为简单，故该种形式应用较为广泛。车辆在行驶过程中，助力转向系统也同时兼顾低速时的转向轻便和高速时的行驶路感，在传统的液压助力转向系统(HPS)上，因为其助力只跟发动机转速有关，所以无法达到同时兼顾二者的作用。而车辆在行驶过程中，低速时转向系统助力过小就会导致驾驶员转向费力，高速时转向系统助力过大，又会造成驾驶员对路感的丧失，不利于在高速状态下转向时的车辆稳定和行驶安全。

重型车辆的电磁转差离合器的电控液压助力转向系统(E-ECHPS)介于HPS于EHPS之间，运用电磁转差离合器(ESC)的转差特性，将原本HPS浪费的能耗进行回收，并可依照EHPS的控制方式对输出助力进行可调变换，同时于转向阻力矩大小相关，以达到设计所需要的指标。新型转向系统E-ECHPS采用励磁式电磁转差离合器作为动力装置，通过改变输入到励磁式ESC中的电流大小，就可让助力随车速的改变发生与传统系统不一样的变化，从而兼顾到低速时的转向轻便和高速时的路感。

发明内容

为了解决上述车辆在行驶过程中，低速时转向系统助力过小就会导致驾驶员转向费力，高速时转向系统助力过大，又会造成驾驶员对路感的丧失，不利于在高速状态下转向时的车辆稳定和行驶安全等问题，本发明给E-ECHPS助力转向系统励磁式ESC提供一种在正常行驶车速下的转向助力控制系统及控制方法，通过改变励磁电路的电流大小，进而改变助力大小，从而达到兼顾低速时的驾驶员转向轻便和高速时的驾驶员方向盘路感的作用。采用的技术方案如下：

一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统，其特征在于，包括电磁转差离合器，控制单元，轮速传感器，扭矩传感器，压力传感器，供电电路；

所述轮速传感器、所述扭矩传感器以及所述压力传感器均与所述控制单元的输入端相连接，所述控制单元的输出端与所述供电电路相连接，所述供电电路与所述电磁转差离合器相串联，所述电磁转差离合器设置在发动机与转向泵之间；

所述轮速传感器用于获取轮速，所述扭矩传感器用于获取方向盘扭矩，所述压力传感器用于获取液压缸内部压力信号；所述控制单元根据轮速传感器、扭矩传感器以及压力传感器提供的信息，计算得出转向阻力矩T_a、助力斜率系数k、助力电流I₁，并将所述助力电流输出给所述供电电路；所述供电电路包括供电电源和输电线路，所述供电电路根据助力电流I₁的大小输出相应的励磁电流I给所述电磁转差离合器；所述电磁转差离合器根据励磁电流I大小输出转速信息至转向泵。

优选地，所述轮速传感器安装于车轮轴上，所述扭矩传感器安装于方向盘转动杆上，所述压力传感器安装于液压缸内。

优选地，所述轮速传感器采用霍尔式轮速传感器，所述扭矩传感器采用非接触式扭矩传感器，所述压力传感器采用压电式压力传感器。

优选地，所述控制单元为车载电控单元，所述电磁转差离合器为励磁式电磁转差离合器。

优选地，所述助力电流I₁与所述转向阻力矩T_a、所述助力斜率系数k的关系为：I₁＝kT_a；所述励磁电流I与所述助力电流I₁的值相等。

基于上述系统，本发明还提出了一种重型车辆电磁离合器转向助力控制方法，包括如下步骤：

步骤1，利用轮速传感器获得轮速信息，利用扭矩传感器获得方向盘扭矩信息，利用压力传感器获得液压缸内部压力信息；

步骤2，控制单元接收轮速信息，方向盘扭矩信息和液压缸内部压力信息；

步骤3，控制单元处理方向盘扭矩信息，获得方向盘扭矩大小；

步骤4，控制单元处理液压缸内部压力信息，获得此时的压力值，进而处理得到此时的转向阻力矩T_a；

步骤5，控制单元处理轮速信息，获得轮速大小；并利用方向盘扭矩大小，处理获得助力斜率k；

步骤6，控制单元根据所述转向阻力矩T_a大小和助力斜率系数k的大小，计算得出此时段系统所需助力电流I₁的值，所述I₁＝kT_a；

步骤7，控制单元将助力电流I₁输出给供电电路；

步骤8，供电电路输出相应大小的励磁电流I给电磁转差离合器；

步骤9，电磁转差离合器输出相应转速，即转向助力系统输出相应助力。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)通过轮速传感器，扭矩传感器和压力传感器，系统获得准确的车速，方向盘扭矩和转向阻力矩信息。经由控制单元根据车速，方向盘扭矩和转向阻力矩信息进行处理，达到整个系统的按需功率匹配要求，实时调整励磁电路电流大小，从而实时调节系统输出的助力大小。

(2)通过系统的协调配合运算，有效的克服了传统液压助力转向系统(HPS)在转向时同时兼顾低速转向的轻便和高速转向时路感的不足，转向助力不再与发动机转速成正比，而是随着车速的提高，呈现一种逐渐下降的趋势。在车辆低速时，k值较大，电流增速快，助力增加明显，峰值大；在车速高时，k值较小，电流增速慢，助力增加不明显，峰值小。经过系统的输出，使得驾驶员在车辆低速，车况易于控制时驾驶车辆轻松进行转向，在高速，车况不易于控制时能够通过方向盘的反馈，从主观上及时了解车辆行驶状态，保证了驾驶员的体能和车辆行驶的安全。

(3)从按需功率匹配的角度来看，助力大小随转向阻力的大小变化，避免了不必要的能源浪费；在实现兼顾低速转向轻便和高速转向路感目标的同时，相应的减少了系统能耗，一举两得。

附图说明

图1为一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统在一种输入转矩下助力特性曲线；

图2为助力斜率系数k与车速和方向盘扭矩的关系图；

图3为一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统结构示意图；

图4为一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统工作流程图。

图中标记：1-电磁转差离合器；2-控制单元；3-轮速传感器；4-扭矩传感器；5-压力传感器；6-供电电路。

具体实施方式

如图3所示，本发明提出了一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统，包括电磁转差离合器1，控制单元2，轮速传感器3，扭矩传感器4，压力传感器5，供电电路6。电磁转差离合器1为励磁式电磁转差离合器，控制单元为车载电控单元ECU。所述供电电路6由供电电源和输电线路组成；所述轮速传感器3、扭矩传感器4和压力传感器5均与所述控制单元2的输入端相连，控制单元2的输出端与供电电路6相连，供电电路6与所述励磁式电磁转差离合器相串联，供电电路6给励磁式电磁转差离合器供电，励磁式电磁转差离合器输出转速至转向泵；励磁式电磁转差离合器设置在发动机与转向泵之间。

励磁式电磁转差离合器为电磁转差离合器的电控液压助力转向系统(E-ECHPS)的关键动力组件，采用励磁形式产生内部电磁场，由离合器主动部分转动切割磁力线，产生力，从而使离合器主动与被动部分发生同向旋转，同时主动与被动部分转速存在差值，且差值大于零。

轮速传感器3安置在车轮轴上，轮速传感器3采用霍尔式轮速传感器，霍尔式轮速传感器由传感头和齿圈组成(传感头由永磁体、霍尔式元件和电子电路组成)，应用霍尔式原理进行工作，具有输出信号电压振幅不受转速影响、频率响应高、抗电磁波干扰能力强的特点。轮速传感器3也可与现阶段车辆广泛安装的ABS/ESP系统的轮速传感器并用。

扭矩传感器4安装在方向盘转动杆上，扭矩传感器4采用非接触式扭矩传感器，非接触式扭矩传感器由输入轴和输出轴通过扭杆相连，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上的键槽之间的相对位置发生改变。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号进行输出。非接触式扭矩传感器由于采用非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高、不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响小，被广泛用于汽车领域。

压力传感器5安置在液压缸内，压力传感器5采用压电式压力传感器，压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。压电式压力传感器的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。

上述三个传感器的信号传输电路均与与控制单元相连；控制单元2包括轮速传感器信号接收端，扭矩传感器信号接收端，压力传感器信号接收端，信号处理单元，助力电流信号输出端；轮速传感器信号接收端与轮速传感器3相连，扭矩信号接收端与扭矩传感器4相连，压力信号接收端与压力传感器5相连，助力电流信号输出端与供电电路相连。

控制单元2接收压力传感器信号，由信号处理单元中已有计算公式，如式(1)所示：

式中：ΔP—液压缸两端压差；A_p—活塞有效作用面积；S—螺杆导程；Q_n—转向泵流量。

由式(1)得出此时的转向阻力矩T_a的值，控制单元接收扭矩传感器4信号，由信号处理单元判断方向盘输入扭矩大小，再根据轮速传感器3信号，由信号处理单元判断当前车速大小，根据方向盘输入扭矩大小和当前车速大小决定助力斜率系数k的值；为了保证系统相应的敏捷性，系统必须保证时刻运转，及励磁式电磁转差离合器1从动部分需克服液压系统固有阻力矩T₀＝2.865N·m，△T_a＝T_a—T₀。为了保证最低转速，在不同车速下，需要不同的电流初始值I₀，△I＝I—I₀。最后：△I＝k·△T_a；实际工作时，系统需要根据压力和方向盘扭矩Td得出转向阻力矩Ta，在与ECU中的转向阻力矩相比较，再反推标定计算k值大小(如图2所示)。

信号处理单元根据转向阻力矩T_a和当前k值，计算得出当前所需转向助力电流I₁＝kT_a，并输出助力电流给供电电路6，供电电路6向励磁式电磁转差离合器励磁线圈输入相应的励磁电流I，并且I＝I₁。

如表1所示，根据实验测量得出的信号处理单元中助力斜率系数k的值在典型车速中的大小。在其他车速下，k的值根据助力特性曲线三维图(图2)进行相应调整。

表1助力斜率系数k的值在典型车速中的大小

根据试验统计结果，在典型车速(v＝0，20，40，60，80，100km/h)时，驾驶员的理想方向盘转矩T_d大小如表2所示。

表2理想方向盘转矩在典型车速值下的大小

从表2的试验统计结果可以看出，在低速时和高速时，驾驶员的理想方向盘转矩T_d不同，并与车速成正相关，其他车速下的方向盘转矩大小可根据ECU计算的结果相应调整。

助力电流随不同车速下的k值成正比线性变化，助力电流随转向阻力矩T_a的增大而增大，当方向盘转矩T_d达到某一车速下对应的方向盘理想转矩后，不再变化，k＝0。k值随车速的增大而降低，电流峰值小于前一个车速的峰值，以满足高速行使时转向的路感。原地转向时，电流峰值最大，以满足低速行使，特别是原地转向时转向的轻便。

如图1所示，一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统在一种输入转矩下助力特性曲线，ECU中信号处理单元中储存有预先标定的在某一车速和某一方向盘输入转矩时的ESC所需电流值；电流值是根据不同车速下，不同的转向阻力矩确定的，而转向阻力矩是要根据输入转矩折算而得，所以不同方向盘输入转矩，相同车速下输入电流会有不同。图1中的横坐标是转向阻力矩和车速，纵坐标是输出电流，输出电流根据不同车速和转向阻力矩确定。

如图4所示，为本发明提出的一种重型车辆电磁离合器转向助力控制系统的控制流程图，包括步骤如下：

步骤1，利用轮速传感器(3)获得轮速信息，利用扭矩传感器(4)获得方向盘扭矩信息，利用压力传感器(5)获得液压缸内部压力信息；

步骤2，控制单元(2)接收轮速信息，方向盘扭矩信息和液压缸内部压力信息；

步骤3，控制单元(2)处理方向盘扭矩信息，获得方向盘扭矩大小；

步骤4，控制单元(2)处理液压缸内部压力信息，获得此时的压力值，进而处理得到此时的转向阻力矩T_a；

步骤5，控制单元(2)处理轮速信息，获得轮速大小；并利用方向盘扭矩大小，处理获得助力斜率k；

步骤6，控制单元(2)根据所述转向阻力矩T_a大小和助力斜率系数k的大小，计算得出此时段系统所需助力电流I₁的值，所述I₁＝kT_a；

步骤7，控制单元(2)将助力电流I₁输出给供电电路(6)；

步骤8，供电电路(2)输出相应大小的励磁电流I给电磁转差离合器；

步骤9，电磁转差离合器(1)输出相应转速，即转向助力系统输出相应助力。

以上所述仅用于说明本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围，应当知道，在不违背本发明实质内容和原则的前提下，所作任何修改、改进或等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种重型车辆电磁离合器转向助力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用轮速传感器(3)获得轮速信息，利用扭矩传感器(4)获得方向盘扭矩信息，利用压力传感器(5)获得液压缸内部压力信息；

步骤2，控制单元(2)接收轮速信息，方向盘扭矩信息和液压缸内部压力信息；

步骤3，控制单元(2)处理方向盘扭矩信息，获得方向盘扭矩大小，具体地：在车速为0时T_d大小为4，在车速为20时T_d大小为4.5，在车速为40时T_d大小为5.2，在车速为60时T_d大小为6.4，在车速为80时T_d大小为7.5，在车速为100时T_d大小为8.5；

步骤4，控制单元(2)处理液压缸内部压力信息，获得此时的压力值，进而处理得到此时的转向阻力矩T_a：T_a由公式计算得出此时的转向阻力矩T_a的值；

式中：ΔP—液压缸两端压差；A_p—活塞有效作用面积；S—螺杆导程；Q_n—转向泵流量；

步骤5，控制单元(2)处理轮速信息，获得轮速大小；并利用方向盘扭矩大小，处理获得助力斜率k；所述k由反推标定得出，并且在车速为0时k值为0.153，在车速为20时k值为0.201，车速为40时k值为0.188，车速为60时k值为0.180，车速为80时k值为0.164，车速为100时k值为0.154；

步骤6，控制单元(2)根据所述转向阻力矩T_a大小和助力斜率系数k的大小，计算得出此时段系统所需助力电流I₁的值，所述I₁＝kT_a；

步骤7，控制单元将助力电流I₁输出给供电电路(6)；

步骤8，供电电路(6)输出相应大小的励磁电流I给电磁转差离合器(1)；

步骤9，电磁转差离合器(1)输出相应转速，即转向助力系统输出相应助力；

所述重型车辆电磁离合器转向助力控制方法应用于重型车辆电磁离合器转向助力控制系统，所述系统包括：电磁转差离合器(1)，控制单元(2)，轮速传感器(3)，扭矩传感器(4)，压力传感器(5)，供电电路(6)；

所述轮速传感器(3)、所述扭矩传感器(4)以及所述压力传感器(5)均与所述控制单元(2)的输入端相连接，所述控制单元(2)的输出端与所述供电电路(6)相连接，所述供电电路(6)与所述电磁转差离合器(1)相串联，所述电磁转差离合器(1)设置在发动机与转向泵之间；

所述轮速传感器(3)用于获取轮速，所述扭矩传感器(4)用于获取方向盘扭矩，所述压力传感器(5)用于获取液压缸内部压力信号；所述控制单元(2)根据轮速传感器(3)、扭矩传感器(4)以及压力传感器(5)提供的信息，计算得出转向阻力矩T_a、助力斜率系数k、助力电流I₁，并将所述助力电流输出给所述供电电路(6)；所述供电电路(6)包括供电电源和输电线路，所述供电电路(6)根据助力电流I₁的大小输出相应的励磁电流I给所述电磁转差离合器(1)；所述电磁转差离合器(1)根据励磁电流I大小输出转速信息至转向泵；

所述助力电流I₁与所述转向阻力矩T_a、所述助力斜率系数k的关系为：I₁＝kT_a；所述励磁电流I与所述助力电流I₁的值相等；

所述轮速传感器(3)安装于车轮轴上，所述扭矩传感器(4)安装于方向盘转动杆上，所述压力传感器(5)安装于液压缸内；

所述轮速传感器(3)采用霍尔式轮速传感器，所述扭矩传感器(4)采用非接触式扭矩传感器，所述压力传感器(5)采用压电式压力传感器；

所述控制单元(2)为车载电控单元，所述电磁转差离合器(1)为励磁式电磁转差离合器。