CN106428201B - 一种嵌套式双转子转向电机多模式转向系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌套式双转子转向电机多模式转向系统及控制方法，包括：转向轴；电磁离合器，其包括输入端和输出端；所述电磁离合器选择性的结合或分离输入端和输出端；所述转向轴穿过所述电磁离合器的中心通孔，并且能够带动所述输入端一同旋转；以及双转子转向电机，其包括：内转子，其连接从所述电磁离合器穿出的转向轴；外转子，其一端连接所述电磁离合器的输出端；并且所述外转子的另一端驱动转向器；ECU，其电联接所述双转子转向电机和电磁离合器。本发明的转向系统具有多种转向模式，提高汽车的安全性能，实现灵活转向。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域。更具体地说，本发明涉及嵌套式双转子转向电机多模式转向系统及控制方法。
背景技术
汽车转向系统是驾驶员用来控制汽车方向的系统，保证汽车按驾驶员的意志而进行转向行驶。它直接影响到汽车行驶时的安全性、操纵稳定性以及驾驶舒适性。现有的转向系统主要有如下几种：机械转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统。
机械转向系统占用空间大，转向操纵费力，有“打手”现象，现在已经基本被淘汰；液压助力转向系统助力特性不能改变，其助力大小与车速无关，传动比固定，不能协调转向轻便性和路感之间的矛盾，同时液压油污染大，低温助力特性不好。除此之外，其能耗消耗也较高。电动助力转向系统和线控转向系统相比较液压助力转向系统可以很好的解决了这些问题。
电动助力转向系统根据优化的助力特性控制助力电机实现助力，可同时实现低速转向轻便，高速行驶路感好，提高了操纵稳定性。虽然电动助力转向系统可以实现随速可调助力大小，但是无法改变传动系统角传动比，故无法从根本上解决转向的“轻与灵”之间的矛盾，难以适应不同车速下对转向灵敏度的不同要求。
线控转向系统取消了转向盘和转向轮的机械连接，通过电子控制可以实现在不同车速下角传动比的变化，解决了转向“轻与灵”的矛盾，大大提高了在不同车速下的转向灵活性和操纵稳定性。线控转向系统解耦了汽车转向盘和转向车轮，为汽车动态稳定控制系统和驾驶路感反馈系统提供便利。但也由于转向盘和转向车轮之间没有机械连接，当出现故障时，车辆将无法保证可靠转向，有失控危险。
发明内容
本发明目的是提供一种嵌套式双转子转向电机多模式转向系统，实现电机输出不同的转矩并控制转向执行机构进行转向，从而实现多种转向模式。
本发明还有一个目的是提供一种嵌套式双转子转向电机多模式转向系统的控制方法，控制电磁离合器的通断，从而实现多种转向模式。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种嵌套式双转子转向电机多模式转向系统，包括：
转向轴；
电磁离合器，其包括输入端和输出端；所述电磁离合器能够选择性的结合或分离输入端和输出端；所述转向轴穿过所述电磁离合器的中心通孔，并且能够带动所述输入端一同旋转；以及
嵌套式双转子转向电机，其包括：
内转子，其连接从所述电磁离合器穿出的转向轴；
外转子，其一端连接所述电磁离合器的输出端；并且所述外转子的另一端驱动转向器；
ECU，其电连接所述双转子转向电机和电磁离合器；
其中，第一模式，ECU控制电磁离合器分离，ECU控制内转子形成路感反馈阻力转矩；同时ECU控制外转子输出转向转矩，驱动转向器进行转向；
第二模式，ECU控制电磁离合器结合，ECU控制外转子输出助力转矩，助力转矩与转向轴施加的转矩相耦合从而驱动转向器进行转向；
第三模式，当所述双转子转向电机故障，ECU控制电磁离合器结合，转向轴施加的转矩通过内转子和外转子成为整体回转体驱动转向器进行转向。
优选的是，所述电磁离合器还包括：
磁轭，其固定在所述输入端的外周缘上，所述磁轭内开设第一容置空间；
线圈，其布设在所述第一容置空间中，用于通电产生电磁力；以及
衔铁，其套设在所述输入端远离磁轭的一端，所述衔铁在电磁吸引力作用下能够向磁轭滑动；
多个主动摩擦片，其通过花键配合可滑动设置在所述输入端上；
多个从动摩擦片，其交替设置在所述主动摩擦片之间，并通过花键配合可滑动设置在所述输出端上；
所述输入端设置内花键，所述转向轴设置外花键，所述输入端和转向轴通过花键配合；
所述输出端通过法兰与外转子固定连接；
其中，主动摩擦片和从动摩擦片布设在所述衔铁和磁轭之间，当衔铁在电磁力作用下向磁轭滑动至使主动摩擦片和从动摩擦片压紧时，电磁离合器结合。
优选的是，所述法兰为由外连接盘和转子连接盘构成的一体式结构，所述外连接盘与所述输出端固定连接；所述转子连接盘与所述外转子花键连接；
其中，法兰上开设中心光孔，所述转向轴伸出电磁离合器的一端穿过中心光孔后与所述内转子花键连接。
优选的是，所述嵌套式双转子转向电机还包括：
外壳，其内具有第二容置空间；
定子，其固定在所述外壳内表面上；
定子励磁绕组，其固定在所述定子上，通以电流用以产生磁场；
外转子，其为中空圆筒状并可旋转的设置在所述第二容置空间内，并且外转子内侧和外侧上设置永磁体；
内转子，其可旋转的设置在所述外转子的中空圆筒中；
电枢绕组，其安装在所述内转子上；
电机输出轴，其一端与外转子连接，用于输出所述嵌套式双转子转向电机的转矩。
优选的是，所述外转子包括主体与端盖，主体和端盖配合处具有多个圆弧梯形凹槽齿，所述凹槽齿径向近圆心端尺寸小于远圆心端；
所述端盖上加工有与圆弧梯形凹槽数量相同且相互配合的圆弧梯形凸起齿，所述凸起齿在径向近圆心端尺寸小于远圆心端；
其中，所述凹槽齿的齿跟平面加工有圆环弧状凹槽，所述凸起齿的齿定平面加工有与所述凹槽配合的圆环弧状凸起。
优选的是，还包括：
第一万向节，其输入端与所述电机输出轴的另一端连接；
转向传动轴，其输入端连接所述第一万向节的输出端；
第二万向节，其输入端连接所述转向传动轴的输出端；
转向器，其输入端连接第二万向节的输出端；
转矩传感器，其用于检测方向盘的转矩；
转角传感器，其用于检测方向盘的转角；
所述转矩传感器和转角传感器集合成传感器模块，所述传感器模块固定在所述转向轴上并与ECU连接。
本发明的目的还通过一种嵌套式双转子转向电机多模式转向系统的控制方法来实现，包括以下步骤：
ECU读取双转子转向电机的自检信号和车速信号；
当自检信号异常时，ECU执行所述第三模式；
当自检信号正常，车速不小于预设车速，ECU执行所述第二模式；车速小于预设车速，ECU执行所述第一模式。
优选的是，所述第一模式包括：
ECU读取方向盘的转角δh、车速u；
控制电磁离合器断电，外转子与内转子独立转动；
嵌套式双转子转向电机的外转子输出转角值δ：
其中，i为角传动比，i0是转向器角传动比；i为ECU根据MAP图计算的角传动比i；
控制内转子输出电磁制动转矩，给予驾驶员驾驶路感反馈；
其中，m是汽车质量；b是质心到后轴的距离；l是汽车轴距；σx是车轮主销后倾拖距。
优选的是，所述第二模式包括：
ECU读取方向盘的转角δh、转矩Th和车速u，控制电磁离合器通电，内转子和外转子成为整体回转体；
控制外转子输出电机助力转矩Ta，所述电机助力转矩与转向轴施加的转矩相耦合从而驱动转向器进行转向；
Ta＝KT×I
其中，KT为电机力矩常数；I为绕组电流。
优选的是，所述第三模式包括：
ECU控制电磁离合器通电，内转子和外转子成为整体回转体；
驾驶员操纵转向盘，直接传递至转向器，完成转向。
本发明至少包括以下有益效果：1、工作模式多样。本发明所述的双转子转向电机多模式电动转向系统利用双转子转向电机独特的结构特点可实现三种转向模式，即线控转向模式和电动助力转向模式以及机械转向模式；2、操纵性好。本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统在线控转向模式下可以基于车速和整车动力学参数基础上使转向角传动比任意变化，即低速行驶时，使转向系角传动比变小，转向直接，转向较为灵活，降低汽车原地转向、调头时的驾驶员转向操作角度。从根本上解决了转向系统角传动比设计时面对“轻”与“灵”的矛盾；3、安全性高。本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统在线控转向模式下可以基于车速和整车动力学参数基础上使转向角传动比任意变化，即高速行驶时，角传动比大，转向更为沉稳，避免了高速行驶驾驶员急速转向造成的汽车失稳问题。此外，当汽车在湿滑路面行驶有失稳危险时，能够独立于驾驶员自动对前轮转角实施控制，维持汽车行驶稳定性，提高行车安全；4、可靠性高。本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统在当双转子转向电机损坏时，可以实现机械转向模式，实现线控转向的机械冗余设计，确保转向功能可靠实现；5、节省空间。本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统与传统的线控转向系统相比，将路感电机和转向电机通过一个独特的双转子转向电机一体化实现，节省了空间和重量。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统三维视图。
图2为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统结构组成简图。
图3为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的电气连接关系图。
图4为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的电磁离合器全剖视图。
图5为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的电磁离合器的外连接件主视图。
图6为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的法兰三维视图。
图7为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的双转子转向电机外转子三维视图。
图8为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的双转子转向电机内转子三维视图。
图9为本发明所述双转子转向电机多模式转向系统的控制方法主流程图。
图10为本发明所述双转子转向电机多模式转向系统的控制方法中工作模式一子流程图。
图11为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的控制方法中工作模式二子流程图。
图12为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的控制方法中的转向助力特性曲线图。
图13为本发明所述的双转子转向电机多模式转向系统的控制方法中的车速-方向盘转角-角传动比脉谱(MAP)图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1-3示出了根据本发明的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统的一种实现形式，包括转向盘100、传感器模块200、电磁离合器300、双转子转向电机500、转向执行机构和ECU。转向盘100按需选用三幅式或四幅式转向盘，其包括转向轴110，转向轴110连接转向盘100并随转向盘100同步转动。双转子转向电机500，包括独立转动并可成为整体回转体的外转子520、内转子530，所述双转子转向电机500的输出轴580连接转向执行机构，用于驱动转向执行机构进行转向。电磁离合器300，包括传动轴套310，所述电磁离合器300设置在转向轴110和双转子转向电机500之间，用于控制转向轴110与外转子520的连接或断开；其中，传动轴套310套设在转向轴110上并随转向轴110同步转动，转向轴110伸出电磁离合器300的一端连接所述内转子530，内转子530上轴端加工有内花键，用以与转向轴110实现花键副连接。ECU连接CAN总线、双转子转向电机500和电磁离合器300，能够读取CAN总线的车速信号、侧向加速度、横摆角速度等信号，并可控制双转子转向电机500及电磁离合器300的动作。其中：如图3所示，当ECU控制电磁离合器300断电，所述转向轴110与外转子520断开，ECU控制外转子520输出转向转矩，驱动转向执行机构进行转向；当ECU控制电磁离合器300通电，所述转向轴110与外转子520连接，ECU控制外转子520输出助力转矩，助力转矩与转向盘100施加的转矩相耦合从而驱动转向执行机构进行转向；当ECU控制电磁离合器300通电，所述转向轴110与外转子520连接，转向盘100施加的转矩通过成为整体回转体的双转子转向电机500驱动转向执行机构进行转向。ECU控制双转子转向电机500的外转子520和内转子530的独立转动或成为整体回转体，从而实现双转子转向电机500实现不同的输出转矩和转速，达到具有多种转向模式的功能。
在另一实施例中，所述电磁离合器300为电磁多片干式离合器结构，还包括外连接件360，其选择性与传动轴套310同步转动或分离；其中，所述传动轴套310内开设内花键，转向轴110与传动轴套310相接的部分开设外花键，转向轴110与传动轴套310的轴向通过卡圈定位；所述外连接件360通过法兰400与外转子520固定连接；当电磁离合器300通电，所述外连接件360与传动轴套310同步转动；当电磁离合器300断电，所述外连接件360与传动轴套310分离。通过离合器结构的电磁离合器300使其内的外连接件360与传动轴套310结合或分离，从而控制与外连接件360固连的外转子520和与传动轴套310连接的转向轴110连接或断开，从而控制双转子转向电机500的输出，达到具有多种转向模式的功能。
在另一实施例中，如图4所示，所述电磁离合器300包括传动轴套310、磁轭320、线圈330、滑环340、衔铁350、外连接件360、主动摩擦片370和从动摩擦片380。传动轴套310与磁轭320是固定连接，线圈330安装在磁轭320中，衔铁350与传动轴套310为滑动连接，主动摩擦片370与传动轴套310、从动摩擦片380与外连接件360均为花键滑动连接，外连接件360端面上加工有6个螺纹通孔，用于与外转子520通过法兰400连接固定。电磁离合器300通电时，电流经滑环340传递至电磁离合器300的线圈，线圈330产生电磁吸引力吸引衔铁350将主动摩擦片370及从动摩擦片380轴向压紧，传动轴套310与外连接件360通过压紧的主、从动摩擦片相连接，主、从动件结合，即此时外转子520与转向轴110实现了固连，则相当于外转子520与内转子12成为整体回转体。当电磁离合器300断电时，线圈330中无电流通过，衔铁350松开，主动摩擦片370与从动摩擦片380脱开时，即传动轴套310与外连接件360无机械连接，即双转子转向电机的外转子520与转向轴110无连接关系，双转子转向电机的外转子520可以单独受控转动。电磁离合器300的作用是控制双转子转向电机的外转子520是否与转向轴110连接。
在另一实施例中，如图6所示，所述法兰400为由外连接盘410和转子连接盘420构成的一体式结构，所述外连接盘410的外沿加工有六个通孔，如图5所示的外连接件360相应位置开设对应的六个通孔，使外连接盘410和外连接件360螺栓连接，实现电磁离合器300的外连接件360与外转子520的连接。所述转子连接盘420上开设花键孔，外转子520上对应开设外花键，使转子连接盘420与外转子520花键连接；其中，法兰400上开设中心光孔430，所述转向轴110伸出电磁离合器300并穿过中心光孔430的一端上开设外花键，所述内转子530与其相连的一端开设内花键，所述转向轴110与内转子530实现花键连接。法兰400通过其特有设计，实现电磁离合器300的传动轴套310与外转子520的固定连接，并使转向轴110能够将转矩传递至内转子530，保证传动轴套310与外转子520固连，并实现力矩从转向轴110传递至内转子530。
在另一实施例中，如图2、7和8所示，所述双转子转向电机500包括外壳510、外转子520、内转子530、永磁体540、定子550、定子励磁绕组560、电枢绕组570和电机输出轴580，其中，外壳510用于容置所述外转子520和内转子530；永磁体540贴在外转子520内侧和外侧上；定子550固定在所述外壳510上；定子励磁绕组560安装在所述定子550上；电枢绕组570安装在所述内转子530上；电机输出轴580与所述外转子520与转子连接盘420花键连接的一端相对的另一端通过花键连接。其中，如图7和8所示，所述外转子520包括采用牙嵌式相互配合的主体521和端盖522，主体521前端为一个内径稍大一些的轴承孔和内径小一些的光孔组成的阶梯通孔，轴承孔用来安装内转子530的上支承轴承。端盖522底部内侧加工有轴承沉孔，用于安装内转子530下支撑轴承。同时，端盖522输出轴端加工有外花键，使内转子530嵌套在所述牙嵌式相互配合的主体521、端盖522形成的容置空间中，实现内转子530和外转子520单独转动并能够形成完整回转体的功能。
安装时，先将内转子530上端及轴承安装至外转子520主体521内部，再套上外转子端盖522，再将外转子520和内转子530整体安装至双转子转向电机外壳510中，双转子转向电机500的整体结构设计，可以实现内转子530和外转子520单独转动和单独控制，并能够实现内转子530和外转子520形成完整回转体，实现双转子转向电机500的具有不同的输出，达到具有多种转向模式的功能。
在另一实施例中，主体521后端与端盖522配合处加工有六个圆弧梯形凹槽齿，凹槽齿在径向近圆心端尺寸小于远圆心端，凹槽齿的齿跟平面加工有圆环弧状小凹槽；端盖522与主体521六个圆弧梯形凹槽对应处加工有六个圆弧梯形凸起齿，凸起齿在径向近圆心端尺寸小于远圆心端，圆弧梯形凸起齿的齿定平面加工有对应于主体圆弧梯形凹槽齿齿跟的小凹槽的圆环弧状凸起，圆弧梯形凸起和圆弧梯形凹槽基本尺寸相同。主体521和端盖522组合成外转子520时，主体521的圆弧梯形凹槽齿和对应的端盖圆梯形凸起齿的齿形两侧配合定位，起到径向定位的作用且各自齿跟的小凹槽和齿定圆环弧状凸起两两对应间隙配合，起到辅助径向限位和轴向定位的作用，保证主体521和端盖522牙嵌配合时可靠定心。
在另一实施例中，所述转向执行机构包括第一万向节610、转向传动轴620、第二万向节630、转向器640和横拉杆650，其中，第一万向节610输入端与所述电机输出轴580连接；转向传动轴620输入端连接所述第一万向节610的输出端；第二万向节630输入端连接所述转向传动轴620的输出端；转向器640输入端连接第二万向节630的输出端；横拉杆650连接所述转向器640输出端，从而实现转向。其中，第一万向节610和第二万向节630结构相同，为常规万向节；转向传动轴620由带内花键的管与带外花键的轴两者套装在一起组成，带内花键的管与带外花键的轴之间为花键滑动连接，轴向可伸缩，从而适应不同大小车型的布置要求。转向器640适用于多种形式的转向器，优选为齿轮齿条转向器，包括有转向输入小齿轮、齿条、转向器壳体、两个结构相同的防尘罩641。
在另一实施例中，还包括：转矩传感器210，其作用是实时测量转向盘转矩并发送至ECU；转角传感器220，其作用是实时测量方向盘的转角并发送至ECU；所述转矩传感器210和转角传感器220集合成传感器模块200，所述传感器模块200固定在所述转向轴110上并与ECU连接，如图3所示，ECU读取传感器模块200中转向盘转矩传感器210和转角传感器220测得的转矩信号和转角信号，并根据读取的CAN总线信号，控制双转子转向电机500的输出，从而实现多种转向模式。
本发明的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统的安装关系为：转向盘100中心与转向轴110上端通过花键相连接，转向轴110上安装着传感器模块200，传感器模块200壳体通过四个螺栓固定至车身上。转向轴110上还套设有电磁离合器300的传动轴套310，转向轴110与传动轴套310通过花键连接，传动轴套310内加工有内花键，转向轴110上加工有外花键，轴向通过卡圈定位，外转子520的上引出端通过轴承支承在转向轴110上并引出双转子转向电机的外壳510。外转子520上引出端顶部加工有外花键，与法兰400花键孔配合，法兰400与电磁离合器300的外连接件360通过6个螺栓连接，同时转向轴110也从法兰400中心光孔中穿过，转向轴110下端加工有外花键，双转子转向电机的内转子530上端加工有内花键，则转向轴110下端直接与内转子530通过花键连接。同时，双转子转向电机外转子520的输出端与双转子转向电机输出轴580上端通过花键连接，双转子转向电机输出轴580下端则连接着第一万向节610的输入端，第一万向节610的输出端连接着转向传动轴620输入端，转向传动轴620输出端连接着第二万向节630输入端，第二万向节630的输出端连接着转向器640输入端，转向器640的输出端再机械连接着横拉杆650。
参阅图3，传感器模块200通过线缆连接着ECU，ECU通过线缆连接着双转子转向电机500和电磁离合器300。ECU可读取传感器模块200中转向盘转矩传感器210和转角传感器220测得的转矩信号和转角信号，同时与整车CAN总线相连接，可读取CAN总线的车速信号、侧向加速度、横摆角速度等信号。ECU控制双转子转向电机500及电磁离合器300的动作。
上述实施例中所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统具有多种转向模式，包括工作模式一、二和三，工作模式多样，图9示出了工作模式一、二和三的模式选择过程，解决了转向系统的“轻与灵”的矛盾，操纵性好。当双转子转向电机失效时，能实现机械转向模式，系统可靠性高，安全性好。其中：
如图10所示，工作模式一的具体的流程为：
ECU控制电磁离合器300断电，线圈330中无电流通过，衔铁350松开，主动摩擦片370与从动摩擦片380脱开，即传动轴套310与外连接件360无机械连接，即双转子转向电机500的外转子520与转向轴110无机械连接关系。
驾驶员用一定大小的力矩和转角操纵转向盘100，转向盘100转动带动转向轴110转动。转向器转角传感器220测得的转角信号传递至ECU，ECU结合车速及方向盘的转角在ECU储存的标定好的车速-方向盘转角-角传动比MAP图中查询对应的角传动比，图13示出了车速-方向盘转角-角传动比MAP图，并将MAP图中网格交叉处的车速和方向盘转角对应的角传动比汇总于表一。
表一 车速-方向盘转角-角传动比MAP数据汇总表
计算出合适的转角，并根据当前计算得到的车轮转角和车速以及汽车参数、选取的角传动比计算路感反馈力矩，发送这些控制信号至双转子转向电机500。双转子转向电机500控制外转子520输出相应的转向转矩经过第一万向节610、第二万向节630及转向传动轴620传递至转向器640，从而驱动转向器640拖拽车轮转向至目标转角，使整个转向系统按驾驶员期望及车辆状态实现转向功能。同时，双转子转向电机500控制其内转子530按照计算的路感反馈转矩输出电磁制动转矩给驾驶员施加转向负载，给予驾驶员驾驶路感反馈。
如图11所示，工作模式二的具体的流程为：
ECU控制电磁离合器300通电，电流经滑环340传递至电磁离合器300的线圈330，线圈330产生电磁吸引力吸引衔铁350将主动摩擦片370及从动摩擦片380轴向压紧，传动轴套310与外连接件360通过压紧的主从摩擦片相连接，主从动件结合，此时双转子转向电机500外转子520与转向轴110实现了固连，则相当于双转子转向电机500外转子520与内转子530成为整体回转体。
驾驶员用一定大小的力矩和转角操纵转向盘100，转向盘100转动带动转向轴110转动。转向盘100转矩传感器和转角传感器220测得的转矩及转角信号传递至ECU。ECU读取车速信号，从如图12所示的预存储在ECU中的转向助力特性曲线读取对应的电机绕组电流大小计算助力转矩大小并发送指令至双转子转向电机500。双转子转向电机500控制双转子转向电机500外转子520产生对应的助力转矩与驾驶员施加的转矩相耦合经过第一万向节610、第二万向节630和转向传动轴620传递至转向器640，从而驱动转向器640，使整个转向系统按驾驶员期望实现转向功能。
工作模式三的具体的流程为：
当系统检测到双转子转向电机500损坏时，系统进入此模式。此模式下，ECU控制电磁离合器通电，电流经滑环340传递至电磁离合器的线圈330，线圈330产生电磁吸引力吸引衔铁350将主动摩擦片370及从动摩擦片380轴向压紧，传动轴套310与外连接件360通过压紧的主从摩擦片相连接，主从动件结合，此时双转子转向电机500外转子520与转向轴110实现了固连，则相当于双转子转向电机500外转子520与内转子530成为整体回转体。驾驶员施加的转矩和转角直接经由转向盘100、转向轴110、双转子转向电机500外转子520、外转子520输出轴、第一万向节610、第二万向节630、转向传动轴620、驱动转向器640，实现转向功能、提高系统可靠性。
本发明还提供一种嵌套式双转子转向电机500多模式转向系统的控制方法，控制嵌套式双转子转向电机500多模式转向系统进行转向，如图9所示，包括以下步骤：
步骤1、ECU完成初始化；
步骤2、系统开始自检，ECU向双转子转向电机500发送检测信号。然后，双转子转向电机500返回检测信号值至ECU；
步骤3、ECU判断双转子转向电机500是否有故障，若双转子转向电机500无故障，进行步骤4；若双转子转向电机500有故障，则进行步骤6；
步骤4、ECU通过CAN总线读取车速信号u；
步骤5、判断u是否大于等于30km/h，若是，则系统进入工作模式二；若否，系统进入工作模式一。工作模式选择完毕；
步骤6、双转子转向电机500故障，进入工作模式三，ECU驱动电磁离合器通电，恢复转向系统机械连接，且同时发出电机故障警报；工作模式选择完毕；
在另一实施例中，如图10所示，所述工作模式一为线控转向模式，所述线控转向模式包括以下步骤：
步骤1、ECU读取转向盘100转角δh、车速u，控制电磁离合器300断电，外转子520与转向轴110断开；
步骤2、ECU根据转向盘100转角δh、车速u从车速-方向盘转角-角传动比脉谱(MAP)图出查出对应得角传动比i，MAP图已事先标定好存储在ECU中。
步骤3、根据选取的角传动比i及转向盘100转角δh，计算双转子转向电机500输出的转角值δ，控制外转子520输出转向转矩，驱动转向执行机构控制车轮转向至目标转角；
其中，i为角传动比；i0是转向器640的角传动比；
步骤4、ECU根据转角δh、车速u、汽车参数和选取的角传动比i输出路感反馈力矩T，控制内转子530输出电磁制动转矩给驾驶员施加转向负载，给予驾驶员驾驶路感反馈；
其中，m是汽车质量；b是质心到后轴的距离；l是汽车轴距；σx是车轮主销后倾拖距。
在另一实施例中，如图11所示，所述工作模式二为电动助力转向模式，所述电动助力转向模式包括以下步骤：
步骤1、ECU读取转向盘100转角δh、转矩Th和车速u，控制电磁离合器300通电，外转子520与转向轴110连接；
步骤2、ECU根据转矩Th和车速u，从转向助力特性曲线中读取相对应的双转子转向电机500助力转矩的绕组电流控制指令I。
步骤3、根据双转子转向电机500助力转矩的绕组电流控制指令I，ECU输出助力转矩值Ta，控制外转子520输出电机助力转矩，电机助力转矩与驾驶员施加转矩在外转子520上叠加并输出，驱动转向执行机构控制车轮转向；
Ta＝KT×I
其中，KT为电机力矩常数；I为绕组电流。
在另一实施例中，所述工作模式三为机械转向模式，所述机械转向模式包括以下步骤：
步骤1、ECU控制电磁离合器300通电，外转子520与转向轴110连接；
步骤2、驾驶员操纵转向盘100，转矩及转角直接传递至转向器640，完成转向。
另外，需要说明的是本发明中所有变量均采用国际标准单位。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种嵌套式双转子转向电机多模式转向系统，其特征在于，包括：
转向轴；
电磁离合器，其包括输入端和输出端；所述电磁离合器能够选择性的结合或分离输入端和输出端；所述转向轴穿过所述电磁离合器的中心通孔，并且能够带动所述输入端一同旋转；以及
嵌套式双转子转向电机，其包括：
内转子，其连接从所述电磁离合器穿出的转向轴；
外转子，其一端连接所述电磁离合器的输出端；并且所述外转子的另一端驱动转向器；
所述外转子包括主体与端盖，主体和端盖配合处具有多个圆弧梯形凹槽齿，所述凹槽齿径向近圆心端尺寸小于远圆心端；
所述端盖上加工有与圆弧梯形凹槽数量相同且相互配合的圆弧梯形凸起齿，所述凸起齿在径向近圆心端尺寸小于远圆心端；
其中，所述凹槽齿的齿跟平面加工有圆环弧状凹槽，所述凸起齿的齿定平面加工有与所述凹槽配合的圆环弧状凸起；
ECU，其电连接所述双转子转向电机和电磁离合器；
其中，第一模式，ECU控制电磁离合器分离，ECU控制内转子形成路感反馈阻力转矩；同时ECU控制外转子输出转向转矩，驱动转向器进行转向；
第二模式，ECU控制电磁离合器结合，ECU控制外转子输出助力转矩，助力转矩与转向轴施加的转矩相耦合从而驱动转向器进行转向；
第三模式，当所述双转子转向电机故障，ECU控制电磁离合器结合，转向轴施加的转矩通过内转子和外转子成为整体回转体驱动转向器进行转向。
2.如权利要求1所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统，其特征在于，所述电磁离合器还包括：
磁轭，其固定在所述输入端的外周缘上，所述磁轭内开设第一容置空间；
线圈，其布设在所述第一容置空间中，用于通电产生电磁力；以及
衔铁，其套设在所述输入端远离磁轭的一端，所述衔铁在电磁吸引力作用下能够向磁轭滑动；
多个主动摩擦片，其通过花键配合可滑动设置在所述输入端上；
多个从动摩擦片，其交替设置在所述主动摩擦片之间，并通过花键配合可滑动设置在所述输出端上；
所述输入端设置内花键，所述转向轴设置外花键，所述输入端和转向轴通过花键配合；
所述输出端通过法兰与外转子固定连接；
其中，主动摩擦片和从动摩擦片布设在所述衔铁和磁轭之间，当衔铁在电磁力作用下向磁轭滑动至使主动摩擦片和从动摩擦片压紧时，电磁离合器结合。
3.如权利要求2所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统，其特征在于，所述法兰为由外连接盘和转子连接盘构成的一体式结构，所述外连接盘与所述输出端固定连接；所述转子连接盘与所述外转子花键连接；
其中，法兰上开设中心光孔，所述转向轴伸出电磁离合器的一端穿过中心光孔后与所述内转子花键连接。
4.如权利要求3所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统，其特征在于，所述嵌套式双转子转向电机还包括：
外壳，其内具有第二容置空间；
定子，其固定在所述外壳内表面上；
定子励磁绕组，其固定在所述定子上，通以电流用以产生磁场；
外转子，其为中空圆筒状并可旋转的设置在所述第二容置空间内，并且外转子内侧和外侧上设置永磁体；
内转子，其可旋转的设置在所述外转子的中空圆筒中；
电枢绕组，其安装在所述内转子上；
电机输出轴，其一端与外转子连接，用于输出所述嵌套式双转子转向电机的转矩。
5.如权利要求1-4中任一项所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统，其特征在于，还包括：
第一万向节，其输入端与所述电机输出轴的另一端连接；
转向传动轴，其输入端连接所述第一万向节的输出端；
第二万向节，其输入端连接所述转向传动轴的输出端；
转向器，其输入端连接第二万向节的输出端；
转矩传感器，其用于检测方向盘的转矩；
转角传感器，其用于检测方向盘的转角；
所述转矩传感器和转角传感器集合成传感器模块，所述传感器模块固定在所述转向轴上并与ECU连接。
6.一种嵌套式双转子转向电机多模式转向系统的控制方法，包括权利要求1-5中任一项所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统，其特征在于，包括：
ECU读取双转子转向电机的自检信号和车速信号；
当自检信号异常时，ECU执行所述第三模式；
当自检信号正常，车速不小于预设车速，ECU执行所述第二模式；车速小于预设车速，ECU执行所述第一模式。
7.如权利要求6所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统的控制方法，其特征在于，所述第一模式包括：
ECU读取方向盘的转角δh、车速u；
控制电磁离合器断电，外转子与内转子独立转动；
嵌套式双转子转向电机的外转子输出转角值δ：
其中，i为角传动比，i0是转向器角传动比；i为ECU根据车速-方向盘转角-角传动比脉谱图计算的角传动比i；
控制内转子输出电磁制动转矩，给予驾驶员驾驶路感反馈；
其中，T是路感反馈力矩，m是汽车质量；b是质心到后轴的距离；l是汽车轴距；σx是车轮主销后倾拖距。
8.如权利要求7所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统的控制方法，其特征在于，所述第二模式包括：
ECU读取方向盘的转角δh、转矩Th和车速u，控制电磁离合器通电，内转子和外转子成为整体回转体；
控制外转子输出电机助力转矩Ta，所述电机助力转矩与转向轴施加的转矩相耦合从而驱动转向器进行转向；
Ta＝KT×I
其中，KT为电机力矩常数；I为绕组电流。
9.如权利要求8所述的嵌套式双转子转向电机多模式转向系统的控制方法，其特征在于，所述第三模式包括：
ECU控制电磁离合器通电，内转子和外转子成为整体回转体；
驾驶员操纵转向盘，直接传递至转向器，完成转向。
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