CN106697040A - 一种双电机耦合电动助力转向装置及其控制方法 - Google Patents

一种双电机耦合电动助力转向装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双电机耦合电动助力转向装置及其控制方法。采用磁粉离合器和同步器实现模式切换，由单排行星齿轮系统作为一号电机和二号电机的动力耦合装置。一号离合器和二号离合器分别限制一号电机和二号电机的力矩输出，同步器改变二号电机的能量流动方向。根据ECU对离合器的电流通断的控制，决定电机的动力输出；利用接合套的接合情况结合离合器的闭合，决定耦合情况；转向助力模块ECU依据电机故障及驱动电路自诊断技术，判断电机的状态，通过对离合器和接合套的控制，实现双电机容错控制。可以实现两电机单独驱动、双电机转速耦合驱动、双电机转矩耦合驱动等四种工作模式，能够满足针对于商用车行驶过程中的转向的多种性能要求，系统可靠性高。

Description

一种双电机耦合电动助力转向装置及其控制方法
【技术领域】
本发明属于汽车部件技术领域，具体涉及一种双电机电动助力转向电机耦合系统装置及其控制方法。
【背景技术】
电动助力转向系统具有安全性好、可靠性高等优点，同时采用直流电机，不需要发动机提供高压油，可获得优化的助力特性，转向轻便。因商用车转向时需提供大转矩，特别是对于载货车，在空载、半载、满载及不同车速时，所需转向转矩差别很大以武汉理工大学通过仿真得出的载货汽车不同载运质量及不同车速下所需的最大转向助力数据为例，如表2所示，该数据公开于大型电动客车助力转向系统的控制策略研究一文，武汉理工大学硕士论文，2012年；当然也可以通过自己做实验，得出不同车速及载运质量下所需的最大转向助力数据，同时受汽车用电池供电电压，安装尺寸等方面的限制，电动助力转向输出转矩较小，无法满足商用车辆转向助力的要求，目前国内外开发的商用车普遍采用液压动力转向系统，为适应电动客车节能、环保的要求，同时使转向系统提供转矩可在很大范围内变化，希望能用双电机电动助力转向系统代替液压动力转向系统。对助力可靠性而言，双电机耦合的动力助力转向，可通过双电机耦合为转向系统提供大的助力转向，同时可通过不同工作模式，使转向助力提供的转矩可在很大范围内变化，且若一个电机出现故障，可通过单电机为转向系统提供助力，对汽车转向轻便性和安全性具有重要意义。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种适合于大型商用车特别是载货汽车使用的电动助力转向系统的双电机耦合方式及控制方法，通过两个电机的耦合，使设计出的双电机耦合电动助力转向能实现双电机助力转向与单电机助力转向，同时通过选择不同助力模式，可满足商用车不同载运质量和不同车速时所需的转矩，且当一个电机出现故障时，能实现容错控制。
本发明采用以下技术方案：
一种双电机耦合电动助力转向装置，包括一号电机和二号电机，所述一号电机经过一号离合器连接至涡轮用于将动力输出至转向器齿轮，所述二号电机经过二号离合器与同步器接合套连接，所述同步器接合套通过左右滑动分两路，分别经过转速耦合器和转矩耦合器连接至涡轮用于将动力输出至所述转向器齿轮，分别用于对转向系统提供助力。
进一步的，所述一号离合器依次经过太阳轮连接至行星轮，所述行星轮通过设置在其上的行星架与蜗杆连接，通过所述蜗杆与所述涡轮连接，用于动力输出。
进一步的，所述转矩耦合器与所述太阳轮连接，通过所述太阳轮连接至所述涡轮，用于动力输出。
进一步的，所述转速耦合齿轮经过齿圈与所述行星轮连接，通过所述行星轮连接至所述涡轮，用于动力输出。
进一步的，所述齿圈连接有锁止器，用于控制所述齿圈的转动与停止。
进一步的，所述太阳轮与所述行星轮之间设置有制动器，所述一号离合器、二号离合器、锁止器、制动器和同步器接合套分别连接至ECU控制单元，所述ECU控制单元用于选择电机工作方式，分别控制离合器的接合与断开，所述锁止器的断开和锁止，以及所述制动器的制动和断开操作。
进一步的，所述一号电机与二号电机布置于同侧，且为轴向平行布置。
一种双电机耦合电动助力转向装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、当汽车空载且车速很高时，一号电机开始工作，锁止器锁止，制动器断开，动力经一号离合器通过太阳轮和行星架输出至蜗杆，再由涡轮输出至转向器齿轮；
S2、当汽车空载或有较小载运质量且车速较高时，二号电机开始工作，同步器接合套向右滑动与转速耦合齿轮接合，锁止器断开，制动器制动，二号电机输出的动力经二号离合器传至与同步器接合套接合的转速耦合齿轮，通过齿圈将动力由行星轮传至行星架，再由蜗杆和涡轮最终将动力输出至转向器齿轮，提供转向助力；
S3、当汽车满载且车速很低时，一号电机和二号电机转动，一号离合器和二号离合器都闭合，锁止器锁止，制动器断开，同步器接合套向左滑动与转矩耦合齿轮接合，一号电机和二号电机输出的动力经转矩耦合齿轮和太阳轮耦合后，由行星轮和行星架输出至蜗杆，再由涡轮输出至转向器齿轮，从而提供转向助力；
S4、当汽车具有较大载货质量且车速较高时，一号电机和二号电机转动，一号离合器和二号离合器都闭合，同步器接合套向右滑动与转速耦合齿轮接合，锁止器和制动器都处于断开状态，一号电机和二号电机提供的动力经行星轮输出至蜗杆，再由涡轮输出至转向器齿轮，从而提供转向助力。
进一步的，步骤S3中，所述一号电机的转速与所述二号电机的转速之比等于所述转矩耦合齿轮分度圆半径与所述太阳轮分度圆半径之比。
进一步的，当一号电机或二号电机出现故障时，转向装置断开故障电机，开启另一电机为转向系统提供助力，当一号电机和二号电机均出现故障时，转向装置停止工作。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种双电机耦合电动助力转向装置，通过一号电机和二号电机的耦合，分别经过离合器连接至转向器齿轮，用于动力输出实现双电机助力转向与单电机助力转向，同时通过选择不同助力模式，可满足商用车不同载运质量和不同车速时所需的转矩，且当一个电机出现故障时，另一电机开启或两个电机均停止工作，实现容错控制。
进一步的，当一号电机工作用于动力输出时，能够保证转向的灵敏度且使驾驶员有较强路感，同时单电机驱动使系统更节能。
进一步的，转矩耦合器能实时将两个电机的转矩进行耦合输出，在保证能提供足够大的转向助力的同时，也能保证两个电机在工作时始终处于一个较为理想的工作状态，确保输出足够大的转向力矩。降低对单个电机的扭矩、功率要求，延长了整个系统的寿命。
进一步的，转速耦合齿轮能将两电机的转速进行耦合输出，保证提供较大转向助力的同时，也能保证两个电机始终处于一个较理想的工作状态，确保输出较大转向力矩。通过行星齿轮机构，减小单个齿轮的磨损，同时降低单个电机的转速、功率要求，延长整个系统寿命。
进一步的，CPU是ECU的核心部分，它具有运算和控制功能。当汽车在行驶时，通过采集各传感器信号，进行运算，将运算的结果转变为控制信号，从而控制助力转向装置中各部件的工作。它还实行对存储器(ROM、、RAM)、输入/输出接口(I/O)和其它外部电路的控制；存储器ROM中存放的程序是经过精确计算和大量实验取的数据为基础，这个固有程序在助力转向装置工作时，不断地与采集来的各传感器的信号进行比较和计算。通过比较，从而控制各电机、离合器和锁止器等的工作状况。它还有故障自诊断和保护功能，当系统产生故障时，他能自动停止工作，转向助力装置不再提供助力，通过转向盘进行转向，保证转向的正确进行。
进一步的，两个电机布置于同侧，便于转向耦合齿轮、转矩耦合齿轮及行星系的布置与安装。同时若电机出现故障时，可轻易拆卸并更换电机，提高维修效率。
本发明还提供一种双电机耦合电动助力转向装置的控制方法，根据汽车的载重和车速，控制一号电机和二号电机的工作状态，为转向系统提供转向助力，ECU通过传感器检测到的车速和汽车载重质量信号，与固有程序中的数据进行比较，控制电机、离合器、制动器和锁止器等的工作状态。当载重量较大且车速较低时，ECU通过控制，使两电机都进行工作；当载重量较小且车速较高时，ECU控制二号电机工作，一号电机静止；当空载状态或载重量极低且车速很高时，ECU控制一号电机工作，二号电机静止。
进一步的，当助力转向装置处于转速耦合状态时，控制使两电机转矩成一定比例，可以使两电机均能输出最大扭矩，从而经过耦合后使输出的力矩足够大。
进一步的，可以实现一号电机单独助力、二号电机通过转速耦合齿轮单独助力、二号电机通过转矩耦合齿轮单独助力、二号电机通过转速耦合齿轮与一号电机进行转速耦合助力、二号电机通过转矩耦合齿轮与一号电机进行转矩耦合助力等多种助力模式，能够满足商用车不同车速不同载荷下所需的助力力矩，同时当其中一个电机出现故障时，可通过容错控制使转向正常进行。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为本发明驱动装置的结构图。
其中：1.一号电机；2.一号离合器；3.太阳轮；4.锁止器；5.齿圈；6.行星轮；7.行星架；8.涡轮；9.蜗杆；10.转速耦合齿轮；11.同步器接合套；12.转矩耦合齿轮；13.二号离合器；14.二号电机；15.制动器。
【具体实施方式】
请参阅图1所示，本发明公开了一种双电机耦合电动助力转向装置，包括一号电机1和二号电机14，所述一号电机1经过一号离合器2连接至涡轮8用于将动力输出至转向器齿轮，所述二号电机14经过二号离合器13与同步器接合套11连接，所述同步器接合套11通过左右滑动分两路，分别经过转速耦合器10和转矩耦合器12连接至涡轮8用于将动力输出至所述转向器齿轮，分别用于对转向系统提供助力。
其中，一号离合器2依次经过太阳轮3连接至行星轮6，所述行星轮6通过设置在其上的行星架7与蜗杆9连接，通过所述蜗杆9与所述涡轮8连接，用于动力输出。一号电机1发出的动力可通过一号离合器2太阳轮3行星轮6行星架7蜗杆9涡轮8输出至转向器齿轮。
转速耦合齿轮10经过齿圈5与所述行星轮6连接，通过所述行星轮6连接至所述涡轮8，用于动力输出，二号电机14发出的动力可通过二号离合器13转速耦合器10齿圈5行星轮6行星架7蜗杆9涡轮8输出至转向器齿轮；也可经转矩耦合器12太阳轮3行星轮6行星架7蜗杆9涡轮8输出至转向器齿轮。
同时，当两电机同时工作时，转矩耦合器12与所述太阳轮3连接，通过所述太阳轮3连接至所述涡轮8，用于动力输出。动力经转矩耦合齿轮12太阳轮3耦合后，经行星轮6行星架7输出至蜗杆9，再经涡轮8输出至转向器齿轮；同时动力可经转速耦合齿轮10行星轮系输出至蜗杆9，再经涡轮8输出至转向器齿轮。
具体控制方式如下：
齿圈5连接有锁止器4，用于控制所述齿圈5的转动与停止。一号离合器2、二号离合器13、锁止器4、制动器15工作状态和同步器11接合位置由转向助力状态通过控制模块ECU控制。通过控制一号离合器2、二号离合器13、锁止器4、制动器15工作状态和同步器接合套11接合位置，可以得到双电机电动助力转向多种助力工作模式。
工作模式如下表所示：
其中“1”表示离合器处于闭合状态，“0”表示离合器处于断开状态。“L”表示同步器向左滑动，与转矩耦合齿轮接合；“R”表示同步器向右滑动，与转速耦合齿轮接合；“M”表示同步器处于中间位置。“ON”表示助力电机转动；“OFF”表示助力电机静止。“O”表示锁止器或制动器处于断开状态；“B”表示锁止器或制动器处于制动状态。
商用车不同载重、速度下所需的最大转向力矩如下表所示：
如上表数据所示，当汽车满载且车速最低时，转向时所需转向力矩最大。随着载重量减少和车速的提高，所需转向力矩逐渐减小。当载重量最小且车速最高时，汽车转向所需的转向力矩最小。
一号电机单独助力模式：一号电机1转动，二号电机14静止，同时一号离合器2闭合，二号离合器14断开，锁止器4锁止，动力经一号离合器2通过太阳轮3行星架7输出至蜗杆9，再由涡轮8输出至转向器齿轮，提供转向助力。在汽车空载且车速很高时，可选择此助力模式，保证转向的灵敏度且使驾驶员有较强路感，同时单电机驱动使系统更节能。
二号电机通过转速耦合齿轮单独助力：一号电机1静止，二号电机14转动，同时一号离合器2断开，二号离合器14接合，同步器接合套11向右滑动与转速耦合齿轮10接合，动力经齿圈5行星轮6行星架7输出至蜗杆9，再由涡轮8输出至转向器齿轮，提供转向助力。在汽车空载或有较小载运质量且车速较高时，可选择此助力模式，保证转向的灵敏度且使驾驶员有较强路感，同时单电机驱动使系统更节能。
二号电机通过转速耦合齿轮与一号电机进行转速耦合助力：一号电机1和二号电机14转动，同时两电机转矩满足一定比例，一号离合器2和二号离合器14都闭合，同步器接合套11向右滑动与转速耦合齿轮10接合，锁止器4和制动器15都处于断开状态，则两电机提供的动力经行星轮系输出至蜗杆，再由涡轮8输出至转向器齿轮，从而提供转向助力。在汽车具有较大载货质量且车速较高时，可选择此助力模式，保证有较强转向助力。
二号电机通过转矩耦合齿轮与一号电机进行转矩耦合助力：一号电机1和二号电机14转动，同时两电机转速满足一定比例一号电机1的转速与二号电机14的转速之比等于转矩耦合齿轮12分度圆半径与太阳轮3分度圆半径之比，一号离合器2和二号离合器14都闭合，锁止器4锁止，制动器15断开，同步器接合套11向左滑动与转矩耦合齿轮12接合，两电机动力经转矩耦合齿轮12太阳轮3耦合后，由行星轮6行星架7输出至蜗杆，再由涡轮8输出至转向器齿轮，从而提供转向助力。在汽车满载且车速很低时，采用此助力模式，保证助力系统提供足够的转向助力转矩。
当二号电机14单独提供助力，若转向控制模块检测到二号电机出现故障，则通过控制模块控制，断开二号离合器13，防止自动转向的发生，同时控制使一号电机1工作，一号离合器2闭合，同步器接合套11滑向中间位置，制动器15断开，锁止器4闭合，使一号电机1为转向系统单独提供助力。
当一号电机1单独提供助力时，若转向控制模块检测到一号电机1出现故障，则通过控制模块控制，断开一号离合器2，防止自动转向的发生，同时控制二号电机14工作，二号离合器13闭合，同步器11向左滑动与转矩耦合器12接合，使二号电机14快速为转向系统单独提供助力。
二号电机14通过转速耦合齿轮10与一号电机1进行转速耦合助力时，若转向控制模块检测到一号电机1出现故障，则通过控制模块控制，断开一号离合器2，防止随机转向的发生，同时制动器15迅速闭合，使二号电机14通过转速耦合齿轮10单独为转向系统提供助力，确保安全转向；若检测到二号电机14出现故障，则通过控制，使二号离合器13断开，锁止器4锁止，让一号电机单独为转向系统提供助力，确保安全转向。
二号电机14通过转矩耦合齿轮12与一号电机1进行转矩耦合助力时，若转向控制模块检测到二号电机14出现故障，则通过控制模块控制，断开二号离合器13，防止随机转向的发生，同时同步器接合套11向右滑动到中间位置，使一号电机单独为转向系统提供助力，确保安全转向；若检测到一号电机出现故障，则控制器通过控制，使一号离合器2断开，让二号电机单独为转向系统提供助力，确保安全转向。
若转向控制模块检测到两电机都出现故障，则通过控制，使一号离合器2和二号离合器13都断开，转向助力系统不提供助力，驾驶员通过转向盘进行转向，保证转向能够正确进行。
当汽车行驶，控制模块通过对车速，转向盘转矩，转向盘转角信号进行分析，当需要提供小助力时，则转向助力系统可工作于一号电机单独助力模式或二号电机通过转矩耦合齿轮单独助力模式。
控制模块通过分析，当需要提供较小助力时，则转向助力系统可工作于二号电机通过转速耦合齿轮单独助力模式。
控制模块通过分析，当需要提供较大助力时，则转向助力系统可工作于二号电机通过转速耦合齿轮与一号电机进行转速耦合助力。
控制模块通过分析，当需要提供大助力时，则转向助力系统工作于二号电机通过转矩耦合齿轮与一号电机进行转矩耦合助力。
同步器接合套11可分别由双向电磁离合器代替。
从以上工作原理可以看出，该双电机耦合电动助力转向结构可以实现一号电机单独助力、二号电机通过转速耦合齿轮单独助力、二号电机通过转矩耦合齿轮单独助力、二号电机通过转速耦合齿轮与一号电机进行转速耦合助力、二号电机通过转矩耦合齿轮与一号电机进行转矩耦合助力等多种助力模式，能够满足商用车不同车速不同载荷下所需的助力力矩，同时当其中一个电机出现故障时，可通过容错控制使转向正常进行。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双电机耦合电动助力转向装置，其特征在于：包括一号电机(1)和二号电机(14)，所述一号电机(1)经过一号离合器(2)连接至涡轮(8)用于将动力输出至转向器齿轮，所述二号电机(14)经过二号离合器(13)与同步器接合套(11)连接，所述同步器接合套(11)通过左右滑动分两路，分别经过转速耦合器(10)和转矩耦合器(12)连接至涡轮(8)用于将动力输出至所述转向器齿轮，分别用于对转向系统提供助力。
2.根据权利要求1所述的一种双电机耦合电动助力转向装置，其特征在于：所述一号离合器(2)依次经过太阳轮(3)连接至行星轮(6)，所述行星轮(6)通过设置在其上的行星架(7)与蜗杆(9)连接，通过所述蜗杆(9)与所述涡轮(8)连接，用于动力输出。
3.根据权利要求2所述的一种双电机耦合电动助力转向装置，其特征在于：所述转矩耦合器(12)与所述太阳轮(3)连接，通过所述太阳轮(3)连接至所述涡轮(8)，用于动力输出。
4.根据权利要求2所述的一种双电机耦合电动助力转向装置，其特征在于：所述转速耦合齿轮(10)经过齿圈(5)与所述行星轮(6)连接，通过所述行星轮(6)连接至所述涡轮(8)，用于动力输出。
5.根据权利要求4所述的一种双电机耦合电动助力转向装置，其特征在于：所述齿圈(5)连接有锁止器(4)，用于控制所述齿圈(5)的转动与停止。
6.根据权利要求5所述的一种双电机耦合电动助力转向装置，其特征在于：所述太阳轮(3)与所述行星轮(6)之间设置有制动器(15)，所述一号离合器(2)、二号离合器(13)、锁止器(4)、制动器(15)和同步器接合套(11)分别连接至ECU控制单元，所述ECU控制单元用于选择电机工作方式，分别控制离合器的接合与断开，所述锁止器(4)的断开和锁止，以及所述制动器(15)的制动和断开操作。
7.根据权利要求1所述的一种双电机耦合电动助力转向装置，其特征在于，所述一号电机(1)与二号电机(14)布置于同侧，且为轴向平行布置。
8.一种如权利要求1至7所述双电机耦合电动助力转向装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当汽车空载且车速很高时，一号电机开始工作，锁止器锁止，制动器断开，动力经一号离合器通过太阳轮和行星架输出至蜗杆，再由涡轮输出至转向器齿轮；
S2、当汽车空载或有较小载运质量且车速较高时，二号电机开始工作，同步器接合套向右滑动与转速耦合齿轮接合，锁止器断开，制动器制动，二号电机输出的动力经二号离合器传至与同步器接合套接合的转速耦合齿轮，通过齿圈将动力由行星轮传至行星架，再由蜗杆和涡轮最终将动力输出至转向器齿轮，提供转向助力；
S3、当汽车满载且车速很低时，一号电机和二号电机转动，一号离合器和二号离合器都闭合，锁止器锁止，制动器断开，同步器接合套向左滑动与转矩耦合齿轮接合，一号电机和二号电机输出的动力经转矩耦合齿轮和太阳轮耦合后，由行星轮和行星架输出至蜗杆，再由涡轮输出至转向器齿轮，从而提供转向助力；
S4、当汽车具有较大载货质量且车速较高时，一号电机和二号电机转动，一号离合器和二号离合器都闭合，同步器接合套向右滑动与转速耦合齿轮接合，锁止器和制动器都处于断开状态，一号电机和二号电机提供的动力经行星轮输出至蜗杆，再由涡轮输出至转向器齿轮，从而提供转向助力。
9.根据权利要求8所述的一种双电机耦合电动助力转向装置控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述一号电机的转速与所述二号电机的转速之比等于所述转矩耦合齿轮分度圆半径与所述太阳轮分度圆半径之比。
10.根据权利要求8所述的一种双电机耦合电动助力转向装置控制方法，其特征在于，当一号电机或二号电机出现故障时，转向装置断开故障电机，开启另一电机为转向系统提供助力，当一号电机和二号电机均出现故障时，转向装置停止工作。
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