CN106741139B - 双转子电机线控转向系统及其失效防护装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子电机线控转向系统及其失效防护装置和控制方法，包括：转向轴；同轴式双转子电机，包括：第一转子，其连接转向轴；第二转子，其一端与第一转子同轴排列并可旋转的支撑在第一转子上；同步轴套，其套设在第一转子和第二转子的接合处，能够沿着转子的轴向移动，当同步轴套处于第一位置时，第一转子和第二转子同步转动；当处于第二位置时，第一转子和第二转子相对独立转动；转向器，其接收第二转子的另一端输出的转矩，用于执行转向动作；ECU，其电联接连接同轴式双转子电机和同步轴套。本发明的双转子电机线控转向系统具备多种工作模式，在线控转向模式基础上，当电机单侧故障时转为电动助力转向模式，保证系统工作的可靠性。

Description

双转子电机线控转向系统及其失效防护装置和控制方法

技术领域

本发明涉及汽车的线控转向系统，特别涉及到一种应用于线控转向系统中的同轴式双转子电机及其自带的线控转向系统失效防护装置和转向控制方法。

背景技术

传统的汽车转向系统中转向盘和汽车车轮之间均为机械连接，这样使得转向系统角传动比始终不变。此种固定的角传动比不能兼顾到各种车速第二操纵稳定性或转向灵活性的要求，并且固定不变的转向传动比不能解决转向的“轻与灵”之间的矛盾，难以适应不同车速第二操纵稳定性的需要。所以可变传动比转向系统应运而生。

线控转向(Steer by Wire，简称SBW)是一种实现了转向盘转角和车轮转角解耦的新型可变传动比转向系统，由于其在结构第一已经断开了转向盘与转向轮之间的机械连接，运用电控方式保证相互运动关系，所以转向角传动比可以随车速改变，控制灵活，实现车轮转角的实时控制。

为弥补驾驶员驾驶路感的需求，现有的线控转向系统均是由路感电机实现路感模拟，执行转向的电机驱动转向，这样转向系统中布置了两个电机，占用了大量空间的同时，留下安全隐患。一旦电子控制部分出现问题，即使电机仍旧正常，汽车的转向便失去控制或路感异常。

本发明设计的同轴式双转子电机线控转向系统及其失效防护装置，替代传统线控转向采用两个电机(一个路感模拟电机，一个驱动转向电机)的方案，仅用一个特种电机(同轴式双转子电机)既可以实现路感的模拟又可以驱动转向，因此极大的节省了空间，为操纵控制带了便利。另外，目前线控转向系统的失效保护措施多采用控制系统冗余设计，属于基于电子的硬件保护措施。但是当线控转向系统发生非控制失效时，比如电机故障或系统断电，此时备用电控单元(ECU)无法起到应急作用，必将导致危险。因此本发明设计的同轴式双转子电机线控转向系统还具有一套基于机械的失效防护装置，以保证该线控转向系统在非控制失效情况下的驾驶安全。

发明内容

本发明目的是提供一种双转子电机线控转向系统，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双转子电机线控转向系统的失效防护装置，当电机失效时，系统从线控转向变为机械转向，提高系统的安全性能。

本发明还有一个目的是提供双转子电机线控转向系统的控制方法，控制线控转向系统执行线控转向、助力转向和机械转向等模式。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种双转子电机线控转向系统及其失效防护装置，包括：

转向轴；

同轴式双转子电机，其包括：

第一转子，其连接所述转向轴；

第二转子，其一端与所述第一转子同轴排列并可旋转的支撑在所述第一转子上；

同步轴套，其套设在所述第一转子和第二转子的接合处，能够沿着所述转子的轴向移动，当同步轴套处于第一位置时，所述第一转子和第二转子同步转动；当处于第二位置时，所述第一转子和第二转子相对独立转动；以及

转向器，其接收所述第二转子的另一端输出的转矩，用于执行转向动作；

ECU，其电联接连接同轴式双转子电机和同步轴套；

其中，第一模式，同步轴套在所述第二位置，第一转子转动并输出路感反馈阻力转矩，第二转子转动并输出转向转矩；

第二模式时，所述同轴式双转子电机故障，同步轴套在所述第一位置，转向轴施加的转矩通过同步转动的第一转子和第二转子驱动转向器进行转向；

第三模式时，所述第一转子或第二转子故障，同步轴套在所述第一位置，ECU控制同步转动的第一转子或第二转子输出助力转矩，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。

优选的是，所述同步轴套为内齿圈，所述第一转子和第二转子的接合处分别开设与所述内齿圈啮合的外齿。

优选的是，所述内齿圈上均布多个第一轴向通槽，所述第一轴向通槽的端面上开设第一梯形定位槽和第二梯形定位槽；

所述第一转子的外齿上均布与所述第一轴向通槽数量相同的第二轴向通槽，所述第二轴向通槽的端面上开设圆柱孔，所述圆柱孔的内端面上开设小圆柱孔，所述小圆柱孔内布设弹簧；以及

滑块，包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端伸入所述圆柱孔并抵靠在所述弹簧上，所述第二连接端伸出所述圆柱孔并能够沿第一轴向通槽移动至卡和第一梯形定位槽或第二梯形定位槽；

当同步轴套沿轴向位移至第二位置，第二连接端滑入所述第一梯形定位槽，弹簧恢复形变，滑块卡合在第一梯形定位槽和圆柱孔之间，同步轴套锁定；

当同步轴套沿轴向位移至第一位置，第二连接端滑入所述第二梯形定位槽，弹簧恢复形变，滑块卡合在第二梯形定位槽和圆柱孔之间，同步轴套锁定。

优选的是，所述滑块第二连接端为半球形，其滑入并卡合所述第一梯形定位槽或第二梯形定位槽，第一梯形定位槽和第二梯形定位槽的槽内倾斜角θ为：

其中，μ为滑块与梯形定位槽接触斜面的摩擦因数；F_弹max为弹簧压缩量最大时的弹簧力；F为电磁线圈通电时作用在单个滑块上的电磁力；F_弹min为弹簧压缩量最小时的弹簧力；a为惯性力因子；G为同步轴套所受重力。

优选的是，所述双转子电机还包括：

第一外壳，其内容纳空间用于布设所述第一转子；

第一定子励磁绕组，其固定在所述第一外壳的内表面上，用于通电时产生磁场；

第一转子永磁体，其固定在所述第一转子上并与所述第一定子励磁绕组的位置相对应，用于在磁场下驱动所述第一转子转动；

第二外壳，其一端固定连接所述第一外壳的一端，用于布设所述第二转子；

第二定子励磁绕组，其固定在所述第二外壳的内表面上，用于通电时产生磁场；

第二转子永磁体，其固定在所述第二转子上并与所述第二定子励磁绕组的位置相对应，用于在磁场下驱动所述第二转子转动。

优选的是，所述同轴式双转子电机还包括：

第一轴肩，其固定在第一转子上，用于限定同步轴套位移至第二位置；

第二轴肩，其固定在第二转子上，用于限定同步轴套位移至第一位置；

第一磁轭，其固定在所述第一外壳内并靠近第一轴肩；

第二磁轭，其固定在所述第二外壳内并靠近第二轴肩；

第一定子电磁线圈，其固定在所述第一磁轭内，用于通电产生吸引同步轴套位移的电磁吸引力；

第二定子电磁线圈，其固定在所述第二磁轭内，用于通电产生吸引同步轴套位移的电磁吸引力；

当第一定子电磁线圈通电，其吸引同步轴套脱离接合处并位移至贴合第一轴肩，所述第一转子和第二转子独立转动；

当第二定子电磁线圈通电，其吸引同步轴套位移至贴合第二轴肩并套设在接合处，第一转子和第二转子同步转动。

优选的是，所述ECU通过4条线路连接所述同轴式双转子电机，其中，

第一线路为第一定子励磁绕组供电线路，用于控制第一定子励磁绕组的电流；

第二线路为第一定子电磁线圈的供电线路，用于控制第一定子电磁线圈通电和断电；

第三线路为第二定子电磁线圈的供电线路，用于控制第二定子电磁线圈通电和断电；

第四线路为第二定子励磁绕组的供电线路，用于控制第二定子励磁绕组的电流；

其中，所述第三线路中安装电容器，当第三线路通电，其上电容器储能，第二定子电磁线圈断电；当第三线路断电，电容器放电，所述第二定子电磁线圈通电，第一转子和第二转子同步转动。

优选的是，还包括：

第一万向节，其连接在所述转向轴和第一转子输入端之间；

转向器转向轴，其输出端连接所述转向器；

第二万向节，其输入端连接所述第二转子的输出端，其输出端连接转向器转向轴的输入端；

转角传感器，其分别安装在转向轴和转向器转向轴上，用于监测转向盘和转向器的转角；

转矩传感器，其分别安装在转向轴和转向器转向轴上，用于监测转向盘和转向器的转距；

车速传感器，用于监测车速；

其中，所述ECU连接转角传感器、转矩传感器和车速传感器并接收转角、转矩和车速信号。

本发明的目的还可通过一种双转子电机线控转向系统的控制方法来实现，包括：

ECU读取同轴式双转子电机的整机自检信号、第一转子的第一自检信号和第二转子的第二自检信号；

当整机自检信号异常时，ECU执行所述第二模式；

当第一自检信号或第二自检信号异常时，ECU执行所述第三模式；

否则，ECU执行所述第一模式。

优选的是，所述第一模式包括：

ECU控制：

第三线路通电，第二线路断电；同步轴套处于第二位置，所述第一转子和第二转子独立转动；

第一线路、第四线路通电，第一转子输出路感反馈阻力转矩，第二转子输出转向转矩。

优选的是，所述第二模式包括：

ECU控制第一线路、第二线路、第三线路和第四线路断电；同步轴套处于第一位置，所述第一转子和第二转子同步；

转向轴施加的转矩通过同步的第一转子和第二转子驱动转向器进行转向。

优选的是，所述第三模式包括：

ECU控制：

第三线路、第二线路断电；同步轴套处于第二位置，所述第一转子和第二转子独立转动；

当第一自检信号异常，第一线路断电、第四线路通电，第二转子输出助力转矩，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；

当第二自检信号异常，第一线路通电、第四线路断电，第一转子输出助力转矩，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。

本发明至少包括以下有益效果：1、同轴式双转子电机线控转向系统中采用的同轴式双转子电机，采用一个电机同时实现了具有路感模拟和驱动转向的作用，同以往线控转向系统中需要布置两个电机相比，极大的节省了空间和成本；2、同轴式双转子电机线控转向系统在转向时通过励磁控制，让第一端电机模拟路感时产生的电磁再生制动力矩发出的电能供给下端的驱动转向电机使用，从而实现功率闭环，能量利用效率高，更加节能；3、同轴式双转子电机线控转向系统，有一套基于机械式的失效保护装置，这比现有基于电子的硬件保护措施更加可靠，有效的保证了驾驶安全性；4、同轴式双转子电机线控转向系统具备多种工作模式，除了正常的线控转向模式以外，还可以在同轴式双转子电机单侧故障时转为电动助力转向模式。此外当系统失效时或停车熄火时该系统可以转为纯机械式转向。兼顾驾驶员需求、汽车行驶稳定性的同时保证了系统工作的可靠性；5、同轴式双转子电机线控转向系统，电磁线圈只在控制同步轴套移动的瞬间通电，在转向系统处于线控转向状态或者机械式转向状态时同步轴套都是通过自锁机构固定，无需电磁线圈一直保持通电的状态，这样在汽车行驶过程中耗能减少，节约了能量。

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为本发明所述的同轴式双转子电机线控转向系统及其失效防护装置的组成和结构布置简图。

图2为本发明所述的同轴式双转子电机线控转向系统及其失效防护装置中控制第三线路的结构简图。

图3为本发明所述的同轴式双转子电机线控转向系统及其失效防护装置的同轴式双转子电机结构图。

图4为本发明所述的同轴式双转子电机的第一外壳的结构简图。

图5为本发明所述的同轴式双转子电机的第二外壳的结构简图。

图6为本发明所述的同轴式双转子电机中的第一转子齿轮轴的俯视图。

图7为本发明所述的同轴式双转子电机中的滑块结构示意图。

图8为本发明所述的同轴式双转子电机中的同步轴套的结构示意图。

图9为图3中B区域局部放大图。

图10为本发明所述的同轴式双转子电机转向系统处于机械式连接时的电机结构示意图。

图11为本发明所述的同轴式双转子电机线控转向系统处于电动助力转向模式下的助力特性曲线图。

具体实施方式

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1-2示出了根据本发明的一种实现形式，参阅图1，本发明所述的双转子电机线控转向系统包括：转向盘100、双转子电机200、转向机构300、传感器集成400和ECU，其中，转向盘100包括转向轴110和第一万向节120，双转子电机200为同轴式电机，包括第一转子210、第二转子220和同步轴套230，转向机构300包括第二万向节310和转向器320；传感器集成400包括转向盘转角传感器410、转向盘转矩传感器420、转向器转角传感器430和转向器转矩传感器440和车速传感器450。转向盘100输入驾驶人员的转向转矩和转角，ECU接收传感器集成400的信号并控制双转子电机200驱动转向机构300执行转向动作。

其中，第一转子210和第二转子220滑动接合，并在第一转子210和第二转子220的接合处套设同步轴套230，使所述第一转子210和第二转子220同步转动；当同步轴套230沿轴向位移至脱离接合处，所述第一转子210和第二转子220独立转动；其中，所述第一转子210的输入端连接所述转向轴110；以及转向器320，其连接所述第二转子220的输出端，用于执行转向动作；转向盘转角传感器410和转向盘转矩传感器420安装在转向轴110上，其信号输出分别与ECU相连，将测出的转向时转向盘100的输入转矩信号和转向盘转角信号传入ECU。双转子电机200的第二转子220通过第二万向节310与转向器转向轴连接，转向器转角传感器430和转向器转矩传感器440安装在转向器转向轴上，其信号输出分别与ECU相连，将测出的转向时实际转角信号和实际转矩信号传入ECU。转向器转向轴的末端是转向器320，车速传感器450信号输出与ECU相连，将测出的车速信号传入ECU，ECU对信号进行处理后并通过4条各自独立的线路对同轴式双转子电机200进行控制，来完成转向。其中，第一线路，用于控制第一转子210形成路感反馈阻力转矩，完成对路感的模拟；第二线路，用于控制同步轴套230沿轴向位移至脱离接合处，使第一转子210和第二转子220独立转动；第三线路，用于控制同步轴套230套设在接合处，使所述第一转子210和第二转子220同步转动；第四线路，用于控制第二转子220输出转向转矩，驱动转向器320进行转向。

在另一实施例中，如图4所示，所述双转子电机200还包括：第一外壳240为两端开口的轴套结构，其内容纳空间用于布设所述第一转子210；第一定子励磁绕组241对称固定在所述第一外壳240的内表面上，在通电时产生磁场；第一转子永磁体211固定在所述第一转子210上，并与所述第一定子励磁绕组241的位置相对应，用于在第一定子励磁绕组241通电产生的磁场下驱动所述第一转子210转动，所述第一转子永磁体211和第一定子励磁绕组241之间留有缝隙，防止第一转子210转动时发生干涉；如图5所示，第二外壳250为两端开口的轴套结构，其一端通过螺栓固定连接所述第一外壳240一端，第二外壳250用于布设所述第二转子220；第二定子励磁绕组251对称固定在所述第二外壳250的内表面上，用于通电时产生磁场；第二转子永磁体221固定在所述第二转子220上，并与所述第二定子励磁绕组251的位置相对应，用于在磁场下驱动所述第二转子220转动，所述第二转子永磁体221和第二定子励磁绕组251之间留有缝隙，防止第二转子220转动时发生干涉。本实施例在机械结构上实现电磁力驱动第一转子210和第二转子220转动。

在另一实施例中，如图1所示，当ECU控制第一线路通电，所述第一定子励磁绕组241通电，驱动第一转子210转动并输出路感反馈阻力转矩；当ECU控制第四线路通电，所述第二定子励磁绕组251通电，驱动第二转子220转动并输出转向转矩，驱动转向器进行转向。ECU通过电路控制第一转子210和第二转子220转动，形成路感反馈阻力转矩给驾驶人员，完成路感反馈；形成转向转矩，驱动转向器320进行转向。

在另一实施例中，如图3所示，所述同轴式双转子电机200还包括：第一轴肩219、第二轴肩222、第一磁轭260、第二磁轭270。其中，所述第一磁轭260内固定有第一定子电磁线圈261，第二磁轭270内固定有第二定子电磁线圈271。

所述第一轴肩219为沿第一转子210的径向外凸环状结构，固定在第一转子210上靠近接合处的一侧，所述第一轴肩219用于对同步轴套230进行限位，当同步轴套230向第一转子210轴向位移，运动至被第一轴肩219阻挡而限定在贴合第一轴肩219的位置，此位置即为第二位置，如图3所示的同步轴套230所处的位置。

所述第二轴肩222为沿第二转子220的径向外凸环状结构，固定在第二转子220上靠近接合处的一侧，所述第二轴肩222用于对同轴轴套230进行限位，当同步轴套230向第二转子220轴向位移，被第二轴肩222阻挡而限定在贴合第二轴肩222的位置，此位置即为第一位置，即如图10所示的同步轴套230所处的位置。

第一磁轭260为环形轴肩结构，其轴肩结构外环固定在所述第一外壳240内壁上，所述第一转子210从接合处延伸至穿过第一磁轭260的内环，其上第一轴肩219靠近第一磁轭260；其中，所述第一磁轭260内朝向第一轴肩219的端面上开设四个呈90度圆周均布的线圈孔，所述线圈孔内布设第一定子电磁线圈261。通电时，第一定子电磁线圈261产生电磁吸引力，吸引同步轴套230向第一转子210的轴向位移，直至被第一轴肩219阻挡而限定在贴合第一轴肩219，即为第二位置。

第二磁轭270为环形轴肩结构，其轴肩结构外环固定在所述第二外壳250内壁上，所述第二转子220从接合处延伸至穿过第二磁轭270的内环，其上第二轴肩222靠近第二磁轭270；其中，所述第二磁轭270内朝向第二轴肩222的端面上开设四个呈90度圆周均布的线圈孔，所述线圈孔内布设第二定子电磁线圈271。通电时，第二定子电磁线圈271产生电磁吸引力，吸引同步轴套230向第二转子220轴向位移，直至被第二轴肩222阻挡而限定在贴合第二轴肩222，即为第一位置。

当汽车起动时，ECU检测到汽车启动信号时，则通过第二线路对四个第一定子电磁线圈261供电，使其产生电磁吸引力，作用于同步轴套230上，将其由图10所示位置移动至图3所示位置，使转向系统断开机械式连接，转为正常线控转向状态，四个电磁线圈在短暂供电后断电，同步轴套230由于自锁固定于第一轴肩219处，使得第一转子210、第二转子220分离并独立转动，使其断开机械连接。

在转向系统处于正常的线控转向工作状态时，ECU对第三线路通电，由于电容的隔断直流作用，第二定子电磁线圈271处于断电状态，没有电磁引力。当ECU检测到线控转向系统故障需要启用保护装置恢复机械连接时，ECU对第三线路断电，此时储存于电容器中的电能则通过第三线路构成的回路对四个第二定子电磁线圈271实现短暂供电，产生电磁吸引力作用于同步轴套230上，将其由图3所示的位置移动至图10所示的位置，并将其锁定在第二轴肩222处，第一转子210和第二转子220同步转动，从而使得转向系统恢复机械式连接，保证了驾驶安全性。当汽车熄火停车时，ECU对第三线路断电，电容器对第二定子电磁线圈271供电，同步轴套230锁定在第二轴肩222处，第一转子210和第二转子220同步转动，使得转向系统恢复机械式连接，熄火停车时实现方向盘的锁定，保证原始对中位置。

本实施例示出了电磁线圈的通断电的电路布设方式，实现电磁线圈通断电，从而使磁力驱动第一转子210和第二转子220同步转动或独立转动，满足不同的转向工作模式的要求。

在另一实施例中，所述ECU分别连接所述第一定子电磁线圈261、第二定子电磁线圈271、第一定子励磁绕组241和第二定子励磁绕组251，用于控制所述第一定子电磁线圈261、第二定子电磁线圈271、第一定子励磁绕组241和第二定子励磁绕组251的通电和断电，精确利用磁力驱动第一转子210、第二转子220同步转动或独立转动，实现双转子电机200的智能化控制，满足多种转向工作模式的需求。

在另一实施例中，如图8所示，所述同步轴套230内开设内齿圈，所述第一转子210和第二转子220的接合处分别开设与所述内齿圈啮合的外齿，当同步轴套230沿轴向移动，当其贴合在第一轴肩219上，即图3所示的位置，第一转子210和第二转子220脱离，实现独立转动；当同步轴套230沿轴向移动至贴合在第二轴肩222上，即图10所示的位置，同步轴套230套设在第一转子210和第二转子220的接合处，通过内齿圈和外齿的啮合传动，实现第一转子210和第二转子220的同步转动，保证传动效率和连接的稳定性。同时，为保证同步轴套230能够在移动时顺利与第二转子220啮合，将同步轴套230的内齿圈和第二转子外齿接触的一侧端面231切为锥形，从而减小同步轴套230移动时与第二转子220进入啮合时的阻力和冲击。

在另一实施例中，图4-9示出了实现同步轴套230位移锁定的机械结构形式，如图8所示，所述同步轴套230的内齿圈上均布多个第一轴向通槽232，所述第一轴向通槽232的端面上开设第一梯形定位槽233和第二梯形定位槽234；如图6所示，所述第一转子210的外齿上均布与所述第一轴向通槽232相同数量的第二轴向通槽212，所述第二轴向通槽212的端面上开设圆柱孔213，所述圆柱孔213的内端面上开设小圆柱孔214，所述小圆柱孔214内布设弹簧215；图7示出滑块216，包括第一连接端216a和第二连接端216b，所述第一连接端216a伸入所述圆柱孔213并抵靠在所述弹簧215上，弹簧215受压产生形变，所述第二连接端216b伸出所述圆柱孔213并能够沿第一轴向通槽232移动至卡和第一梯形定位槽233或第二梯形定位槽234；当同步轴套230沿轴向位移至贴合所述第一轴肩219，第二连接端216b滑入所述第一梯形定位槽233，弹簧215恢复形变，如图9所示，滑块216卡合在第一梯形定位槽233和圆柱孔213之间，同步轴套230被锁定停止轴向位移；当同步轴套230沿轴向位移至贴合所述第二轴肩222，第二连接端216b滑入所述第二梯形定位槽234，弹簧215恢复形变，滑块216卡合在第二梯形定位槽234和圆柱孔213之间，同步轴套230被锁定停止轴向位移。优选的是，所述第一轴向通槽232和第二轴向通槽212的数量均为3个，实现锁定同步轴套停止轴向位移的目的。

在另一实施例中，所述滑块216的第二连接端216b为半球形，其滑入并卡合所述第一梯形定位槽233或第二梯形定位槽234需满足，如图9所示，第一梯形定位槽233和第二梯形定位槽234的槽内倾斜角θ为：

其中，μ为滑块与梯形定位槽接触斜面的摩擦因数；F_弹max为弹簧压缩量最大时的弹簧力(N)；F为电磁线圈通电时作用在单个滑块上的电磁力(N)；F_弹min为弹簧压缩量最小时的弹簧力(N)；a为惯性力因子(a＝1～1.5)；G为同步轴套所受重力(N)。

在另一实施例中，所述双转子电机200还包括：第一端盖280，其开设第一中心通孔；第二端盖290，其开设第二中心通孔；其中，第一端盖280盖合在所述第一外壳240上，所述第二端盖290盖合在所述第二外壳250上，所述第一端盖280、第一外壳240、第二外壳250和第二端盖290构成封闭式电机壳体；其中，所述第一端盖280通过角接触球轴承281支撑第一转子210，并通过密封毛毡282密封第一端盖280和第一转子210之间的缝隙；所述第一转子210的输入端从第一中心通孔伸出至所述壳体外部连接转向轴110；其中，所述第二端盖290通过角接触球轴承支撑第二转子220，并通过密封毛毡密封第二端盖290和第二转子220之间的缝隙；第二转子220的输出端从第二中心通孔伸出至所述壳体外部连接转向器320。

在另一实施例中，所述第一转子210在接合处开设中心内孔，所述第二转子220的接合端通过滚针轴承217支撑在所述第一转子210的中心内孔中；推力铜片218，其布设在所述第一转子210和第二转子220接合的端面之间，用于分隔所述第一转子210和第二转子220，使第一转子210和第二转子220能够相互独立转动。

在另一实施例中，双转子电机线控转向系统还包括：第一万向节120，其连接在所述转向轴110和第一转子210输入端之间；转向器转向轴，其输出端连接所述转向器320；第二万向节310，其输入端连接所述第二转子220的输出端，其输出端连接转向器转向轴的输入端。

在另一实施例中，双转子电机线控转向系统还包括：转角传感器，包括转向盘转角传感器410和转向器转角传感器430，转向盘转角传感器410其分别安装在转向轴110和转向器转向轴上，用于监测转向盘100和转向器320的转角；转矩传感器，包括转向盘转矩传感器420和转向器转矩传感器440，其分别安装在转向轴110和转向器转向轴上，用于监测转向盘100和转向器320的转距；车速传感器450，用于监测车速；其中，所述ECU连接转角传感器、转矩传感器和车速传感器450并接收转角、转矩和车速信号。

本发明还包括一种同轴式双转子电机线控转向系统的转向控制方法，包括：ECU读取同轴式双转子电机的整机自检信号、第一转子的第一自检信号和第二转子的第二自检信号；当整机自检信号异常时，ECU执行所述第二模式；当第一自检信号或第二自检信号异常时，ECU执行所述第三模式；否则，ECU执行所述第一模式。

本发明所述的同轴式双转子电机线控转向系统及其失效防护装置的工作原理，详见表一：

表一 同轴式双转子电机线控转向系统的工作模式汇总表

如表一所示，第一模式(即为线控转向模式)时，所述同轴式双转子电机线控转向系统正常工作时，第二线路断电，第三线路通电，当驾驶员用转向盘转向时，ECU接收车速传感器450测出的车速信号、转向盘转角传感器410测出的转向盘转角信号和转向盘转矩传感器420测出的转向力矩信号，并根据上述信号计算出汽车作用在转向器320上的驱动转向力矩和转向器中齿轮旋转角度；将此转矩和角度转化为控制电信号，通过第四线路传输给第二定子励磁绕组251，使同轴式双转子电机200的第二转子220产生对应的转矩与转角实现转向动作。当汽车低速行驶时，控制转向角传动比较小，转向较为直接；汽车高速行驶时，控制转向角传动比较大，降低驾驶员紧急转向导致的汽车失稳。同时ECU接收到由转向器转矩传感器440测出的实际转矩信号和转向器转角传感器430测出的实际转角信号，并根据车速传感器450测出的车速信号计算出此时所需要模拟的路感转矩大小，并将此转矩大小转化为相应的控制电信号通过第一线路传输给第一定子励磁绕组241，使第一转子210产生对应的电磁制动转矩，给驾驶员转向输入能够线性反映汽车车轮回正力矩大小的负载，完成对路感的模拟。以此控制方式完成对同轴式双转子电机200的控制，从而同时实现可变线控转向过程和驾驶员路感模拟。

本发明更加有益的是还可以在转向时通过励磁控制，第一定子励磁绕组241在模拟路感时产生电磁制动力矩，电磁制动力矩发出的电能供给第二定子励磁绕组251，从而使第二转子220驱动转向器320实现转向。该方案实现了功率闭环，提高了能量的利用效率。

所述同轴式双转子电机线控转向系统正常工作时，同步轴套230的所处的位置如图3所示的第二位置，同步轴套230仅与第一转子210齿轮轴啮合，不与第二转子220齿轮轴接触。处于圆柱孔213中的滑块216由于弹簧215的弹力被压在同步轴套230的第二梯形定位槽234中与之配合，使得同步轴套230实现自锁，无法轴向移动。此时无需上定子电磁线圈通电，第一转子210与第二转子220始终断开，同轴式双转子电机线控转向系统便始终保持着线控转向的过程，节约了电能。

第二模式(即失效防护模式)：当同轴式双转子电机线控转向系统的ECU检测到传感器或同轴式双转子电机整机故障、线控转向失效时，则会立刻断开由第一线路和第四线路，并同时对第三线路断电，此时第三线路电容器储存的电能则通过第三线路构成的回路对四个第二定子电磁线圈271实现短暂供电，第二定子电磁线圈271产生电磁吸引力作用于同步轴套230上。由于设计的梯形定位槽的角度θ合适，则在电磁吸引力的作用下，滑块216将会克服弹簧215的弹性力，压缩弹簧215离开第二梯形定位槽234斜面，滑到第一轴向通槽232上，然后滑入第一梯形定位槽233，同时，同步轴套230移动到第二轴肩222处，即由图3所示的第二位置移动至图10所示的第一位置，并由滑块216自锁机构固定于第二轴肩222处，从而使得线控转向系统恢复机械式连接，保证了驾驶安全性。

第三模式(即第一转子或第二转子助力转向模式)：当同轴式双转子电机线控转向系统的ECU检测到同轴式双转子电机200上某侧电气故障时，例如第一定子励磁绕组241故障，则会立刻断开由第一线路进入第一定子励磁绕组241的控制电流，并保持ECU通过第四线路对同轴式双转子电机第二定子励磁绕组251的控制电流，使同轴式双转子电机单侧工作在电动模式，充当电动助力转向驱动电机。输出的助力转矩的大小由同轴式双转子电机第二定子励磁绕组251的控制电流大小决定，该电流依据车速传感器450采集的车速信号和转向盘转矩传感器420采集的驾驶员输入的转矩信号根据事先标定好的助力特性曲线图(如图11所示)查表计算得到，并将助力特性曲线的网格交叉处的车速和方向盘转角对应的助力电机绕组电流汇总于表二。

表二 助力特性曲线数据汇总表

此外，同时对第三线路断电，此时储存于电容器中的电能则通过第三线路构成的回路对四个电磁线圈实现短暂供电，产生电磁吸引力作用于同步轴套230上。由于设计的梯形定位槽的角度θ合适，则在电磁吸引力的作用下，滑块216将会克服弹簧215的弹性力，压缩弹簧215离开第二梯形定位槽234斜面，滑到第一轴向通槽232上，然后滑入第一梯形定位槽233，同时同步轴套230向第二移动到第二轴肩222处，即由图3所示的第二位置移动至图10所示的第一位置，并由滑块自锁机构固定于第二轴肩222处，从而使得转向系统保持机械式连接，此时同轴式双转子电机充当电动助力转向电机，该同轴式双转子电机线控转向系统工作于电动助力转向模式。

当具有所述同轴式双转子电机线控转向系统的汽车熄火停车时，ECU断开对第三线路的供电，此时储存于电容器中的电能则通过第三线路构成的回路对四个第二定子电磁线圈271实现短暂供电，产生电磁吸引力作用于同步轴套230上，将其由图3所示的位置移动至图10所示的位置，并由滑块自锁机构固定于第二轴肩222，使转向系统恢复机械式连接，实现熄火停车时方向盘的锁定，保证初始对中位置。

当具有所述同轴式双转子电机线控转向系统的线控转向系统故障排除或汽车重新起动时，ECU恢复对第三线路的供电并同时对第二线路短暂供电，使得第一定子电磁线圈261产生电磁力，将同步轴套230重新由图10的位置移动到图3的位置，并由滑块自锁机构固定于第一轴肩219处，断开第一转子210与第二转子220的机械连接，从而使得转向系统恢复线控转向模式，由于第三线路中电容器的储能作用，此时对第三线路供电并不会消耗电能。

综上所述，整个同轴式双转子电机线控转向系统的工作模式如图表1所示。所述同轴式双转子电机线控转向系统不仅结构紧凑，控制方便，能量消耗小，更是在线控转向系统故障时能有效的提供一种基于机械的故障保护措施，保证了驾驶的安全性。

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 (10)

1.一种双转子电机线控转向系统，其特征在于，包括：

转向轴；

同轴式双转子电机，其包括：

第一转子，其连接所述转向轴；

第二转子，其一端与所述第一转子同轴排列并可旋转的支撑在所述第一转子上；

同步轴套，其套设在所述第一转子和第二转子的接合处，能够沿着所述转子的轴向移动，当同步轴套处于第一位置时，所述第一转子和第二转子同步转动；当处于第二位置时，所述第一转子和第二转子相对独立转动；以及

转向器，其接收所述第二转子的另一端输出的转矩，用于执行转向动作；

ECU，其电联接同轴式双转子电机和同步轴套；

其中，第一模式，同步轴套在所述第二位置，第一转子转动并输出路感反馈阻力转矩，第二转子转动并输出转向转矩；

第二模式时，所述同轴式双转子电机故障，同步轴套在所述第一位置，转向轴施加的转矩通过同步转动的第一转子和第二转子驱动转向器进行转向；

第三模式时，所述第一转子或第二转子故障，同步轴套在所述第一位置，ECU控制同步转动的第一转子或第二转子输出助力转矩，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。

2.如权利要求1所述的双转子电机线控转向系统，其特征在于，所述同步轴套为内齿圈，所述第一转子和第二转子的接合处分别开设与所述内齿圈啮合的外齿。

3.如权利要求2所述的双转子电机线控转向系统，其特征在于：

所述内齿圈上均布多个第一轴向通槽，所述第一轴向通槽的端面上开设第一梯形定位槽和第二梯形定位槽；

所述第一转子的外齿上均布与所述第一轴向通槽数量相同的第二轴向通槽，所述第二轴向通槽的端面上开设圆柱孔，所述圆柱孔的内端面上开设小圆柱孔，所述小圆柱孔内布设弹簧；以及

滑块，包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端伸入所述圆柱孔并抵靠在所述弹簧上，所述第二连接端伸出所述圆柱孔并能够沿第一轴向通槽移动至卡合第一梯形定位槽或第二梯形定位槽；

当同步轴套沿轴向位移至第二位置，第二连接端滑入所述第一梯形定位槽，弹簧恢复形变，滑块卡合在第一梯形定位槽和圆柱孔之间，同步轴套锁定；

当同步轴套沿轴向位移至第一位置，第二连接端滑入所述第二梯形定位槽，弹簧恢复形变，滑块卡合在第二梯形定位槽和圆柱孔之间，同步轴套锁定。

4.如权利要求3所述的双转子电机线控转向系统，其特征在于，所述滑块第二连接端为半球形，其滑入并卡合所述第一梯形定位槽或第二梯形定位槽，第一梯形定位槽和第二梯形定位槽的槽内倾斜角θ为：

其中，μ为滑块与梯形定位槽接触斜面的摩擦因数；F_弹max为弹簧压缩量最大时的弹簧力；F为电磁线圈通电时作用在单个滑块上的电磁力；F_弹min为弹簧压缩量最小时的弹簧力；a为惯性力因子；G为同步轴套所受重力。

5.如权利要求1-4中任一项所述的双转子电机线控转向系统，其特征在于，所述双转子电机还包括：

第一外壳，其内容纳空间用于布设所述第一转子；

第一定子励磁绕组，其固定在所述第一外壳的内表面上，用于通电时产生磁场；

第一转子永磁体，其固定在所述第一转子上并与所述第一定子励磁绕组的位置相对应，用于在磁场下驱动所述第一转子转动；

第二外壳，其一端固定连接所述第一外壳的一端，用于布设所述第二转子；

第二定子励磁绕组，其固定在所述第二外壳的内表面上，用于通电时产生磁场；

第二转子永磁体，其固定在所述第二转子上并与所述第二定子励磁绕组的位置相对应，用于在磁场下驱动所述第二转子转动。

6.如权利要求5所述的双转子电机线控转向系统，其特征在于，所述同轴式双转子电机还包括：

第一轴肩，其固定在第一转子上，用于限定同步轴套位移至第二位置；

第二轴肩，其固定在第二转子上，用于限定同步轴套位移至第一位置；

第一磁轭，其固定在所述第一外壳内并靠近第一轴肩；

第二磁轭，其固定在所述第二外壳内并靠近第二轴肩；

第一定子电磁线圈，其固定在所述第一磁轭内，用于通电产生吸引同步轴套位移的电磁吸引力；

第二定子电磁线圈，其固定在所述第二磁轭内，用于通电产生吸引同步轴套位移的电磁吸引力；

当第一定子电磁线圈通电，其吸引同步轴套脱离接合处并位移至贴合第一轴肩，所述第一转子和第二转子独立转动；

当第二定子电磁线圈通电，其吸引同步轴套位移至贴合第二轴肩并套设在接合处，第一转子和第二转子同步转动。

7.如权利要求6所述的双转子电机线控转向系统，其特征在于，所述ECU通过4条线路连接所述同轴式双转子电机，其中，

第一线路为第一定子励磁绕组供电线路，用于控制第一定子励磁绕组的电流；

第二线路为第一定子电磁线圈的供电线路，用于控制第一定子电磁线圈通电和断电；

第三线路为第二定子电磁线圈的供电线路，用于控制第二定子电磁线圈通电和断电；

第四线路为第二定子励磁绕组的供电线路，用于控制第二定子励磁绕组的电流；

其中，所述第三线路中安装电容器，当第三线路通电，其上电容器储能，第二定子电磁线圈断电；当第三线路断电，电容器放电，所述第二定子电磁线圈通电，第一转子和第二转子同步转动。

8.如权利要求7所述的双转子电机线控转向系统，其特征在于，还包括：

第一万向节，其连接在所述转向轴和第一转子输入端之间；

转向器转向轴，其输出端连接所述转向器；

第二万向节，其输入端连接所述第二转子的输出端，其输出端连接转向器转向轴的输入端；

转角传感器，其分别安装在转向轴和转向器转向轴上，用于监测转向盘和转向器的转角；

转矩传感器，其分别安装在转向轴和转向器转向轴上，用于监测转向盘和转向器的转距；

车速传感器，用于监测车速；

其中，所述ECU连接转角传感器、转矩传感器和车速传感器并接收转角、转矩和车速信号。

9.一种双转子电机线控转向系统的控制方法，其控制权利要求1-8中任一项所述的双转子电机线控转向系统进行转向，其特征在于，包括：

ECU读取同轴式双转子电机的整机自检信号、第一转子的第一自检信号和第二转子的第二自检信号；

当整机自检信号异常时，ECU执行所述第二模式；

当第一自检信号或第二自检信号异常时，ECU执行所述第三模式；

否则，ECU执行所述第一模式。

10.如权利要求9所述的双转子电机线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述第一模式包括：

第三线路通电，第二线路断电；同步轴套处于第二位置，所述第一转子和第二转子独立转动；

第一线路和第四线路通电，第一转子输出路感反馈阻力转矩，第二转子输出转向转矩。

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