CN107010107A - 一种大客车液压主动转向系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大客车液压主动转向系统及控制方法，该系统包括：机械转向模块、液压助力模块、液压主动转向模块、主控制模块及传感器模块；液压助力模块依据助力特性向系统提供转向助力，实现良好的转向轻便性；液压主动转向模块依据补偿控制策略向转向系统提供补偿位移，实现系统的主动转向。在车辆处于不同行驶工况时，电子控制单元根据传感器模块采集的信息确定液压助力模块和液压主动转向模块的控制策略，提高了车辆行驶时的稳定性和安全性。

Description

一种大客车液压主动转向系统及控制方法

技术领域

本发明属于汽车助力转向系统控制技术领域，具体指代一种大客车液压主动转向系统及控制方法。

背景技术

客车所需转向力矩大，转向助力的功率要求比较高，目前客车普遍采用液压助力转向系统。与传统机械液压助力相比，电动液压助力转向系统，同时具有良好的转向性能和操纵稳定性。

传统液压助力系统采用发动机输出的动力来驱动液压助力系统，解决了转向费力的问题。但是由于转向阀的结构固定，使得液压系统助力特性无法改变，即不同车速行驶时，助力大小保持恒定，这就使得驾驶员失去了转向路感。此外，由于液压泵直接与发动机相连，在车辆行驶过程中，无论是否转向，液压泵一直随发动机工作，造成了发动机能量的浪费。

现有的电动液压助力转向系统用助力电机代替发动机，电机只需要在转向时进行动力输出，节约了液压助力系统消耗的能量。同时控制系统通过车速传感器、方向盘转矩传感器等采集信号，反馈给驱动电机并通过ECU对驱动电机的转速进行控制，从而控制液压泵泵入转向器的液压油量，使得提供给转向器的助力液压油流量能随汽车行驶车速的变化而变化，改善了汽车高速行驶时方向盘操作稳定性，并使得转向助力过程更柔和、平稳和舒适。

但是，目前广泛应用于大客车的电动液压助力转向系统是恒定传动比，即转向盘转角增量与前轮转角增量比值恒定，不能满足理想转向系统低速时灵活，高速时稳定的要求。

国内，赵万忠等人提出了一种具有变传动比功能的电控液压助力转向系统，在提高汽车操纵稳定性的同时让驾驶员获得更好的转向路感，但该系统适用于齿轮齿条转向器，不能在大客车循环球转向器上使用。迟永滨等人提出一种双收缩缸液压助力主动转向器，对转向角位移与力矩进行协同控制，但基于齿轮齿条上嵌套动力缸结构复杂，且提供的助力大小难以满足大客车要求。

国外，德国宝马公司全球首创了AFS主动式转向系统，该系统通过转向柱内添加一套双行星齿轮机构，向转向轮叠加了一个附加转向角，满足了变传动比的需求，解决了转向系统在低速时灵活轻便与在高速时方向稳定性的矛盾，使得车辆在任何速度下都能提供理想的转向特性，但是宝马采用的是电动助力方式，转向助力功率有限，不适合重型车。奔驰公司开发了“直接转向系统”，利用齿距中间密集，两头疏松的齿条实现机械式可变传动比，不足之处在于对加工工艺要求比较高，并且传动比变化范围较小，不能灵活变化。

所以，为了弥补大客车转向领域的不足，设计简单可行、经济实用的大客车液压主动转向装置是非常重要和必要的，这将给驾驶员更好的操纵手力和驾驶路感，减少客车事故的发生率。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大客车液压主动转向系统及控制方法，以克服现有技术中存在的问题，本发明通过增加液压主动转向模块提供附加液压助力，增强大客车操作稳定性，减少事故发生。

为达到上述目的，本发明的一种大客车液压主动转向系统，包括：机械转向模块、液压助力模块、液压主动转向模块、主控制模块及传感器模块；

所述的机械转向模块包括依次连接的方向盘、转向轴、循环球转向器、摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向梯形及车轮，方向盘上产生的力矩经转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向梯形输出至车轮；

所述的液压助力模块包括依次连接的助力电机、助力液压泵、助力转阀、助力动力缸、第一回油管路及储油罐，液压油经助力液压泵进入助力转阀，液压油在助力转阀作用下再进入助力动力缸，推动循环球转向器进行液压助力，助力力矩依次传递给转向摇臂和转向直拉杆，液压油通过第一回油管路返回储油罐；

所述的液压主动转向模块包括依次连接的主动转向电机、主动转向液压泵、电磁阀、主动转向动力缸、第二回油管路以及与上述液压助力模块共用的储油罐；液压油在主动转向液压泵作用下流经电磁阀，进入主动转向动力缸并推动转向直拉杆运动；转向直拉杆伸出动力缸的部分与转向节臂相连，带动转向节臂和转向梯形运动，最终实现车轮的转向；

所述的传感器模块包括转矩传感器、方向盘转角传感器、车速传感器及横摆角速度传感器，分别输出的转矩信号a、转角信号b、速度信号c、横摆角速度信号d共同传递给主控制模块；

所述的主控制模块包括预期转速计算模块、转速PID调节器、电流PID调节器，主控制模块对接收到的数据信号计算，分别得到助力电机控制信号f、主动转向电机控制信号e，并将助力电机控制信号f传送给助力电机，将主动转向电机控制信号e传送给主动转向电机，从而控制车辆液压助力大小及附加液压补偿的大小，实现对车辆转向助力和主动转向的控制。

本发明的一种大客车液压主动转向系统的控制方法，该方法采用电机双闭环控制，外环为转速调节环，内环为电流调节环；包括如下步骤：

(1)通过方向盘输入驾驶员施加的转向力矩；

(2)预期转速计算模块分别接收转矩传感器输出的转矩信号a、方向盘转角传感器输出的转角信号b、车速传感器输出的速度信号c、横摆角速度传感器输出的横摆角速度信号d，并根据当前车辆工况对所需的助力进行运算，得到助力电机的第一期望转速和主动转向电机的第二期望转速；

(3)外环调节采用转速PID调节器，转速PID调节器的输入为第一期望转速和第二期望转速，此外助力电机和主动转向电机转速信号的第一真实值和第二真实值反馈至转速PID调节器输入端，转速PID调节器根据反馈结果进行调节，消除系统目标转速与实际转速的跟踪误差，并输出电流信号；

(4)内环调节采用电流PID调节器，电流PID调节器的输入为转速PID调节器输出的电流信号，同时助力电机、主动转向电机控制电流的第三真实值和第四真实值反馈至电流PID调节器的输入端，电流PID调节器根据反馈结果进行调节，以消除系统目标信号与实际信号的跟踪误差；

(5)电流PID调节器输出助力电机控制信号f和主动转向电机控制信号e，经逆变器后分别作用于助力电机、主动转向电机，并带动助力液压泵和主动转向液压泵工作，分别对助力动力缸和主动转向动力缸进行压力调节，分别控制循环球转向器和转向直拉杆的助力，将总助力值输出至转向梯形，最后作用于车轮，从而完成预期的转向助力要求。

本发明的有益效果：

本发明系统及控制方法，可依据不同工况实现变传动比转向助力，给车辆驾驶员更好的操纵手力和驾驶路感，增强大客车操作稳定性，减少事故发生。

附图说明

图1为本发明主动转向系统结构框图。

图2为本发明控制方法原理框图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种大客车液压主动转向系统，包括：机械转向模块、液压助力模块、液压主动转向模块、主控制模块及传感器模块；

所述的机械转向模块包括依次连接的方向盘1、转向轴2、循环球转向器5、摇臂12、转向直拉杆18、转向节臂19、转向梯形20及车轮21，方向盘上产生的力矩经转向摇臂12、转向直拉杆18、转向节臂19、转向梯形20输出至车轮21；

所述的液压助力模块包括依次连接的助力电机6、助力液压泵7、助力转阀8、助力动力缸9、第一回油管路10及储油罐11，液压油经助力液压泵7进入助力转阀8，液压油在助力转阀8作用下再进入助力动力缸9，推动循环球转向器5进行液压助力，助力力矩依次传递给转向摇臂12和转向直拉杆18，液压油通过第一回油管路10返回储油罐11；

所述的液压主动转向模块包括依次连接的主动转向电机13、主动转向液压泵14、电磁阀15、主动转向动力缸16、第二回油管路17以及与上述液压助力模块共用的储油罐11；液压油在主动转向液压泵14作用下流经电磁阀15，进入主动转向动力缸16并推动转向直拉杆18运动；转向直拉杆18伸出动力缸的部分与转向节臂19相连，带动转向节臂19和转向梯形20运动，最终实现车轮21的转向；

所述的传感器模块包括转矩传感器3、方向盘转角传感器、车速传感器及横摆角速度传感器，分别输出的转矩信号a、转角信号b、速度信号c、横摆角速度信号d共同传递给主控制模块4；

所述的主控制模块4包括预期转速计算模块22、转速PID调节器24、电流PID调节器25，主控制模块4对接收到的数据信号计算，分别得到助力电机控制信号f、主动转向电机控制信号e，并将助力电机控制信号f传送给助力电机6，将主动转向电机控制信号e传送给主动转向电机13，从而控制车辆液压助力大小及附加液压补偿的大小，实现对车辆转向助力和主动转向的控制。

当助力电机6正常工作时，助力液压泵7通过液压油液流量的调节对循环球转向器5进行液压助力，此时若主动转向电机13不工作，主动转向动力缸16不对转向直拉杆18助力，即主动转向动力缸16与转向直拉杆18无相对运动，这种液压助力方式与目前普遍应用的客车转向器相同。当助力电机6正常工作对循环球转向器5进行助力的同时，若主动转向电机13也工作，通过主动转向动力缸16对转向直拉杆18进行助力，使得主动转向动力缸16和转向直拉杆18有相对运动，增加了一个液压补偿，即可同时对循环球转向器5和转向直拉杆18进行助力控制，这种工作方式适用于客车主动转向，有助于驾驶员操作的舒适性。若驾驶员没有在方向盘1上进行操作，循环球转向器5没有转矩输入，助力电机6不工作，此时从地面传来的波动传递至转向节臂19，使得转向直拉杆18运动，这时主动转向电机13单独工作，控制转向直拉杆18相对主动转向动力缸16单独的运动，从而抵消地面波动，避免地面波动通过机械模块传递至方向盘1，这种工作方式适用于驾驶员对路面突发状况操作不当的情况，提高紧急情况下车辆的稳定性，同时自动抵消路面传来的微小冲击，可以增强乘坐舒适性。

参照图2所示，本发明的一种大客车液压主动转向系统的控制方法，该方法采用电机双闭环控制，外环为转速调节环，内环为电流调节环；包括如下步骤：

(1)通过方向盘输入驾驶员施加的转向力矩；

(2)预期转速计算模块22分别接收转矩传感器输出的转矩信号a、方向盘转角传感器输出的转角信号b、车速传感器输出的速度信号c、横摆角速度传感器输出的横摆角速度信号d，并根据当前车辆工况对所需的助力进行运算，得到助力电机的第一期望转速23和主动转向电机的第二期望转速31；

(3)外环调节采用转速PID调节器24，转速PID调节器的输入为第一期望转速23和第二期望转速31，此外助力电机6和主动转向电机13转速信号的第一真实值27和第二真实值30反馈至转速PID调节器24输入端，转速PID调节器24根据反馈结果进行调节，消除系统目标转速与实际转速的跟踪误差，并输出电流信号32；

(4)内环调节采用电流PID调节器25，电流PID调节器25的输入为转速PID调节器24输出的电流信号32，同时助力电机6、主动转向电机13控制电流的第三真实值28和第四真实值29反馈至电流PID调节器25的输入端，电流PID调节器25根据反馈结果进行调节，以消除系统目标信号与实际信号的跟踪误差；

(5)电流PID调节器25输出助力电机控制信号f和主动转向电机控制信号e，经逆变器26后分别作用于助力电机6、主动转向电机13，并带动助力液压泵7和主动转向液压泵14工作，分别对助力动力缸9和主动转向动力缸16进行压力调节，分别控制循环球转向器5和转向直拉杆18的助力，将总助力值输出至转向梯形20，最后作用于车轮21，从而完成预期的转向助力要求。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种大客车液压主动转向系统，其特征在于，包括：机械转向模块、液压助力模块、液压主动转向模块、主控制模块及传感器模块；

所述的机械转向模块包括依次连接的方向盘、转向轴、循环球转向器、摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向梯形及车轮，方向盘上产生的力矩经转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向梯形输出至车轮；

所述的液压助力模块包括依次连接的助力电机、助力液压泵、助力转阀、助力动力缸、第一回油管路及储油罐，液压油经助力液压泵进入助力转阀，液压油在助力转阀作用下再进入助力动力缸，推动循环球转向器进行液压助力，助力力矩依次传递给转向摇臂和转向直拉杆，液压油通过第一回油管路返回储油罐；

所述的液压主动转向模块包括依次连接的主动转向电机、主动转向液压泵、电磁阀、主动转向动力缸、第二回油管路以及与上述液压助力模块共用的储油罐；液压油在主动转向液压泵作用下流经电磁阀，进入主动转向动力缸并推动转向直拉杆运动；转向直拉杆伸出动力缸的部分与转向节臂相连，带动转向节臂和转向梯形运动，最终实现车轮的转向；

所述的传感器模块包括转矩传感器、方向盘转角传感器、车速传感器及横摆角速度传感器，分别输出的转矩信号a、转角信号b、速度信号c、横摆角速度信号d共同传递给主控制模块；

所述的主控制模块包括预期转速计算模块、转速PID调节器、电流PID调节器，主控制模块对接收到的数据信号计算，分别得到助力电机控制信号f、主动转向电机控制信号e，并将助力电机控制信号f传送给助力电机，将主动转向电机控制信号e传送给主动转向电机，从而控制车辆液压助力大小及附加液压补偿的大小，实现对车辆转向助力和主动转向的控制。

2.一种大客车液压主动转向系统的控制方法，其特征在于，该方法采用电机双闭环控制，外环为转速调节环，内环为电流调节环；包括如下步骤：

(1)通过方向盘输入驾驶员施加的转向力矩；

(2)预期转速计算模块分别接收转矩传感器输出的转矩信号a、方向盘转角传感器输出的转角信号b、车速传感器输出的速度信号c、横摆角速度传感器输出的横摆角速度信号d，并根据当前车辆工况对所需的助力进行运算，得到助力电机的第一期望转速和主动转向电机的第二期望转速；

(3)外环调节采用转速PID调节器，转速PID调节器的输入为第一期望转速和第二期望转速，此外助力电机和主动转向电机转速信号的第一真实值和第二真实值反馈至转速PID调节器输入端，转速PID调节器根据反馈结果进行调节，消除系统目标转速与实际转速的跟踪误差，并输出电流信号；

(4)内环调节采用电流PID调节器，电流PID调节器的输入为转速PID调节器输出的电流信号，同时助力电机、主动转向电机控制电流的第三真实值和第四真实值反馈至电流PID调节器的输入端，电流PID调节器根据反馈结果进行调节，以消除系统目标信号与实际信号的跟踪误差；

(5)电流PID调节器输出助力电机控制信号f和主动转向电机控制信号e，经逆变器后分别作用于助力电机、主动转向电机，并带动助力液压泵和主动转向液压泵工作，分别对助力动力缸和主动转向动力缸进行压力调节，分别控制循环球转向器和转向直拉杆的助力，将总助力值输出至转向梯形，最后作用于车轮，从而完成预期的转向助力要求。