CN108454698B - 基于电动助力的应急转向控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电动助力的应急转向控制方法及系统，其中方法包括：车辆启动后，实时检测方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角；根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况；若是，则根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制所述转向助力电机驱动车轮转向。与传统技术方案相比，本发明实现了机械装置断裂或者脱开状态下车辆转向功能的可控性，极大提升车辆的驾驶安全性。

Description

基于电动助力的应急转向控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电动助力转向控制领域，尤其涉及一种基于电动助力的应急转向控制方法及系统。

背景技术

转向系统是汽车上的重要总成之一，它的主要作用是驾驶员通过操控方向盘，并借由方向盘、转向管柱及机械转向器依次传递扭矩，使连接于转向器两端的车轮的角度发生改变。

但是，当转向管柱与机械转向器发生断裂或者二者相应的机械联接脱开时，例如转向管柱的输入轴(或输出轴)、转向中间轴带万向节总成、机械转向器的小齿轮等发生断裂或者以上部件之间的机械联接失效(如螺栓脱落或花键破坏)等紧急工况时，驾驶员则无法继续通过方向盘控制车轮的转向，导致方向失控等危险的行车事故发生。

然而，目前尚没有行之有效的用于在机械转向器和转向管柱发生断裂或者联接装置失效时，能够继续维持车辆转向功能的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电动助力的应急转向控制方法及系统，用于在机械转向器和转向管柱发生断裂或者联接装置失效时，仍能使驾驶员通过方向盘实现对车轮转向的操作及控制。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于电动助力的应急转向控制方法，包括：

车辆启动后，实时检测方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角；

根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况；

若是，则根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制转向助力电机驱动车轮转向。

优选地，所述根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制转向助力电机驱动车轮转向包括：

根据所述方向盘转角，计算车轮转角期望值；

根据所述车轮转角期望值，计算转向助力电机转角期望值；

根据所述转向助力电机转角期望值，控制转向助力电机直接驱动机械转向器运转，以使车轮转向。

优选地，所述根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况包括：

计算所述方向盘转角与转向助力电机转角的转角差；

若所述转角差大于等于预设的第一阈值，则获取所述方向盘扭矩的下降速率；

若所述下降速率大于预设的第二阈值，则确定车辆处于转向失效工况。

优选地，所述若所述下降速率大于预设的第二阈值，则确定车辆处于转向失效工况包括：

若所述下降速率大于预设的第二阈值，则检测所述方向盘扭矩是否小于预设的第三阈值；

若是，则确定车辆处于转向失效工况。

优选地，所述根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况还包括：

若所述下降速率小于等于预设的第二阈值，则获取所述方向盘转角的变化速率；

若所述变化速率大于预设的第四阈值，则检测所述方向盘扭矩是否小于预设的第三阈值；

若是，则确定车辆处于转向失效工况。

优选地，所述方法还包括：若车辆处于非转向失效工况，则根据所述方向盘扭矩，控制所述转向助力电机执行转向助力功能。

优选地，所述方法还包括：若车辆处于转向失效工况，则触发报警。

一种基于电动助力的应急转向控制系统，包括电动助力控制器、转向助力电机、方向盘以及方向盘扭矩传感器，还包括：安装于所述方向盘下方的方向盘角度传感器以及安装于所述转向助力电机的电机角度传感器；

所述电动助力控制器用于在车辆启动后通过方向盘扭矩传感器、方向盘角度传感器以及电机角度传感器，实时检测方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角；并根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况；

在确定车辆处于转向失效工况后，所述电动助力控制器根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制所述转向助力电机驱动车轮转向。

优选地，所述系统还包括：报警单元；

所述电动助力控制器还用于在确定车辆处于转向失效工况后，触发所述报警单元输出警示信号。

优选地，所述转向助力电机安装于机械转向器上。

本发明通过对检测方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角等信号对车辆的转向工况进行识别，并在车辆处于转向失效工况后，将转向助力电机的助力作用切换为用来驱动车轮转动，以此达到继续维持车辆转向的目的。与传统技术方案相比，本发明实现了机械装置断裂或者脱开状态下车辆转向功能的可控性，极大提升车辆的驾驶安全性。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为本发明提供的基于电动助力的应急转向控制方法的实施例的流程图；

图2为本发明提供的基于电动助力的应急转向控制方法的较佳实施例的流程图；

图3为本发明提供的基于电动助力的应急转向控制方法的另一个较佳实施例的流程图；

图4为本发明提供的基于电动助力的应急转向控制方法的综合实施例的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

首先需要指出的是，本领域技术人员均了解，为了使驾驶员的转向操作更为省力，几十年前传统的液压转向助力转向系统由此应运而生，而最近几年电动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)正在逐步替代液压转向系统，该系统由助力电机直接提供转向助力，省去了传统的液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又避免了液压油对环境造成的污染，另外，电动助力转向系统还具有工作噪音小、装配灵活、调校方便以及大幅提升车辆转向手感等优点。但是，电动助力转向系统应用仍局限于辅助驾驶员转向操作，即在驱动车轮完成转向操作时，施加在机械转向器上的扭矩包含了驾驶员通过方向盘施加在转向管柱2上的部分“手力”以及转向助力电机的辅助力，从而起到了减轻驾驶员的“手力”负担，然而电动助力转向系统并没有直接参与驱动转向，而只是通过“手力”计算驾驶员的期望扭矩，并由电机提供相应扭矩用以抵消部分“手力”。

基于此，本发明将电动助力转向系统基础上与应急转向的技术需求相结合，拓展了电动助力转向系统的应用层面，使其展现出意想不到的技术效果，具体如下：

本发明提供了一种基于电动助力的应急转向控制方法的实施例，参考图1所示，该控制方法的主要步骤包括：

步骤S1、车辆启动后，实时检测方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角；

步骤S2、根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况；

若车辆处于转向失效工况，则执行步骤S3、根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制所述转向助力电机驱动车轮转向。

可见，上述实施例提出结合三个参量，方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，判断车辆工况并将转向助力电机的辅助施力功能转变为能够用以驱动车轮转向；需要说明的是，其一，车辆启动与否，可以借由点火开关状态进行判断，并且还可以在检测上述三个参量时，对车速和发动机转速进行监控，这与现有的电动助力的控制方式相近，本发明不与赘述；其二，所述转向失效工况，是指前文提出的技术问题，即转向系统中的机械部件连接断开或零部件断裂造成驾驶员无法直接通过方向盘操控转向，例如机械转向器(连同两端的车轮)与转向管柱(连同方向盘)处于脱节状态；其三，步骤S3中提及的控制所述转向助力电机驱动车轮转向，不是指已经属于现有技术的辅助车轮转向的含义，而是指在驾驶员无法通过方向盘直接驱动转向的紧急工况下，由转向助力电机直接驱动车轮转向，其起到了替代方向盘驱动转向的作用，也即是转向助力电机由辅助施力转变为用以直接驱动车轮转向。

对此，本发明在另一个实施例为步骤S3提供了一种实施参考，如图2所示，步骤S3具体包括：

步骤S31、根据所述方向盘转角，计算车轮转角期望值；

步骤S32、根据所述车轮转角期望值，计算转向助力电机转角期望值；

步骤S33、根据所述转向助力电机转角期望值，控制所述转向助力电机直接驱动机械转向器运转，以使车轮转向。

在该实施例中，本发明提出借由驾驶员操控方向盘旋转的角度，计算出需求的目标车轮转角，具体的计算方式可以通过角度传动比，即方向盘与车轮二者的旋转角度对应一个固有的对应关系(该对应关系虽然非绝对的线性，但一般可近似为比例关系)，该数值可根据不同车型进行标定，属于现有技术，本发明对此不予赘述；利用计算出的车轮转角期望值，进一步计算转向助力电机转角期望值，换言之，此时需要由转向助力电机的运转进而实现车轮转角期望值，因此该实施例中将车轮转角期望值作为计算基础，用来获得转向助力电机的目标转角，具体的计算过程可以通过车轮转角与转向助力电机经由蜗轮蜗杆、或者皮带和滚珠丝杠等构成的减速机构的比例关系进行换算，其中，转向助力电机经由减速机构再通过机械转向器的拉杆推动车轮，传动过程中的比例关系(传动比)也为一个固定的对应关系，当然，本领域技术人员可以理解的是，该对应关系同样为标定数据，并且可利用现有技术获得，因此本发明不再赘述；最后，根据该转向助力电机的目标转角，控制所述转向助力电机直接驱动机械转向器运转，以使车轮转向，其中可采用常规的闭环负反馈控制回路，给定目标的设定转角，监测电机的当前实际转角，从而进行反馈调节。

在实际操作中，并不限于上述处理方式，可以直接根据方向盘转角和转向助力电机转角的比例关系(在先标定)获得目标控制数据，以此控制转向助力电机驱动车轮转向，或者由前述二者转角关系再结合电机减速比换算得到目标电机转速，通过对电机转速的闭环控制，调节车轮转动角度。

对于前述步骤S2根据方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况的具体实施方式，参考图3所示，其中包括：

步骤S21、计算所述方向盘转角与转向助力电机转角的转角差；

步骤S22、判断该转角差与预设的第一阈值的关系，若所述转角差大于等于预设的第一阈值，则执行步骤S23、获取所述方向盘扭矩的下降速率；

接着执行步骤S24、判断该下降速率与预设的第二阈值的关系，若所述下降速率大于预设的第二阈值，则执行步骤S25、确定车辆处于转向失效工况。

在该实施例中，本发明首先考虑到方向盘转角和转向助力电机转角存在固有的比例关系，若处于转向失效工况，二者的旋转角度很大几率会发生偏差，因而提出求得二者的转角差，借由该转角差与一个预先设定的转角差门限值(例如20°)的关系，确定是否角度偏差过大；这里需要说明的是，由于本发明的核心思路是改变转向助力电机的功能，即从提供辅助扭力切换为直接驱动车轮转向，因而若以单一条件判别是否存在转向失效工况，可能出现误判，导致转向助力电机功能发生非期望切换，对于车辆和驾乘人员而言，均有不良影响，因此本实施例中提出在判定角度偏差过大后还需要进一步通过方向盘扭矩的下降速率来确定当前工况，此处的考虑是若发生前述转向失效工况，方向盘(连同转向管柱)与机械转向器脱开，方向盘的运转阻力减小，此时驾驶员操作方向盘时所施扭力也必然会减小，因此方向盘扭矩的下降速率会随之增加，通过与预先设置的下降速率门限进行比较，比如100Nm/s，如超过该阈值，并结合前述转速差的条件，经如此双重确认则可以更为确切地得出结论：车辆的当前工况处于转向失效工况。

在上述实施例基础上，为了使工况判定更为准确可靠，避免误操作，本发明还提出了更佳的实施例，如图4所示的综合方案，在前述通过第二阈值确定车辆处于转向失效工况中具体还可以包括：

一方面、若所述下降速率大于预设的第二阈值，则先执行步骤S241、检测所述方向盘扭矩是否小于预设的第三阈值；若是，则执行步骤步骤S25、确定车辆处于转向失效工况。这个方案的出发点是，一旦发生转向失效，方向盘扭矩不仅下降速率增加，而且为了确保是真实脱开工况，在本实施例中需要进一步判断方向盘的实际扭矩，本领域技术人员可以理解的是，当转向系统脱开后，方向盘的实际扭矩将会处于很小的范围内，驾驶员此时操作方向盘几乎毫不费力，据此，本发明提出与预先设定的方向盘扭矩门限进行比较，例如0.5Nm，实际操作中也可以将该第三阈值设为方向盘扭矩的下限值，若当前的方向盘扭矩小于该第三阈值，则可以更为确切地判定出车辆处于转向失效工况；

另一方面，根据实际测试发现，在前述下降速率与第二阈值的判定时，可能出现下降速率并非过快的情况，但转向系统已然失效的较小概率事件，因此，在图4的综合方案中，本发明还提出若前述下降速率小于等于预设的第二阈值，则执行步骤S242、获取所述方向盘转角的变化速率；并执行步骤S243、判断变化速率与预设的第四阈值关系，若所述变化速率大于预设的第四阈值，则再执行步骤241、检测所述方向盘扭矩是否小于预设的第三阈值；若是，则执行步骤S25、确定车辆处于转向失效工况。这个方案的出发点是，针对该小概率事件，本发明提出在转速差过大但方向盘扭矩下降速率仍处于正常范围时，进一步借由方向盘转角的变化速率判定是否异常，若由转角判定出异常后，再经由方向盘的实时扭矩的判定进行“托底”检验，从而确保了工况判定万无一失，使得本发明在实际应用中更为保险和稳定。

本发明为了提升控制的可靠性，提供了上述多种判定条件，但本发明不限于按照上述判定条件判定逻辑次序以及组合方式，本领域技术人员可以在前述内容的基础上做成相应的调整或拓展。

基于上述各实施方式及其优选方案，需要补充说明的是，如果经工况判断出车辆处于非转向失效工况，也即是转向系统各部件功能和连接相对正常时，则可以根据前述方向盘扭矩，控制所述转向助力电机执行转向助力功能(或者上述部分判定步骤中输出为否的工况，例如步骤S22、步骤S241、步骤S243等)，因为该方式与现有的电动转向助力系统的辅助施力功能一致，对此本发明不予限定和赘述；此外，本发明还结合实际情况考虑到一旦转向失效，则按照前述方式由转向助力电机直接驱动机械转向器运转以带动车轮转动，而此刻控制依据仍来自于驾驶员的操作期望，即通过方向盘的状态判定驾驶员是否有转向意图，但是此时方向盘扭力很小，驾驶员在驾驶中手感发生变化，有可能出现操作方向盘的动作过度，致使前述控制方法的控制依据的准确度降低，于此，本发明提出一旦判定出车辆处于转向失效工况，则可以触发相应的报警功能，该报警可以是针对驾驶员本人，也可以是针对驾驶员以及车外人员，目的是提醒接收到报警信息的人，本车的转向系统出现异常，需谨慎操作、规避风险并及时处理问题；在此情况下，驾驶员则会小心操作方向盘，从而避免操作过度的问题，并且，即使由于操作过度导致转向控制准确性下降，车外接收到报警信息的人员或车辆也能够及时避开本车，以使本车能够相对安全地驶离车道进行后续处理。

相应于上述控制方法，本发明提供了一种基于电动助力的应急转向控制系统，其中包括电动助力控制器、转向助力电机、方向盘以及方向盘扭矩传感器，在此基础上还在所述方向盘下方安装有方向盘角度传感器以及在所述转向助力电机中安装有电机角度传感器，在实际操作中，该电机角度传感器可以装在转向助力电机的减速机构中。

并依据前述控制方法，对电动助力控制器的功能进行相应调整，使其用于在车辆启动后通过方向盘扭矩传感器、方向盘角度传感器以及电机角度传感器，实时检测方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角；并能够根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况，具体判定工况的方式参见前文，此处不与赘述；在确定车辆处于转向失效工况后，该电动助力控制器还可以根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制所述转向助力电机驱动车轮转向，同样地，电动助力控制器操控转向助力电机直接驱动车轮转向的方式参考前文所述。

相应于前文提及的报警方式，在本系统中还可以包括报警单元；而电动助力控制器还能够用于在确定车辆处于转向失效工况后，触发报警单元输出警示信号，在实际操作中，报警单元可以是显示图形或文字信息的组合仪表、智能系统的屏幕等，而报警的形式可以采用语音提示、闪灯并伴随蜂鸣等。现有技术可提供多种选择，对此本发明不予限定。

最后，需对本发明说明的是，由于本方案立足于现有的电动转向助力系统，因此考虑到需要利用其中的转向助力电机对机械转向器(连同车轮)进行操控，因而可以优选将本发明各实施方式直接施用在转向助力电机安装在机械转向器上的电动转向助力系统，例如小齿轮端助力式(助力电机安装于机械转向器的小齿轮输入轴上)、双小齿轮助力式(助力电机的减速机构安装于转向器的转向齿条上)、齿条助力式(助力电机直接作用于转向齿条上)等类型；而对于管柱端助力式(助力电机安装在转向管柱上)的助力系统，通常当转向管柱与机械转向器脱开后，助力电机不能起到直接操控机械转向器的作用，因此，可以对管柱端助力式系统进行相应的改造，例如在助力电机与机械转向器之间额外增设传动机构，这样即使转向管柱与机械转向器脱开，助力电机仍可以与机械转向器保持连接，从而，经过改造的管柱端助力式转向助力系统同样适用于本发明的技术方案。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，但以上所述仅为本发明的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本发明的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于电动助力的应急转向控制方法，其特征在于，包括：

车辆启动后，实时检测方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角；

根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况，包括：计算所述方向盘转角与转向助力电机转角的转角差；若所述转角差大于等于预设的第一阈值，则获取所述方向盘扭矩的下降速率；若所述下降速率大于预设的第二阈值，则确定车辆处于转向失效工况；

若是，则根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制转向助力电机驱动车轮转向。

2.根据权利要求1所述的转向控制方法，其特征在于，所述根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制转向助力电机驱动车轮转向包括：

根据所述方向盘转角，计算车轮转角期望值；

根据所述车轮转角期望值，计算转向助力电机转角期望值；

根据所述转向助力电机转角期望值，控制转向助力电机直接驱动机械转向器运转，以使车轮转向。

3.根据权利要求1所述的应急转向控制方法，其特征在于，所述若所述下降速率大于预设的第二阈值，则确定车辆处于转向失效工况包括：

若所述下降速率大于预设的第二阈值，则检测所述方向盘扭矩是否小于预设的第三阈值；

若是，则确定车辆处于转向失效工况。

4.根据权利要求1所述的应急转向控制方法，其特征在于，所述根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况还包括：

若所述下降速率小于等于预设的第二阈值，则获取所述方向盘转角的变化速率；

若所述变化速率大于预设的第四阈值，则检测所述方向盘扭矩是否小于预设的第三阈值；

若是，则确定车辆处于转向失效工况。

5.根据权利要求1～4任一项所述的应急转向控制方法，其特征在于，所述方法还包括：若车辆处于非转向失效工况，则根据所述方向盘扭矩，控制所述转向助力电机执行转向助力功能。

6.根据权利要求5所述的应急转向控制方法，其特征在于，所述方法还包括：若车辆处于转向失效工况，则触发报警。

7.一种基于电动助力的应急转向控制系统，包括电动助力控制器、转向助力电机、方向盘以及方向盘扭矩传感器，其特征在于，还包括：安装于所述方向盘下方的方向盘角度传感器以及安装于所述转向助力电机的电机角度传感器；

所述电动助力控制器用于在车辆启动后通过方向盘扭矩传感器、方向盘角度传感器以及电机角度传感器，实时检测方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角；并根据所述方向盘扭矩、方向盘转角以及转向助力电机转角，确定车辆是否处于转向失效工况，包括：计算所述方向盘转角与转向助力电机转角的转角差；若所述转角差大于等于预设的第一阈值，则获取所述方向盘扭矩的下降速率；若所述下降速率大于预设的第二阈值，则确定车辆处于转向失效工况；

在确定车辆处于转向失效工况后，所述电动助力控制器根据所述方向盘转角和转向助力电机转角，控制所述转向助力电机驱动车轮转向。

8.根据权利要求7所述的应急转向控制系统，其特征在于，所述系统还包括：报警单元；

所述电动助力控制器还用于在确定车辆处于转向失效工况后，触发所述报警单元输出警示信号。

9.根据权利要求7或8所述的应急转向控制系统，其特征在于，所述转向助力电机安装于机械转向器上。