CN108820035B - 一种商用车线控液压转向系统的转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种商用车线控液压转向系统的转向控制方法，系统包括转向盘模块、机械转向模块、液压传动模块及控制模块。控制模块中的ECU输出信号控制液压泵驱动电机和电磁换向阀工作，通过改变液压缸活塞两侧油压，驱动连杆机构以改变车轮的转角；ECU还输出电流信号，通过路感电机反馈给驾驶员对应路感，完成线控液压转向。当线控液压转向出现故障时，ECU输出指令接合故障离合器，启用机械转向模块。本发明可智能设置变传动比，提高商用车转向系统的响应能力和安全性，整体改善车辆的转向性能，同时在线控系统故障情况下可以切换为可靠的机械传动，从而保证紧急情况下驾驶员对车辆转向的可操作性，保证车辆的安全。

Description

一种商用车线控液压转向系统的转向控制方法

技术领域

本发明属于转向系统技术领域，尤其涉及一种商用车线控液压转向系统的转向控制方法。

背景技术

线控转向系统克服了传统转向系统中机械结构的各种限制，可以任意设置转向传动比，是未来车辆转向系统的发展方向。驾驶员仅输入转向盘的转角指令，在保持操纵稳定的条件下，ECU(电子控制单元)根据转向盘输入转角、车辆当前行驶状态等信息，依据有关控制算法确定合理的车轮转角，实现准确的转向。线控转向系统同时需要向驾驶员提供模拟生成的“路感”，优化驾驶员的驾驶感觉。此外，线控转向系统中的转向传动比可根据实际情况进行智能调整，在实际驾驶过程中适应性更强，改善了驾驶特性，增强了驾驶员的操纵性。

现有的线控转向系统采用的电机助力的方式，所能提供的转向转矩有限，因此多数针对前轴载荷较小的乘用车进行开发，而前轴载荷较大的商用车鲜有线控转向的公开报道。另一方面，现有的线控转向系统缺少机械结构连接，工作可靠性多数采用软件容错来保障，缺乏硬件容错，在紧急情况存在一定的安全隐患。

液压转向系统可产生较大的转向助力转矩，因此常用于驱动大型商用车的转向系统。且液压转向技术发展成熟，通过液压泵、换向阀对油液进行流量、方向的调节，性能稳定，操控效果也更为精确。但现有液压转向系统的角传动比为定值，当客车在原地或低速行驶时，常需要进行大转角转向，驾驶员需要输入较大的方向盘转角才能完成转向要求，加大了驾驶员的工作强度；反之在高速行驶状态下，方向盘会过于灵敏。

因此，对前轴载荷较大，不适合采用电动线控转向的商用车而言，通过线控液压转向，能够完美解决低车速转向沉重、高车速转向“发飘”的问题，并保证车辆转向的可靠性和安全性，具有较大的意义和良好的经济效益。

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商用车线控液压转向系统的转向控制方法，以克服现有技术中存在的问题。本发明可以由ECU根据车辆的行驶工况实时设置可变传动比，减轻驾驶员的负担，提高商用车转向系统对驾驶员转向输入的响应能力；当电子元件出现故障，使线控液压转向部分失效时，故障离合器接合同时启用机械转向部分，弥补了商用车线控液压转向系统可靠性差的不足，保证整车的正常行驶。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种商用车线控液压转向系统的转向控制方法，系统包括：转向盘模块、机械转向模块、液压传动模块及控制模块；

所述转向盘模块包括依序连接的转向盘、转向轴、转矩转角传感器、路感电机及路感计算单元；

所述机械转向模块包括故障离合器、转向轴、转向小齿轮、齿形液压缸、连杆机构及车轮；

所述故障离合器及转向小齿轮均安装在转向轴上；

所述齿形液压缸外壳上开设有进油口和出油口，且其一边外侧设计有齿状结构，与转向小齿轮相啮合，形成齿轮齿条转向机构；

所述连杆机构包括活塞、转向横拉杆及转向主销，三者依次连接；

所述液压传动模块包括油箱、液压泵驱动电机、液压泵、电磁换向阀、齿形液压缸及连杆机构；所述液压泵驱动电机与液压泵相连，驱动液压泵工作；

所述液压泵的低压端与油箱相连，高压端与电磁换向阀相连，将油箱中低压油加压至高压油，并传递给电磁换向阀；

所述电磁换向阀通过油管连通油箱、液压泵和齿形液压缸，通过改变电磁换向阀中油液流量及流向，使活塞两侧的油压大小发生变化，以产生的压差驱动活塞相对齿形液压缸运动，并改变车轮的转角；

所述控制模块包括电子控制单元及与之相连的车轮车速传感器、车辆侧向加速度传感器、车辆横摆角速度传感器、活塞位移传感器、液压缸油压传感器；

所述车轮车速传感器安装在车轮上，测量车轮车速；

所述车辆侧向加速度传感器测量车辆侧向加速度；

所述车辆横摆角速度传感器测量车辆横摆角速度；

所述活塞位移传感器和液压缸油压传感器安装在齿形液压缸内壁，分别测量活塞位移和齿形液压缸两端压力；所述电子控制单元向液压泵驱动电机、电磁换向阀及路感计算单元发送控制指令，完成线控液压转向及对液压传动模块形成闭环控制；

该转向控制方法包括如下步骤：

1)控制模块接收驾驶员输入转角信号、车轮车速信号、侧向加速度信号，横摆角速度信号、活塞位移信号、液压缸油压信号，并判断线控液压系统是否正常工作，若“是”则进入步骤2)，若“否”则进入步骤3)；

2)电子控制单元根据前轮转角传动比特性，计算出所需的前轮转角大小，驱动液压泵驱动电机对液压泵进行加压，同时根据活塞位移传感器、液压缸油压传感器获取的信号判断当前齿形液压缸的工作状态，向电磁换向阀发送控制指令，改变电磁换向阀的工作位置，从而使液压泵输出的高压油进入齿形液压缸，进而向车轮输出所需的前轮转角；电子控制单元计算当前状态下前轮转角对应的转向阻力矩，向路感计算单元输出控制信号，路感计算单元计算当前状态下需要反馈的路感大小并控制路感电机作用，通过转向轴和方向盘向驾驶员输入模拟的路感，结束；

3)当液压线控系统出现故障，电子控制单元控制液压泵驱动电机、路感电机停止工作，同时立即向故障离合器发出控制信号，接合机械转向部分，驾驶员通过方向盘直接驱动车轮进行转向，完成应急转向操作，结束。

优选地，所述步骤2)中对电磁换向阀采用滑模变结构的控制方法，具体步骤如下：

1、设计滑模面

1.1不考虑电磁换向阀的非线性影响，将其视为简单的为比例环节，则电磁换向阀阀芯位移到液压缸活塞位移的传递函数为：

其中，s为拉普拉斯算子，K_h为稳态增益，ω_h为固有频率，ξ_h为阻尼比；

1.2通过系统状态辨识，并转换得到的系统状态空间方程为：

C＝[1 0 0]

被控对象为三阶系统，

为系统状态变量；

1.3设定r为给定的输入信号，y为系统输出信号，系统的误差为e＝r-y，定义系统的误差向量为：

得到系统模型状态空间方程：

y＝x₁

得到系统误差状态方程：

1.4设计滑模切换函数为：

s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃，其中c₁c₂为常数；

设计滑模运动的微分方程为：

1.5在满足s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃＝0的条件下，得到简化滑模运动的微分方程：

1.6采用极点配置法求得c₁，c₂，选择期望极点为-12.8±78.62i，得到常数：

c₁＝2582，c₂＝48.23；

2、控制器设计

2.1设计滑模变结构控制器为：

u＝u_eq+u_sw；

其中，u_eq为等效控制，实现系统状态的跟踪，即将系统的状态一直保持在滑模面上；u_sw为切换控制，使系统状态趋近于滑模面，削弱系统的抖振；

2.2采用指数趋近律等效控制部分，对s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃求导，得到：

由

得到等效控制为：

2.3切换控制部分选择指数趋近律，即：

其中，

2.4取指数趋近律的参数k为20，加快调节时间，快速到达滑模面，削弱抖振；取改善系统的品质的参数ε为5，使得趋近的速度满足控制要求，同时减小调节的过程产生的抖动；得到的切换控制为：

u_sw＝-εsgn(s)-ks；

2.5综上得到滑模变结构的控制器设计为：

本发明的有益效果：

1.本发明不仅可以设置可变传动比，车辆低速行驶时减轻驾驶员的负担，提高商用车转向系统的响应能力；车辆高速行驶时使车辆转向更加稳定，提高商用车的安全性；并通过模拟转向路感，帮助驾驶员获取路面信息，增强驾驶员对车辆和路面状况的综合判断能力。

2.本发明在电子元件出现故障，线控液压转向部分失效时，通过故障离合器接合并同时启用机械转向部分，保证紧急情况下驾驶员对车辆转向的可操纵性，弥补了商用车线控液压转向系统可靠性差的不足，保证车辆的安全。

3.本发明基于滑模变结构控制方法对电磁换向阀进行控制，控制较为简单，同时具有快速响应、对参数变化及外界扰动不灵敏等优点，使得系统具有良好的鲁棒性，保证了车辆转向控制系统的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明系统的结构原理图；

图2为本发明的转向控制方法原理图：

图3为本发明电磁换向阀滑模变结构控制原理图；

图中，1-转向盘，2-转向轴，3-路感电机，4-转矩转角传感器，5-路感计算单元，6-故障离合器，7-活塞位移传感器，8-转向小齿轮，9-液压缸油压传感器，10-齿形液压缸，11-电磁换向阀，12-油箱，13-液压泵驱动电机，14-液压泵，15-车轮，16-转向横拉杆，17-转向主销，18-活塞，19-ECU，v-车轮车速信号，ay-车辆侧向加速度信号，ω-车辆横摆角速度信号。

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至3所示，本发明的一种商用车线控液压转向系统的转向控制方法，系统包括：转向盘模块、机械转向模块、液压传动模块及控制模块；

所述转向盘模块包括依序连接的转向盘1、转向轴2、转矩转角传感器4、路感电机3及路感计算单元5；

所述机械转向模块包括故障离合器6、转向轴2、转向小齿轮8、齿形液压缸10、连杆机构及车轮15；

所述故障离合器6及转向小齿轮8均安装在转向轴2上；

所述齿形液压缸10外壳上开设有进油口和出油口，且其一边外侧设计有齿状结构，与转向小齿轮8相啮合，形成齿轮齿条转向机构；

所述连杆机构包括活塞18、转向横拉杆16及转向主销17，三者依次连接；

所述液压传动模块包括油箱12、液压泵驱动电机13、液压泵14、电磁换向阀11、齿形液压缸10及连杆机构；所述液压泵驱动电机13与液压泵14相连，驱动液压泵工作；

所述液压泵14的低压端与油箱12相连，高压端与电磁换向阀11相连，将油箱中低压油加压至高压油，并传递给电磁换向阀11；

所述电磁换向阀11通过油管连通油箱12、液压泵14和齿形液压缸10，通过改变电磁换向阀中油液流量及流向，使活塞18两侧的油压大小发生变化，以产生的压差驱动活塞相对齿形液压缸运动，并改变车轮的转角；

所述控制模块包括电子控制单元(ECU)19及与之相连的车轮车速传感器、车辆侧向加速度传感器、车辆横摆角速度传感器、活塞位移传感器7、液压缸油压传感器；

所述车轮车速传感器安装在车轮上，测量车轮车速；

所述车辆侧向加速度传感器测量车辆侧向加速度；

所述车辆横摆角速度传感器测量车辆横摆角速度；

所述活塞位移传感器和液压缸油压传感器安装在齿形液压缸内壁，分别测量活塞位移和齿形液压缸两端压力；所述电子控制单元19向液压泵驱动电机13、电磁换向阀11及路感计算单元5发送控制指令，完成线控液压转向及对液压传动模块形成闭环控制。

该转向控制方法包括如下步骤：

1)控制模块接收驾驶员输入转角信号、车轮车速信号、侧向加速度信号，横摆角速度信号、活塞位移信号、液压缸油压信号，并判断线控液压系统是否正常工作，若“是”则进入步骤2)，若“否”则进入步骤3)；

2)电子控制单元根据前轮转角传动比特性，计算出所需的前轮转角大小，驱动液压泵驱动电机对液压泵进行加压，同时根据活塞位移传感器、液压缸油压传感器获取的信号判断当前齿形液压缸的工作状态，向电磁换向阀发送控制指令，改变电磁换向阀的工作位置，从而使液压泵输出的高压油进入齿形液压缸，进而向车轮输出所需的前轮转角；电子控制单元计算当前状态下前轮转角对应的转向阻力矩，向路感计算单元输出控制信号，路感计算单元计算当前状态下需要反馈的路感大小并控制路感电机作用，通过转向轴和方向盘向驾驶员输入模拟的路感，结束；

3)当液压线控系统出现故障，电子控制单元控制液压泵驱动电机、路感电机停止工作，同时立即向故障离合器发出控制信号，接合机械转向部分，驾驶员通过方向盘直接驱动车轮进行转向，完成应急转向操作，结束。

其中，所述步骤2)中对电磁换向阀采用滑模变结构的控制方法，具体步骤如下：

1、设计滑模面

1.1不考虑电磁换向阀的非线性影响，将其视为简单的为比例环节，则电磁换向阀阀芯位移到液压缸活塞位移的传递函数为：

其中，s为拉普拉斯算子，K_h为稳态增益，ω_h为固有频率，ξ_h为阻尼比；

1.2通过系统状态辨识，并转换得到的系统状态空间方程为：

C＝[1 0 0]

被控对象为三阶系统，

为系统状态变量；

1.3设定r为给定的输入信号，y为系统输出信号，系统的误差为e＝r-y，定义系统的误差向量为：

得到系统模型状态空间方程：

y＝x₁

得到系统误差状态方程：

1.4设计滑模切换函数为：

s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃，其中c₁c₂为常数；

设计滑模运动的微分方程为：

1.5在满足s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃＝0的条件下，得到简化滑模运动的微分方程：

1.6采用极点配置法求得c₁，c₂，选择期望极点为-12.8±78.62i，得到常数：

c₁＝2582，c₂＝48.23；

2、控制器设计

2.1设计滑模变结构控制器为：

u＝u_eq+u_sw；

其中，u_eq为等效控制，实现系统状态的跟踪，即将系统的状态一直保持在滑模面上；u_sw为切换控制，使系统状态趋近于滑模面，削弱系统的抖振；

2.2采用指数趋近律等效控制部分，对s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃求导，得到：

由

得到等效控制为：

2.3切换控制部分选择指数趋近律，即：

其中，

2.4取指数趋近律的参数k为20，加快调节时间，快速到达滑模面，削弱抖振；取改善系统的品质的参数ε为5，使得趋近的速度满足控制要求，同时减小调节的过程产生的抖动；得到的切换控制为：

u_sw＝-εsgn(s)-ks；

2.5综上得到滑模变结构的控制器设计为：

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 (1)

1.一种商用车线控液压转向系统的转向控制方法，其特征在于，商用车线控液压转向系统包括：转向盘模块、机械转向模块、液压传动模块及控制模块；

所述转向盘模块包括依序连接的转向盘、转向轴、转矩转角传感器、路感电机及路感计算单元；

所述机械转向模块包括故障离合器、转向轴、转向小齿轮、齿形液压缸、连杆机构及车轮；

所述故障离合器及转向小齿轮均安装在转向轴上；

所述齿形液压缸外壳上开设有进油口和出油口，且其一边外侧设计有齿状结构，与转向小齿轮相啮合，形成齿轮齿条转向机构；

所述连杆机构包括活塞、转向横拉杆及转向主销，三者依次连接；

所述液压传动模块包括油箱、液压泵驱动电机、液压泵、电磁换向阀、齿形液压缸及连杆机构；所述液压泵驱动电机与液压泵相连，驱动液压泵工作；

所述液压泵的低压端与油箱相连，高压端与电磁换向阀相连，将油箱中低压油加压至高压油，并传递给电磁换向阀；

所述电磁换向阀通过油管连通油箱、液压泵和齿形液压缸，通过改变电磁换向阀中油液流量及流向，使活塞两侧的油压大小发生变化，以产生的压差驱动活塞相对齿形液压缸运动，并改变车轮的转角；

所述控制模块包括电子控制单元及与之相连的车轮车速传感器、车辆侧向加速度传感器、车辆横摆角速度传感器、活塞位移传感器、液压缸油压传感器；

所述车轮车速传感器安装在车轮上，测量车轮车速；

所述车辆侧向加速度传感器测量车辆侧向加速度；

所述车辆横摆角速度传感器测量车辆横摆角速度；

所述活塞位移传感器和液压缸油压传感器安装在齿形液压缸内壁，分别测量活塞位移和齿形液压缸两端压力；所述电子控制单元向液压泵驱动电机、电磁换向阀及路感计算单元发送控制指令，完成线控液压转向及对液压传动模块形成闭环控制；

该转向控制方法包括如下步骤：

1)控制模块接收驾驶员输入转角信号、车轮车速信号、侧向加速度信号，横摆角速度信号、活塞位移信号、液压缸油压信号，并判断线控液压系统是否正常工作，若“是”则进入步骤2)，若“否”则进入步骤3)；

2)电子控制单元根据前轮转角传动比特性，计算出所需的前轮转角大小，驱动液压泵驱动电机对液压泵进行加压，同时根据活塞位移传感器、液压缸油压传感器获取的信号判断当前齿形液压缸的工作状态，向电磁换向阀发送控制指令，改变电磁换向阀的工作位置，从而使液压泵输出的高压油进入齿形液压缸，进而向车轮输出所需的前轮转角；电子控制单元计算当前状态下前轮转角对应的转向阻力矩，向路感计算单元输出控制信号，路感计算单元计算当前状态下需要反馈的路感大小并控制路感电机作用，通过转向轴和方向盘向驾驶员输入模拟的路感，结束；

3)当液压线控系统出现故障，电子控制单元控制液压泵驱动电机、路感电机停止工作，同时立即向故障离合器发出控制信号，接合机械转向部分，驾驶员通过方向盘直接驱动车轮进行转向，完成应急转向操作，结束。

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