CN109606465A - 一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器 - Google Patents

一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，包括：液压助力转向器和双电机伺服转向装置，双电机伺服转向装置的第一伺服电机和第二伺服电机并联且设置于所述双电机伺服转向装置上；所述第一控制单元和第二控制单元均与所述控制器通信连接；蜗轮，所述第一伺服电机及第二伺服电机均与所述蜗轮传动连接，所述蜗轮与所述输出轴配合连接。通过具备冗余双电机的电动液压助力转向系统满足车辆驾驶员驾驶、辅助驾驶、无人驾驶的转向功能要求；通过控制器获得的转矩转角信息控制单/双电机助力，能在无人驾驶/辅助驾驶模式成功完成转向功能。保证了车辆转向系统的容错性，提高了系统的安全性能。

Description

一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器
技术领域
本发明涉及汽车转向系统技术领域，更具体的说是涉及一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器。
背景技术
智能驾驶是车辆未来发展的主要方向，为了使商用车实现辅助驾驶和无人驾驶的功能，转向系统也需要做出相应的改进。目前商用车上广泛使用的转向系统是传统液压助力转向系统，转向器为循环球液压助力转向器，但是其存在助力比固定、高速路感差、能源利用效率低等不足，且不具备辅助驾驶功能。电动助力转向系统利用电机提供转向助力，能克服以上不足，但是其提供的助力相对较小，适用于乘用车但是不能满足前轴负荷大的商用车转向助力需求。
考虑到转向系统辅助转向或自动转向功能是将来无人商用车的必备功能，以及无人驾驶情况下一旦转向发生误操作可能会导致的严重后果。基于当前行业背景，本发明提出了一种适合L3级以上高等级自动驾驶商用车用具备冗余双电机的电动液压助力转向系统，满足智能驾驶需求的同时提高系统容错性，保证安全。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，车体内设有控制器，包括：
液压助力转向器，所述液压助力转向器的输出端与车轮转向驱动部连接；
双电机伺服转向装置，所述双电机伺服转向装置与所述液压助力转向器连接，其包括第一伺服电机、第二伺服电机、蜗轮、输入轴和输出轴，所述输入轴与所述输出轴传动连接；所述输出轴与所述液压助力转向器的输入端配合连接；
所述第一伺服电机与第一控制单元通信连接；所述第二伺服电机与第二控制单通信连接；所述第一伺服电机和第二伺服电机并联且设置于所述双电机伺服转向装置上；所述第一控制单元和第二控制单元均与所述控制器通信连接；
所述第一伺服电机及第二伺服电机均与所述蜗轮传动连接，所述蜗轮与所述输出轴配合连接；
扭矩转角传感器，所述扭矩转角传感器的磁环部与所述输入轴连接，所述扭矩传感器的下端本体与所述输出轴连接；所述扭矩转角传感器与所述控制器通信连接。
本发明的有益效果是：通过具备冗余双电机的电动液压助力转向系统满足车辆驾驶员驾驶、辅助驾驶、无人驾驶的转向功能要求；通过控制器获得的转矩转角信息控制单/双电机助力，能很好地完成随速助力、主动回正、应急转向等基本功能；通过获得的转角/转矩指令要求控制单/双电机助力，能在无人驾驶/辅助驾驶模式成功完成转向功能。转矩转角传感器信息冗余、单/双电机采用独立的控制单元控制，保证了车辆转向系统的容错性，提高了系统的安全性能。
进一步的，还包括蜗杆，所述第一伺服电机和第二伺服电机与所述蜗杆通过凸爪联轴器组对接，所述蜗杆与所述蜗轮啮合。所述蜗杆的展开螺旋角大于所述蜗轮与蜗杆的接触摩擦角，可保证蜗轮蜗杆不自锁。
优选的，所述蜗杆为一根，所述第一伺服电机为无刷直流电机，所述第二伺服电机为有刷直流电机，所述第二伺服电机设置有离合器。
需要电机工作时，离合器吸合，电机切入。因为第二伺服电机为冗余电机，出现问题时短时介入，可选用控制简单、寿命和成本较低的有刷电机。
在驾驶员操作模式下，控制器获得方向盘转角和转矩信号。所需转向助力较小时只需控制第一控制单元对应的第一伺服电机提供转向助力，此时该电机为转矩控制；若第一伺服电机或第一控制单元发生故障，则控制第二控制单元对应的第二伺服电机进入转矩控制模式。
优选的，所述蜗杆有两根分别为第一蜗杆和第二蜗杆，所述第一蜗杆与所述第一伺服电机对接，所得第二蜗杆与所述第二伺服电机对接，所述第一蜗杆与所述第二蜗杆设置于所述蜗轮对应的两侧且均与所述蜗轮啮合。
电动助力模式下或自动转向模式下，两个电机都可以工作，电动助力模式下，两个电机根据扭矩信号各分配50％左右的助力电流；自动转向模式下，一个采用转矩控制模式，另一个进行转角伺服，因此可以选用较小的电机功率，并且有利于控制器的散热等工作条件。当检测到电机故障后，控制器立即截断该电机电流并控制离合器分离；另一个控制器能够立即控制另一电机代替前一个电机与液压助力系统协同工作，使得转向系统依旧能够正常工作。
两个控制单元分别控制第一伺服电机和第二伺服电机，接收控制器传来的车速、发动机转速等基本信息，控制两电机实现随速助力、主动回正、应急转向等电动助力基本功能。接受自动或辅助驾驶对于方向盘转角转矩的控制需求，实现对于转角或转矩的伺服控制。特别的当一个电机或控制单元出现故障时，另一控制单元仍然能够控制电机，完成辅助转向或自动转向任务，适合L3级以上高等级自动驾驶应用。
所需转向助力较大时，系统处于双电机工作模式，一个为转矩控制一个为转角控制。当检测到电机故障后，首先需要判断是转角控制电机故障，还是转矩控制电机故障：若转矩控制电机故障，控制器立即切断电机电流并控制离合器断开，使其处于非负载状态，同时将转角控制电机转为转矩控制模式。若转角控制电机故障，直接通过控制器控制电机处于非负载状态，同时执行单电机线转向助力的控制方法，调整控制器中的控制参数，实现转向功能。
在车辆自动驾驶模式下，控制器获得转角指令。则在低转向阻力的情况下，控制第一控制单元对应的第一伺服电机提供转向助力，此时该电机为转角控制；若第一伺服电机或第一控制单元发生故障，则第二控制单元控制第二伺服电机进入转角控制模式。在高转向阻力的情况下处于双电机工作模式，一个为转矩控制一个为转角控制。若其中有一个电机出现故障，电机控制如上文所述，不同的是需要使电机处于转角控制模式。
进一步的，还包括传感器支撑板和传感器盖，所述传感器支撑板固定在所述双电机伺服转向装置上并与所述输出轴轴承配合，所述扭矩转角传感器安装于所述传感器支撑板上，所述传感器盖覆盖设置于所述扭矩转角传感器上并与所述输入轴轴承配合。
进一步的，还包括扭杆，所述扭杆的两端分别与所述输入轴和输出轴连接；所述双电机伺服转向装置和所述液压助力转向器的连接处设有法兰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明整体转向系统的结构示意图。
图2附图为本发明转向器具体实施例结构示意图；
图3为本发明另一转向器具体实施例结构示意图；
图4为本发明蜗轮蜗杆传动结构示意图。
1-第一伺服电机，2-第二伺服电机，3为蜗轮，4-输出轴，5-铜套轴承，6输入轴，7-扭杆，8-扭矩转角传感器，9-传感器盖,10-轴承，11-传感器支撑板，12-双电机伺服转向装置，13-法兰，14-液压助力转向器，15-凸爪联轴器组，1501-第一凸爪联轴器组，1502-第二凸爪联轴器组，16-离合器，17-蜗杆，1701-第一蜗杆，1702-第二蜗杆，18，转阀。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明公开了一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，车体内设有控制器，包括：液压助力转向器14，其输出端与车轮转向驱动部连接；双电机伺服转向装置12，双电机伺服转向装置12与液压助力转向器14连接，其包括第一伺服电机1、第二伺服电机2、蜗轮3、输入轴6和输出轴4，输入轴6与输出轴4传动连接；输出轴4与液压助力转向器14的输入端配合连接；输入轴通过中间轴向上连接转向管柱和方向盘，输入轴接方向盘传递来的转向力；输入轴下端焊接转矩转角传感器的磁环。
第一伺服电机1与第一控制单元通信连接；第二伺服电机2与第二控制单通信连接；第一伺服电机1和第二伺服电机2并联且设置于双电机伺服转向装置12上；第一控制单元和第二控制单元均与控制器通信连接；第一伺服电机1及第二伺服电机2均与蜗轮3传动连接，蜗轮3与输出轴4配合连接；
扭矩转角传感器8，扭矩转角传感器8的磁环部与输入轴6连接，扭矩传感器的下端本体与输出轴4连接；扭矩转角传感器8与控制器通信连接。
在一些实施例中，输入轴6和输出轴4之间装有铜套轴承5，设计有凹凸缘进行扭矩转角传感器8的机械行程限位。还包括扭杆7，扭杆7的两端分别与输入轴6和输出轴4连接，本发明上述输入轴6可以为空心轴，输出轴4位于输入轴6一端，扭杆一端与输出轴连接，另一端位于输入轴6内并与其上端销接；双电机伺服转向装置12的壳体和液压助力转向器14的通过法兰13固定连接；双电机伺服转向装置输出轴4加工有内花键，液压助力转向器14输入端加工有外花键，形成连接配合。
在一些实施例中，还包括蜗杆17，第一伺服电机1和第二伺服电机2与蜗杆17通过凸爪联轴器组15对接，蜗杆17与蜗轮3啮合。第一伺服电机1和第二伺服电机2可以位于蜗轮3的左右两侧。蜗杆17的展开旋角小于蜗轮3与蜗杆17的接触摩擦角，保证蜗轮3蜗杆17不自锁。
在一些实施例中，还包括传感器支撑板11和传感器盖9，扭矩转角传感器8安装在传感器支撑板11上，传感器支撑板11固定在双电机伺服转向装置12上并与蜗轮3和蜗杆17传动副润滑油脂之间隔离，传感器支撑板11固定不动，其与输出轴4之间通过轴承10配合。传感器盖9覆盖设置于扭矩转角传感器8上，其与输入轴6之间有轴承和油封，对外界形成防尘防水。
如图3所示，在一些优选的实施例中，蜗杆17为一根，第一伺服电机1为无刷直流电机，第二伺服电机2为有刷直流电机，第二伺服电机2设置有离合器16；第一伺服电机1安装在双电机伺服转向装置12上，通过凸爪联轴器组15将力和运动传递到蜗杆17上，与蜗轮3形成蜗轮蜗杆配合。第二伺服电机2也安装在双电机伺服转向装置12上，通过内外花键的方式也将力和运动传递到蜗杆17上，与蜗轮3形成蜗轮蜗杆配合。
需要电机工作时，离合器吸合，电机切入。因为第二伺服电机为冗余电机，出现问题时短时介入，可选用控制简单、寿命和成本较低的有刷电机。
在驾驶员操作模式下，控制器获得方向盘转角和转矩信号。所需转向助力较小时只需控制第一控制单元对应的第一伺服电机1提供转向助力，此时该电机为转矩控制；若第一伺服电机1或第一控制单元发生故障，则控制第二控制单元对应的第二伺服电机2进入转矩控制模式。
如图4所示，在一些优选的实施例中，蜗杆17有两根分别为第一蜗杆1701和第二蜗杆1702，第一蜗杆1701与第一伺服电机1对接，所得第二蜗杆1702与第二伺服电机2对接，第一蜗杆1701与第二蜗杆1702设置于蜗轮3对应的两侧且均与蜗轮3啮合。第一伺服电机1安装在双电机伺服转向装置12上，通过第一凸爪联轴器组1501将力和运动传递到第一蜗杆1701上，与蜗轮3形成第一对蜗轮蜗杆配合；第二伺服电机2安装在双电机伺服转向装置12上，通过第二凸爪联轴器组1502将力和运动传递到双电机伺服转向装置12上，与蜗轮3形成第二对蜗轮蜗杆配合。设计蜗杆展开螺旋角大于蜗轮蜗杆接触摩擦角，不会自锁。
电动助力模式下或自动转向模式下，两个电机都可以工作，电动助力模式下，两个电机根据扭矩信号各分配50％左右的助力电流；自动转向模式下，一个采用转矩控制模式，另一个进行转角伺服，因此可以选用较小的电机功率，并且有利于控制器的散热等工作条件。当检测到电机故障后，控制器立即截断该电机电流并控制离合器分离；另一个控制器能够立即控制另一电机代替前一个电机与液压助力系统协同工作，使得转向系统依旧能够正常工作。
两个控制单元分别控制第一伺服电机1和第二伺服电机2，接收控制器传来的车速、发动机转速等基本信息，控制两电机实现随速助力、主动回正、应急转向等电动助力基本功能。接受自动或辅助驾驶对于方向盘转角转矩的控制需求，实现对于转角或转矩的伺服控制。特别的当一个电机或控制单元出现故障时，另一控制单元仍然能够控制电机，完成辅助转向或自动转向任务，适合L3级以上高等级自动驾驶应用。
所需转向助力较大时，系统处于双电机工作模式，一个为转矩控制一个为转角控制。当检测到电机故障后，首先需要判断是转角控制电机故障，还是转矩控制电机故障：若转矩控制电机故障，控制器立即切断电机电流并控制离合器断开，使其处于非负载状态，同时将转角控制电机转为转矩控制模式。若转角控制电机故障，直接通过控制器控制电机处于非负载状态，同时执行单电机线转向助力的控制方法，调整控制器中的控制参数，实现转向功能。
在车辆自动驾驶模式下，控制器获得转角指令。则在低转向阻力的情况下，控制第一控制单元对应的第一伺服电机1提供转向助力，此时该电机为转角控制；若第一伺服电机1或第一控制单元发生故障，则第二控制单元控制第二伺服电机2进入转角控制模式。在高转向阻力的情况下处于双电机工作模式，一个为转矩控制一个为转角控制。若其中有一个电机出现故障，电机控制如上文，不同的是需要使电机处于转角控制模式。
如图1所示，双电机伺服转向装置和液压助力转向器集成一体，液压泵和油罐为液压系统提供动力，双电机伺服转向装置接收控制器传来的车速、发动机转速信号，以及自动或辅助驾驶转角转矩需求，接收方向盘的转矩转角信号、电机的电流等信息，控制电机电压和离合器的开闭，实现电动助力功能、辅助转向和自动转向功能。
本发明提供一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，通过具备冗余双电机的电动液压助力转向系统满足车辆驾驶员驾驶、辅助驾驶、无人驾驶的转向功能要求；通过控制器获得的转矩转角信息控制单/双电机助力，能很好地完成随速助力、主动回正、应急转向等基本功能；通过获得的转角/转矩指令要求控制单/双电机助力，能在无人驾驶/辅助驾驶模式成功完成转向功能。转矩转角传感器信息冗余、单/双电机采用独立的控制单元控制，保证了车辆转向系统的容错性，提高了系统的安全性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，车体内设有控制器，其特征在于，包括：
液压助力转向器(14)，所述液压助力转向器(14)的输出端与车轮转向驱动部连接；
双电机伺服转向装置(12)，所述双电机伺服转向装置(12)的壳体与所述液压助力转向器(14)连接，其包括第一伺服电机(1)、第二伺服电机(2)、蜗轮(3)、输入轴(6)、输出轴(4)和扭矩转角传感器(8)，所述输入轴(6)与所述输出轴(4)通过扭杆(7)连接；所述输出轴(4)与所述液压助力转向器(14)的输入端配合连接；
所述第一伺服电机(1)与第一控制单元通信连接；所述第二伺服电机(2)与第二控制单通信连接；所述第一伺服电机(1)和第二伺服电机(2)并联且安装于所述双电机伺服转向装置(12)的壳体内；所述第一控制单元和第二控制单元均与所述控制器通信连接；所述第一伺服电机(1)及第二伺服电机(2)均与所述蜗轮(3)传动连接，所述蜗轮(3)与所述输出轴(4)配合连接；
所述扭矩转角传感器(8)的磁环部与所述输入轴(6)连接，所述扭矩传感器的壳体下端与所述输出轴(4)连接；所述扭矩转角传感器(8)与所述控制器通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，其特征在于，还包括蜗杆(17)，所述第一伺服电机(1)和第二伺服电机(2)与所述蜗杆(17)通过凸爪联轴器组(15)对接，所述蜗杆(17)与所述蜗轮(3)啮合。
3.根据权利要求2所述的一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，其特征在于，所述蜗杆(17)的展开螺旋角大于所述蜗轮(3)与蜗杆(17)的接触摩擦角。
4.根据权利要求2所述的一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，其特征在于，所述蜗杆(17)为一根，所述第一伺服电机(1)为无刷直流电机，所述第二伺服电机(2)为有刷直流电机，所述第二伺服电机(2)设置有离合器(16)。
5.根据权利要求2所述的一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，其特征在于，所述蜗杆(17)有两根分别为第一蜗杆(1701)和第二蜗杆(1702)，所述第一蜗杆(1701)与所述第一伺服电机(1)对接，所得第二蜗杆(1702)与所述第二伺服电机(2)对接，所述第一蜗杆(1701)与所述第二蜗杆(1702)设置于所述蜗轮(3)对应的两侧且均与所述蜗轮(3)啮合。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种高级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，其特征在于，还包括传感器支撑板(11)和传感器盖(9)，所述传感器支撑板(11)固定在所述双电机伺服转向装置(12)的壳体上并与所述输出轴(4)轴承配合，所述扭矩转角传感器(8)安装于所述传感器支撑板(11)上，所述传感器盖(9)覆盖设置于所述扭矩转角传感器(8)上并与所述输入轴(6)轴承配合。
7.根据权利要求1所述的一种级自动驾驶用具备冗余电机的电液转向器，其特征在于，所述双电机伺服转向装置(12)的壳体内和所述液压助力转向器(14)的通过法兰(13)固定连接。
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