CN109850004B - 具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的系统，通过综合控制两个阻尼器的阻尼值和电机的状态，实现电机在转向过程和保持某一转角状态时不工作，回正路感由阻尼器和弹簧共同实现；回正状态时通过电机、阻尼器、共同工作实现回正状态时的路感力矩或者转向盘自由回正时的转角位置控制。从而实现了对路感的模拟、线控转向盘的各个状态的控制，并通过只让电机在回正状态下通电工作，降低了能耗。

Description

具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车转向控制领域，具体地指一种具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法及系统。

背景技术

线控转向汽车在转向过程中，转向盘经常转到某个角度、保持在该位置或回中。在这一过程中，路感电机会持续以阻力矩的形式提供模拟路感。虽单次能耗很小，但多次能耗的累加将不可忽视。通过合理的设计和控制方法可以弹簧及阻尼的形式提供转向盘转角增大过程或保持在某一转角的模拟路感，从而大幅减小电机能耗，实现转向的节能。基于此，在转向路感电机之间设计一由弹簧和电驱动旋转阻尼器组成的电控液力机械装置，附以合理的控制方法，则可有效实现转向系统的节能。

目前，线控转向汽车的转向盘系统通常由转向盘与电机或转向盘与磁流变阻尼装置、电机组成。电机和磁流变阻尼均是消耗电能的装置，多次转向引起的能耗累加不可忽视。这增加了汽车能耗，加重了汽车电源的负荷，不利于整车的节能减排和汽车电源的可靠性。同时，电机与转向盘直接连接的系统，在控制失败时，很容易出现电机反拖方向盘进行不可控运动。在使用磁粉制动或者磁流变阻尼器等设计的转向盘系统中，由于磁粉制动或磁流变的被动阻力特性，系统不能够实现自动回中功能。有人采用了弹簧加阻尼器的结构进行该系统设计，但弹簧的刚度不随车速、路况等变化的特性，使得这种机构无法产生适用于不同工况的回正力矩。特别是当方向盘稳定在某一转角时，由于无转角速度，无法通过磁粉或磁流体等产生阻力矩。

本专利采用液力机械原理，借助弹簧与电控旋转液压可变阻尼器实现转向过程的回正力矩模拟，极大地减小了电机的工作时间，降低了能耗。该机构结构精巧，在需要提供力矩反馈的线控系统的节能控制等中具有广泛的应用。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法及系统。

为了实现上述目的，本发明所设计的具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法，其特殊之处在于：

提供两个相互之间由弹簧连接的电控旋转阻尼器，将其中一个电控阻尼器与转向盘连接，另一个电控旋转阻尼器与路感电机连接；

转向过程中，与转向盘连接的电控旋转阻尼器阻尼ξ_f为阻尼最小，通过对路感电机的追踪反馈，调节另一电控旋转阻尼器阻尼，从而调节路感电机转角；转向盘保持在某一非零转角时，与转向盘直接连接的电控旋转阻尼器的阻尼ξ_f为该阻尼器所允许的最小值；另一旋转阻尼器的阻尼ξ_r为该阻尼器所允许的最大值。

转向盘回正过程有两种模式：驾驶员手转动转向盘回正、转向盘自由回正；路感电机通电产生与该电机相连的阻尼器所克服的力矩，将该阻尼器的阻尼值ξ_r调整为该阻尼器所允许的最小值，之后控制电机转动到电机零转角位置；路感电机到达零位置时断电且改变与该电机相连的阻尼器的值ξ_r为最大值；与此同时，根据当前转向盘转角、转速、转矩和期望的转向盘路感力矩、转角、转速，通过闭环控制模式改变与转向盘相连的阻尼器的阀芯转角，控制器阻尼ξ_f，实现对转向盘路感转矩的跟随(驾驶员转向模式)或者对转向盘转角的跟随(转向盘自由回正模式)。

进一步地，转向盘转向后开始保持为某一转角时，与转向盘连接的电控旋转阻尼器阻尼值ξ_f为最小值；路感电机通电产生与该电机相连的阻尼器所克服的力矩，该阻尼器的阻尼值ξ_r为该阻尼器所允许的最小值，之后控制电机向零转角位置转动，改变扭转弹簧的转角，使得其转矩跟随路感转矩的变化；当期望路感转矩稳定时，与路感电机相连的阻尼器的阻尼值ξ_r为最大值，电机断电。

本发明设计了实现如上所述的具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的控制装置，其特殊之处在于：包括PID控制模块、两个电控旋转阻尼器和一个弹簧，其中一个电控旋转阻尼器一端与转向盘连接，另一端与弹簧连接，另一个电控旋转阻尼器一端与弹簧连接，另一端与路感电机连接，所述两个电控旋转阻尼器和路感电机均与PID控制模块连接。

进一步地，所述弹簧为螺旋弹簧或者涡形弹簧。

更进一步地，所述转向盘和电机的轴均通过花键或者平键与对应的电控旋转阻尼器连接。

本发明的优点在于：本发明使得转向过程的转角增加及恒定某一位置时间段的模拟路感力矩直接由阻尼器和弹簧提供，电机只用于产生路感力矩的扰动量或者让转向盘回中，从而降低系统的能耗，具有结构精巧、控制与安装方便的优点。

附图说明

图1是本发明具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的系统结构示意图。

图2是本发明具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的系统总体组成示意图。

图3是本发明具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的系统机构原理示意图。

图4是本发明具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的系统3D结构图图。

图5是本发明具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的系统局部分解图。

图中：1-转向盘电机；2-螺栓；3-下电控旋转阻尼器端盖；4-下电控旋转阻尼器电机；5-下电控旋转阻尼器壳体；6-转向盘电机轴；7-下电控旋转阻尼器轴；8-弹簧；9-上电控旋转阻尼器电机；10-上电控旋转阻尼器轴；11-转向盘；12-平键；A-电控旋转阻尼器；B-上电控旋转阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明所设计的具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法，具体过程为：

提供两个相互之间由弹簧连接的电控旋转阻尼器，将第一个电控阻尼器与转向盘连接，第二电控旋转阻尼器与路感电机连接；本发明用到的电控旋转阻尼器可参考申请号为201610969920.3的专利“一种电控可变阻尼旋转液压阻尼器”。

当转向盘从中间位置转动时，第一电控旋转阻尼器的阻尼值为ξ_f＝0，以保证转向盘不被锁死，第二电控旋转阻尼器阻尼值ξ_r不为零，以保证电机轴能随动转动的角度小于转向盘转角，使弹簧产生转矩T_spring。转向盘转动角度δ时，电机轴随动角度为θ_m。不考虑动力学因素及转动惯量的影响，根据当前转向盘转角、期望路感力矩的大小，由以下公式计算期望的路感电机转角θ_m：

式中，T_sw为期望的路感力矩，δ、

为方向盘转角、转角速度、转角加速度，J_sm为转向盘的转动惯量。由公式

通过对路感电机转角θ_m跟踪控制的方式，采用PID控制器的方式计算与路感电机相连的电控旋转阻尼器的阻尼ξ_r，阻尼通过改变阻尼器内部控制流体通道的阀的角度动态改变阻尼值，来调节路感电机转角θ_m；此时电机不通电。

通过控制θ_m让该转矩与根据车速等工况计算的转矩相等，则可实现转向时的转矩跟随。建立闭环控制系统，采用PID控制思路，通过驱动第二电控旋转阻尼器上的电机转动，带动阀芯(球阀)转动，改变阻尼值，实现路感电机的电机轴转角和转角速度的控制。其过程中，路感电机的电机轴的转动由弹簧克服第二电控旋转阻尼器产生的阻尼实现，该电机本身不上电。

转向盘保持某一转角时，需根据控制策略的是否需要考虑动态响应过程进行相应的控制。不考虑车速变化的情况下，转向盘转保持在某一转角时，其稳态路感转矩为常数，动态过程产生一定的滞后。因此，当转向盘转动到某一转角并保持的瞬间，如考虑动态过程，则路感电机需通电并反向转动一定转角，使得弹簧转矩持续增加并稳定到期望的路感转矩。如不考虑动态过程，则可直接计算稳态路感转矩，采取PID控制使弹簧转矩与其相等。此时，转向盘转角保持在某一转角位置的瞬间，其转矩即是稳态转矩。则在这一瞬间，直接让第二电控旋转阻尼器的阀芯转动到90°，使其处于截止状态，锁定路感电机的电机轴，可保持该转矩稳定，而不需要给路感电机通电。该控制策略主要针对路感转矩相对于转向盘转角滞后的现象而设计。由于电机转动时两个阻尼器的阻尼值都为最小值，电机的控制为常规的转角跟随控制，即由公式T_sw-K_spring(δ-θ_m)＝0得到跟随期望路感力矩的路感电机转角，根据

通过对电机通电，进行转角跟随控制。控制方式采用常规PID控制，控制参数可根据PIDtool工具自动计算。

当转向盘在驾驶员操纵下回正时，两个阻尼器均需参与工作。第二电控旋转阻尼器需先将阻尼比减小到0，完全解除对路感电机的锁止，同时路感电机通电并驱动弹簧的一端转回到初始零位置，之后再通过第二电控旋转阻尼器锁止路感电机轴并将电机断电。这样，可以保证弹簧另一端回到初始零位置时弹簧力矩为零。第一电控旋转阻尼器根据弹簧力矩和转向盘转速改变阻尼比的数值，使得路感力矩与期望的路感力矩相等。

当转向盘自由回正时，两个阻尼器均需参与工作。第二电控旋转阻尼器需先将阻尼比减小到0，完全解除对路感电机的锁止，同时路感电机通电并驱动弹簧的一端转回到初始零位置，之后再通过第二电控旋转阻尼器锁止路感电机轴并将电机断电。这样，可以保证弹簧另一端回到初始零位置时弹簧力矩为零。第一电控旋转阻尼器根据弹簧力矩和期望的转向盘回正速度(该速度与控制器测量获取转向轮回正速度成比例)改变阻尼比的数值，使得转向盘回正速度与期望的回正速度相等。

路感电机回到零位置的控制为采用常规PID控制方式实现，其比例、积分、微分参数可通过Matlab软件的PIDtool工具自动调整。与此同时，根据当前转向盘转角、转速、转矩和期望的转向盘路感力矩、转角、转速，通过PID等闭环控制模式改变与转向盘相连的阻尼器的阀芯转角，控制器阻尼ξ_f，实现对转向盘路感转矩的跟随(驾驶员转向模式)或者对转向盘转角的跟随(转向盘自由回正模式)。

一种具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的系统，由转向盘电机1、下电控旋转阻尼器A、弹簧8、上电控旋转阻尼器B和转向盘11五部分组成。根据连接结构，与本专利相关的零件主要有：转向盘电机1、螺栓2、下电控旋转阻尼器端盖3、下电控旋转阻尼器电机4、下电控旋转阻尼器壳体5、转向盘电机轴6、下电控旋转阻尼器轴7、弹簧8、上电控旋转阻尼器电机9、上电控旋转阻尼器轴10、转向盘11、平键12、PID控制模块。

转向盘电机通过螺栓2固定在下电控旋转阻尼器A的端盖3上，电机轴通过花键、平键或者异形轴的方式与下电控旋转阻尼器A的轴7固结。

下电控旋转阻尼器A的轴7的另一端加工阶梯孔，内孔用于安放弹簧8，外孔用于实现与上电控旋转阻尼器的轴的同心和导向，在内孔壁上开槽或打孔，用于固定弹簧的端部。

下电控旋转阻尼器的壳体5一端与下电控旋转阻尼器A的端盖3通过螺栓连接，另一端作为上电控旋转阻尼器B的端盖与上电控旋转阻尼器B连接。

上电控旋转阻尼器的轴10的一端加工一孔，用于安放弹簧8，该孔切槽或者钻孔用于固定弹簧，这一端部的轴的外径与对应的下电控旋转阻尼器的轴7的端部的阶梯孔的大孔的直径相等，用于配合装配。弹簧为螺旋弹簧或者涡形弹簧。

上电控旋转阻尼器的轴10的另一端与转向盘通过花键或者平键固定。

本发明整个装置为一个整体子系统，该系统通过阻尼器的螺栓孔安装在驾驶舱内的车身上；电机轴和转向盘上分别布置转角传感器，用于测量弹簧两端的夹角，即弹簧的扭转角度。转向盘转角加速度、等参数比较小时，该弹簧扭转角度与弹簧扭转刚度的乘积在实际分析中可视为实际的路感力矩来简化计算。本发明中需要参与PID控制的各参数对应的数据采集器，均与PID控制模块连接。

该系统的原理示意图如图3所示，相关参数定义如下：ξ_r下电控旋转阻尼器的阻尼系数，ξ_f是上电控旋转阻尼器的阻尼系数，J_sw是转向盘的转动惯量，J_sm是电机的转动惯量，δ是转向盘转角，θ_m是电机的正向转动角度，θ_m0是电机的当前转角位置，θ_mr是电机的反向转动角度，K_spring是弹簧刚度。由于转向盘转动较慢，转向盘的转动惯量和电机的转动惯量比较小，他们引起的转矩波动可忽略以便于分析。以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法，其特征在于：

提供两个相互之间由弹簧连接的电控旋转阻尼器，将其中一个电控阻尼器与转向盘连接，另一个电控旋转阻尼器与路感电机连接；

转向过程中，与转向盘连接的电控旋转阻尼器阻尼ξ_f为阻尼最小，通过对路感电机的追踪反馈，调节另一电控旋转阻尼器阻尼，从而调节路感电机转角；转向盘保持在某一非零转角时，与转向盘直接连接的电控旋转阻尼器的阻尼ξ_f为该阻尼器所允许的最小值；另一旋转阻尼器的阻尼ξ_r为该阻尼器所允许的最大值；

转向盘回正过程有两种模式：驾驶员手转动转向盘回正、转向盘自由回正；路感电机通电产生与该电机相连的阻尼器所克服的力矩，将该阻尼器的阻尼值ξ_r调整为该阻尼器所允许的最小值，之后控制电机转动到电机零转角位置；路感电机到达零位置时断电且改变与该电机相连的阻尼器的值ξ_r为最大值；与此同时，根据当前转向盘转角、转速、转矩和期望的转向盘路感力矩、转角、转速，通过闭环控制模式改变与转向盘相连的阻尼器的阀芯转角，控制器阻尼ξ_f，实现对转向盘路感转矩的跟随或者对转向盘转角的跟随，即驾驶员转向模式或者转向盘自由回正模式。

2.根据权利要求1所述的具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法，其特征在于：转向盘转向后开始保持为某一转角时，与转向盘连接的电控旋转阻尼器阻尼值ξ_f为最小值；路感电机通电产生与该电机相连的阻尼器所克服的力矩，该阻尼器的阻尼值ξ_r为该阻尼器所允许的最小值，之后控制电机向零转角位置转动，改变扭转弹簧的转角，使得其转矩跟随路感转矩的变化；当期望路感转矩稳定时，与路感电机相连的阻尼器的阻尼值ξ_r为最大值，电机断电。

3.一种实现权利要求1所述的具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的控制装置，其特征在于：包括PID控制模块、两个电控旋转阻尼器和一个弹簧，其中一个电控旋转阻尼器一端与转向盘连接，另一端与弹簧连接，另一个电控旋转阻尼器一端与弹簧连接，另一端与路感电机连接，所述两个电控旋转阻尼器和路感电机均与PID控制模块连接。

4.根据权利要求3所述的实现具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的控制装置，其特征在于：所述弹簧为螺旋弹簧或者涡形弹簧。

5.根据权利要求3所述的实现具有节能功能的线控转向汽车转向盘控制方法的控制装置，其特征在于：所述转向盘和电机的轴均通过花键或者平键与对应的电控旋转阻尼器连接。

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