CN110104058A - 一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,包括：转向盘；所述转向盘下端安装有转矩传感器和转角传感器，所述转矩传感器和转角传感器通过信号线与控制器的输入端连接；控制器的输出端与电磁直线执行器驱动电路连接，电磁直线执行器驱动电路与电磁直线执行器中动子的一端连接；所述的电磁直线执行器包括定子和动子，所述的动子贯穿与定子内部的空腔中并做往复直线运动；所述动子的两端分别通过连接件与左转向轮和右转向轮连接；所述的动子上安装有位移传感器和电流传感器；所述位移传感器和电流传感器通过信号线与控制器的输入端连接。本发明结构简单、所占体积更小、成本更低，控制更直接，响应速度更快。

Description

一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统

技术领域

本发明涉及一种汽车电动助力转向系统技术领域，具体涉及一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统。

背景技术

从20世纪70年代开始，美国、英国、德国等发达国家开始进行智能驾驶的研究，在可行性和实用化方面都取得了突破性的进展。无人驾驶作为智能驾驶领域的终极目标，通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标。它利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。无人驾驶是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

电动助力转向技术作为汽车转向系统中的新贵，经过几十年的发展，已经较为成熟。而其具有的主动转向能力，也可满足无人驾驶车辆转向控制的要求。目前，常见的主动转向能力有：液压助力式、气压助力式和直流旋转电机助力式。液压助力式、气压助力式的结构比较繁复，在维修时零件的拆装比较繁琐；而且占用空间大。

发明内容

针对上述的技术问题，本技术方案提供了一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,能有效的解决上述问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,包括：转向盘；所述转向盘下端安装有转矩传感器和转角传感器，所述转矩传感器和转角传感器通过信号线与控制器的输入端连接；控制器的输出端与电磁直线执行器驱动电路连接，电磁直线执行器驱动电路与电磁直线执行器中动子的一端连接；所述的电磁直线执行器包括定子和动子，所述的动子贯穿与定子内部的空腔中并做往复直线运动；所述动子的两端分别通过连接件与左转向轮和右转向轮连接；所述的动子上安装有位移传感器和电流传感器；所述位移传感器和电流传感器通过信号线与控制器的输入端连接。

进一步的，所述的动子包括线圈骨架和线圈组，所述的线圈组绕制于线圈骨架的齿槽内；所述的定子包括固定在线圈骨架内的内磁轭和设置在最外圈的外磁轭；内磁轭的外壁面固定设置有内永磁体阵列，外磁轭的内壁面固定设置有外永磁体阵列，内永磁体阵列和外永磁体阵列与线圈骨架留有径向气隙。

进一步的，所述的内永磁体和外永磁体的磁化方向不同；动子上相邻线圈组的绕制方向相反，各个线圈组所受安培力方向相同。

进一步的，所述的位移传感器安装在线圈组上，所述的电流传感器与线圈组串联连接；所述的电磁直线执行器驱动电路与线圈组串联连接。

进一步的，所述的连接件包括与动子两端固定连接的横向拉杆，所述的转向轮固定连接有转向节臂，所述的横向拉杆与转向节臂铰接。

进一步的，所述的控制器通过信号线连接有车速传感器。

进一步的，所述转向盘的中心固定连接有旋转轴，所述旋转轴的底部通过齿轮传动连接有齿条，所述的齿条与动子的一端固定连接。

进一步的，所述的转矩传感器和转角传感器安装在旋转轴上；所述转向盘的下端安装转向盘转矩传感器，转向盘转矩传感器的下端与旋转轴连接；所述旋转轴靠近齿条的部分安装转向盘转角传感器。

进一步的，所述的齿条采用斜齿齿条，旋转轴下端制成斜齿轮状，齿轮的斜齿与齿条的斜齿相啮合。

进一步的，所述连接件所述的连接件包括分别与动子一端和齿条另一端固定连接的横向拉杆，所述的转向轮固定连接有转向节臂，所述的横向拉杆与转向节臂铰接。

进一步的，所述的电磁直线执行器为永磁动圈式电磁直线执行器。

进一步的，所述的电磁直线执行器为动圈式永磁直线直流电动机。

有益效果

本发明提出的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,与现有技术相比较，其具有以下有益效果：

（1）基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统，去掉转向盘至横拉杆中间的一切传动链，包括齿轮输入轴及齿轮齿条副；大大简化了转向系的机构。在转向盘的下侧安装有转角传感器和转矩传感器，并将其独立安装在驾驶位，监测转向盘的转矩和转角，将其转化为电信号传送给控制器；控制器根据转向盘的转矩传感器信号、转向盘的转角传感器信号和车速传感器信号，来控制电磁直线执行器输出，并通过直线位移传感器、电流传感器的信号反馈来精确修正电磁直线执行器的输出。电磁直线执行器的设置，取消了传统的滚珠丝杠或者旋转电机转化为直线运动的繁琐，简化机构，节能降耗。

（2）直流电磁直线执行器与电流传感器和直线位移传感器组成闭环控制系统，可以更加精确地控制位移；其速度和加速度控制范围广，调速平滑性好，从而非常适合行车时遇到的各种转弯情况，且保证汽车的操纵性。

（3）电磁直线执行器可用于直线位移的场合，将其控制变得更为直接，动态响应更快，并且省去了一些机械传动件，将使其机械结构更加简洁，把电磁能直接转化为动子的直线运动，因而减去了能量转化环节，提高了能量利用率和控制精度，降低噪声。而且，直流式电磁直线执行器具有运行效率高，控制更方便灵活的优点。

（4）旋转轴、齿条和动子相互配合的设计，使得方向盘具有主动转向的能力，当系统出现故障之后，其机械转向还能在人为的干预下正常工作，保证汽车的安全性。电磁直线执行器的动子直接与旋转轴下端齿条相连。齿条与动子构成的整体，和电磁直线执行器嵌套，占用空间小。

（5）电磁直线执行器的设置，可以直接将电能转换成直线运动的机械能，不需要任何中间转换机构的传动装置。省去了电磁离合器、减速机构及其传动件，使其结构更紧凑、控制更直接、响应更快。

（6）齿条采用斜齿齿条，旋转轴下端制成斜齿轮状；斜齿的设置，使得齿轮重合度大，降低了每对齿轮的载荷，提高了齿轮的承载能力，还提高齿轮和齿条的使用寿命；而且斜齿轮的啮合性好，传动平稳、噪声小。

附图说明

图1是本发明中实施例1的整体结构示意图。

图2是本发明中实施例2的整体结构示意图。

图3是本发明中电磁直线执行器的整体结构示意图。

图4是本发明中功率变换电路的电路连接示意图。

附图中的标志：1-转向盘、2-转矩传感器、3-旋转轴、4-转角传感器、5-位移传感器、6-齿条、7-连接件、71-左横拉杆、72-右横拉杆、73-左转向节臂、74-右转向节臂、81-左转向轮、82-右转向轮、9-电磁直线执行器、91-定子、911-内磁轭、912-外磁轭、913-内永磁体阵列、914-外永磁体阵列、92-动子、921-线圈骨架、922-线圈组、10-电流传感器 、11-电磁直线执行器驱动电路、12-控制器、13-车速传感器、14-信号线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,包括：转向盘1；转向盘1下端安装转向盘转矩传感器2，转向盘转矩传感器2引出信号线14与控制器12的输入端相连；所述转向盘转矩传感器2的下端安装转向盘转角传感器4，转向盘转角传感器4引出信号线14与控制器12的输入端相连；控制器12的输入端还通过信号线14连接有车速传感器13。控制器12的输出端与电磁直线执行器驱动电路11连接，电磁直线执行器驱动电路11与电磁直线执行器9中动子92的一端连接。

电磁直线执行器9包括定子91和动子92，所述的动子92贯穿与定子91内部的空腔中并做往复直线运动。动子92包括线圈骨架921和线圈组922，所述的线圈组922绕制于线圈骨架921的齿槽内；所述的定子91包括固定在线圈骨架921内的内磁轭911和设置在最外圈的外磁轭912；内磁轭911的外壁面固定设置有内永磁体阵列913，外磁轭912的内壁面固定设置有外永磁体阵列914，内永磁体阵列913和外永磁体阵列914与线圈骨架921留有径向气隙。

如图3所示，电磁直线执行器9的结构特征在于：永磁体组在运动方向上交替采用不同磁化方向的永磁体构成的赫尔巴赫（Halbach）阵列，可以显著提高电磁直线执行器的功率密度，较常规直线电机的功率密度提高50%以上，结合闭环系统可具有非常好的控制精度，非常适合在要求体积和质量较小、需要较大的推力和精确度的场合。图2中永磁体上标注的箭头方向，即为永磁体的磁化方向。在此阵列中，因为相邻线圈组所受磁场方向相反，所以动子上相邻线圈组的绕制方向相反，使得各个线圈组所受安培力方向相同。

动子92的线圈组922上装有直线位移传感器5，直线位移传感器5引出信号线14与控制器12的输入端连接；动子92的线圈组922串联连接有电流传感器10，电流传感器10上引出信号线14与控制器12的输入端连接；车速传感器13引出信号线14与控制器12的输入端连接。

电磁直线执行器驱动电路11与动子92的线圈组922相连。电磁直线执行器驱动电路11中包括功率变换电路，功率变换电路如图3所示，采用电流控制电压型H桥变换器。

如图4所示，H型双极性可逆模式PWM控制由4个大功率可控开关管(V1-V4)和4个续流二极管 (V1-V4) 组成H桥式电路。 4 个大功率可控开关管分为2 组，V1和V4为一组，V2和V3为一组。同一组的两个大功率可控开关管同时导通，同时关闭，两组交替轮流导通和关闭，即驱动信号 U₁=U₄，U₂=U₃=-U₁ ，执行器线圈电流的方向在一个调宽波周期中依次按图中方向1、2、3、4变化。由于允许电流反向，所以H型双极模式PWM 控制工作时执行器电流始终是连续的。

功率变换电路的主要功能是根据控制指令，将直流电源提供的电能转变为电磁直线执行器9的线圈电流，以产生所需的电磁驱动力。功率变换主电路采用电流控制电压型H桥变换器。电磁直线执行器的9动子92需要往复运动，因此需采用可逆PWM控制方式。H桥可逆PWM控制方式中的双极性模式具有电流连续和低速平稳性的优点，更有助于电磁直线执行器9的稳定运动，因此选用双极性可逆PWM模式。

动子92的两端分别通过连接件7与左转向轮81和右转向轮82连接；连接件7包括分别与动子92一端和齿条6焊接固定的左横拉杆91和右横拉杆72，以及分别与左转向轮81和右转向轮82连接的左转向节臂73和右转向节臂74；左转向节臂73和右转向节臂74分别与左横拉杆71和右横拉杆72铰接。

工作原理：

转向盘1下侧安装的转向盘转矩传感器2，测量转动转向盘1的转矩大小，并转化为电信号传给控制器12；转向盘1下侧安装的转向盘1转角传感器4，测量转向盘1所转动的角度，并转化为电信号传给控制器12；动子92上安装直线位移传感器5，检测动子92的位置，并转化为电信号传给控制器12；电流传感器10与所述动子92上的线圈组922串联，检测线圈组922的工作电流的方向与大小，并把所检测到的信号传给控制器12；车速传感器13与发动机输出轴相连，并把车速大小转化为电信号传给控制器12，控制器12根据输出轴转速和汽车传动机构传动比和转向轮半径，计算出当前车速（计算车速的方法为本技术领域中常规的算法）。

控制器12根据转向盘1的转角传感器4输入的电信号来判断电磁直线执行器9所要助力的方向，根据转向盘1的转矩传感器2输入的电信号来判断驾驶员所要转向轮转动的速度，再结合车速传感器传来的电信号，根据控制策略，控制器12分析判断输出信号至电磁直线执行器驱动电路11，驱动电磁直线执行器9，提供合适的转向助力。控制电磁直线执行器9运行，并不断根据直线位移传感器5对实际输出的反馈信号，不断地修正电磁直线执行器9的输出，从而精确控制其位移量；根据车速进行相应的助力，如前述控制策略要求所述，即在低速时给予较大助力，随车速提高而减小助力，车速高到一定范围时停止助力，而当车速很高时适当提供阻力来保证转向安全。

同时，直线位移传感器5和电流传感器10检测转向系统实际的输出：动子92的位置和移动速度、动子92上线圈组922的电流的大小和方向，即：转向轮81/82转动的位置和速度、转向轮81/82所受助力扭矩的大小和转向轮81/82转动的方向。把实际的输出反馈给控制器12，控制器12根据反馈再修正助力，从而精确控制动子92位移和输出力。一旦助力转向系统发生故障（如：传感器发出的信号异常），控制器12中断助力，确保行车安全。

实施例2：

发明人在实验过程中，发现实施例1公布的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统偶尔也会出现故障，而在故障发生时，其转向盘无法通过其他方式进行正常运行。因此，处于安全考虑，发明人在实施例1的基础上，又做了进一步的改进。

如图2所示，转向盘1的中心固定连接有旋转轴3，转矩传感器2和转角传感器4安装在旋转轴3上；转向盘1的下端安装转向盘转矩传感器2，转向盘转矩传感器2的下端与旋转轴3固定连接；旋转轴3的下部有安装转向盘转角传感器4。旋转轴3的底部通过齿轮传动连接有齿条6，所述的齿条6与动子92的一端固定连接。齿条6采用斜齿齿条，旋转轴3下端制成斜齿轮状，齿轮的斜齿与齿条6的斜齿相啮合。

连接件7包括分别与动子92一端和齿条6焊接固定的左横拉杆91和右横拉杆72，以及分别与左转向轮81和右转向轮82连接的左转向节臂73和右转向节臂74；左转向节臂73和右转向节臂74分别与左横拉杆71和右横拉杆72铰接。

工作原理：驾驶员操纵转向盘1时，转向盘1正转或反转带动旋转轴3转动，旋转轴3的转动通过底部的齿轮与动子92相连的齿条6啮合传动；从而带动动子92做直线运动，动子92的运动来带动左横拉杆71和右横拉杆72，左横拉杆71和右横拉杆72再带动左转向节臂73和右转向节臂74，从而使左转向轮81和右转向轮82偏转角度。

本实施例其他的结构以及各结构之间的位置关系和连接关系均与实施例1的相同。此处不多做阐述。

在实施例1和实施例2中，电磁直线执行器为永磁动圈式电磁直线执行器或为动圈式永磁直线直流电动机。

在实施例1和实施例2中，电磁直线执行器为永磁动圈式电磁直线执行器或永磁直线直流电动机。控制器采用的型号为 TMS320F28335高性能DSP的控制器，转矩传感器采用的型号为TE Connectivity的FCA 7300的转矩传感器，转角传感器采用的型号为 KMZ60磁阻式角位移转角传感器，直线位移传感器采用的型号为 KA300-1um光栅尺直线位移传感器，电流传感器采用的型号为 JLK-36 ±100A/±4V 霍尔式电流传感器，车速传感器采用的型号为A1698基于霍尔效应的车速传感器。

实施例1和实施例2中采用的软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式，均采用本技术领域中常用的现有技术；本技术方案并未对软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式做任何改进，控制器内的软件，控制器、驱动电路以及两者的连接方式，控制器和各传感器的连接方式不属于本技术方案的保护范围，此处不多做阐述。

Claims (10)

1.一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,包括：转向盘（1）；其特征在于：所述转向盘（1）下端安装有转矩传感器（2）和转角传感器（4），所述转矩传感器（2）和转角传感器（4）通过信号线（14）与控制器（12）的输入端连接；控制器（12）的输出端与电磁直线执行器驱动电路（11）连接，电磁直线执行器驱动电路（11）与电磁直线执行器（9）中动子（92）的一端连接；所述的电磁直线执行器（9）包括定子（91）和动子（92），所述的动子（92）贯穿与定子（91）内部的空腔中并做往复直线运动；所述动子（92）的两端分别通过连接件（7）与左转向轮（81）和右转向轮（82）连接；所述的动子（92）上安装有位移传感器（5）和电流传感器（10）；所述位移传感器（5）和电流传感器（10）通过信号线（14）与控制器（12）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述的动子（92）包括线圈骨架（921）和线圈组（922），所述的线圈组（922）绕制于线圈骨架（922）的齿槽内；所述的定子（91）包括固定在线圈骨架（921）内的内磁轭（911）和设置在最外圈的外磁轭（912）；内磁轭（911）的外壁面固定设置有内永磁体阵列（913），外磁轭（912）的内壁面固定设置有外永磁体阵列（914），内永磁体阵列（913）和外永磁体阵列（914）与线圈骨架（922）留有径向气隙。

3.根据权利要求2所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述的位移传感器（5）安装在线圈组（922）上，所述的电流传感器（10）与线圈组（922）串联连接；所述的电磁直线执行器驱动电路（11）与线圈组（922）串联连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述的连接件（7）包括与动子（92）两端固定连接的横向拉杆（71/72），所述的转向轮（81/82）固定连接有转向节臂（73/74），所述的横向拉杆（71/72）与转向节臂（73/74）铰接。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述的控制器（12）通过信号线（14）连接有车速传感器（13）。

6.根据权利要求1-5其中任一项所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述转向盘（1）的中心固定连接有旋转轴（3），所述旋转轴（3）的底部通过齿轮传动连接有齿条（6），所述的齿条（6）与动子（92）的一端固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述的转矩传感器（2）和转角传感器（4）安装在旋转轴（3）上；所述转向盘（1）的下端安装转向盘转矩传感器（2），转向盘转矩传感器（2）的下端与旋转轴（3）连接；所述旋转轴（3）靠近齿条（6）的部分安装转向盘转角传感器（4）。

8.根据权利要求6所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述的齿条（6）采用斜齿齿条，旋转轴（3）下端制成斜齿轮状，齿轮的斜齿与齿条（6）的斜齿相啮合。

9.根据权利要求6所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述连接件所述的连接件（7）包括分别与动子（92）一端和齿条另一端固定连接的横向拉杆（71/72），所述的转向轮（81/82）固定连接有转向节臂（73/74），所述的横向拉杆（71/72）与转向节臂（73/74）铰接。

10.根据权利要求1-5或7-9其中任一项所述的一种基于电磁直线执行器的汽车助力转向系统,其特征在于：所述的电磁直线执行器（9）为永磁动圈式电磁直线执行器。