CN110588767B - 一种线控转向系统的多电机冗余装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线控转向系统的多电机冗余装置及其控制方法，该装置增加了冗余电机，同时在线控转向系统的输入轴和输出轴之间的离合器设有一与冗余电机联动的中间轴及中间轴齿轮结构，在离合器内形成输入轴和中间轴、输出轴和中间轴的双离合结构，在路感电机、转向电机或其电机控制单元、控制线路出现异常时，可在电子控制单元的控制下，实现中间轴与输入轴的联动、中间轴与输出轴的联动、或中间轴、输入轴、输出轴三者的联动，从而最大限度的保证线控转向系统的安全性和可用性，并当线性转向系统完全失效时，仍能切换到机械式转向系统，保证车辆的行驶安全。

Description

一种线控转向系统的多电机冗余装置及控制方法

技术领域

本发明涉及线控技术领域，尤其涉及一种线控转向系统的多电机冗余装置及控制方法。

背景技术

线控转向系统与传统的机械转向系统相比优势显著：转向盘不与转向器直接连接，车轮的抖动不会直接传递给驾驶员提高转向操纵舒适性；利用电信号控制车轮转向，更加便于和其它底盘系统进行集成控制；能实现主动转向控制，提高车辆操纵安全性；可以自由设计转向系统的角传递特性，通过设计理想的角传动比适应不同驾驶员的驾驶习惯等，因此线控转向系统成为车辆转向系统的主流。

但由于线控转向系统由于缺少可靠的机械连接，要避免故障发生时丧失转向能力、驾驶员丧失路感就必须采用容错技术，需要提供一种高安全性线控转向系统。

专利CN101549707B公开了一种汽车线控转向的冗余及容错系统SBW及控制方法，采用备用芯片以及备用强电电路，当出现故障时，处理模块根据检测模块的信息，屏蔽主控芯片，启动备用芯片及备用强电电路。汽车线控转向系统还包括备用传感器电路，该传感器电路通过备份连接与汽车的多个传感器直接连接。该发明结合具体的硬件冗余和软件冗余设计，总体冗余设置较为复杂，增加了线控转向系统的复杂性。

专利CN110001765A公开了一种具有冗余机构的车用线控转向装置及其控制方法，该车用线控转向装置包括：转向操纵机构，转向执行机构，第一离合器，第一离合器设置在所述转向盘管柱后端，用于将转向操作机构与转向执行机构连接或断开；电子控制单元，所述电子控制单元控制转向操纵机构，转向执行机构。转向执行机构包括主电机、与所述主电机连接的齿条助力转向传动机构，辅电机、与所述辅电机连接的小齿轮电动助力传动机构，本发明通过转向执行机构与转向操纵机构的机械断开，以及转向执行机构的冗余设计来提高高等级自动驾驶用转向系统的可靠性，实现线控转向系统的高安全性设计。但技术方案仅对转向执行机构的主电机进行了冗余备份，对转向操作结构还缺乏冗余保护。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种线控转向系统的多电机冗余装置及控制方法，可以以较少的器件、组件实现线控转向系统的整体冗余保护，提高线控转向系统的安全性和高可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了以下方案：

一种线控转向系统的多电机冗余装置，包括电子控制单元、路感电机、转向电机、冗余电机、输入轴、输出轴和离合器；所述离合器包括箱体及设置于箱体内的第一上结合器、第二上结合器、中间轴、中间轴齿轮结构、第一下结合器和第二下结合器；

输入轴的上端和方向盘固定连接，输入轴的下端穿入箱体，与箱体内的第一上接合器固定连接；在正常工作状态下，所述输入轴受路感电机驱动转动；

输出轴的下端通过齿轮结构和转向器啮合，输出轴的上端穿入箱体与箱体内的第一下接合器固定连接；在正常工作状态下，所述输出轴通过转向器受转向电机驱动转动；

所述中间轴和输入轴、输出轴同轴；

所述中间轴上设置有中间轴齿轮结构，所述中间轴通过所述中间轴齿轮结构和箱体外的冗余电机啮合，受冗余电机驱动转动；所述中间轴的上端设置有可沿中间轴的轴向移动的第二上接合器，所述第二上结合器通过第一驱动装置实现和第一上接合器啮合或脱离，从而实现中间轴和输入轴联动或脱离；

所述中间轴的下端设置有可沿中间轴的轴向移动的第二下接合器，所述第二下结合器通过第二驱动装置实现和第一上接合器啮合或脱离，从而实现中间轴和输出轴联动或脱离；

所述第一驱动装置和第二驱动装置受所述电子控制单元控制，当所述第一驱动装置和第二驱动装置共同作用，可实现输入轴、输出轴和中间轴的三者联动。

进一步的，所述第一驱动装置和第二驱动装置均为电磁换向阀，所述电磁换向阀的轴和对应的第二上结合器或第二下接合器固定连接。

更进一步的，所述第二上结合器和第二下结合器上均设有环形卡槽，所述卡环与卡槽配合连接，实现所述电磁换向阀的轴和对应的第二上结合器或第二下接合器的固定连接。

进一步的，所述第一上接合器和第二上接合器为花键联接；所述第一下接合器和第二下接合器为花键联接。

进一步的，所述路感电机、轴向电机、冗余电机采用相同规格的电机。

进一步的，所述转向器是齿轮齿条转向器。

一种线控转向系统的多电机冗余装置的控制方法，其特征在于：采用如上所述的线控转向系统的多电机冗余装置，其中电子控制单元执行以下步骤：

实时监测路感电机、转向电机、冗余电机的状态，所述状态包括正常状态和失效状态；

当路感电机、转向电机均正常时，控制离合器的中间轴和输入轴、中间轴和输出轴均处于脱离状态，冗余电机处于关断状态；

当仅路感电机失效时，控制离合器的中间轴和输入轴联动，将路感信号输入给冗余电机，冗余电机执行路感电机工作；

当仅转向电机失效时，控制离合器的中间轴和输入轴联动，将转向信号输入给冗余电机，冗余电机执行转向电机工作；

当路感电机、转向电机和冗余电机中的两个失效时，控制离合器的中间轴、输入轴、输出轴三者联动，将线控转向系统转为机械式电动助力转向系统，由未失效的电机提供电动助力；

当路感电机、转向电机和冗余电机均失效时，控制离合器的中间轴、输入轴、输出轴三者联动，将线控转向系统转为机械式转向系统。

进一步的，用于评价路感电机、转向电机、冗余电机的状态的参数包括电机输入电流、电机转速与电机输出扭矩。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的线控转向系统的多电机冗余装置，增加了冗余电机，同时在线控转向系统的输入轴和输出轴之间的离合器设有一与冗余电机联动的中间轴及中间轴齿轮结构，在离合器内形成输入轴和中间轴、输出轴和中间轴的双离合结构，在路感电机、转向电机或其电机控制单元、控制线路出现异常时，可在电子控制单元的控制下，实现中间轴与输入轴的联动、中间轴与输出轴的联动、或中间轴、输入轴、输出轴三者的联动，从而最大限度的保证线控转向系统的安全性和可用性，并当线性转向系统完全失效时，仍能切换到机械式转向系统，保证车辆的行驶安全。

附图说明

图1是本发明的线控转向系统的多电机冗余装置的结构示意图；

图2是本发明的离合器结构示意图；

图3是本发明的上接合器的离合控制装置的结构示意图；

图4是本发明的下接合器的离合控制装置的结构示意图。

其中:1-方向盘；2-输入轴；3-方向盘角度传感器；4-输入轴齿轮结构；5-离合器箱体；6A、6B-上接合器；7-中间轴齿轮；8-中间轴；9A、9B-下接合器；10-输出轴；11-输出轴力矩传感器；12-齿轮齿条转向器；13-转向轮；14-电子控制单元；15-路感电机；16-冗余电机；17-转向电机，18、20-电磁换向阀；19、21-卡环。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种线控转向系统的多电机冗余装置，适用于轻型客车，包括：方向盘1、路感电机15、冗余电机16、转向电机17、电子控制单元14(以下称为ECU)、方向盘角度传感器3、车速传感器、输出轴力矩传感器11、输入轴齿轮结构4、离合器箱体5、输入轴2、中间轴8、中间轴齿轮结构7、输出轴10、上接合器6A/6B、下接合器9A/9B、齿轮齿条转向器12、转向轮13。

ECU通过车辆的CAN总线与路感电机控制单元、冗余电机控制单元、转向电机控制单元连接，从而实现对路感电机、冗余电机和转向电机的控制。

方向盘1固定连接在输入轴2的顶端，输入轴2上装配有第一传动机构，该第一传动机构是一个输入轴齿轮结构4，路感电机15通过输入轴齿轮结构4驱动输入轴2旋转；输入轴2下端穿入离合器箱体5，与离合器箱体5内的上接合器6A固定连接。

输出轴10上端延伸到离合器箱体5内，和下接合器9B固定连接；输出轴10的下端固定连接有斜齿轮，该斜齿轮和齿轮齿条转向器12啮合，同时转向电机17的齿轮和齿轮齿条转向器12啮合，从而实现转向电机和输出轴的联动，转向轮13在转向电机17或输出轴10的驱动下转向。

中间轴8的上端设置有上接合器6B，上接合器6B可沿中间轴8轴向在一定区间内移动，并在电子控制单元14的控制下，上接合器6B向上移动和上接合器6A啮合，实现中间轴8和输入轴2的联动，或上接合器6B向下移动和上接合器6A脱离，恢复中间轴8和输入轴2的独立控制；中间轴8的下端设置有下接合器9A，下接合器9B可沿中间轴8轴向在一定区间内移动，并在电子控制单元14的控制下，下接合器9B向下移动和下接合器9A啮合，实现中间轴8和输出轴10的联动，或下接合器9B向上移动和下接合器9A脱离，恢复中间轴8和输出轴10的独立控制；中间装配有中间轴齿轮结构7，在电子控制单元14的控制下，中间轴齿轮结构7可和冗余电机16的齿轮啮合或脱离，从而使中间轴8在冗余电机16的驱动下旋转，当冗余电机16失效时，将冗余电机16和中间轴8分离。

离合器箱体5采用轴承固定中间轴8、输入轴2、输出轴10的相对位置关系，同时保护中间轴8与输入轴2、输出轴10的连接。具体的，为保证中间轴8、输入轴2、输出轴10的自由旋转，离合器通过轴承固定输入轴、中间轴、输出轴的相对位置。

在输入轴2上装配有方向盘角度传感器3，用于感知输入轴2的转向角度。

在输出轴10上穿有输出轴力矩传感器11，用于感知输出轴10的转向角度进而确定输出轴10的输出力矩。

如图2-图4所示，在离合器上还包括电磁换向阀18、20，卡环19、21，电磁换向阀18的轴通过卡环19连接到上接合器6B上，电子控制单元14通过驱动电磁换向阀18控制上接合器6A沿中间轴8轴向移动，从而控制上接合器6A、6B啮合或脱离；电磁换向阀20的轴通过卡环21连接到下接合器9B上，电子控制单元14通过驱动电磁换向阀20控制下接合器9A沿中间轴8轴向移动，从而控制下接合器9A、9B啮合或脱离。

在本实施例中，上接合器6A和上接合器6B为花键联接；下接合器9A和下接合器9B为花键联接。花键联接适用于定心精度要求高、传递转矩大或经常滑移的联接。

电子控制单元14通过控制电磁换向阀18、20的轴向移动，从而控制上接合器6B和下接合器9B在中间轴上移动；电磁换向阀18、20的轴上分别装配卡环19、21，上接合器6B和下接合器9B在设计时保留有与卡环装配的卡槽，电磁换向阀轴上的卡环与接合器上的卡槽连接。

工作原理：

电子控制单元(ECU)接受到方向盘角度传感器3的转角信号，对其转角信息进行计算，得出驾驶员的转向意图，并将转角信息由CAN线传输到路感电机控制单元中，路感电机控制单元控制路感电机对转向信息做出反馈；ECU同时将信号由CAN线传输到转向电子控制单元，由转向电子控制单元对转向电机17进行控制，完成转向。

在转向过程中，由车速传感器检测车辆的速度，并根据车辆的行驶速度对路感电机1和转向电机进行反馈控制，根据转向速度特性，当车速高时输入的力矩小，路感电机和转向电机的输出力矩小，在此过程中输出轴力矩传感器11检测输出轴的力矩输出，并将信息通过CAN线反馈给ECU，分析数据与设定值关系，控制转向电机17的转向力矩，进而控制车辆的纵向行驶距离，控制车辆的操纵稳定性。当车速低时，输入力矩大；当车速高时，输出力矩小，让车辆具有良好的操纵性。

当车辆正常行驶，路感电机15和转向电机17均为正常工作时，在离合器箱体5内部，中间轴8上的上接合器6B与输入轴的上接合器6A未结合，处理分离状态；中间轴8上的下接合器9B与输出轴上的下接合器9A未结合，处于分离状态。

车辆正常行驶时，驾驶员操纵方向盘1，方向盘角度传感器3输出转角信号给ECU，同时，车速传感器输出车辆的速度，输出轴力矩传感器11输出转向力矩，ECU计算转角的角度，并结合车辆的速度，将转角信息输送给转向电机控制单元，转向电机控制单元控制转向电机输出转向力矩，在输出轴力矩传感器11检测转向力矩反馈给ECU形成转向力矩的闭环控制，来保证转向的平稳性。同时扭矩传感器测得的扭矩信息再由ECU对转向电机17进行控制，路感电机15工作使驾驶员获得清晰地路感。

路感电机失效：

若在系统工作中发生路感电机失效(也包括路感电机控制单元失效)的情况，ECU检测出路感电机失效，ECU控制电磁换向阀使中间轴8上的上接合器6B与输入轴2上的上接合器6A结合，ECU将路感信号输入到冗余电机16中，ECU控制冗余电机16工作，通过中间轴8和输入轴2的机械联动，冗余电机工作代替系统中的路感电机15，反馈路感信息。

转向电机失效：

若在此系统工作中发生转向电机失效(也包括转向电机控制单元失效)的情况，ECU检测出转向电机失效，则ECU控制电磁换向阀将中间轴8上的下接合器9B与输出轴10上的下接合器9A结合，ECU将控制转向的信号传递到冗余电机16并控制冗余电机16工作，通过中间轴8和输出轴10的机械联动，冗余电机工作来代替系统中的转向电机17，完成系统转向。

路感电机和冗余电机失效：

若在此系统工作中发生路感电机与冗余电机同时失效的情况，则ECU控制电磁换向阀将中间轴8上的上接合器6B、下接合器9B分别于输入轴2上的上接合器6A、输出轴10上的下接合器9A结合，此时，输入轴2、中间轴8和输出轴10为同轴连接；此时，ECU接受车速传感器反馈的车辆速度的信号，根据车辆的速度对转向电机17进行控制，再由输出轴10上的输出轴力矩传感器11的力矩信号对ECU进行反馈，ECU对转向电机17进行力矩输出的控制，保证系统的转向平顺性；此时转向系统为机械式电动助力转向。

转向电机和冗余电机失效：

若在此系统工作中发生转向电机与冗余电机同时失效的情况，则ECU控制电磁换向阀将中间轴8上的上接合器6B、下接合器9B分别于输入轴2上的上接合器6A、输出轴10上的下接合器9A结合，此时，输入轴2、中间轴8和输出轴10为同轴连接；此时，ECU接受车速传感器反馈的车辆速度的信号，根据车辆的速度对路感电机15进行控制，再由输出轴10上的输出轴力矩传感器11的力矩信号对ECU进行反馈，ECU对路感电机15进行力矩输出的控制，保证系统的转向平顺性；此时转向系统为机械式电动助力转向。

路感电机和转向电机失效：

若在此系统工作中发生路感电机与转向电机同时失效的情况，则ECU控制电磁换向阀将中间轴8上的上接合器6B、下接合器9B分别于输入轴2上的上接合器6A、输出轴10上的下接合器9A结合，此时，输入轴2、中间轴8和输出轴10为同轴连接；此时，ECU接受车速传感器反馈的车辆速度的信号，根据车辆的速度对冗余电机16进行控制，再由输出轴10的输出轴力矩传感器11的力矩信号对ECU进行反馈，ECU对冗余电机16进行力矩输出的控制，保证系统的转向平顺性；此时转向系统为机械式电动助力转向。

冗余电机实现对路感电机、转向电机的冗余备份，冗余电机需要和转向电机、路感电机中驱动能力大的一方保持一致，同时为满足任一电机均能提供相同驱动能力的电动助力转向，路感电机、轴向电机、冗余电机采用相同规格的电机及其电机控制单元，以提供相同的驱动能力。

路感电机、轴向电机、冗余电机三者皆失效：

若在此系统工作中发生路感电机、轴向电机、冗余电机三者皆失效的情况下，则ECU控制电磁换向阀将中间轴8上的上接合器6B、下接合器9B分别与输入轴2上的上接合器6A、输出轴10上的下接合器9A结合，此时，输入轴2、中间轴8和输出轴10为同轴连接；此时线控转向系统转为机械式转向系统，车辆通过施加在方向盘1上的扭力完成车辆的转向控制，在路感电机、轴向电机、冗余电机三者皆失效下保证车辆的行驶安全。

本线控转向系统的多电机冗余装置的实施例，本发明的线控转向系统的多电机冗余装置，增加了冗余电机，同时在线控转向系统的输入轴和输出轴之间的离合器设有一与冗余电机联动的中间轴及中间轴齿轮结构，在离合器内形成输入轴和中间轴、输出轴和中间轴的双离合结构，在路感电机、转向电机或其电机控制单元、控制线路出现异常时，可在电子控制单元的控制下，实现中间轴与输入轴的联动、中间轴与输出轴的联动、或中间轴、输入轴、输出轴三者的联动，从而最大限度的保证线控转向系统的安全性和可用性，并当线性转向系统完全失效时，仍能切换到机械式转向系统，保证车辆的行驶安全。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种线控转向系统的多电机冗余装置，其特征在于：包括电子控制单元、路感电机、转向电机、冗余电机、输入轴、输出轴和离合器；所述离合器包括箱体及设置于箱体内的第一上接合器、第二上接合器、中间轴、中间轴齿轮结构、第一下接合器和第二下接合器；

输入轴的上端和方向盘固定连接，输入轴的下端穿入箱体，与箱体内的第一上接合器固定连接；在正常工作状态下，所述输入轴受路感电机驱动转动；

输出轴的下端通过齿轮结构和转向器啮合，输出轴的上端穿入箱体与箱体内的第一下接合器固定连接；在正常工作状态下，所述输出轴通过转向器受转向电机驱动转动；

所述中间轴和输入轴、输出轴同轴；

所述中间轴上设置有中间轴齿轮结构，所述中间轴通过所述中间轴齿轮结构和箱体外的冗余电机啮合，受冗余电机驱动转动；所述中间轴的上端设置有可沿中间轴的轴向移动的第二上接合器，所述第二上接合器通过第一驱动装置实现和第一上接合器啮合或脱离，从而实现中间轴和输入轴联动或脱离；

所述中间轴的下端设置有可沿中间轴的轴向移动的第二下接合器，所述第二下接合器通过第二驱动装置实现和第一下接合器啮合或脱离，从而实现中间轴和输出轴联动或脱离；

所述第一驱动装置和第二驱动装置受所述电子控制单元控制，当所述第一驱动装置和第二驱动装置共同作用，可实现输入轴、输出轴和中间轴的三者联动；

所述电子控制单元执行以下步骤：

实时监测路感电机、转向电机、冗余电机的状态，所述状态包括正常状态和失效状态；

当路感电机、转向电机均正常时，控制离合器的中间轴和输入轴、中间轴和输出轴均处于脱离状态，冗余电机处于关断状态；

当仅路感电机失效时，控制离合器的中间轴和输入轴联动，将路感信号输入给冗余电机，冗余电机执行路感电机工作；

当仅转向电机失效时，控制离合器的中间轴和输出轴联动，将转向信号输入给冗余电机，冗余电机执行转向电机工作；

当路感电机、转向电机和冗余电机中的两个失效时，控制离合器的中间轴、输入轴、输出轴三者联动，将线控转向系统转为机械式电动助力转向系统，由未失效的电机提供电动助力；

当路感电机、转向电机和冗余电机均失效时，控制离合器的中间轴、输入轴、输出轴三者联动，将线控转向系统转为机械式转向系统。

2.如权利要求1所述的线控转向系统的多电机冗余装置，其特征在于：所述第一驱动装置和第二驱动装置均为电磁换向阀，所述电磁换向阀的轴和对应的第二上接合器或第二下接合器固定连接。

3.如权利要求2所述的线控转向系统的多电机冗余装置，其特征在于：所述电磁换向阀的轴上固定有卡环，所述第二上接合器和第二下接合器上均设有环形卡槽，所述卡环与卡槽配合连接，实现所述电磁换向阀的轴和对应的第二上接合器或第二下接合器的固定连接。

4.如权利要求1所述的线控转向系统的多电机冗余装置，其特征在于：所述第一上接合器和第二上接合器为花键联接；所述第一下接合器和第二下接合器为花键联接。

5.如权利要求1所述的线控转向系统的多电机冗余装置，其特征在于：所述路感电机、轴向电机、冗余电机采用相同规格的电机。

6.如权利要求1所述的线控转向系统的多电机冗余装置，其特征在于：所述转向器是齿轮齿条转向器。

7.如权利要求1所述的线控转向系统的多电机冗余装置，其特征在于：用于评价路感电机、转向电机、冗余电机的状态的参数包括电机输入电流、电机转速与电机输出扭矩。

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