CN111017009A - 一种复合智能转向系统及其控制和故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合智能转向系统及其控制和故障诊断方法，复合转向系统包括转向盘模块、电动助力转向模块、线控转向模块、传感器模块和ECU控制模块；该复合转向包括线控转向模式和电动助力转向模式，根据线控转向模块中的第二电机是否发生故障，可以在线控转向模式和电动助力转向模式之间进行切换，实现转向安全可靠性。

Description

一种复合智能转向系统及其控制和故障诊断方法

技术领域

本发明涉及转向系统技术领域，尤其涉及一种复合智能转向系统及其控制和故障诊断方法。

背景技术

线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，而采用电子连接的方式，能够实现轻量化、自由设计转向系统传动比、提高动力学控制的灵活性、实现主动转向、路感优化以及改善车辆的主动安全性和操纵稳定性等优点。

但是目前普遍的线控转向系统都只有一套转向执行机构，由于线控转向系统在转向盘和转向轮之间不存在机械连接，并且电子连接方式的可靠性比传统机械部件低，一旦线控转向系统发生故障将导致车辆无法正常转向并导致严重的事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种复合智能转向系统及其控制和故障诊断方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种复合智能转向系统，包括转向盘模块、电动助力转向模块、线控转向模块、传感器模块和ECU控制模块；

所述转向盘模块包含转向盘和转向柱；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述电动助力转向模块包含第一电机、第一电机减速器、转向传动轴、第一离合器、第二离合器、第一转向小齿轮、齿条和转向横拉杆；

所述第一电机的输出轴通过所述第一电机减速器和转向柱相连；

所述转向传动轴的上端通过所述第一离合器和所述转向柱的下端相连，转向传动轴的下端通过所述第二离合器和所述第一转向小齿轮的转轴相连；

所述第一转向小齿轮和所述齿条啮合；

所述齿条和所述转向横拉杆相连；所述转向横拉杆的两端分别和车辆的两个转向车轮对应相连；

所述线控转向模块包含第二电机、第二电机减速器和第二转向小齿轮，其中，所述第二电机的输出轴通过所述第二电机减速器和第二转向小齿轮的转轴相连；所述第二转向小齿轮和所述齿条啮合；

所述传感器模块包含转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器；

所述转角传感器、转矩传感器均设置在转向柱上，分别用于获得转向盘的转角信号、转矩信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述车速传感器设置在车轮上，用于获得车速信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述横摆角速度传感器、侧向加速度传感器均设置在车辆的车架质心处，分别用于获得车辆的横摆角速度信号、侧向加速度信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述ECU控制模块分别和所述转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、第一电机、第二电机、第一离合器、第二离合器电气相连，用于根据转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器的感应信号控制第一电机、第二电机、第一离合器、第二离合器工作。

本发明还公开了一种该复合智能转向系统的控制方法，包含以下步骤：

当采用线控转向模式工作时：

步骤A.1)，ECU控制模块控制第一离合器断开、第二离合器断开；

步骤A.2)，ECU控制模块根据车速信号、方向盘转角信号计算变传动比大小及第二电机转角大小，输出第二电机电流控制信号控制第二电机工作；

步骤A.3)，ECU控制模块根据转向盘转角、车速、横摆角速度、侧向加速度计算出路感大小，输出第一电机电流控制信号控制第一电机工作；

当采用电动助力转向模式工作时：

步骤B.1)，ECU控制模块控制第一离合器接合、第二离合器接合，同时控制第二电机停止工作；

步骤B.2)，ECU控制模块根据转向盘转角、转向盘转矩、车速计算出所需助力大小，输出第一电机电流控制信号控制第一电机工作。

本发明还公开了一种该复合智能转向系统的故障诊断方法，第二电机的故障诊断包括以下步骤：

步骤C.1)，建立第二电机在d-q两相旋转坐标系下的失磁故障方程：

式中，R为第二电机的定子绕组相电阻；i_d、i_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴电流；L_d、L_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴电感；u_d、u_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴的电压；ω为转子电角速度；ψ_rd、ψ_rq分别为第二电机永磁体在d轴、q轴产生的磁链分量；

步骤C.2)，根据式(1)，建立第二电机失磁故障诊断的参考模型的状态方程：

式中，x＝[i_d i_q]^T；u＝[u_d u_q]^T；a₁＝-1/L_d；a₂＝L_q/L_d；a₃＝ψ_rq/L_d；a₄＝-1/L_q；a₅＝-L_d/L_q；a₆＝-ψ_rd/L_q；

步骤C.3)，以电流为状态变量，构造观测器的可调模型：

式中，a为待设计的常量，a′_i代表相应变量的观测值；

步骤C.4)，选取观测误差，并求取误差状态方程：

式中，

代表相应变量的误差值；

步骤C.5)，当第二电机达到稳态时，可调模型的状态量逼近参考模型的状态变量，分别得到第二电机在d、q轴方向上的磁链分量观测值ψ′_rd、ψ′_rq：

ψ′_rd＝a′₆/a′₄ (6)

ψ′_rq＝a′₃/a′₁ (7)

步骤C.6)，将ψ′_rd、ψ′_rq和第二电机磁链的标称值ψ_r进行比较：

当|ψ_r-ψ′_rd|＜ε₁且|ψ′_rq|＜ε₂时，第二电机无故障；

当|ψ_r-ψ′_rd|≥ε₁且|ψ′_rq|＜ε₂时，第二电机幅值失磁故障；

当|ψ_r-ψ′_rd|≥ε₁且|ψ′_rq|≥ε₂时，第二电机角度失磁故障；

式中，ε₁、ε₂分别为预设的第一故障判断阈值、预设的第二故障判断阈值。

当第二电机无故障时，采用线控转向模式工作；当第二电机出现故障时，采用电动助力转向模式工作。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明在汽车转向系统中实现多模式转向功能，能够根据第二电机故障与否使复合转向系统切换到线控转向模式或者电动助力转向模式，保障车辆能具备正常的转向能力。

附图说明

图1绘示本发明复合智能转向系统示意图；

图中，1-转向盘，2-转向柱，3-转矩传感器，4-转角传感器，5-第一电机减速器，6-第一离合器，7-转向传动轴，8-第二离合器，9-第一转向小齿轮，10-齿条，11-第二转向小齿轮，12-转向横拉杆，13-第二电机减速器，14-第二电机，15-右驱动车轮，16-ECU控制模块，17-第一电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种复合智能转向系统，包括转向盘模块、电动助力转向模块、线控转向模块、传感器模块和ECU控制模块；

所述转向盘模块包含转向盘和转向柱；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述电动助力转向模块包含第一电机、第一电机减速器、转向传动轴、第一离合器、第二离合器、第一转向小齿轮、齿条和转向横拉杆；

所述第一电机的输出轴通过所述第一电机减速器和转向柱相连；

所述转向传动轴的上端通过所述第一离合器和所述转向柱的下端相连，转向传动轴的下端通过所述第二离合器和所述第一转向小齿轮的转轴相连；

所述第一转向小齿轮和所述齿条啮合；

所述齿条和所述转向横拉杆相连；所述转向横拉杆的两端分别和车辆的两个转向车轮对应相连；

所述线控转向模块包含第二电机、第二电机减速器和第二转向小齿轮，其中，所述第二电机的输出轴通过所述第二电机减速器和第二转向小齿轮的转轴相连；所述第二转向小齿轮和所述齿条啮合；

所述传感器模块包含转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器；

所述转角传感器、转矩传感器均设置在转向柱上，分别用于获得转向盘的转角信号、转矩信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述车速传感器设置在车轮上，用于获得车速信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述横摆角速度传感器、侧向加速度传感器均设置在车辆的车架质心处，分别用于获得车辆的横摆角速度信号、侧向加速度信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述ECU控制模块分别和所述转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、第一电机、第二电机、第一离合器、第二离合器电气相连，用于根据转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器的感应信号控制第一电机、第二电机、第一离合器、第二离合器工作。

本发明还公开了一种该复合智能转向系统的控制方法，包含以下步骤：

当采用线控转向模式工作时：

步骤A.1)，ECU控制模块控制第一离合器断开、第二离合器断开；

步骤A.2)，ECU控制模块根据车速信号、方向盘转角信号计算变传动比大小及第二电机转角大小，输出第二电机电流控制信号控制第二电机工作；

步骤A.3)，ECU控制模块根据转向盘转角、车速、横摆角速度、侧向加速度计算出路感大小，输出第一电机电流控制信号控制第一电机工作；

当采用电动助力转向模式工作时：

步骤B.1)，ECU控制模块控制第一离合器接合、第二离合器接合，同时控制第二电机停止工作；

步骤B.2)，ECU控制模块根据转向盘转角、转向盘转矩、车速计算出所需助力大小，输出第一电机电流控制信号控制第一电机工作。

本发明还公开了一种该复合智能转向系统的故障诊断方法，第二电机的故障诊断包括以下步骤：

步骤C.1)，建立第二电机在d-q两相旋转坐标系下的失磁故障方程：

式中，R为第二电机的定子绕组相电阻；i_d、i_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴电流；L_d、L_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴电感；u_d、u_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴的电压；ω为转子电角速度；ψ_rd、ψ_rq分别为第二电机永磁体在d轴、q轴产生的磁链分量；

步骤C.2)，根据式(1)，建立第二电机失磁故障诊断的参考模型的状态方程：

式中，x＝[i_d i_q]^T；u＝[u_d u_q]^T；a₁＝-1/L_d；a₂＝L_q/L_d；a₃＝ψ_rq/L_d；a₄＝-1/L_q；a₅＝-L_d/L_q；a₆＝-ψ_rd/L_q；

步骤C.3)，以电流为状态变量，构造观测器的可调模型：

式中，a为待设计的常量，a′_i代表相应变量的观测值；

步骤C.4)，选取观测误差，并求取误差状态方程：

式中，

代表相应变量的误差值；

步骤C.5)，当第二电机达到稳态时，可调模型的状态量逼近参考模型的状态变量，分别得到第二电机在d、q轴方向上的磁链分量观测值ψ′_rd、ψ′_rq：

ψ′_rd＝a′₆/a′₄ (6)

ψ′_rq＝a′₃/a′₁ (7)

步骤C.6)，将ψ′_rd、ψ′_rq和第二电机磁链的标称值ψ_r进行比较：

当|ψ_r-ψ′_rd|＜ε₁且|ψ′_rq|＜ε₂时，第二电机无故障；

当|ψ_r-ψ′_rd|≥ε₁且|ψ′_rq|＜ε₂时，第二电机幅值失磁故障；

当|ψ_r-ψ′_rd|≥ε₁且|ψ′_rq|≥ε₂时，第二电机角度失磁故障；

式中，ε₁、ε₂分别为预设的第一故障判断阈值、预设的第二故障判断阈值。

当第二电机无故障时，采用线控转向模式工作；当第二电机出现故障时，采用电动助力转向模式工作。

当第二电机无故障时，ECU控制模块控制第一离合器和第二离合器断开，第一电机处于路感反馈模式，复合转向系统切换到线控转向模式；当第二电机出现故障时，ECU控制模块控制第一离合器和第二离合器接合，并且控制第二电机停止工作，第一电机处于电动助力模式，复合转向系统切换到电动助力转向模式。根据线控转向模块中的第二电机是否发生故障，可以在线控转向模式和电动助力转向模式之间进行切换，实现转向安全可靠性。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复合智能转向系统，其特征在于，包括转向盘模块、电动助力转向模块、线控转向模块、传感器模块和ECU控制模块；

所述转向盘模块包含转向盘和转向柱；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述电动助力转向模块包含第一电机、第一电机减速器、转向传动轴、第一离合器、第二离合器、第一转向小齿轮、齿条和转向横拉杆；

所述第一电机的输出轴通过所述第一电机减速器和转向柱相连；

所述转向传动轴的上端通过所述第一离合器和所述转向柱的下端相连，转向传动轴的下端通过所述第二离合器和所述第一转向小齿轮的转轴相连；

所述第一转向小齿轮和所述齿条啮合；

所述齿条和所述转向横拉杆相连；所述转向横拉杆的两端分别和车辆的两个转向车轮对应相连；

所述线控转向模块包含第二电机、第二电机减速器和第二转向小齿轮，其中，所述第二电机的输出轴通过所述第二电机减速器和第二转向小齿轮的转轴相连；所述第二转向小齿轮和所述齿条啮合；

所述传感器模块包含转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器；

所述转角传感器、转矩传感器均设置在转向柱上，分别用于获得转向盘的转角信号、转矩信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述车速传感器设置在车轮上，用于获得车速信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述横摆角速度传感器、侧向加速度传感器均设置在车辆的车架质心处，分别用于获得车辆的横摆角速度信号、侧向加速度信号，并将其传递给所述ECU控制模块；

所述ECU控制模块分别和所述转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、第一电机、第二电机、第一离合器、第二离合器电气相连，用于根据转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器的感应信号控制第一电机、第二电机、第一离合器、第二离合器工作。

2.基于权利要求1所述的复合智能转向系统的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

当采用线控转向模式工作时：

步骤A.1)，ECU控制模块控制第一离合器断开、第二离合器断开；

步骤A.2)，ECU控制模块根据车速信号、方向盘转角信号计算变传动比大小及第二电机转角大小，输出第二电机电流控制信号控制第二电机工作；

步骤A.3)，ECU控制模块根据转向盘转角信号、车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号计算出路感大小，输出第一电机电流控制信号控制第一电机工作；

当采用电动助力转向模式工作时：

步骤B.1)，ECU控制模块控制第一离合器接合、第二离合器接合，同时控制第二电机停止工作；

步骤B.2)，ECU控制模块根据转向盘转角信号、转向盘转矩信号、车速信号计算出所需助力大小，输出第一电机电流控制信号控制第一电机工作。

3.基于权利要求1所述的复合智能转向系统的故障诊断方法，其特征在于，第二电机的故障诊断包括以下步骤：

步骤C.1)，建立第二电机在d-q两相旋转坐标系下的失磁故障方程：

式中，R为第二电机的定子绕组相电阻；i_d、i_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴电流；L_d、L_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴电感；u_d、u_q分别为第二电机定子绕组的d轴、q轴的电压；ω为转子角速度；ψ_rd、ψ_rq分别为第二电机永磁体在d轴、q轴产生的磁链分量；

步骤C.2)，根据式(1)，建立第二电机失磁故障诊断的参考模型的状态方程：

式中，x＝[i_d i_q]^T；u＝[u_d u_q]^T；a₁＝-1/L_d；a₂＝L_q/L_d；a₃＝ψ_rq/L_d；a₄＝-1/L_q；a₅＝-L_d/L_q；a₆＝-ψ_rd/L_q；

步骤C.3)，以电流为状态变量，构造观测器的可调模型：

式中，a为待设计的常量，a′_i代表相应变量的观测值；

步骤C.4)，选取观测误差，并求取误差状态方程：

式中，

代表相应变量的误差值；

步骤C.5)，当第二电机达到稳态时，可调模型的状态量逼近参考模型的状态变量，分别得到第二电机在d、q轴方向上的磁链分量观测值ψ′_rd、ψ′_rq：

ψ′_rd＝a′₆/a′₄ (6)

ψ′_rq＝a′₃/a′₁ (7)

步骤C.6)，将ψ′_rd、ψ′_rq和第二电机磁链的标称值ψ_r进行比较：

当|ψ_r-ψ′_rd|＜ε₁且|ψ′_rq|＜ε₂时，第二电机无故障；

当|ψ_r-ψ′_rd|≥ε₁且|ψ′_rq|＜ε₂时，第二电机幅值失磁故障；

当|ψ_r-ψ′_rd|≥ε₁且|ψ′_rq|≥ε₂时，第二电机角度失磁故障；

式中，ε₁、ε₂分别为预设的第一故障判断阈值、预设的第二故障判断阈值。

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