CN111017010B - 一种双电机智能线控转向系统及同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机智能线控转向系统及同步控制方法，双电机智能线控转向系统包括转向盘模块、转向执行模块、车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和ECU控制模块；双电机线控转向系统采用转向电机A、转向电机B两个转向电机，从硬件上实现转向系统的冗余，极大地提高了线控转向系统的可靠性；并且基于交叉耦合补偿控制结构提出双电机之间的同步控制方法，有效地加强了两个转向电机之间的同步特性。

Description

一种双电机智能线控转向系统及同步控制方法

技术领域

本发明涉及线控转向系统，尤其涉及一种双电机智能线控转向及同步控制方法。

背景技术

转向系统是车辆最主要的系统之一，转向系统的性能直接关系到车辆的行驶安全性以及乘员的乘坐舒适性。线控转向取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，摆脱了传统转向系统固有的限制，能够自由设计转向角传动比，更好地实现转向角传递特性，从而有效地改善车辆主动安全性和舒适性。但是目前车辆的线控转向系统一般只有一个转向电机，一旦转向电机出现故障将导致车辆失去转向能力，从而导致严重的后果。

双电机线控转向系统采用两个转向电机完成转向操作，当其中一个转向电机发生故障时，ECU控制单元会快速切换到正常的转向电机，可以从硬件上实现转向系统的冗余，避免任何一个单转向电机故障造成转向指令执行失效的问题，极大地提高了线控转向系统的可靠性。此外，双电机线控转向系统可以减轻单个电机的负载，从而提高转向电机的使用寿命。

但是采用双转向电机也带来了一些问题，当两个转向电机的结构参数不一致、负载分配不均、电流突变时会导致两个电机出现不同步问题，从而影响转向效率、转向电机和转向器的使用寿命。因此需要对双电机线控转向系统进行同步控制，从而消除两个电机之间的不同步问题。

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，提供一种双电机智能线控转向系统及同步控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种双电机智能线控转向系统，包括转向盘模块、转向执行模块、车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和ECU控制模块；

所述转向盘模块包括转向盘、转向柱、路感电机驱动器、路感电机和路感电机减速器；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器和转向柱下端相连，用于经转向柱向转向盘传递路感；所述路感电机驱动器用于驱动路感电机工作；

所述车速传感器用于获得车辆的车速，并将其传递给所述ECU控制模块；

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

所述转向执行模块包括转向电机A驱动器、转向电机A、转向电机A减速器、小齿轮A、转向电机B驱动器、转向电机B、转向电机B减速器、小齿轮B、齿条和转向横拉杆；

所述转向电机A通过转向电机A减速器和小齿轮A的转轴相连，转向电机B通过转向电机B减速器和小齿轮B的转轴相连，转向电机A、转向电机B型号相同；

所述小齿轮A、小齿轮B均和所述齿条啮合；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ECU控制模块分别和所述车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机驱动器、转向电机A驱动器、转向电机B驱动器电气相连，用于根据车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器的感应信号控制路感电机驱动器、转向电机A驱动器、转向电机B驱动器工作。

作为本发明一种双电机智能线控转向系统进一步的优化方案，所述ECU控制模块包括路感电机控制模块、转向电机控制模块和变传动比控制模块；

所述路感电机控制模块用于根据车速信号、转向盘转矩信号和转向盘转角信号计算出路感大小，输出路感电机电流控制信号给路感电机驱动器，路感电机驱动器驱动路感电机；

所述变传动比控制模块用于根据车速信号、转向盘转角信号计算传动比大小，变传动比控制模块将计算得到的传动比信号输出给转向电机控制模块；

所述转向电机控制模块用于根据得到的传动比信号以及转向盘转角信号计算转向电机的转角大小，并输出转向电机电流控制信号给转向电机驱动器A和转向电机驱动器B，转向电机驱动器A驱动转向电机A，转向电机驱动器B驱动转向电机B。

本发明还公开了一种该双电机智能线控转向系统的控制方法，转向电机A和转向电机B均采用三闭环控制，其中转角环和电流环采用PID控制，转速环采用第一滑模控制器控制；转向电机A和转向电机B之间采用交叉耦合补偿控制结构，采集转向电机A和转向电机B的实际转速做差经过第二滑模控制器得到的控制信号分别补偿给转向电机A和转向电机B的电流环，从而快速消除两电机之间转速不一致性达到同步控制。

作为本发明中该双电机智能线控转向系统的控制方法进一步的优化方案，所述第二滑模控制器按照以下步骤建立：

步骤1)，建立转向电机A和转向电机B的模型：

式中，T_e1、T_e2分别为转向电机A、转向电机B的电磁转矩；ω₁、ω₂分别为转向电机A、转向电机B的角速度；i₁、i₂分别为转向电机A、转向电机B的相电流；T_l1、T_l2分别为转向电机A、转向电机B的负载转矩；转向电机A和转向电机B的转矩系数均为K_t、转动惯量均为J、粘滞摩擦系数均为B；

步骤2)，定义转向电机A和转向电机B的状态变量：

令则转向执行模块的状态方程表示为：

步骤3)，定义转向执行模块的滑模面函数为：

s＝cx₁+x₂ (6)

式中，c＞0为待设计参数；

步骤4)，选取指数趋渐律作为滑模控制趋渐律，其表达式为：

式中，sgn(s)为符号函数，ε＞0和q＞0为待设计参数；

步骤5)，对转向执行模块的滑模面函数进行求导并且联合趋近律函数：

步骤6)，计算转向电机A和转向电机B电流环的补偿电流为：

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：

本发明能够从硬件上实现冗余，当线控转向系统一个转向电机出现故障或失效时，另一个转向电机能够独立工作，避免了任何一个单转向电机的故障造成的转向指令执行失效，保证完整的转向系统的性能。此外，双电机同时经过转角环和电流环PID控制，速度环滑模控制，能很好地跟踪转向盘转角控制；双电机之间基于交叉耦合补偿结构的转速滑膜同步控制又能有效解决两转向电机之间转速不一致导致的转向电机寿命低和转向效率低的问题，因此具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明双电机智能线控转向系统的结构示意图；

图2是本发明中转向电机A和转向电机B同步控制的流程示意图；

图3是本发明中第二滑模控制器的结构示意图。

图中，1-转向盘，2-转向柱，3-转向盘转角传感器，4-路感电机减速器，51-转向电机A驱动器，61-转向电机A，71-转向电机A减速器，81-右转向车轮，91-小齿轮A，52-转向电机B驱动器，62-转向电机B，72-转向电机B减速器，82-左转向车轮，92-小齿轮B，10-齿条，11-ECU控制模块，12-路感电机驱动器，13-路感电机，14-转向盘转矩传感器。

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。

参照图1所示，本发明公开了一种双电机智能线控转向系统，包括转向盘模块、转向执行模块、车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和ECU控制模块；

所述转向盘模块包括转向盘、转向柱、路感电机驱动器、路感电机和路感电机减速器；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器和转向柱下端相连，用于经转向柱向转向盘传递路感；所述路感电机驱动器用于驱动路感电机工作；

所述车速传感器用于获得车辆的车速，并将其传递给所述ECU控制模块；

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

所述转向执行模块包括转向电机A驱动器、转向电机A、转向电机A减速器、小齿轮A、转向电机B驱动器、转向电机B、转向电机B减速器、小齿轮B、齿条和转向横拉杆；

所述转向电机A通过转向电机A减速器和小齿轮A的转轴相连，转向电机B通过转向电机B减速器和小齿轮B的转轴相连，转向电机A、转向电机B型号相同；

所述小齿轮A、小齿轮B均和所述齿条啮合；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ECU控制模块分别和所述车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机驱动器、转向电机A驱动器、转向电机B驱动器电气相连，用于根据车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器的感应信号控制路感电机驱动器、转向电机A驱动器、转向电机B驱动器工作。

所述ECU控制模块包括路感电机控制模块、转向电机控制模块和变传动比控制模块；

所述路感电机控制模块用于根据车速信号、转向盘转矩信号和转向盘转角信号计算出路感大小，输出路感电机电流控制信号给路感电机驱动器，路感电机驱动器驱动路感电机；

所述变传动比控制模块用于根据车速信号、转向盘转角信号计算传动比大小，变传动比控制模块将计算得到的传动比信号输出给转向电机控制模块；

所述转向电机控制模块用于根据得到的传动比信号以及转向盘转角信号计算转向电机的转角大小，并输出转向电机电流控制信号给转向电机驱动器A和转向电机驱动器B，转向电机驱动器A驱动转向电机A，转向电机驱动器B驱动转向电机B。

如图2所示，本发明还公开了一种该双电机智能线控转向系统的控制方法，转向电机A和转向电机B均采用三闭环控制，其中转角环和电流环采用PID控制，转速环采用第一滑模控制器控制；转向电机A和转向电机B之间采用交叉耦合补偿控制结构，采集转向电机A和转向电机B的实际转速做差经过第二滑模控制器得到的控制信号分别补偿给转向电机A和转向电机B的电流环，从而快速消除两电机之间转速不一致性达到同步控制。

所述第二滑模控制器按照以下步骤建立：

步骤1)，建立转向电机A和转向电机B的模型：

式中，T_e1、T_e2分别为转向电机A、转向电机B的电磁转矩；ω₁、ω₂分别为转向电机A、转向电机B的角速度；i₁、i₂分别为转向电机A、转向电机B的相电流；T_l1、T_l2分别为转向电机A、转向电机B的负载转矩；转向电机A和转向电机B的转矩系数均为K_t、转动惯量均为J、粘滞摩擦系数均为B；

步骤2)，定义转向电机A和转向电机B的状态变量：

令则转向执行模块的状态方程表示为：

步骤3)，定义转向执行模块的滑模面函数为：

s＝cx₁+x₂ (6)

式中，c＞0为待设计参数；

步骤4)，选取指数趋渐律作为滑模控制趋渐律，其表达式为：

式中，sgn(s)为符号函数，ε＞0和q＞0为待设计参数；

步骤5)，对转向执行模块的滑模面函数进行求导并且联合趋近律函数：

步骤6)，计算转向电机A和转向电机B电流环的补偿电流为：

图3是本发明的第二滑模控制器结构示意图。

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 (2)

1.一种双电机智能线控转向系统的控制方法，所述双电机智能线控转向系统包括转向盘模块、转向执行模块、车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器和ECU控制模块；

所述转向盘模块包括转向盘、转向柱、路感电机驱动器、路感电机和路感电机减速器；

所述转向柱上端和转向盘固连；

所述路感电机的输出轴通过路感电机减速器和转向柱下端相连，用于经转向柱向转向盘传递路感；所述路感电机驱动器用于驱动路感电机工作；

所述车速传感器用于获得车辆的车速，并将其传递给所述ECU控制模块；

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

所述转向执行模块包括转向电机A驱动器、转向电机A、转向电机A减速器、小齿轮A、转向电机B驱动器、转向电机B、转向电机B减速器、小齿轮B、齿条和转向横拉杆；

所述转向电机A通过转向电机A减速器和小齿轮A的转轴相连，转向电机B通过转向电机B减速器和小齿轮B的转轴相连，转向电机A、转向电机B型号相同；

所述小齿轮A、小齿轮B均和所述齿条啮合；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ECU控制模块分别和所述车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机驱动器、转向电机A驱动器、转向电机B驱动器电气相连，用于根据车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器的感应信号控制路感电机驱动器、转向电机A驱动器、转向电机B驱动器工作；

其特征在于，所述双电机智能线控转向系统的控制方法包含以下步骤：

转向电机A和转向电机B均采用三闭环控制，其中转角环和电流环采用PID控制，转速环采用第一滑模控制器控制；

转向电机A和转向电机B之间采用交叉耦合补偿控制结构，采集转向电机A和转向电机B的实际转速做差经过第二滑模控制器得到的控制信号分别补偿给转向电机A和转向电机B的电流环，从而快速消除两电机之间转速不一致性达到同步控制；

所述第二滑模控制器按照以下步骤建立：

步骤1)，建立转向电机A和转向电机B的模型：

式中，T_e1、T_e2分别为转向电机A、转向电机B的电磁转矩；ω₁、ω₂分别为转向电机A、转向电机B的角速度；i₁、i₂分别为转向电机A、转向电机B的相电流；T_l1、T_l2分别为转向电机A、转向电机B的负载转矩；转向电机A和转向电机B的转矩系数均为K_t、转动惯量均为J、粘滞摩擦系数均为B；

步骤2)，定义转向电机A和转向电机B的状态变量：

令则转向执行模块的状态方程表示为：

步骤3)，定义转向执行模块的滑模面函数为：

s＝cx₁+x₂ (6)

式中，c＞0为待设计参数；

步骤4)，选取指数趋渐律作为滑模控制趋渐律，其表达式为：

式中，sgn(s)为符号函数，ε＞0和q＞0为待设计参数；

步骤5)，对转向执行模块的滑模面函数进行求导并且联合趋近律函数：

步骤6)，计算转向电机A和转向电机B电流环的补偿电流为：

2.根据权利要求1所述的双电机智能线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述ECU控制模块包括路感电机控制模块、转向电机控制模块和变传动比控制模块；

所述路感电机控制模块用于根据车速信号、转向盘转矩信号和转向盘转角信号计算出路感大小，输出路感电机电流控制信号给路感电机驱动器，路感电机驱动器驱动路感电机；

所述变传动比控制模块用于根据车速信号、转向盘转角信号计算传动比大小，变传动比控制模块将计算得到的传动比信号输出给转向电机控制模块；

所述转向电机控制模块用于根据得到的传动比信号以及转向盘转角信号计算转向电机的转角大小，并输出转向电机电流控制信号给转向电机驱动器A和转向电机驱动器B，转向电机驱动器A驱动转向电机A，转向电机驱动器B驱动转向电机B。