CN111055917B - 一种电液耦合智能转向系统及模式切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液耦合智能转向系统及模式切换控制方法，该系统包括机械传动模块、电动助力模块、电动液压助力模块、传感器模块以及控制模块，并且提出相应的模式切换控制方法。此外，电液耦合转向系统可依据车辆的不同状态，在防失稳、转向盘助力以及转向盘主动回正模式间进行切换，实现对车辆安全及操纵性能的控制。

Description

一种电液耦合智能转向系统及模式切换控制方法

技术领域

本发明涉及动力转向系统技术领域，尤其涉及一种电液耦合智能转向系统及模式切换控制方法。

背景技术

在现有的车辆中常见的动力转向系统包括：液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动液压助力转向系统、电动助力转向系统。其中，液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动液压助力转向系统可以提供较大的转向助力矩，但是转向助力矩随车速可调整性较差。电动助力转向系统可以根据车速、转向盘转矩等输出相应的转向助力矩，具备助力随速可调以及操作稳定性好等优点，但是其输出的最大助力矩较小，不能满足大型车辆的转向助力需求。

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，提供一种电液耦合智能转向系统及模式切换控制方法，能够依据不同工况，在防失稳、转向盘助力以及转向盘主动回正模式间进行切换从而实现对车辆安全及操纵性能控制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种电液耦合智能转向系统，包括机械传动模块、电动助力模块、电动液压助力模块、传感器模块以及控制模块；

所述传感器模块包括转角传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器和横摆角速度传感器；

所述转矩传感器和转角传感器均设置在车辆的转向轴上，分别用于测量转向盘的输入转矩和转角，并将其传递给所述控制模块；

所述车速传感器设置在车轮上，用于获取汽车的纵向车速，并将其传递给所述控制模块；

所述侧向加速度传感器和横摆角速度传感器均设置在车辆的车架质心处，用于获取汽车的侧向加速度和横摆角速度，并将其传递给所述控制模块；

所示机械传动模块包括转向盘、转向轴、循环球转向器、转向摇臂、转向横拉杆、左车轮和右车轮；

所述循环球转向器采用具有液压功能的循环球转向器，包含转向螺杆、转向螺母和转向齿扇，其中，转向螺杆的上端和所述转向轴的下端相连，转向螺杆上的螺纹和转向螺母上的螺纹啮合；转向螺母外侧的齿轮与转向齿扇啮合；转向齿扇的轴心和转向摇臂的一端相连；转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的输入端相连；

所述转向轴的上端和所述转向盘相连；

所述转向横拉杆的两端分别和车辆的两个驱动车轮对应相连；

所述电动助力模块包括第一电机和蜗轮蜗杆减速器，所述第一电机的输出端和所述转向轴通过所述蜗轮蜗杆减速器相连；

所述电动液压助力模块包含油箱、叶片泵、转阀和第二电机；

所述第二电机的输出端和叶片泵的输入端相连；

所述叶片泵的进油端口和所述油箱的进油管路通过管道相连、叶片泵的出油端口和所述转阀的进油口通过管道相连；

所述转阀的出油口和所述油箱的回油管路通过管道相连，转阀的高压出油口和所述循环球转向器的进油口通过管道相连，转阀的低压出油口和所述循环球转向器的出油口通过管道相连；

所述控制模块分别和转矩传感器、转角传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、第一电机和第二电机电气相连，用于根据接收到的转向盘转矩传感器、转向盘转角信号、车速信号、横摆角速度信号和侧向加速度信号控制第一电机和第二电机的工作。

本发明还公开了一种该电液耦合智能转向系统的模式切换控制方法，包括以下步骤：

步骤1)，控制模块获得车速传感器采集的车速、转角传感器采集的转角、转矩传感器采集的转矩、侧向加速度传感器采集的侧向加速度、以及横摆角速度传感器采集的横摆角速度；

步骤2)，控制模块根据下列公式计算得到车辆稳定性评价指标R：

其中，m_s代表簧载质量，m代表汽车质量，g代表重力加速度，b代表轮距宽度，H代表车辆质心高度，

代表车辆侧向加速度，u代表纵向车速，ω代表横摆角速度，h代表侧倾臂高度，φ代表侧倾角；

步骤3)，当稳定性评价指标R大于等于预先设定的阈值ε时，车辆有失稳的危险，控制模块通过以下公式计算防止车辆失去稳定性所需要助力模块输出的补偿力矩T_n：

其中，T_n为助力模块输出的补偿力矩，T_d为转向盘转矩，a为预设的迭代常量，T为理想助力矩，ω^*为理想横摆角速度，ω为实际横摆角速度，K_P、K_I、K_D分别为预设的PID控制的比例系数、积分系数和微分系数；

步骤4)，控制模块计算转向盘的转角与转向盘的转速的乘积：

步骤4.1)，当

时，对转向系统进行助力控制，转向助力矩的计算公式为：

T_expl＝(k₁u+l₁)[a₁-b₁ exp(-c₁θ)]

T_exph＝(k₂u+l₂)[a₂-b₂ exp(-c₂v)]

其中，T_ass转向系统提供的转向助力矩，u为纵向车速，u_b为预设的临界车速阈值，K为稳定性因数，T_f为转向系统的干摩擦力矩，T_expl、T_exph分别为u≤u_b、u＞u_b时的理想转向盘力矩，i为转向系统的传动比，θ为转向盘转角，

为侧向加速度，l₁、l₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的驻车因子，k₁、k₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的车速感知因子，a₁、a₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的极限把持因子，b₁、b₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的抗干扰因子，c₁、c₂分别为转向盘转角感知因子、侧向加速度感知因子；

步骤4.2)，当

时，对转向系统进行回正控制，回正力矩的计算公式为：

其中，T_ret为助力模块输出的回正力矩，θ为转向盘转角，θ₀为转向盘的目标回正角度，一般取θ₀＝0，K_P、K_I、K_D分别为PID控制的比例系数、积分系数和微分系数；

步骤5)，令所需助力模块输出的力矩T_n、T_ass、T_ret的最大值为T_max，电动助力模块所能提供的最大力矩为T_Emax，电动液压助力模块所能提供的最大力矩为T_Hmax；

步骤5.1)，当T_max≤T_Emax时，控制模块向第一电机发送控制信号，由电动助力模块单独提供助力矩；

步骤5.2)，当T_Emax＜T_max≤T_Hmax时，控制模块向第二电机发送控制信号，由电动液压助力模块单独提供助力矩；

步骤5.3)，当T_Hmax＜T_max时，电子控制单元同时向第一电机和第二电机发送控制信号，由电动助力模块和电动液压助力模块共同提供所需力矩，其中电动助力模块输出转矩为T_Emax，电动液压助力模块输出的转矩为T_max-T_Emax。

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：

通过本发明的电液耦合转向系统及其模式切换控制方法，在汽车助力转向系统中实现了多转向模式功能，可依据不同的工况进行转向模式切换，实现防失稳、转向盘助力以及转向盘主动回正功能，实现对车辆安全及操纵性能的控制，并且能根据所需助力大小选择电动助力、电动液压助力或者是电动助力和电动液压助力联合助力，从而达到节能效果，因此具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明电液耦合转向系统的结构图；

图2是本发明模式切换控制方法的模式识别流程图；

图3是本发明模式切换控制方法的控制流程图。

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，本发明公开了包括机械传动模块、电动助力模块、电动液压助力模块、传感器模块以及控制模块；

所述传感器模块包括转角传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器和横摆角速度传感器；

所述转矩传感器和转角传感器均设置在车辆的转向轴上，分别用于测量转向盘的输入转矩和转角，并将其传递给所述控制模块；

所述车速传感器设置在车轮上，用于获取汽车的纵向车速，并将其传递给所述控制模块；

所述侧向加速度传感器和横摆角速度传感器均设置在车辆的车架质心处，用于获取汽车的侧向加速度和横摆角速度，并将其传递给所述控制模块；

所示机械传动模块包括转向盘、转向轴、循环球转向器、转向摇臂、转向横拉杆、左车轮和右车轮；

所述循环球转向器采用具有液压功能的循环球转向器，包含转向螺杆、转向螺母和转向齿扇，其中，转向螺杆的上端和所述转向轴的下端相连，转向螺杆上的螺纹和转向螺母上的螺纹啮合；转向螺母外侧的齿轮与转向齿扇啮合；转向齿扇的轴心和转向摇臂的一端相连；转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的输入端相连；

所述转向轴的上端和所述转向盘相连；

所述转向横拉杆的两端分别和车辆的两个驱动车轮对应相连；

所述电动助力模块包括第一电机和蜗轮蜗杆减速器，所述第一电机的输出端和所述转向轴通过所述蜗轮蜗杆减速器相连；

所述电动液压助力模块包含油箱、叶片泵、转阀和第二电机；

所述第二电机的输出端和叶片泵的输入端相连；

所述叶片泵的进油端口和所述油箱的进油管路通过管道相连、叶片泵的出油端口和所述转阀的进油口通过管道相连；

所述转阀的出油口和所述油箱的回油管路通过管道相连，转阀的高压出油口和所述循环球转向器的进油口通过管道相连，转阀的低压出油口和所述循环球转向器的出油口通过管道相连；

所述控制模块分别和转矩传感器、转角传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、第一电机和第二电机电气相连，用于根据接收到的转向盘转矩传感器、转向盘转角信号、车速信号、横摆角速度信号和侧向加速度信号控制第一电机和第二电机的工作。

如图2所示，本发明电液耦合转向系统的模式切换控制方法，包括以下步骤：

(1)车速传感器采集到的车速信号、转角传感器获得的转角信号、转矩传感器获得的转矩信号、侧向加速度传感器获得的侧向加速度信号、横摆角速度获得的横摆角速度信号等传递给电子控制单元；

(2)电子控制单元对上述信号进行计算，首先计算出车辆稳定性评价指标R，其计算方法为：

其中，m_s代表簧载质量，m代表汽车质量，g代表重力加速度，b代表轮距宽度，H代表质心高度，

代表侧向加速度，u代表纵向速度，ω代表横摆角速度，h代表侧倾臂高度，

代表侧倾角；

当稳定性评价指标R小于设定阈值时ε，没有失稳的危险不必进行失稳控制直接进入步骤(3)，当稳定性评价指标R大于设定阈值ε时，车辆有失稳的危险，系统输出逐渐减小的补偿力矩T_n进行防失稳控制，其计算方法为：

其中，T_n为转向助力系统提供的补偿力矩，T_d为转型盘手力矩，a为迭代常量，T为理想助力矩，ω^*为理想横摆角速度，ω为实际横摆角速度，K_P、K_I、K_D分别为PID控制的比例系数、积分系数和微分系数；

(3)电子控制单元根据转向盘的转角传感器采集的信号，计算转向盘的转角与转向盘的转速的乘积，当

时，对转向系统进行助力控制，转向助力矩的计算公式为：

T_expl＝(k₁u+l₁)[a₁-b₁ exp(-c₁θ)]

其中，T_ass转向系统提供的转向助力矩，u为纵向车速，u_b为预设的临界车速阈值，K为稳定性因数，T_f为转向系统的干摩擦力矩，T_expl、T_exph分别为u≤u_b、u＞u_b时的理想转向盘力矩，i为转向系统的传动比，θ为转向盘转角，

为侧向加速度，l₁、l₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的驻车因子，k₁、k₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的车速感知因子，a₁、a₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的极限把持因子，b₁、b₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的抗干扰因子，c₁、c₂分别为转向盘转角感知因子、侧向加速度感知因子；

(4)电子控制单元根据转向盘的转角传感器采集的信号，计算转向盘的转角与转向盘的转速的乘积，当

时，对转向系统进行回正控制，回正力矩的计算公式为：

其中，T_ret为转向助力系统提供的回正力矩，θ为转向盘转角，θ₀为转向盘的目标回正角度，一般取θ₀＝0，K_P、K_I、K_D分别为PID控制的比例系数、积分系数和微分系数；

如图3所示，本发明电液耦合转向系统的模式切换控制方法，依据上述转向助力系统提供的补偿力矩T_n、转向系统提供的转向助力矩T_ass、转向助力系统提供的回正力矩T_ret值得大小将助力模式分为三种：设所需要系统提供的力矩T_n、T_ass、T_ret的最大值为T_max，电动助力模块所能提供的最大力矩为T_Emax，电动液压助力模块所能提供的最大力矩为T_Hmax；当T_max≤T_mEax时，电子控制单元向电机A发送控制信号，由电动助力模块单独提供助力矩；当T_Emax＜T_max≤T_Hmax时，电子控制单元向电机B发送控制信号，由电动液压助力模块单独提供助力矩；当T_Hmax＜T_max时，电子控制单元同时向电机A、B发送控制信号，由电动助力模块和电动液压助力模块共同提供所需力矩。

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 (1)

1.一种电液耦合智能转向系统的模式切换控制方法，所述电液耦合智能转向系统包括机械传动模块、电动助力模块、电动液压助力模块、传感器模块以及控制模块；

所述传感器模块包括转角传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器和横摆角速度传感器；

所述转矩传感器和转角传感器均设置在车辆的转向轴上，分别用于测量转向盘的输入转矩和转角，并将其传递给所述控制模块；

所述车速传感器设置在车轮上，用于获取汽车的纵向车速，并将其传递给所述控制模块；

所述侧向加速度传感器和横摆角速度传感器均设置在车辆的车架质心处，用于获取汽车的侧向加速度和横摆角速度，并将其传递给所述控制模块；

所示机械传动模块包括转向盘、转向轴、循环球转向器、转向摇臂、转向横拉杆、左车轮和右车轮；

所述循环球转向器采用具有液压功能的循环球转向器，包含转向螺杆、转向螺母和转向齿扇，其中，转向螺杆的上端和所述转向轴的下端相连，转向螺杆上的螺纹和转向螺母上的螺纹啮合；转向螺母外侧的齿轮与转向齿扇啮合；转向齿扇的轴心和转向摇臂的一端相连；转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的输入端相连；

所述转向轴的上端和所述转向盘相连；

所述转向横拉杆的两端分别和车辆的两个驱动车轮对应相连；

所述电动助力模块包括第一电机和蜗轮蜗杆减速器，所述第一电机的输出端和所述转向轴通过所述蜗轮蜗杆减速器相连；

所述电动液压助力模块包含油箱、叶片泵、转阀和第二电机；

所述第二电机的输出端和叶片泵的输入端相连；

所述叶片泵的进油端口和所述油箱的进油管路通过管道相连、叶片泵的出油端口和所述转阀的进油口通过管道相连；

所述转阀的出油口和所述油箱的回油管路通过管道相连，转阀的高压出油口和所述循环球转向器的进油口通过管道相连，转阀的低压出油口和所述循环球转向器的出油口通过管道相连；

所述控制模块分别和转矩传感器、转角传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、第一电机和第二电机电气相连，用于根据接收到的转向盘转矩传感器、转向盘转角信号、车速信号、横摆角速度信号和侧向加速度信号控制第一电机和第二电机的工作；

其特征在于，所述模式切换控制方法包括以下步骤：

步骤1)，控制模块获得车速传感器采集的车速、转角传感器采集的转角、转矩传感器采集的转矩、侧向加速度传感器采集的侧向加速度、以及横摆角速度传感器采集的横摆角速度；

步骤2)，控制模块根据下列公式计算得到车辆稳定性评价指标R：

其中，m_s代表簧载质量，m代表汽车质量，g代表重力加速度，b代表轮距宽度，H代表车辆质心高度，

代表车辆侧向加速度，u代表纵向车速，ω代表横摆角速度，h代表侧倾臂高度，φ代表侧倾角；

步骤3)，当稳定性评价指标R大于等于预先设定的阈值ε时，车辆有失稳的危险，控制模块通过以下公式计算防止车辆失去稳定性所需要助力模块输出的补偿力矩T_n：

其中，T_n为助力模块输出的补偿力矩，T_d为转向盘转矩，a为预设的迭代常量，T为理想助力矩，ω^*为理想横摆角速度，ω为实际横摆角速度，K_P、K_I、K_D分别为预设的PID控制的比例系数、积分系数和微分系数；

步骤4)，控制模块计算转向盘的转角与转向盘的转速的乘积：

步骤4.1)，当

时，对转向系统进行助力控制，转向助力矩的计算公式为：

T_expl＝(k₁u+l₁)[a₁-b₁exp(-c₁θ)]

其中，T_ass转向系统提供的转向助力矩，u为纵向车速，u_b为预设的临界车速阈值，K为稳定性因数，T_f为转向系统的干摩擦力矩，T_expl、T_exph分别为u≤u_b、u＞u_b时的理想转向盘力矩，i为转向系统的传动比，θ为转向盘转角，

为侧向加速度，l₁、l₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的驻车因子，k₁、k₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的车速感知因子，a₁、a₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的极限把持因子，b₁、b₂分别为u≤u_b、u＞u_b时的抗干扰因子，c₁、c₂分别为转向盘转角感知因子、侧向加速度感知因子；

步骤4.2)，当

时，对转向系统进行回正控制，回正力矩的计算公式为：

其中，T_ret为助力模块输出的回正力矩，θ为转向盘转角，θ₀为转向盘的目标回正角度，一般取θ₀＝0，K_P、K_I、K_D分别为PID控制的比例系数、积分系数和微分系数；

步骤5)，令所需助力模块输出的力矩T_n、T_ass、T_ret的最大值为T_max，电动助力模块所能提供的最大力矩为T_Emax，电动液压助力模块所能提供的最大力矩为T_Hmax；

步骤5.1)，当T_max≤T_Emax时，控制模块向第一电机发送控制信号，由电动助力模块单独提供助力矩；

步骤5.2)，当T_Emax＜T_max≤T_Hmax时，控制模块向第二电机发送控制信号，由电动液压助力模块单独提供助力矩；

步骤5.3)，当T_Hmax＜T_max时，电子控制单元同时向第一电机和第二电机发送控制信号，由电动助力模块和电动液压助力模块共同提供所需力矩，其中电动助力模块输出转矩为T_Emax，电动液压助力模块输出的转矩为T_max-T_Emax。

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