CN111152835B - 一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法 - Google Patents

一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法，包括：方向盘，转向管柱总成、路感总成、电动液压助力模块、双绕组电机助力模块、转向控制单元、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮；本发明可根据车辆所处工况，在各种转向工作模式间进行切换，满足各种工况下的转向需求，通过模式的切换，可以减少液压助力的工作时间，大大降低转向系统的能耗；并且采用了双绕组电机两套绕组同时工作的工作模式，具备电机绕组冗余功能，一套绕组故障，可由另一套绕组驱动电机提供助力转矩，提升了转向系统的可靠性，增强了车辆行驶安全性。

Description

一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法
技术领域
本发明属于汽车转向系统技术领域，具体指代一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法。
背景技术
现有线控转向系统大多数是基于电动助力转向发展而来，由于安装空间和车载电源功率的限制，电机功率较小，提供的转向助力转矩较小，因此现有的线控转向大多数应用于质量较轻的乘用车；而针对质量较重需要较大转向助力力矩的商用车，则通常是采用电动液压助力转向作为线控转向的基础；例如，中国发明专利申请号为CN201710157765.X中公开了一种电动和线控二合一的液压助力系统，转向系统正常情况下，采用线控液压助力，线控出现故障时，采用电动液压助力，解决了电动液压助力转向系统不能经常工作在高效率所对应的转速范围内的问题；但是上述电动液压助力转向存在能耗较大且在高速工况下存在操纵稳定性差的问题。
针对上述问题，中国发明专利申请号为CN201811112412.9中公开了一种将电动液压助力力矩和线控电机助力力矩融合在一起的双助力转向系统，从而能提供较大的转向力矩，同时保证了转向系统在高速工况下的操纵稳定性；但是上述双助力转向系统中，线控电机只有一组绕组，当线控电机出现故障，转向系统的综合性能大大下降，仍存在可靠性较低的问题，而且上述线控电机与转向管柱连接，造成电机助力容易机械耦合和干涉，降低了转向精确度。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法，以实现将线控转向应用于商用车等大型车辆，提高商用车等大型车辆在高速工况下的操纵稳定性，降低转向系统的能耗，提高转向系统的可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于双绕组电机的线控电液转向系统，包括：方向盘，转向管柱总成、路感总成、电动液压助力模块、双绕组电机助力模块、转向控制单元、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮；
方向盘连接转向管柱总成，转向管柱总成包括：第一转向管柱、第一转矩传感器、转角传感器、第二转向管柱、滚珠丝杆、位移传感器；第一转向管柱上分别固定安装第一转矩传感器、转角传感器，第二转向管柱连接到滚珠丝杆的螺母，滚珠丝杆的丝杆两端与转向横拉杆同轴线轴向固定连接，滚珠丝杆上固定安装位移传感器，第一转向管柱和第二转向管柱通过电磁离合器连接；电磁离合器断开时，方向盘输入的作用力经过第一转向管柱作用于路感总成；电磁离合器闭合时，方向盘输入的作用力经第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、滚珠丝杆转化为转向横拉杆的位移；
路感总成包括：路感电机、第二转矩传感器、蜗轮蜗杆；路感电机输出端经过第二转矩传感器与蜗轮蜗杆的蜗轮端连接，蜗轮蜗杆的蜗杆端固定在第一转向管柱上；路感电机输出的力矩依次经过蜗轮蜗杆、第一转向管柱，传递至方向盘，形成转向路感；
电动液压助力模块包括：油箱、液压泵、第一电机、电磁换向阀、液压缸、活塞、活塞杆、第三转矩传感器；活塞杆位于液压缸内，活塞杆上固定安装活塞，活塞杆两端与转向横拉杆同轴线轴向固定连接；第三转矩传感器安装在第一电机输出端；液压油在第一电机作用下，依次从油箱、液压泵流向电磁换向阀，通过电磁换向阀阀门开度不同，液压油流向液压缸内的活塞两侧，在活塞两侧产生压力差，从而对活塞杆产生轴向作用力，活塞杆在轴向力的作用下发生轴向位移运动，并传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移运动；
双绕组电机模块包括：继电器控制单元、双绕组电机、第一电流传感器、第二电流传感、减速机构；
继电器控制单元包括：继电器控制器、继电器、供电单元；继电器控制器的输入端连接转向控制单元，继电器控制器的输出端连接继电器；供电单元的输入端连接转向控制单元，供电单元的输出端通过继电器连接双绕组电机给双绕组电机供电；
双绕组电机包括：定子铁芯、转子组件、机座、第一套绕组、第二套绕组、双绕组电机输出轴；
第一套绕组包括A相绕组、B相绕组、C相绕组；第二套绕组包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第一套绕组输入端分为三条支路，分别连接A相绕组输入端、B相绕组输入端、C相绕组输入端；第二套绕组输入端分为三条支路，分别连接a相绕组输入端、b相绕组输入端、c相绕组输入端；
定子铁芯上分布有定子槽，第一套绕组和第二套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，定子铁芯固定在机座上；第一套绕组的输入端与第一电流传感器连接，第二套绕组的输入端与第二电流传感器连接；
转子组件包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯固定在双绕组电机输出轴上；第一套绕组和第二套绕组同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过双绕组电机输出轴将转矩输出；
减速机构包括：小齿轮、皮带、大齿轮；小齿轮沿轴向固定在双绕组电机输出轴上，皮带连接小齿轮和大齿轮，大齿轮内部带有螺纹，沿轴向套在滚珠丝杆上；
转向控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与上述各传感器电气连接，并获取第一转矩信号、第二转矩信号、第三转矩信号、第一电流信号、第二电流信号、转角信号、转向横拉杆位移信号；车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号和横摆角速度信号；主控制器的输出端连接路感总成、电磁离合器、第一电机、继电器控制单元；
电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁、摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离。
进一步地，所述电磁换向阀具有正向负荷、反向负荷和卸荷三种工作状态，正向负荷时，第一电机驱动油泵，电磁换向阀控制阀门开闭使液压油正向流动，液压油流入液压缸内活塞两侧，活塞左侧压力大于右侧，为车辆右转时的提供转向助力；反向负荷时，第一电机驱动油泵，电磁换向阀控制阀门开闭使液压油反向流动，液压油流入液压缸内活塞两侧，活塞右侧压力大于左侧，为车辆右转时的提供转向助力；卸荷时，第一电机停止工作，液压油停止流入液压缸内活塞两侧，不能提供转向助力。
进一步地，双绕组电机输出轴相对于转向横拉杆平行布置，经减速机构连接到滚珠丝杆上；双绕组电机输出轴的旋转运动转换为小齿轮的旋转运动，小齿轮的旋转运动通过皮带转换为大齿轮的旋转运动，大齿轮的旋转运动通过滚珠丝杆转换为转向横拉杆的位移运动。
进一步地，所述转向横拉杆与活塞杆、滚珠丝杆固定连接为一个整体，活塞杆和滚珠丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，转向横拉杆两端分别通过转向梯形连接转向车轮，实现将转向横拉杆的位移运动转化为转向车轮的转向角，完成车辆转向动作。
进一步地，所述双绕组电机为无刷直流电机。
进一步地，所述第一电流传感器、第二电流传感器为霍尔电流传感器。
进一步地，所述主控制器包括信息处理单元、转向决策单元、转向数据库、混杂控制单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元以及电磁离合器驱动单元；信息处理单元与上述各传感器和车辆其它状态单元电气连接，实时获取各传感器信号和车辆其它状态信号；转向决策单元通过车载通讯线路接收信号处理单元、转向数据库以及混杂控制单元的输入信号，路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元和电磁离合器驱动单元通过车载通讯线路接收转向决策单元的输入信号，分别输出路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号以及电磁离合器控制信号；混杂控制单元通过车载通讯线路接收信号处理单元和转向数据库的输入信号，助力电机驱动单元通过车载通讯线路接收混杂控制单元的输入信号，分别输出第一电机控制信号和双绕组电机控制信号，完成转向动作的控制。
进一步地，所述混杂控制单元包括：切换监督器、切换控制器、稳定监督器；切换监督器根据信息处理单元的输入信号对转向系统的工作模式进行切换，同时检测转向系统各工作模式之间的变迁过程，减小转向控制过程中由于模式切换引起的冲击和震荡；切换控制器根据切换监督器识别的转向系统的工作模式，选择转向系统各工作模式所对应的控制算法；稳定监督器实时监控各工作模式及其相应的控制算法下的不稳定特征量，识别其不稳定趋势，强制限制其输出幅值。
进一步地，所述电磁铁包括线圈和磁轭；电磁离合器具有断开和闭合两种工作状态：线圈不通电，磁轭与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器断开，第一转向管柱和第二转向管柱之间不传递扭矩；线圈通电，磁轭吸合衔铁，将摩擦片组压紧，摩擦片组通过摩擦力传递转矩，电磁离合器闭合，第一转向管柱和第二转向管柱之间传递扭矩。
本发明的一种基于双绕组电机的线控电液转向系统的混杂控制方法，基于上述系统，包括以下步骤：
1）根据当前行驶工况，输入方向盘转角；
2）信息处理单元接收第一转矩信号、第二转矩信号、第三转矩信号、第一电流信号、第二电流信号、转角信号、转向横拉杆位移信号、车速信号、横摆角速度信号，经过计算得到当前车辆状态信号，并传输给转向决策单元和混杂控制单元；
3）混杂控制单元接收信息处理单元的输入信号，切换监督器根据信息处理单元的输入信号获得车辆当前车速和各助力模块工作状态，进而对转向系统的工作模式进行切换；切换控制器根据切换监督器识别的转向系统的工作模式，选择转向系统各工作模式所对应的控制算法，各工作模式所对应的控制算法根据转向数据库储存的各个车辆状态下的期望前轮转角计算得到期望转向横拉杆位移，并传输给助力电机驱动单元；稳定监督器实时监控各工作模式及其相应的控制算法下的不稳定特征量，识别其不稳定趋势，强制限制其输出幅值；混杂控制单元将当前转向系统所处工作模式传输给转向决策单元；转向决策单元根据当前转向系统所处工作模式，得到电磁离合器和电磁换向阀的工作状态，并传输给电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元；转向决策单元根据转向数据库储存的各个车辆状态下的期望驾驶路感，计算出期望驾驶路感对应的期望第一转向管柱力矩，并传输给路感电机驱动单元；
4）助力电机驱动单元根据混杂控制单元的输出指令，以期望转向横拉杆位移作为控制量计算得到第一电机驱动电流和双绕组电机驱动电流，输出第一电机控制信号和双绕组电机控制信号，驱动第一电机和双绕组电机工作；电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元根据转向决策单元的输出指令，输出电磁离合器控制信号和电磁换向阀控制信号，控制电磁离合器和电磁换向阀的工作状态；路感电机驱动单元根据转向决策单元的输出指令，以期望第一转向管柱力矩作为控制量计算得到路感电机驱动电流，输出路感电机控制信号，驱动路感电机工作；
5）路感电机输出的电磁转矩作用在第一转向管柱上，形成的第一转向管柱力矩传递至方向盘，给驾驶员提供驾驶路感；双绕组电机输出的电磁转矩经减速机构作用在滚珠丝杆上，转化为转向横拉杆的位移；第一电机输出的电磁转矩驱动液压泵工作，使液压缸内的活塞两侧产生压力差输出轴向作用力，经活塞、活塞杆传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移；活塞杆和滚珠丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，并向转向梯形和转向车轮输出，完成转向动作。
进一步地，上述步骤3）中转向系统有电动助力模式、电液复合助力模式、电动液压助力模式和机械复合助力模式四种工作模式。
进一步地，所述转向系统各工作模式所对应的控制算法具体包括：
31）在电动助力模式下，车辆处于高速工况，采用前馈反馈的组合控制算法；
32）在电液复合助力模式下，车辆处于中速工况，采用模糊PID控制算法；
33）在电动液压助力模式下，车辆处于低速工况，采用PID控制算法；
34）在机械复合助力模式下，车辆处于故障工况采用滑模控制算法。
进一步地，所述切换监督器对转向系统工作模式进行切换具体包括：
35）电动助力模式：当车辆处于高速工况，切换监督器将转向系统的工作模式切换为电动助力模式；此时，电磁离合器断开，第一电机停止工作，电磁换向阀卸荷，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机的两套绕组同时工作，双绕组电机助力模块提供转向助力；
36）电液复合助力模式：当车辆处于中速工况，切换监督器将转向系统的工作模式切换为电液复合助力模式；此时，电磁离合器断开，第一电机开始工作，电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机的两套绕组同时工作，电动液压助力模块和双绕组电机助力模块同时提供转向助力；
37）电动液压助力模式：当车辆处于低速工况，切换监督器将转向系统的工作模式切换为电动液压助力模式；此时，电磁离合器断开，继电器内部各触点均断开，第一电机开始工作，电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，电动液压助力模块提供转向助力；
38）机械复合助力模式：当车辆处于故障工况，即电动液压助力模块或双绕组电机的某一套绕组出现故障，切换监督器将转向系统的工作模式切换为机械复合助力模式；此时，电磁离合器闭合，发生故障的模块和绕组停止工作，正常的模块和绕组继续工作，正常的模块和绕组提供转向助力。
进一步地，所述转向系统工作模式的切换中采用20Km/h作为中低速切换点，60Km/h作为中高速切换点，车辆速度在0-20Km/h之间为低速工况，车辆速度在20-60Km/h之间为中速工况，车辆速度在60Km/h以上为高速工况。
本发明的有益效果：
本发明在线控转向系统中融合电动转向和液压转向的优势，既能输出足够大的助力转矩，解决了现有线控转向系统功率小，难以应用于商用车等大型车辆的问题，同时电动转向提升了转向系统的转向精确性，改善了液压转向在高速工况时操纵稳定性差的问题；并且将线控电机布置在转向横拉杆上，减少了电动助力产生的机械耦合和干涉，进一步提升了转向系统的转向精确性；
本发明可根据车辆所处工况，在各种转向工作模式间进行切换，满足各种工况下的转向需求，通过模式的切换，可以减少液压助力的工作时间，大大降低转向系统的能耗；并且采用了双绕组电机两套绕组同时工作的工作模式，具备电机绕组冗余功能，一套绕组故障，可由另一套绕组驱动电机提供助力转矩，提升了转向系统的可靠性，增强了车辆行驶安全性；
本发明的混杂控制方法，将复杂工况下的转向系统的控制问题转化为多模式控制以及控制算法之间的切换协调问题加以解决，建立转向控制系统切换监督器和稳定监督器，减小转向控制过程中由于模式切换引起的冲击和震荡，保证了工作模式切换过程中的渐进稳定和全局有界稳定。
附图说明
图1为本发明线控电液转向系统的原理结构框图；
图2为本发明双绕组电机原理结构图；
图3为本发明混杂控制方法流程图；
图4为本发明转向系统工作模式切换流程图；
图中，1-方向盘，2-转角传感器，3-第一转矩传感器，4-蜗轮蜗杆，5-第一转向管柱，6-电磁离合器，7-电磁换向阀，8-液压泵，9-第一电机，10-第三转矩传感器，11-油箱，12-转向车轮，13-转向梯形，14-活塞杆，15-活塞，16-液压缸，17-转向横拉杆，18-第二转向管柱，19-螺母，20-滚珠丝杆，21-位移传感器，22-减速机构，23-双绕组电机输出轴，24-第一套绕组，25-第二套绕组，26-第二电流传感器，27-继电器控制单元，28-双绕组电机助力模块，29-第一电流传感器，30-车辆其它状态单元，31-主控制器，32-路感电机，33-第二转矩传感器；
A-转角信号，B-第一转矩信号，C-第二转矩信号，D-第三转矩信号，E-第一电流信号，F-第二电流信号，G-转向横拉杆位移信号，H-路感电机控制信号，I-第一电机控制信号，J-电磁离合器控制信号，K-电磁换向阀控制信号，L-双绕组电机控制信号，M-车速信号，N-横摆角速度信号。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1、图2所示，本发明的一种基于双绕组电机的线控电液转向系统，包括：方向盘1，转向管柱总成、路感总成、电动液压助力模块、双绕组电机助力模块28、转向控制单元、电磁离合器6、转向横拉杆17、转向梯形13及转向车轮12；
方向盘1连接转向管柱总成，转向管柱总成包括：第一转向管柱5、第一转矩传感器3、转角传感器2、第二转向管柱18、滚珠丝杆20、位移传感器21；第一转向管柱5上分别固定安装第一转矩传感器3、转角传感器2，第二转向管柱18连接到滚珠丝杆20的螺母19，滚珠丝杆20的丝杆两端与转向横拉杆17同轴线轴向固定连接，滚珠丝杆20上固定安装位移传感器21，第一转向管柱5和第二转向管柱18通过电磁离合器6连接；电磁离合器6断开时，方向盘1输入的作用力经过第一转向管柱5作用于路感总成；电磁离合器6闭合时，方向盘1输入的作用力经第一转向管柱5、电磁离合器6、第二转向管柱18、滚珠丝杆20转化为转向横拉杆17的位移；
路感总成包括：路感电机32、第二转矩传感器33、蜗轮蜗杆4；路感电机32输出端经过第二转矩传感器33与蜗轮蜗杆32的蜗轮端连接，蜗轮蜗杆4的蜗杆端固定在第一转向管柱5上；路感电机32输出的力矩依次经过蜗轮蜗杆4、第一转向管柱5，传递至方向盘1，形成转向路感。
电动液压助力模块包括：油箱11、液压泵8、第一电机9、电磁换向阀7、液压缸16、活塞15、活塞杆14、第三转矩传感器10；活塞杆14位于液压缸16内，活塞杆14上固定安装活塞15，活塞杆14两端与转向横拉杆17同轴线轴向固定连接；第三转矩传感器10安装在第一电机9输出端；液压油在第一电机9作用下，依次从油箱11、液压泵8流向电磁换向阀7，通过电磁换向阀7阀门开度不同，液压油流向液压缸16内的活塞两侧，在活塞15两侧产生压力差，从而对活塞杆14产生轴向作用力，活塞杆14在轴向力的作用下发生轴向位移运动，并传递至转向横拉杆17，转换为转向横拉杆的位移运动；
所述电磁换向阀7具有正向负荷、反向负荷和卸荷三种工作状态，正向负荷时，第一电机9驱动油泵，电磁换向阀7控制阀门开闭使液压油正向流动，液压油流入液压缸16内活塞15两侧，活塞15左侧压力大于右侧，为车辆右转时的提供转向助力；反向负荷时，第一电机9驱动油泵，电磁换向阀7控制阀门开闭使液压油反向流动，液压油流入液压缸16内活塞15两侧，活塞15右侧压力大于左侧，为车辆右转时的提供转向助力；卸荷时，第一电机9停止工作，液压油停止流入液压缸内活塞15两侧，不能提供转向助力。
双绕组电机模块28包括：继电器控制单元27、双绕组电机、第一电流传感器29、第二电流传感26、减速机构22；
继电器控制单元27包括：继电器控制器、继电器、供电单元；继电器控制器的输入端连接转向控制单元，继电器控制器的输出端连接继电器；供电单元的输入端连接转向控制单元，供电单元的输出端通过继电器连接双绕组电机给双绕组电机供电；
双绕组电机为无刷直流电机，其包括：定子铁芯、转子组件、机座、第一套绕组24、第二套绕组25、双绕组电机输出轴23；
第一套绕组24包括A相绕组、B相绕组、C相绕组；第二套绕组25包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第一套绕组24输入端分为三条支路，分别连接A相绕组输入端、B相绕组输入端、C相绕组输入端；第二套绕组25输入端分为三条支路，分别连接a相绕组输入端、b相绕组输入端、c相绕组输入端；
定子铁芯上分布有定子槽，第一套绕组24和第二套绕组25的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，定子铁芯固定在机座上；第一套绕组24的输入端与第一电流传感器29连接，第二套绕组25的输入端与第二电流传感器26连接；
第一电流传感器、第二电流传感器均为霍尔电流传感器。
转子组件包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯固定在双绕组电机输出轴上；第一套绕组和第二套绕组同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过双绕组电机输出轴将转矩输出；
减速机构22包括：小齿轮、皮带、大齿轮；小齿轮沿轴向固定在双绕组电机输出轴上，皮带连接小齿轮和大齿轮，大齿轮内部带有螺纹，沿轴向套在滚珠丝杆20上；
其中，所述双绕组电机输出轴23相对于转向横拉杆17平行布置，经减速机构22连接到滚珠丝杆20上；双绕组电机输出轴23的旋转运动转换为小齿轮的旋转运动，小齿轮的旋转运动通过皮带转换为大齿轮的旋转运动，大齿轮的旋转运动通过滚珠丝杆转换为转向横拉杆的位移运动。
所述转向横拉杆17与活塞杆14、滚珠丝杆20固定连接为一个整体，活塞杆14和滚珠丝杆20的位移在转向横拉杆上进行叠加，转向横拉杆17两端分别通过转向梯形连接转向车轮，实现将转向横拉杆的位移运动转化为转向车轮的转向角，完成车辆转向动作。
转向控制单元包括：主控制器31和车辆其它状态单元30；主控制器31的输入端与上述各传感器电气连接，并获取第一转矩信号B、第二转矩信号C、第三转矩信号D、第一电流信号E、第二电流信号F、转角信号A、转向横拉杆位移信号G；车辆其它状态单元30为主控制器提供当前车辆状态的车速信号M和横摆角速度信号N；主控制器的输出端连接路感总成、电磁离合器、第一电机、继电器控制单元；
所述主控制器31包括信息处理单元、转向决策单元、转向数据库、混杂控制单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元以及电磁离合器驱动单元；信息处理单元与上述各传感器和车辆其它状态单元电气连接，实时获取各传感器信号和车辆其它状态信号；转向决策单元通过车载通讯线路接收信号处理单元、转向数据库以及混杂控制单元的输入信号，路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元和电磁离合器驱动单元通过车载通讯线路接收转向决策单元的的输出信号，分别输出路感电机控制信号H、电磁换向阀控制信号K以及电磁离合器控制信号J；混杂控制单元通过车载通讯线路接收信号处理单元和转向数据库的输入信号，助力电机驱动单元通过车载通讯线路接收混杂控制单元的输入信号，分别输出第一电机控制信号I和双绕组电机控制信号L，完成转向动作的控制。
其中，所述混杂控制单元包括：切换监督器、切换控制器、稳定监督器；切换监督器根据信息处理单元的输入信号对转向系统的工作模式进行切换，同时检测转向系统各工作模式之间的变迁过程，减小转向控制过程中由于模式切换引起的冲击和震荡；切换控制器根据切换监督器识别的转向系统的工作模式，选择转向系统各工作模式所对应的控制算法；稳定监督器实时监控各工作模式及其相应的控制算法下的不稳定特征量，识别其不稳定趋势，强制限制其输出幅值。
电磁离合器6包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁、摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离；
所述电磁铁包括线圈和磁轭；电磁离合器具有断开和闭合两种工作状态：线圈不通电，磁轭与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器断开，第一转向管柱和第二转向管柱之间不传递扭矩；线圈通电，磁轭吸合衔铁，将摩擦片组压紧，摩擦片组通过摩擦力传递转矩，电磁离合器闭合，第一转向管柱和第二转向管柱之间可以传递扭矩。
参照图3所示，本发明的一种基于双绕组电机的线控电液转向系统的混杂控制方法，基于上述系统，包括以下步骤：
1）根据当前行驶工况，输入方向盘转角；
2）信息处理单元接收第一转矩信号、第二转矩信号、第三转矩信号、第一电流信号、第二电流信号、转角信号、转向横拉杆位移信号、车速信号、横摆角速度信号，经过计算得到当前车辆状态信号，并传输给转向决策单元和混杂控制单元；
3）混杂控制单元接收信息处理单元的输入信号，切换监督器根据信息处理单元的输入信号获得车辆当前车速和各助力模块工作状态，进而对转向系统的工作模式进行切换；切换控制器根据切换监督器识别的转向系统的工作模式，选择转向系统各工作模式所对应的控制算法，各工作模式所对应的控制算法根据转向数据库储存的各个车辆状态下的期望前轮转角计算得到期望转向横拉杆位移，并传输给助力电机驱动单元；稳定监督器实时监控各工作模式及其相应的控制算法下的不稳定特征量，识别其不稳定趋势，强制限制其输出幅值；混杂控制单元将当前转向系统所处工作模式传输给转向决策单元；转向决策单元根据当前转向系统所处工作模式，得到电磁离合器和电磁换向阀的工作状态，并传输给电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元；转向决策单元根据转向数据库储存的各个车辆状态下的期望驾驶路感，计算出期望驾驶路感对应的期望第一转向管柱力矩，并传输给路感电机驱动单元；
参照图4所示，转向系统有电动助力模式、电液复合助力模式、电动液压助力模式和机械复合助力模式四种工作模式。
所述转向系统各工作模式所对应的控制算法具体包括：
31）在电动助力模式下，车辆处于高速工况，此时要求转向系统极为灵敏，阶跃输入滞后时间短，因此，采用前馈反馈的组合控制算法；
32）在电液复合助力模式下，车辆处于中速工况，车辆多行驶于城市道路，交通复杂，对转向控制精度要求较高，同时转向系统需具备较强的自适应性，因此，采用模糊PID控制算法；
33）在电动液压助力模式下，车辆处于低速工况，车辆安全性高，而PID控制算法具有控制简单、应用方便、参数容易调整等优点，因此，采用PID控制算法；
34）在机械复合助力模式下。车辆处于故障工况，控制具备不连续性，控制器需根据系统当前故障工况实时改变，因此，采用滑模控制算法。
切换监督器对转向系统工作模式进行切换具体包括：
35）电动助力模式：当车辆处于高速工况，切换监督器将转向系统的工作模式切换为电动助力模式；此时，电磁离合器断开，第一电机停止工作，电磁换向阀卸荷，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机的两套绕组同时工作，双绕组电机助力模块提供转向助力；
36）电液复合助力模式：当车辆处于中速工况，切换监督器将转向系统的工作模式切换为电液复合助力模式；此时，电磁离合器断开，第一电机开始工作，电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机的两套绕组同时工作，电动液压助力模块和双绕组电机助力模块同时提供转向助力；
37）电动液压助力模式：当车辆处于低速工况，切换监督器将转向系统的工作模式切换为电动液压助力模式；此时，电磁离合器断开，继电器内部各触点均断开，第一电机开始工作，电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，电动液压助力模块提供转向助力；
38）机械复合助力模式：当车辆处于故障工况，即电动液压助力模块或双绕组电机的某一套绕组出现故障，切换监督器将转向系统的工作模式切换为机械复合助力模式；此时，电磁离合器闭合，发生故障的模块和绕组停止工作，正常的模块和绕组继续工作，正常的模块和绕组提供转向助力。
4）助力电机驱动单元根据混杂控制单元的输出指令，以期望转向横拉杆位移作为控制量计算得到第一电机驱动电流和双绕组电机驱动电流，输出第一电机控制信号和双绕组电机控制信号，驱动第一电机和双绕组电机工作；电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元根据转向决策单元的输出指令，输出电磁离合器控制信号和电磁换向阀控制信号，控制电磁离合器和电磁换向阀的工作状态；路感电机驱动单元根据转向决策单元的输出指令，以期望第一转向管柱力矩作为控制量计算得到路感电机驱动电流，输出路感电机控制信号，驱动路感电机工作；
5）路感电机输出的电磁转矩作用在第一转向管柱上，形成的第一转向管柱力矩传递至方向盘，给驾驶员提供驾驶路感；双绕组电机输出的电磁转矩经减速机构作用在滚珠丝杆上，转化为转向横拉杆的位移；第一电机输出的电磁转矩驱动液压泵工作，使液压缸内的活塞两侧产生压力差输出轴向作用力，经活塞、活塞杆传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移；活塞杆和滚珠丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，并向转向梯形和转向车轮输出，完成转向动作。
此外，所述转向系统工作模式的切换中采用20Km/h作为中低速切换点，60Km/h作为中高速切换点，车辆速度在0-20Km/h之间为低速工况，车辆速度在20-60Km/h之间为中速工况，车辆速度在60Km/h以上为高速工况。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，包括：方向盘，转向管柱总成、路感总成、电动液压助力模块、双绕组电机助力模块、转向控制单元、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮；
方向盘连接转向管柱总成，转向管柱总成包括：第一转向管柱、第一转矩传感器、转角传感器、第二转向管柱、滚珠丝杆、位移传感器；第一转向管柱上分别固定安装第一转矩传感器、转角传感器，第二转向管柱连接到滚珠丝杆的螺母，滚珠丝杆的丝杆两端与转向横拉杆同轴线轴向固定连接，滚珠丝杆上固定安装位移传感器，第一转向管柱和第二转向管柱通过电磁离合器连接；电磁离合器断开时，方向盘输入的作用力经过第一转向管柱作用于路感总成；电磁离合器闭合时，方向盘输入的作用力经第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、滚珠丝杆转化为转向横拉杆的位移；
路感总成包括：路感电机、第二转矩传感器、蜗轮蜗杆；路感电机输出端经过第二转矩传感器与蜗轮蜗杆的蜗轮端连接，蜗轮蜗杆的蜗杆端固定在第一转向管柱上；路感电机输出的力矩依次经过蜗轮蜗杆、第一转向管柱，传递至方向盘，形成转向路感；
电动液压助力模块包括：油箱、液压泵、第一电机、电磁换向阀、液压缸、活塞、活塞杆、第三转矩传感器；活塞杆位于液压缸内，活塞杆上固定安装活塞，活塞杆两端与转向横拉杆同轴线轴向固定连接；第三转矩传感器安装在第一电机输出端；液压油在第一电机作用下，依次从油箱、液压泵流向电磁换向阀，通过电磁换向阀阀门开度不同，液压油流向液压缸内的活塞两侧，在活塞两侧产生压力差，从而对活塞杆产生轴向作用力，活塞杆在轴向力的作用下发生轴向位移运动，并传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移运动；
双绕组电机模块包括：继电器控制单元、双绕组电机、第一电流传感器、第二电流传感器、减速机构；
继电器控制单元包括：继电器控制器、继电器、供电单元；继电器控制器的输入端连接转向控制单元，继电器控制器的输出端连接继电器；供电单元的输入端连接转向控制单元，供电单元的输出端通过继电器连接双绕组电机给双绕组电机供电；
双绕组电机包括：定子铁芯、转子组件、机座、第一套绕组、第二套绕组、双绕组电机输出轴；
第一套绕组包括A相绕组、B相绕组、C相绕组；第二套绕组包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第一套绕组输入端分为三条支路，分别连接A相绕组输入端、B相绕组输入端、C相绕组输入端；第二套绕组输入端分为三条支路，分别连接a相绕组输入端、b相绕组输入端、c相绕组输入端；
定子铁芯上分布有定子槽，第一套绕组和第二套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，定子铁芯固定在机座上；第一套绕组的输入端与第一电流传感器连接，第二套绕组的输入端与第二电流传感器连接；
转子组件包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯固定在双绕组电机输出轴上；第一套绕组和第二套绕组同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过双绕组电机输出轴将转矩输出；
减速机构包括：小齿轮、皮带、大齿轮；小齿轮沿轴向固定在双绕组电机输出轴上，皮带连接小齿轮和大齿轮，大齿轮内部带有螺纹，沿轴向套在滚珠丝杆上；
转向控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与上述各传感器电气连接，并获取第一转矩信号、第二转矩信号、第三转矩信号、第一电流信号、第二电流信号、转角信号、转向横拉杆位移信号；车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号和横摆角速度信号；主控制器的输出端连接路感总成、电磁离合器、第一电机、继电器控制单元；
电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁、摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离。
2.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述电磁换向阀具有正向负荷、反向负荷和卸荷三种工作状态，正向负荷时，第一电机驱动油泵，电磁换向阀控制阀门开闭使液压油正向流动，液压油流入液压缸内活塞两侧，活塞左侧压力大于右侧，为车辆右转时提供转向助力；反向负荷时，第一电机驱动油泵，电磁换向阀控制阀门开闭使液压油反向流动，液压油流入液压缸内活塞两侧，活塞右侧压力大于左侧，为车辆右转时的提供转向助力；卸荷时，第一电机停止工作，液压油停止流入液压缸内活塞两侧，不能提供转向助力。
3.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述双绕组电机输出轴相对于转向横拉杆平行布置，经减速机构连接到滚珠丝杆上；双绕组电机输出轴的旋转运动转换为小齿轮的旋转运动，小齿轮的旋转运动通过皮带转换为大齿轮的旋转运动，大齿轮的旋转运动通过滚珠丝杆转换为转向横拉杆的位移运动。
4.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述转向横拉杆与活塞杆、滚珠丝杆固定连接为一个整体，活塞杆和滚珠丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，转向横拉杆两端分别通过转向梯形连接转向车轮，实现将转向横拉杆的位移运动转化为转向车轮的转向角，完成车辆转向动作。
5.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述主控制器包括信息处理单元、转向决策单元、转向数据库、混杂控制单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元以及电磁离合器驱动单元；信息处理单元与上述各传感器和车辆其它状态单元电气连接，实时获取各传感器信号和车辆其它状态信号；转向决策单元通过车载通讯线路接收信号处理单元、转向数据库以及混杂控制单元的输入信号，路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元和电磁离合器驱动单元通过车载通讯线路接收转向决策单元的输入信号，分别输出路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号以及电磁离合器控制信号；混杂控制单元通过车载通讯线路接收信号处理单元和转向数据库的输入信号，助力电机驱动单元通过车载通讯线路接收混杂控制单元的输入信号，分别输出第一电机控制信号和双绕组电机控制信号，完成转向动作的控制。
6.根据权利要求5所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述混杂控制单元包括：切换监督器、切换控制器、稳定监督器；切换监督器根据信息处理单元的输入信号对转向系统的工作模式进行切换，同时检测转向系统各工作模式之间的变迁过程，减小转向控制过程中由于模式切换引起的冲击和震荡；切换控制器根据切换监督器识别的转向系统的工作模式，选择转向系统各工作模式所对应的控制算法；稳定监督器实时监控各工作模式及其相应的控制算法下的不稳定特征量，识别其不稳定趋势，强制限制其输出幅值。
7.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述电磁铁包括线圈和磁轭；电磁离合器具有断开和闭合两种工作状态：线圈不通电，磁轭与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器断开，第一转向管柱和第二转向管柱之间不传递扭矩；线圈通电，磁轭吸合衔铁，将摩擦片组压紧，摩擦片组通过摩擦力传递转矩，电磁离合器闭合，第一转向管柱和第二转向管柱之间传递扭矩。
8.一种基于双绕组电机的线控电液转向系统的混杂控制方法，基于上述权利要求1-7中任意一项系统，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据当前行驶工况，输入方向盘转角；
2)信息处理单元接收第一转矩信号、第二转矩信号、第三转矩信号、第一电流信号、第二电流信号、转角信号、转向横拉杆位移信号、车速信号、横摆角速度信号，经过计算得到当前车辆状态信号，并传输给转向决策单元和混杂控制单元；
3)混杂控制单元接收信息处理单元的输入信号，切换监督器根据信息处理单元的输入信号获得车辆当前车速和各助力模块工作状态，进而对转向系统的工作模式进行切换；切换控制器根据切换监督器识别的转向系统的工作模式，选择转向系统各工作模式所对应的控制算法，各工作模式所对应的控制算法根据转向数据库储存的各个车辆状态下的期望前轮转角计算得到期望转向横拉杆位移，并传输给助力电机驱动单元；稳定监督器实时监控各工作模式及其相应的控制算法下的不稳定特征量，识别其不稳定趋势，强制限制其输出幅值；混杂控制单元将当前转向系统所处工作模式传输给转向决策单元；转向决策单元根据当前转向系统所处工作模式，得到电磁离合器和电磁换向阀的工作状态，并传输给电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元；转向决策单元根据转向数据库储存的各个车辆状态下的期望驾驶路感，计算出期望驾驶路感对应的期望第一转向管柱力矩，并传输给路感电机驱动单元；
4)助力电机驱动单元根据混杂控制单元的输出指令，以期望转向横拉杆位移作为控制量计算得到第一电机驱动电流和双绕组电机驱动电流，输出第一电机控制信号和双绕组电机控制信号，驱动第一电机和双绕组电机工作；电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元根据转向决策单元的输出指令，输出电磁离合器控制信号和电磁换向阀控制信号，控制电磁离合器和电磁换向阀的工作状态；路感电机驱动单元根据转向决策单元的输出指令，以期望第一转向管柱力矩作为控制量计算得到路感电机驱动电流，输出路感电机控制信号，驱动路感电机工作；
5)路感电机输出的电磁转矩作用在第一转向管柱上，形成的第一转向管柱力矩传递至方向盘，给驾驶员提供驾驶路感；双绕组电机输出的电磁转矩经减速机构作用在滚珠丝杆上，转化为转向横拉杆的位移；第一电机输出的电磁转矩驱动液压泵工作，使液压缸内的活塞两侧产生压力差输出轴向作用力，经活塞、活塞杆传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移；活塞杆和滚珠丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，并向转向梯形和转向车轮输出，完成转向动作。
9.根据权利要求8所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统的混杂控制方法，其特征在于，上述步骤3)中转向系统有电动助力模式、电液复合助力模式、电动液压助力模式和机械复合助力模式四种工作模式。
10.根据权利要求9所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统的混杂控制方法，其特征在于，所述转向系统各工作模式所对应的控制算法具体包括：
31)在电动助力模式下，车辆处于高速工况，采用前馈反馈的组合控制算法；
32)在电液复合助力模式下，车辆处于中速工况，采用模糊PID控制算法；
33)在电动液压助力模式下，车辆处于低速工况，采用PID控制算法；
34)在机械复合助力模式下，车辆处于故障工况采用滑模控制算法。
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Inventor after: Zhong Yixin

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Application publication date: 20200515

Assignee: HANGZHOU SHIBAO AUTO STEERING GEAR Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2023980052550

Denomination of invention: A wire controlled electro-hydraulic steering system and hybrid control method based on dual winding motors

Granted publication date: 20201106

License type: Common License

Record date: 20231219

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