CN111186479B - 一种线控转向的容错系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线控转向的容错系统及方法，液压油箱与左制动器连接的液压管路上设有第一电磁阀，液压油箱与右制动器连接的液压管路上设有第四电磁阀，液压缸左半部分和右半部分均与制动器连接，左半部分与制动器的连接液压管路上设有第二电磁阀，右半部分与制动器的连接液压管路上设有第三电磁阀；上述电磁阀均与电子控制单元ECU连接，电子控制单元ECU根据转向电机是否故障，实现转向系的线控转向模式和集成转向模式的切换。本发明结构简单、易于实现，采用双重故障检测以保证发现转向电机故障的及时性。

Description

一种线控转向的容错系统及方法
技术领域
本发明属于转向系统技术领域，具体涉及一种线控转向的容错系统及方法。
背景技术
汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，传统汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵转向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，从而改善了汽车的操纵性，并且提高了乘坐的舒适性。
差动转向技术是一种基于电动轮驱动汽车平台提出的转向新技术，但也可以对制动器进行控制，从而控制左右两个驱动轮的转速，使得横摆力矩作用于车身，最终实现转向。
作为应用最广泛的交通工具之一，汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成部分之一。现有研究技术中，一般具有容错功能的容错系统的结构都很复杂，在故障发生时执行速度缓慢，控制精度不高，难以保证故障时汽车的转向安全性；另外有的方案实现了差动制动助力转向，但却不具备容错功能和液压与差动耦合功能。
发明内容
为此，本发明提出一种线控转向的容错系统及方法，本发明在转向电机发生故障后能够转变为液压和差动集成转向控制模式，既能保证驾驶员在转向电机失效的情况下对汽车的转向操纵能力，又能保证转向的控制精度。
本发明采用的技术方案为：
一种线控转向的容错系统，液压油箱与制动器连接的液压管路上分别设有第一电磁阀、第四电磁阀，液压缸左半部分和右半部分均与制动器连接，且连接液压管路上分别设有第二电磁阀和第三电磁阀；电磁阀与电子控制单元ECU连接，根据转向电机是否故障，实现转向系的线控转向模式和集成转向模式的切换。
上述技术方案中，所述转向电机是否故障，是根据转向电机电流和转角的实际值是否在理想区间进行判断的。
上述技术方案中，所述转向电机未发生故障时，转向系执行线控转向模式。
上述技术方案中，所述转向电机发生故障时，转向系执行集成转向模式。
上述技术方案中，所述线控转向模式为：ECU根据转向请求数值控制通道电磁阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀的开闭，由转向电机实现汽车转向。
上述技术方案中，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀均处于导通状态，通道电磁阀处于闭合状态。
上述技术方案中，所述集成转向模式为：ECU根据转向请求数值控制油泵、通道电磁阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀的开闭，实现汽车转向。
上述技术方案中，当转向请求为左转时，第三电磁阀和第四电磁阀处于闭合状态，第二电磁阀处于导通状态，通道电磁阀的通道二打开、通道一闭合，油泵工作。
上述技术方案中，当转向请求为右转时，第一电磁阀和第二电磁阀处于闭合状态，第三电磁阀处于导通状态，通道电磁阀的通道一打开、通道二闭合，油泵工作。
上述技术方案中，所述制动器包括同轴设置的制动轮缸与差动轮缸，且制动轮缸位于差动轮缸内部，制动轮缸和差动轮缸内部均设有与摩擦片接触的活塞；差动轮缸上下端分别设有差动油路输出口和差动油路输入口，分别用于和液压油箱、液压缸连接。
一种线控转向的容错方法，所述转向电机未发生故障时，转向系执行线控转向模式，由转向电机实现汽车转向；转向电机发生故障时，转向系执行集成转向模式，控制第一电磁阀、第四电磁阀闭合时间，产生横摆力矩作用于车身，直到转向柱管转角与经ECU转换后的转向请求数值的差值为0，转向结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够准确地检测电机是否发生故障，根据转向电机是否故障进入相应的模式进行故障处理，从而保证汽车的安全性能。当转向电机未发生故障时，控制通道电磁阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀，转向电机作为执行机构实现汽车转向。当转向电机故障时，首先断开转向电机供电，并进入集成转向模式，根据转向请求控制油泵、通道电磁阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀实现汽车转向。因此，本发明具有的优点包括：
1.本发明以硬件冗余作为容错系统，所用部件少，并且只需将液压油路和制动油路进行集成即可实现，结构简单，易于实现。
2.本发明采用双重故障检测以保证发现转向电机故障的及时性，当转向电机故障后，执行机构的响应速度快、执行效率高。
3.本发明在电机故障后ECU快速转变为液压和差动的集成转向控制，利用液压转向和差动转向的耦合作用，使得瞬时转向请求数值与转向柱管转角的差值为0。
4.本发明制动器采用双轮缸设计，使得制动油路与差动油路分离，保证了液压与差动集成的同时不影响正常的制动。
附图说明
图1为本发明一种线控转向的容错系统结构示意图；
图2为本发明中制动器的剖视图；
图3为本发明转向电机故障时容错控制流程图；
图4为本发明中转向电机未故障且转向请求为右转时液压油流动方向的示意图；
图5为本发明中转向电机故障且转向请求为左转时液压油流动方向的示意图；
图6为本发明中转向电机故障且转向请求为右转时液压油流动方向的示意图。
图中，1、液压油箱；2、油泵；3、通道电磁阀；4、第一电磁阀5、左制动器；6、左轮速传感器；7、左制动盘；8、左前轮；9、第二电磁阀；10、转向柱管转角传感器；11、活塞；12、液压缸(转向器)；13、ECU；14、转向电机；15、转向柱管；16、第四电磁阀；17、第三电磁阀；18、右制动器；19、右轮速传感器；20、右制动盘；21、右前轮；51、制动器外壳；52、差动油路输出；53、制动轮缸；54、制动油路；55、第一活塞；56、摩擦片；57、差动轮缸；58、差动油路输入；59、第二活塞。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种线控转向的容错系统，包括液压油箱1、车轮(包括左前轮8和右前轮21)、液压缸12、信号采集单元、电子控制单元ECU13和执行机构。左前轮8上设有左制动器5、左轮速传感器6和左制动盘7，左制动器5安装在左前轮8内部，左制动盘7安装在左前轮8的车桥上，左前轮8上还安装左轮速传感器6；右前轮21上设有右制动器18、右轮速传感器19、右制动盘20，右制动器18安装在右前轮21内部，右制动盘20安装在右前轮21的车桥上，右前轮21上还安装右轮速传感器19。液压油箱1通过液压管路分别与左制动器5、右制动器18连接，且与制动器连接的液压管路上分别设有第一电磁阀4、第四电磁阀16。
左前轮8、右前轮21的车桥分别通过转向横拉杆与液压缸12内部的活塞11连接。
液压缸12左半部分通过液压管路与左制动器5连接，且该液压管路上设有第二电磁阀9，液压缸12左半部分通过液压管路与油泵2连接；液压缸12右半部分通过液压管路与右制动器18连接，且该液压管路上设有第三电磁阀17，液压缸12右半部分通过液压管路与油泵2连接，油泵2与液压油箱1连接；油泵2与液压缸12连接的管路上设有通道电磁阀3，通道电磁阀3的通道一与液压缸12右半部分连接，通道电磁阀3的通道二与液压缸12左半部分连接。
液压缸12与转向柱管15固定连接，转向柱管15外部焊接的齿轮与转向电机14输出轴的齿轮进行啮合；转向柱管15上设有转向柱管转角传感器10。
信号采集单元包括转向柱管转角传感器10、内置于转向电机14的转矩/电流传感器、左轮速传感器6和右轮速传感器19，转向柱管转角传感器10用于检测转向柱管15的转角信号，转矩/电流传感器用于检测转向电机14的转矩/电流信号，左轮速传感器6用于检测左前轮8的轮速信号，右轮速传感器19用于检测右前轮21的轮速信号；信号采集单元与ECU13通过信号线连接。
执行机构包括转向电机14、通道电磁阀3、第一电磁阀4、第二电磁阀9、第三电磁阀17、第四电磁阀16和油泵2，执行机构与ECU13通过信号线连接。执行机构用于实现容错系统正常转向和故障时的模式切换，保证车辆在任何情况下都不丧失转向能力。
ECU13接收转向柱管15的转角信号和转向电机14转矩/电流信号，并根据转向电机14电流和转角的实际值是否在理想区间，判断转向电机14是否故障，当实际值不在理想区间时，则判断电机发生故障。该理想区间由转向电机14性能实验室标定的区间。
在转向电机14未发生故障时，ECU13控制第一电磁阀4、第二电磁阀9、第三电磁阀17和第四电磁阀16均处于导通状态，通道电磁阀3处于闭合状态，对转向电机14的执行无影响。
在转向电机14发生故障时，ECU13切断对转向电机14的供电，并进入集成转向模式，根据转向请求控制油泵2、通道电磁阀3、第一电磁阀4、第二电磁阀9、第三电磁阀17和第四电磁阀16的开闭，实现汽车转向。
如图2所示，制动器的结构示意图，包括制动器外壳51、差动油路输出口52、制动轮缸53、制动油路54、第一活塞55、摩擦片56、差动轮缸57、差动油路输入口58以及第二活塞59；制动器外壳51内部装有摩擦片56，制动轮缸53与差动轮缸57同轴设置，且制动轮缸53位于差动轮缸57内部，差动轮缸57设置在制动器外壳51内部，制动轮缸53内部设有第一活塞55，差动轮缸57内部设有第二活塞59，第一活塞55和第二活塞59与摩擦片56接触；制动轮缸53设有制动油路54，差动轮缸57上下端分别设有差动油路输出口52和差动油路输入口58；差动轮缸57通过差动油路输出口52与液压油箱1连接，差动轮缸57通过差动油路输入口58与液压缸12连接。
本实施例中，一种线控转向的容错系统具有线控转向模式和集成转向模式，线控转向模式为：ECU13根据转向请求数值(即方向盘转角值，由方向盘转角传感器采集，并发送给ECU13)控制转向电机14，实现汽车转向；集成转向模式为：ECU13根据转向请求数值控制油泵2、通道电磁阀3、第一电磁阀4、第二电磁阀9、第三电磁阀17和第四电磁阀16的开闭，实现汽车转向。
图3所示为一种线控转向的容错方法，具体步骤如下：
步骤(1)，ECU13接收转向柱管15的转角信号和转向电机14的转矩/电流信号，根据转向电机14电流和转角的实际值判断转向电机14是否故障；当转向电机14发生故障时，执行步骤(3)；若转向电机14未发生故障时，执行步骤(2)；
步骤(2)，ECU13控制第一电磁阀4、第二电磁阀9、第三电磁阀17和第四电磁阀16均处于导通状态，且通道电磁阀3处于闭合状态，转向电机14作为执行机构实现汽车转向；如图4所示，为转向电机未故障且转向请求为右转时液压油流动方向，液压油由液压油箱1流出，经过左制动器5流入液压缸12的右半部分，再由液压缸12的左半部分流经右制动器18，最后流入液压油箱1；若转向电机未故障且转向请求为左转时，液压油流动方向与上述过程相反。
步骤(3)，ECU13切断对转向电机14的供电，并进入集成转向模式，当转向请求为左转时，ECU13控制第三电磁阀17和第四电磁阀16处于闭合状态，第二电磁阀9处于导通状态，通道电磁阀3的通道二打开、通道一闭合，然后ECU13控制油泵2工作，使得液压油通过通道二流入液压缸12的左半部分，推动活塞向右移动，同时ECU13根据转向请求数值控制第一电磁阀4的闭合时间(为现有技术，参见专利CN107499271A)，使得左前轮8短时间制动，达到指定轮速后，第一电磁阀4导通，释放左制动器5的压力，从而产生横摆力矩作用于车身向左转，最终在液压和差动的作用下，转向柱管转角传感器10检测转向柱管转角，经ECU13转换后的转向请求数值，直到转向柱管转角与经ECU13转换后的转向请求数值的差值为0，转向结束。如图5所示，转向电机故障且转向请求为左转时液压油流动方向，液压油由油泵2流出，经过通道电磁阀3的通道二流入液压缸左半部分，再由液压缸右半部分流出，经过左制动器5流入液压油箱1。
当转向请求为右转时，ECU13控制第一电磁阀4和第二电磁阀9处于闭合状态，第三电磁阀17处于导通状态，通道电磁阀3的通道一打开、通道二闭合，然后ECU13控制油泵2工作，使得液压油通过通道一流入液压缸12的右半部分，推动活塞11向左移动，同时ECU13根据转向请求数值控制第四电磁阀16的闭合时间，使得右前轮21短时间制动，达到指定轮速后，四电磁阀16导通，释放右制动器18的压力，从而产生横摆力矩作用于车身向右转，最终在液压和差动的作用下，转向柱管转角传感器10检测转向柱管转角，经ECU13转换后的转向请求数值，直到转向柱管转角与经ECU13转换后的转向请求数值的差值为0，转向结束。如图6所示，转向电机故障且转向请求为右转时液压油流动方向，液压油由油泵2流出，经过通道电磁阀3的通道一流入液压缸右半部分，再由液压缸左半部分流出，经过右制动器18流入液压油箱1。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种线控转向的容错系统，其特征在于，液压油箱(1)与制动器连接的液压管路上分别设有第一电磁阀(4)、第四电磁阀(16)，液压缸(12)左半部分和右半部分均与制动器连接，且连接液压管路上分别设有第二电磁阀(9)和第三电磁阀(17)；电磁阀与电子控制单元ECU(13)连接，根据转向电机(14)是否故障，实现转向系的线控转向模式和集成转向模式的切换。
2.根据权利要求1所述的线控转向的容错系统，其特征在于，所述转向电机(14)是否故障，是根据转向电机(14)电流和转角的实际值是否在理想区间进行判断的。
3.根据权利要求2所述的线控转向的容错系统，其特征在于，所述转向电机(14)未发生故障时，转向系执行线控转向模式；所述转向电机(14)发生故障时，转向系执行集成转向模式。
4.根据权利要求1或3所述的线控转向的容错系统，其特征在于，所述线控转向模式为：ECU(13)根据转向请求数值控制通道电磁阀(3)、第一电磁阀(4)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(17)和第四电磁阀(16)的开闭，由转向电机(14)实现汽车转向。
5.根据权利要求4所述的线控转向的容错系统，其特征在于，所述第一电磁阀(4)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(17)和第四电磁阀(16)均处于导通状态，通道电磁阀(3)处于闭合状态。
6.根据权利要求1或3所述的线控转向的容错系统，其特征在于，所述集成转向模式为：ECU(13)根据转向请求数值控制油泵(2)、通道电磁阀(3)、第一电磁阀(4)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(17)和第四电磁阀(16)的开闭，实现汽车转向。
7.根据权利要求6所述的线控转向的容错系统，其特征在于，当转向请求为左转时，第三电磁阀(17)和第四电磁阀(16)处于闭合状态，第二电磁阀(9)处于导通状态，通道电磁阀(3)的通道二打开、通道一闭合，油泵(2)工作。
8.根据权利要求6所述的线控转向的容错系统，其特征在于，当转向请求为右转时，第一电磁阀(4)和第二电磁阀(9)处于闭合状态，第三电磁阀(17)处于导通状态，通道电磁阀(3)的通道一打开、通道二闭合，油泵(2)工作。
9.根据权利要求1所述的线控转向的容错系统，其特征在于，所述制动器包括同轴设置的制动轮缸(53)与差动轮缸(57)，且制动轮缸(53)位于差动轮缸(57)内部，制动轮缸(53)和差动轮缸(57)内部均设有与摩擦片(56)接触的活塞；差动轮缸(57)上下端分别设有差动油路输出口(52)和差动油路输入口(58)，分别用于和液压油箱(1)、液压缸(12)连接。
10.一种根据权利要求1-9任意一项权利要求所述的线控转向的容错方法，其特征在于，所述转向电机(14)未发生故障时，转向系执行线控转向模式，由转向电机(14)实现汽车转向；转向电机(14)发生故障时，转向系执行集成转向模式，控制第一电磁阀(4)、第四电磁阀(16)闭合时间，产生横摆力矩作用于车身，直到转向柱管转角与经ECU(13)转换后的转向请求数值的差值为0，转向结束。
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