CN111361634A - 一种电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

一种电动助力转向系统，涉及车辆转向领域，该电动助力转向系统包括扭矩角度传感器、助力伺服单元和电机，扭矩角度传感器为具有冗余的扭矩和角度测量的扭矩角度一体传感器，助力伺服单元包括双核微控制器、电源管理模块、两个预驱动模块、两个功率模块、双绕组电机以及具有两个相互垂直布置的磁阻检测单元的转子位置传感模块，扭矩角度一体传感器、电源管理模块、两个预驱动模块、转子位置传感模块分别与双核微控制器连接，两个功率模块的输入端分别与两个预驱动模块的输出端连接，两个功率模块的输出端均与双绕组电机连接。本电动助力转向系统在扭矩角度传感器、助力伺服单元或电机发生故障的情况下也能保持辅助转向助力功能，安全性及可靠性高。

Description

一种电动助力转向系统

技术领域

本发明涉及车辆转向技术领域，尤其指一种电动助力转向系统。

背景技术

如图1所示，传统的电动助力转向系统由机械部件和电气部件组成，其中，机械部件至少包括方向盘1、转向管柱2、中间轴3、方向机4和减速机构，电气部件主要为扭矩角度传感器5、助力伺服单元6和电机7。在电动助力系统的方向盘1上施加操纵扭矩F1，该操纵扭矩F1可以传递到转向管柱2上，同时，扭矩角度感器5检测到方向盘1的扭矩T，助力伺服单元5根据该扭矩控制电机7输出助力扭矩，助力扭矩再经过减速机构进行扭矩放大后得到助力扭矩F2，操纵扭矩F1和助力扭矩F2在转向管柱2上进行叠加输出转向扭矩F，转向扭矩F再经过中间轴3传递至方向机4，使得方向机4的齿条进行直线运动，带动拉杆控制车轮在地面上转动，从而实现机动车辆的转向。

随着电动助力转向系统的不断发展，市场上的客户对车辆转向系统的安全性及可靠性的要求在不断提升。一般而言，电动助力转向系统各部件的使用寿命较长，较少出现故障，而当出现故障时，业内普遍的做法是更换相应部件，此种方法较麻烦，且值得一提的是，电动助力转向系统的电气部件在出现故障时，会使系统进入故障保护无助力状态或者跛行状态，非常影响整车的安全性及可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以提高行车安全性及可靠性的电动助力转向系统，该电动助力转向系统在扭矩角度传感器、助力伺服单元或电机发生故障的情况下也能保持辅助转向助力功能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种电动助力转向系统，包括扭矩角度传感器、助力伺服单元和电机，所述扭矩角度传感器为具有冗余的扭矩和角度测量的扭矩角度一体传感器，所述助力伺服单元包括双核微控制器、电源管理模块、两个预驱动模块、两个功率模块、双绕组电机以及具有两个相互垂直布置的磁阻检测单元的转子位置传感模块，所述扭矩角度一体传感器、电源管理模块、两个预驱动模块、转子位置传感模块分别与双核微控制器连接，所述两个功率模块的输入端分别与两个预驱动模块的输出端连接，所述两个功率模块的输出端均与双绕组电机连接。

进一步地，所述功率模块包括功率滤波器、电源功率开关和功率桥，所述功率滤波器的输入端与车辆的电瓶连接，所述电源功率开关的一端分别与功率滤波器的输出端及双核微控制器连接，所述电源功率开关的另一端与功率桥的电源端连接，所述功率桥的控制端与预驱动模块连接，所述功率桥的输出端与双绕组电机的三相端子连接。

更进一步地，所述双核微控制器为TC234。

更进一步地，所述扭矩角度一体传感器采用TAS，所述电源管理模块为A4412，所述预驱动模块为A4911，所述转子位置传感模块为A1339。

优选地，所述助力伺服单元还包括两个CAN/CANFD收发器，该两个CAN/CANFD收发器分别与双核微控制器连接。

本发明提供的电动助力转向系统在传统电动助力转向系统的基础上，对扭矩角度传感器、助力伺服单元、电机均进行了冗余结构设计，此种冗余结构不是简单的将相同的部件进行叠加，而是在充分考虑部件之间的兼容性以及整体结构的紧凑性的情况下，巧妙的选择各部件以及搭建各部件之间的连接，以实现了当车辆的扭矩角度传感器、助力伺服单元或电机发生故障时电动助力转向系统仍能提供转向助力的要求，总的来说，本发明提供的电动助力转向系统结构紧凑，既可以降低成本，提高通用性，还可以有效提高行车的安全性及可靠性。

附图说明

图1为本发明所涉电动助力转向系统的结构示意图；

图2为本发明所涉电动助力转向系统的助力伺服单元的结构框图；

图3为本发明所涉电动助力转向系统的双绕组电机的结构示意图；

图4为本发明所涉电动助力转向系统的电路图。

附图标记为：

1——方向盘 2——转向管柱 3——中间轴

4——方向机 5——扭矩角度传感器 6——助力伺服单元

601——双核微控制器 602——电源管理模

603——预驱动模块 604——转子位置传感模块

605——功率滤波器 606——电源功率开关

607——功率桥 608——CAN/CANFD收发器

7——电机 701——定子

702——转子 703——永磁体

A——电瓶。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。

如图1-3所示，一种电动助力转向系统，除了包括与传统电动助力转向系统结构相同的方向盘1、转向管柱2、中间轴3、方向机4和减速机构外，还包括与传统电动助力转向系统结构不相同的扭矩角度传感器5、助力伺服单元6和电机7，本实施方式中的扭矩角度传感器5为具有冗余的扭矩和角度测量的扭矩角度一体传感器，助力伺服单元6包括双核微控制器601、电源管理模块602、两个预驱动模块603、两个功率模块以及具有两个相互垂直布置的磁阻检测单元的转子位置传感模块604，电机7为双绕组电机；扭矩角度一体传感器、电源管理模块602、两个预驱动模块603、转子位置传感模块604分别与双核微控制器601连接，两个功率模块的输入端分别与两个预驱动模块603的输出端连接，两个功率模块的输出端均与双绕组电机连接。

扭矩角度传感器5：可以检测机动车驾驶员操纵方向盘1所施加的扭矩以及方向盘转动的角度，扭矩角度传感器5将检测到的信号转换为数字信号后，通过PWM或SENT通信线路传递给助力伺服单元6中的双核微控制器601，在本实施方式中的扭矩角度传感器5中，不管是扭矩检测元件还是角度检测元件以及对应的通信线路和相应的电源供应，都具有相互独立的两套，相互之间不会相互干扰，从而可以形成冗余的扭矩和角度检测。

双核微控制器601：可以达到冗余控制的效果，相比将两个单独的控制器结合在一起使用，此种双核微控制器601既可以减小尺寸，还可以降低系统的复杂度；

电源管理模块602：在机动车中，由电瓶A给整个电动助力转向系统提供电源，本实施方式中的电源管理模块602与电瓶A连接，电源管理模块602将电瓶A中的电压进行转换后输送给扭矩传感器5、助力伺服单元6以及电机7，为它们供电。

预驱动模块603：本实施方式中的助力伺服单元6包括两个独立的预驱动模块603，每个预驱动模块603都能够实现将双核微控制器601发出的弱电流控制信号转换为功率模块所需要的强电流控制信号，并将功率模块和电机7的状态信号反馈给双核微控制器601，这些状态信号包括电机7的相电压、相电流等。预驱动模块603与双核微控制器601之间是通过输入输出端口、SPI等通信线路进行连接的，两个预驱动模块603独立工作，分别与两个独立的功率模块连接，两个预驱动模块603接受和反馈不同的信号，是双核微控制器601和功率模块之间的桥梁。

电机7：如图3所示，电机7为双绕组电机，用于辅助机动车的转向运动，该双绕组电机的定子701的铁心上包括两组冗余的独立的绕组组合，第一个绕组组合引出的三相端子U1、V1、W1以及第二个绕组组合引出的三相端子U2、V2、W2分别与两个独立的功率模块相连接。绕组组合的每个绕组可以交替的布置在电机7定子701的圆周上，当然，绕组组合的每个绕组也可以布置在与定子701相同的位置，转子702的周围贴有固定极对数的磁铁，定子701上每组绕组组合的绕组数量和转子702上磁铁的数量符合分数槽的分布，优选的为12槽8极，转子702的端面上安装有永磁体703，该永磁体703用于与转子位置传感模块604配合进行测量转子702的位置信息。

功率模块：本实施方式中的助力伺服单元6包括两个独立的功率模块，两个独立的功率模块的输出端分别与电机7的两组绕组组合连接，每个功率模块都能可以在双核微控制器601及预驱动模块603的控制下使电机7的定子701产生旋转的磁场，实现电机7的电子换向。

转子位置传感模块604：其由一个集成芯片和配套电路构成，集成芯片内部有两个冗余的相互垂直布置的磁阻检查单元，用于检测电机7转子输出轴端面永磁体703的磁场方向，并将检测到的电机转子位置信号转换为数字信号，通过PWM或SPI或SENT通信线路传递到双核微控制器601中。特别说明的是，磁阻检测单元和通信线路以及对应的电源供应都是具有相互独立的两套，相互之间不会相互干扰，形成冗余检测系统。另外，为保证电机转子位置信号检测的灵敏度，在设计时需要将转子位置传感模块604中的集成芯片靠近并对正电机转子输出轴端面的永磁体703。

上述实施方式中的电动助力转向系统在传统电动助力转向系统的基础上，对扭矩角度传感器5、助力伺服单元6、电机7均进行了冗余结构设计，此种冗余结构不是简单的将相同的部件进行叠加，而是在充分考虑部件之间的兼容性以及整体结构的紧凑性的情况下，巧妙的选择部件以及搭建部件之间的连接（伺服助力单元6中的所有器件都布置在同一块印制电路板上，且该印制电路板与电机7紧密的安装在一起形成一体化整体）。在使用本电动助力转向系统过程中，扭矩角度传感器5中所有的扭矩检测单元和角度检测单元都在工作，它们都会及时的将检测到的信号传递给双核微控制器601，双核微控制器601对这些信号进行处理后得到两组控制信号，分别输送给两个独立的预驱动模块603，两个预驱动模块603再以此分别驱动两个独立的功率模块进行工作，从而分别控制电机7的两组绕组组合，实现电机7的电子换向，在此助力转向过程中，如果某一电器件发生了损坏，例如：扭矩角度传感器5中的某一个扭矩检测单元，或者双核微控制器601内部输出控制信号的一个端口，或者一个预驱动模块603等，其他电器件仍能正常工作，避免系统进入故障保护无助力状态或者跛行状态。由此可知，本实施方式中的电动助力转向系统可以很好的实现当车辆的扭矩角度传感器5、助力伺服单元6或电机7发生故障时电动助力转向系统仍能提供转向助力的要求，该电动助力转向系统不仅结构紧凑，可以降低成本，提高通用性，还可以有效提高行车的安全性及可靠性。

具体而言，如图4所示，本实施方式中的每个功率模块均包括功率滤波器605、电源功率开关606和功率桥607，每个功率桥607均包括6个电机功率开关、三个电流采样电阻、一个或多个滤波电容，在本电动助力转向系统中，两个功率滤波器605的输入端均与车辆的电瓶A连接，两个电源功率开关606的输入端分别与两个功率滤波器605的输出端连接，两个电源功率开关606的输入端还与双核微控制器601连接，两个电源功率开关606的输出端分别与两个功率桥的电源端连接，两个功率桥607的控制端分别与两个预驱动模块603的输出端连接，两个功率桥607的输出端分别与电机7的两组绕组组合的三相端子连接。

上述电源功率开关606可以是场效应管（MOSFET），也可以是继电器，在正常状态时，双核微控制器601可以将电源功率开关606打开，使电瓶A与电机7之间建立电气连接，而根据检测到的所有传感器信息进行综合判断，如发生影响驾驶员生命安全的严重故障发生，双核微控制器601将电源功率开关606关闭，断开电瓶A与电机7之间的电气连接。为了降低功率桥607在斩波控制电机7时引起的电源波动对电瓶A造成传导干扰，可以在功率桥607和电瓶A之间串入前述功率滤波器605对电源进行滤波，此功率滤波器605优选为LC组合低通滤波器。上述功率桥607的电机功率开关可以是场效应管（MOSFET）或晶闸管（IGBT），控制电机功率开关按一定组合顺序开关可以使电机7的定子701产生旋转的磁场，实现电机的电子换向。电流采样电阻是用于检测电机7三相U、V、W的电流Iu、Iv、Iw（以上相名和电流均为电机绕组组合的统称，不具体指代哪一个绕组组合）。根据电机特性已知电机三相电流的代数和为0，即Iu+Iv+Iw=0，由此可知只需采样其中任意两相电流即可计算出另一相电流，但为了提高系统的鲁棒性，进行冗余的电流采样，即每个绕组组合的三相电流都进行采样，及时发现异常，提高系统的可靠性。

优选地，本实施方式中的双核微控制器601为TC234，扭矩角度一体传感器采用TAS，电源管理模块602为A4412，预驱动模块603为A4911，转子位置传感模块604为A1339。如图4所示，扭矩角度一体传感器的四个输出端分别与双核微控制器601的P00.1、P00.2、P00.3、P00.4端口连接，电源管理模块602的CS4、CK4、DI4、DO4端口分别与双核微控制器601的P23.1、P22.3、P20.0、P20.1端口连接，转子位置传感模块604的CS3、CK3、DI3、DO3端口分别与双核微控制器601的P15.2、P15.3、P15.4、P15.5端口连接，其中一个预驱动模块603的CS1、CK1、DI1、DO1、UH1、UL1、VH1、VL1、WH1、WL1、CSU1、CSV1、CSW1端口分别与双核微控制器的P20.10、P20.11、P20.14、P20.12、P33.0、P33.1、P33.2、P33.5、P33.6、P33.7、P41.0、P41.1、P41.2端口连接，另外一个预驱动模块603的CS2、CK2、DI2、DO2、UH2、UL2、VH2、VL2、WH2、WL2、CSU2、CSV2、CSW2端口分别与双核微控制器的P20.13、P20.11、P20.14、P20.12、P11.2、P11.3、P11.6、P11.9、P11.10、P11.11、P40.0、P40.1、P40.2端口连接，其中一个功率桥607的6个电机功率开关的栅极均与其中一个预驱动模块603的GUH1、GUL1、GVH1、GVL1、GWH1、GWL1端口连接，该功率桥607的三个电流采样电阻的两端均与对应预驱动模块603的CSUN1、CSUP1、CSVN1、CSVP1、CSWN1、CSWP1端口连接，该功率桥607的高边电机功率开关与低边电机功率开关之间作为输出端，该功率桥607共有三个输出端，如图4所示，第一个输出端与对应预驱动模块603的U1端口及电机7的一个U1端子连接，第二个输出端与对应预驱动模块603的V1端口及电机7的V一个1端子连接，第三个输出端与对应预驱动模块603的W1端口及电机7的一个W1端子连接；另外一个功率桥607的6个电机功率开关的栅极均与另外一个预驱动模块603的GUH2、GUL2、GVH2、GVL2、GWH2、GWL2端口连接，该功率桥607的三个电流采样电阻的两端均与对应预驱动模块603的CSUN2、CSUP2、CSVN2、CSVP2、CSWN2、CSWP2端口连接，该功率桥607的高边电机功率开关与低边电机功率开关之间作为输出端，该功率桥607共有三个输出端，如图4所示，第一个输出端与对应预驱动模块603的U1端口及电机7的另外一个U1端子连接，第二个输出端与对应预驱动模块603的V1端口及电机7的另外一个V1端子连接，第三个输出端与对应预驱动模块603的W1端口及电机7的另外一个W1端子连接。

从整个车辆的控制系统来说，上述实施方式中的电动助力转向系统既可以作为其他控制系统的传感器，比如倒车影像、电子车身稳定系统ESP等，通过车辆CAN或CANFD总线网络可以从本电动助力转向系统中获取方向盘角度，本电动助力转向系统也可以作为其他控制系统的执行器，比如车道保持、自动泊车、自能驾驶系统等，通过车辆CAN或CANFD总线网络可以接受其他系统的命令进行转向控制。为了保证车辆的一个网络瘫痪时，还能有另外一个网络供转向系统进行正常的数据交换，本实施方式中的助力伺服单元还可以包括两个CAN/CANFD收发器608，其中一个CAN/CANFD收发器608与双核微控制器601的P14.1、P14.0端口连接，另外一个CAN/CANFD收发器608与双核微控制器601的P20.7、P20.8端口连接。通过该冗余总线，将适合于或必需用于控制电动助力转向系统的其他信号变量传输到双核微控制器601，并且将反馈信号从双核微控制器601传输到机动车辆中的其他控制单元。根据车辆中常见的标准串行双向数据传输协议，通过车辆中的CAN或CANFD总线网络在互连的控制装置之间交换数据，这些数据包括车速、发动机转速、横摆力矩等。以此方式可以将大量的转向辅助功能引入电动助力转向系统，包括用于转向控制的上层应用功能，例如：停车辅助功能；车道保持辅助功能；汽车驾驶员不执行任何转向操作的自动驾驶功能；多种助力风格的用户个性化选择切换功能；软止点功能（软件模拟的极限位置，减少齿条等机械部件的撞击）；跑偏补偿（横向于行驶方向的侧风或拱形道路补偿）；转向系统中的惯性力矩补偿功能；汽车驾驶员是在控制还是放开了方向盘的识别功能；转向系统或行车道上的摩擦补偿功能；由软件控制的转向系统中机械止点的保护功能；车辆的主动回正控制功能；主动衰减底盘、道路或转向系统产生的振动和干扰脉冲的阻尼控制功能；万向节传动装置引起的周期旋转不均匀性的补偿功能；防止方向机齿条过载的保护功能；转向系统的过热保护功能；转向系统的转向行为中的磁滞相位补偿等。此外，还可以通过该冗余总线，与诊断仪连接进行控制单元的故障诊断、与电脑连接进行转向系统的参数标定或程序的更新，与测试设备连接进行产品的测试等。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (5)

1.一种电动助力转向系统，包括扭矩角度传感器（5）、助力伺服单元（6）和电机（7），其特征在于：所述扭矩角度传感器（5）为具有冗余的扭矩和角度测量的扭矩角度一体传感器；所述电机（7）为双绕组电机，所述助力伺服单元（6）包括双核微控制器（601）、电源管理模块（602）、两个预驱动模块（603）、两个功率模块以及具有两个相互垂直布置的磁阻检测单元的转子位置传感模块（604），所述扭矩角度一体传感器、电源管理模块（602）、两个预驱动模块（603）、转子位置传感模块（604）分别与双核微控制器（601）连接，所述两个功率模块的输入端分别与两个预驱动模块（603）的输出端连接，所述两个功率模块的输出端均与双绕组电机连接。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统，其特征在于：所述功率模块包括功率滤波器（605）、电源功率开关（606）和功率桥（607），所述功率滤波器（605）的输入端与车辆的电瓶（A）连接，所述电源功率开关（606）的一端分别与功率滤波器（605）的输出端及双核微控制器（601）连接，所述电源功率开关（606）的另一端与功率桥（607）的电源端连接，所述功率桥（607）的控制端与预驱动模块（603）连接，所述功率桥（607）的输出端与双绕组电机的三相端子连接。

3.根据权利要求2所述的电动助力转向系统，其特征在于：所述双核微控制器（601）为TC234。

4.根据权利要求3所述的电动助力转向系统，其特征在于：所述扭矩角度一体传感器采用TAS，所述电源管理模块（602）为A4412，所述预驱动模块（603）为A4911，所述转子位置传感模块（604）为A1339。

5.根据权利要求4所述的电动助力转向系统，其特征在于：所述助力伺服单元（6）还包括两个CAN/CANFD收发器（608），该两个CAN/CANFD收发器（608）分别与双核微控制器（601）连接。

Images