CN111559423B - 一种线控转向系统及其控制策略 - Google Patents

一种线控转向系统及其控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线控转向系统及其控制策略，其中线控转向系统包括转向盘总成、路感反馈总成、转向执行总成、机械冗余、故障检测模块以及控制器，本发明线控转向系统中，第一转向电机和第二转向电机共同作用于1个转向涡轮上，既互为冗余，保障系统可靠性，又精简结构，节约成本且便于布置；采用机械冗余，保留转向传动机构，既可促进技术进步，又适用于现阶段产业产品发展，同时保障产品全生命周期的可用性，初始开发、程序紊乱、整车掉电等情况发生时，均能保障车辆转向移动。

Description

一种线控转向系统及其控制策略
技术领域：
本发明涉及一种线控转向系统及其控制策略，其属于车辆工程技术领域。
背景技术：
随着社会的发展，人们的生活越来越智能化、简易化；汽车，作为人们出行交通工具，紧密贴合日常生活，智能化需求越来越突出。线控转向系统去除方向盘与转向执行机构间的机械连接，灵活适宜不同工况下的转向需求，助力驾驶员操纵车辆，一定程度上实现了车辆的智能化，该技术为无人驾驶、使驾驶更加自由奠定了基础。
目前典型的线控转向系统有：单电机前轮转向、双电机前轮转向、双电机独立前轮转向、后轮线控转向、四轮独立转向等。其容错防护多采用硬件冗余、软件防错等防护，硬件冗余多为多重备份传感器、电子电路或分布转向执行机构，以及摩擦片式离合器等防护。现有防护措施使得线控转向系统整体经济性不高或系统较为繁重或不足以应对产品全生命周期各类情况的需求，不能较好的适应现阶段产业产品的需求及发展。
本发明鉴于此，提出一种较为经济、易于实现、安全防护性高的线控转向系统及其控制策略。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种线控转向系统及其控制策略。
本发明采用如下技术方案：一种线控转向系统，包括转向盘总成、路感反馈总成、转向执行总成、机械冗余、故障检测模块以及控制器；
所述转向盘总成包括转向盘、与转向盘安装于一起的上转向管柱以及安装于转向盘上的第一转角传感器和第一转矩传感器；
所述路感反馈总成包括安装于上转向管柱上的反馈涡轮、与反馈涡轮相啮合的反馈蜗杆以及与反馈蜗杆相连的路感反馈电机；
所述转向执行总成包括下转向管柱、安装于下转向管柱上的转向涡轮、与转向涡轮相啮合的第一转向蜗杆和第二转向蜗杆、与第一转向蜗杆相连的第一转向电机、与第二转向蜗杆相连的第二转向电机、安装于下转向管柱下末端的转向器以及车轮总成，所述转向器带动车轮总成转向，车轮总成上安装有第二转角传感器，转向涡轮上安装有第二转矩传感器，上转向管柱和下转向管柱断开，中间作用机械冗余；
所述第一转角传感器、第一转矩传感器、第二转角传感器以及第二转矩传感器测得信号进入故障检测模块进行检测。
进一步地，所述包括上传动轴、下传动轴、用来联接上传动轴和下传动轴的联轴器、固定于联轴器外侧的环形衔铁以及固定于上传动轴上的电磁线圈和弹簧固定板，在所述环形衔铁和弹簧固定板之间的联轴器和上传动轴上套设有复位弹簧。
本发明还采用如下技术方案：一种线控转向系统的控制策略，包含转向执行控制策略及路感反馈控制策略，其中转向执行控制策略，步骤如下：
(1.1)驾驶员转动转向盘；
(1.2)转向盘下的第一转角传感器测得转向盘转动角度，发送给控制器；
(1.3)控制器根据转向盘转角、实时车速，调用对应的角传动比，计算车轮总成需求转角，并转换为第一转向电机和第二转向电机控制指令，发送给第一转向电机和第二转向电机；
(1.4)第一转向电机和第二转向电机带动转向器转动；
(1.5)转向器带动车轮总成转向；
(1.6)车轮上的第二转角传感器测得车轮的实际转角，反馈给控制器；
(1.7)控制器对比实际转角与需求转角的差异；若无差异时，则转向完成；有差异时，控制器变换转角差异为第一转向电机和第二转向电机控制指令，发送给第一转向电机和第二转向电机，第一转向电机和第二转向电机带动转向器转向，车轮转动，以此迭代，实现车轮需求转角。
路感反馈控制策略，步骤如下：
(2.1)转向涡轮转动；
(2.2)转向涡轮处的第二转矩传感器测得转向涡轮转动转矩，发送给控制器；
(2.3)控制器根据扭矩传动比计算路感反馈电机应施加的需求反馈转矩，转换为路感反馈电机控制指令，发送给路感反馈电机；
(2.4)路感反馈电机带动反馈涡轮反馈；
(2.5)反馈涡轮反馈至转向盘；
(2.6)转向盘处的第一转矩传感器测得转向盘处的转矩，并反馈控制器；
(2.7)控制器对比转向盘处转矩与需求反馈转矩的差异；无差异时，反馈完成；有差异时，控制器变换转矩差异为路感反馈电机控制指令，发送至路感反馈电机(7)；路感反馈电机带动反馈涡轮反馈，以此迭代，实现路感反馈。
本发明具有如下有益效果：
(1).本发明线控转向系统中，第一转向电机和第二转向电机共同作用于1个转向涡轮上，既互为冗余，保障系统可靠性，又精简结构，节约成本且便于布置。
(2).采用机械冗余，保留转向传动机构，既可促进技术进步，又适用于现阶段产业产品发展，同时保障产品全生命周期的可用性，初始开发、程序紊乱、整车掉电等情况发生时，均能保障车辆转向移动；
(3).机械冗余中上传动轴和下传动轴连接处为四面平键，连接可靠、便捷；通电断开，断电连接，有效防范风险；正常状态，复位弹簧受压，延长使用时间，冗余作用可靠、迅速；
(4).预防为主的故障检测模块，每个采集信号均需先进入故障检测模块、检验无误后，方可正常使用，提升系统整体的预防风险能力，保障机构安全运行；
(5).转向执行控制策略，可变角传动比，提高车辆高速转向时的稳定性和低速转向时的灵活性，且非转向齿轮齿条变模数实现，经济、便捷；轨迹误差反馈补差，有效保障转向目标的实现。路感反馈控制策略，实时反映路面情况，保障驾驶员对路面、对车辆行驶的把控。
附图说明：
图1为本发明线控转向系统的原理示意图。
图2为本发明线控转向系统的应用实例图。
图3为机械冗余的示意图。
图4为本发明转向执行流程示意图。
图5为本发明路感反馈流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1至图3所示，本发明线控转向系统包括转向盘总成、路感反馈总成、转向执行总成、机械冗余、故障检测模块以及控制器。
转向盘总成包括转向盘1、与转向盘1安装于一起的上转向管柱2以及安装于转向盘1上的第一转角传感器3和第一转矩传感器4。路感反馈总成A包括安装于上转向管柱2上的反馈涡轮5、与反馈涡轮5相啮合的反馈蜗杆6以及与反馈蜗杆6相连的路感反馈电机7。
转向执行总成包括下转向管柱8、安装于下转向管柱8上的转向涡轮9、与转向涡轮9相啮合的第一转向蜗杆25和第二转向蜗杆26、与第一转向蜗杆25相连的第一转向电机10、与第二转向蜗杆26相连的第二转向电机11以及安装于下转向管柱8下末端的转向器12，转向器12带动车轮总成24转向，车轮总成24上安装有第二转角传感器13，转向涡轮9上安装有第二转矩传感器14。上转向管柱2和下转向管柱8断开，中间作用机械冗余16。
机械冗余16作用于上传动轴17和下传动轴18之间，包括用来联接上传动轴17和下传动轴18的联轴器19、固定于联轴器19外侧的环形衔铁20以及固定于上传动轴17上的电磁线圈21和弹簧固定板23，在环形衔铁20和弹簧固定板23之间的联轴器19和上传动轴17上套设有复位弹簧22。机械冗余16的作用方式为正常状态下，电磁线圈21有电，环形衔铁20带动联轴器19上移，上传动轴17和下传动轴18断开，复位弹簧22压缩。当整车切换为机械转向或未知情况掉电时，电磁线圈21掉电，复位弹簧22伸展，联轴器19下移，上传动轴17和下传动轴18连接，机械转向起作用。机械冗余一旦切换至转向作用状态，线控转向掉电，保障驾驶安全、停车检查。
故障检测模块，该模块可单独设立，亦可集成于控制器中，或程序设定。第一转角传感器3、第一转矩传感器4、第二转角传感器13以及第二转矩传感器14测得信号需先进入故障检测模块，检测无误后，方可进入相应执行模块。故障检测模块通过预先设定的范围条件及各个传感器信号值之间的对比，判别所监测模块是否存在故障。各模块检测到故障时，均有对应的故障处理策略，以确保机构安全运行。
本发明线控转向系统的控制策略包含转向执行控制策略及路感反馈控制策略。
转向执行控制策略包含前馈控制及轨迹误差反馈补差控制。
前馈控制为可变角传动比传动，转向器12齿轮齿条无模数变化，通过程序设定传动比值控制。可变角传动比控制，不同车速、不同方向盘转角对应不同的最优角传动比，保障高速转向时的稳定性和低速转向时的灵活性，提高传动效率和驾乘体验。本专利采用的设计方法需根据车辆特性进行适应性设计。
角传动比随车速变化特性，建立车辆模型，设定车辆操纵稳定性评价函数，利用双移线工况仿真测试得不同传动比、不同车速下评价指标值，分析得角传动比随车速变化特性。
角传动比随方向盘转角变化特性，将角传动比随车速变化特性嵌入车辆模型中，通过汽车瞬态转向特性的角阶跃输入实验得：稳态横摆角速度增益随方向盘转角的变化特性、横摆角速度随转向器小齿轮转角的变化特性，两特性对比分析得各转向盘转角对应理想角传动比。考虑车轮转动超过一定程度后，轮胎进入非线性特性区，角传动比应尽量保持不变，兼顾此状态，得角传动比随转向盘转角变化特性。
线性插值拟合角传动比与车速、角传动比与转向盘转角的变化特性，得完整的可变角传动比变化特性。
轨迹误差反馈补差控制通过传感器测得的车轮实际转角，与计算需求的转角差值比对，进行转向补偿。
转向执行控制策略的实例流程如下：
(1.1)驾驶员转动转向盘1；
(1.2)转向盘1下的第一转角传感器3测得转向盘转动角度，发送给控制器；
(1.3)控制器根据转向盘转角、实时车速，调用对应的角传动比，计算车轮总成24需求转角，并转换为第一转向电机10和第二转向电机11控制指令，发送给第一转向电机10和第二转向电机11；
(1.4)第一转向电机10和第二转向电机11带动转向器12转动；
(1.5)转向器12带动车轮总成24转向；
(1.6)车轮上的第二转角传感器13测得车轮的实际转角，反馈给控制器；
(1.7)控制器对比实际转角与需求转角的差异；若无差异时，则转向完成；有差异时，控制器变换转角差异为第一转向电机10和第二转向电机11控制指令，发送给第一转向电机10和第二转向电机11，第一转向电机10和第二转向电机11带动转向器12转向，车轮转动，以此迭代，实现车轮需求转角。
路感反馈控制策略通过第二转矩传感器测得转向涡轮处的扭力值，经扭矩传动比计算得转向盘处力矩体现。该扭矩传动比，可参考正常电动助力转向时扭矩传动比。
路感反馈控制策略的实例流程如下：
(2.1)转向涡轮9转动；
(2.2)转向涡轮9处的第二转矩传感器14测得转向涡轮9转动转矩，发送给控制器；
(2.3)控制器根据扭矩传动比计算路感反馈电机7应施加的需求反馈转矩，转换为路感反馈电机7控制指令，发送给路感反馈电机7；
(2.4)路感反馈电机7带动反馈涡轮5反馈；
(2.5)反馈涡轮5反馈至转向盘1；
(2.6)转向盘1处的第一转矩传感器4测得转向盘处的转矩，并反馈控制器；
(2.7)控制器对比转向盘处转矩与需求反馈转矩的差异；无差异时，反馈完成；有差异时，控制器变换转矩差异为路感反馈电机7控制指令，发送至路感反馈电机7；路感反馈电机7带动反馈涡轮5反馈，以此迭代，实现路感反馈。
本发明线控转向系统中，第一转向电机和第二转向电机共同作用于1个转向涡轮上，既互为冗余，保障系统可靠性，又精简结构，节约成本且便于布置。
采用机械冗余，保留转向传动机构，既可促进技术进步，又适用于现阶段产业产品发展，同时保障产品全生命周期的可用性，初始开发、程序紊乱、整车掉电等情况发生时，均能保障车辆转向移动
机械冗余中上传动轴和下传动轴连接处为四面平键，连接可靠、便捷；通电断开，断电连接，有效防范风险；正常状态，复位弹簧受压，延长使用时间，冗余作用可靠、迅速。
预防为主的故障检测模块，每个采集信号均需先进入故障检测模块、检验无误后，方可正常使用，提升系统整体的预防风险能力，保障机构安全运行
转向执行控制策略，可变角传动比，提高车辆高速转向时的稳定性和低速转向时的灵活性，且非转向齿轮齿条变模数实现，经济、便捷；轨迹误差反馈补差，有效保障转向目标的实现。路感反馈控制策略，实时反映路面情况，保障驾驶员对路面、对车辆行驶的把控。
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 (1)

1.一种线控转向系统的控制策略，所述线控转向系统包括转向盘总成、路感反馈总成、转向执行总成、机械冗余、故障检测模块以及控制器；
所述转向盘总成包括转向盘(1)、与转向盘(1)安装于一起的上转向管柱(2)以及安装于转向盘(1)上的第一转角传感器(3)和第一转矩传感器(4)；
所述路感反馈总成包括安装于上转向管柱(2)上的反馈涡轮(5)、与反馈涡轮(5)相啮合的反馈蜗杆(6)以及与反馈蜗杆(6)相连的路感反馈电机(7)；
所述转向执行总成包括下转向管柱(8)、安装于下转向管柱(8)上的转向涡轮(9)、与转向涡轮(9)相啮合的第一转向蜗杆(25)和第二转向蜗杆(26)、与第一转向蜗杆(25)相连的第一转向电机(10)、与第二转向蜗杆(26)相连的第二转向电机(11)、安装于下转向管柱(8)下末端的转向器(12)以及车轮总成(24)，所述转向器(12)带动车轮总成(24)转向，车轮总成(24)上安装有第二转角传感器(13)，转向涡轮(9)上安装有第二转矩传感器(14)，上转向管柱(2)和下转向管柱(8)断开，中间作用机械冗余(16)；
所述第一转角传感器(3)、第一转矩传感器(4)、第二转角传感器(13)以及第二转矩传感器(14)测得信号进入故障检测模块进行检测；
所述机械冗余(16)包括上传动轴(17)、下传动轴(18)、用来联接上传动轴(17)和下传动轴(18)的联轴器(19)、固定于联轴器(19)外侧的环形衔铁(20)以及固定于上传动轴(17)上的电磁线圈(21)和固定于上传动轴(17)上的弹簧固定板(23)，在所述环形衔铁(20)和弹簧固定板(23)之间的联轴器(19)和上传动轴(17)上套设有复位弹簧(22)；
其特征在于：包含转向执行控制策略及路感反馈控制策略，其中转向执行控制策略，步骤如下：
(1.1)驾驶员转动转向盘(1)；
(1.2)转向盘(1)下的第一转角传感器(3)测得转向盘转动角度，发送给控制器；
(1.3)控制器根据转向盘转角、实时车速，调用对应的角传动比，计算车轮总成(24)需求转角，并转换为第一转向电机(10)和第二转向电机(11)控制指令，发送给第一转向电机(10)和第二转向电机(11)；
(1.4)第一转向电机(10)和第二转向电机(11)带动转向器(12)转动；
(1.5)转向器(12)带动车轮总成(24)转向；
(1.6)车轮上的第二转角传感器(13)测得车轮的实际转角，反馈给控制器；
(1.7)控制器对比实际转角与需求转角的差异；若无差异时，则转向完成；有差异时，控制器变换转角差异为第一转向电机(10)和第二转向电机(11)控制指令，发送给第一转向电机(10)和第二转向电机(11)，第一转向电机(10)和第二转向电机(11)带动转向器(12)转向，车轮转动，以此迭代，实现车轮需求转角；
路感反馈控制策略，步骤如下：
(2.1)转向涡轮(9)转动；
(2.2)转向涡轮(9)处的第二转矩传感器(14)测得转向涡轮(9)转动转矩，发送给控制器；
(2.3)控制器根据扭矩传动比计算路感反馈电机(7)应施加的需求反馈转矩，转换为路感反馈电机(7)控制指令，发送给路感反馈电机(7)；
(2.4)路感反馈电机(7)带动反馈涡轮(5)反馈；
(2.5)反馈涡轮(5)反馈至转向盘(1)；
(2.6)转向盘(1)处的第一转矩传感器(4)测得转向盘处的转矩，并反馈控制器；
(2.7)控制器对比转向盘处转矩与需求反馈转矩的差异；无差异时，反馈完成；有差异时，控制器变换转矩差异为路感反馈电机(7)控制指令，发送至路感反馈电机(7)；路感反馈电机(7)带动反馈涡轮(5)反馈，以此迭代，实现路感反馈。
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