CN113212542A - 一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统及其控制方法 - Google Patents

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CN113212542A CN202110652237.8A CN202110652237A CN113212542A CN 113212542 A CN113212542 A CN 113212542A CN 202110652237 A CN202110652237 A CN 202110652237A CN 113212542 A CN113212542 A CN 113212542A
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Abstract

本发明公开了一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统及其控制方法，系统包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块、机械传动模块、电机助力模块、线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块；本发明通过引入谐波齿轮机构，实现了线控转向系统的变传动比容错功能，使得现有的线控转向发生故障时仍然可以实现变传动比控制，能够有效地避免意外的发生以及在线控转向故障的情况下仍可以保障低速行驶的轻便性和高速行驶的稳定性；并且采用多种转向工作模式，能够在线控转向系统出现故障时轻松切换为电液复合助力转向工作模式，可以有效降低驾驶员的负担，加强了抗干扰能力；也可以使驾驶员体验不同转向模式感受，增加驾驶乐趣。

Description

一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统及其控制方法
技术领域
本发明属于汽车转向系统技术领域，具体涉及一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统及其控制方法。
背景技术
目前，随着汽车智能化程度越来越高，汽车上的各个执行模块都趋于线控化。其中线控转向系统能够提高汽车安全性能，改善驾驶特性，增强操纵性，为驾驶员提供更为真实的路感，成为当前人们研究的热点。但是，目前市场上的线控助力转向系统主要应用于小轿车，对于前轴载荷较大的商用车，鲜有线控助力转向的相关报道。
中国发明专利申请号为CN202010004681.4中公开了一种复合智能转向系统及其控制和故障诊断方法，根据线控转向模式中的第二电机是否发生故障，可以在线控转向模式和电动助力转向模式之间进行切换；中国发明专利申请号为CN201710670677.X中公开了一种线控转向系统及其稳定性控制方法，通过线控转向内外环协同控制，改善了汽车操作稳定性；中国发明专利申请号为CN201910091439.2中公开了一种基于线控转向的多模式助力转向系统及控制方法，通过多种模式的切换，更好保证驾驶员的安全；但是上述线控转向系统在发生故障时无法较好地实现对车辆变传动比的控制，大大地增加了车辆行驶的安全隐患，并且现提出的一些行星齿轮和齿轮齿条式转向器组成的变传动比机构很难满足商用车所需大传动比、大转矩的特点，适用于商用车的新型变传动比机构需要被研究。
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电液耦合的智能循环球式线控转向系统及其控制方法，以实现商用车线控转向系统在发生故障时，仍然可以进行变传动比容错控制，从而保障低速转向的轻便性和高速转向的稳定性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统，包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块、机械传动模块、电机助力模块、线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块；其中，
所述转向盘模块包括：转向盘、第一转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、第二电磁离合器、路感电机、路感电机转矩传感器、第一电磁离合器、第一减速机构；
所述第一转向管柱的上端与转向盘连接，下端被第二电磁离合器断开，并通过第二电磁离合器实现其开合状态；路感电机的输出端经过路感电机转矩传感器与第一电磁离合器相连接，然后通过第一减速机构与第一转向管柱连接；第一减速机构固定在第一转向管柱上，路感电机输出的反馈力矩依次经过第一减速机构、第一转向管柱，传递至转向盘；所述转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器均与第一转向管柱固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给线控转向控制器模块；
所述第一电磁离合器为常闭状态，第二电磁离合器为常开状态；
所述变传动比液压助力模块包括：变传动比模块、第二转向管柱、第二转向管柱转矩传感器、循环球式液压助力转向器以及液压助力模块；
所述第二转向管柱转矩传感器与第二转向管柱固定连接，用于采集第二转向管柱的转矩信号，并将采集到的信号发送给线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块；
变传动比模块包括：转角电机、转角电机转角传感器、谐波齿轮机构、锁止机构；
谐波齿轮机构包括：波发生器、柔轮和刚轮；柔轮为外齿轮，刚轮为内齿轮，刚轮和柔轮之间存在齿差；第一转向管柱作为输入端与柔轮通过花键无间隙连接；波发生器由回转部件(例如凸轮)和柔性轴承组成，波发生器设置于柔轮的内环中，其外侧面通过柔性轴承带动柔轮发生弹性形变，波发生器中部的回转部件与转角电机的转子轴连接；柔轮外齿与刚轮的内齿相啮合；刚轮与第二转向管柱通过花键无间隙连接；转角电机转角传感器与转角电机固定连接，用于采集转角电机的转角信号；所述锁止机构安装在转角电机上，用于在转角电机不工作或故障时锁止转角电机；
循环球式液压助力转向器由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副；第二级为齿条与齿扇传动副；第二转向管柱通过螺杆与螺母传动副与循环球式液压助力转向器相连；
液压助力模块包括：液压泵、液压泵驱动电机、第二减速机构、油箱、伺服比例电磁阀、油管以及第一压力传感器、第二压力传感器；所述液压泵驱动电机通过第二减速机构与液压泵相连，将来自油箱的液压油通过伺服比例电磁阀泵入循环球式液压式循环球转向器，在循环球式液压助力转向器中形成油压差，在油压差的作用下为转向系统提供助力；第一压力传感器和第二压力传感器安装在循环球式液压助力转向器进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，发送液压助力信号；
所述机械传动模块包括：转向摇臂、转向直拉杆、左转向车轮、左转向节、左转向节臂、左转向梯形臂、转向横拉杆、右转向梯形臂、右转向节臂、右转向节、右转向车轮；
所述循环球式液压助力转向器的输出端通过齿条与齿扇传动副与转向摇臂的一端连接，转向摇臂的另一端通过转向直拉杆与左转向节臂相连，带动左转向节和左转向车轮偏转；左转向节臂经左转向梯形臂与转向横拉杆的一端相连；转向横拉杆的另一端与右梯形臂相连，右转向梯形臂经右转向节臂与右转向节相连，右转向节带动右转向车轮转向；
所述电机助力模块包括：电动助力电机、第三减速机构；电动助力电机通过第三减速机构将电动助力传递到第二转向管柱，为转向系统提供助力；
所述线控转向控制器模块包括：第一信号处理单元、第一理想传动比控制器、第一诊断单元、第一故障报警单元、第一电机驱动单元；
所述电液助力转向控制器模块包括：第二信号处理单元、第二理想传动比控制器、第二诊断单元、第二故障报警单元、第二电机驱动单元；
线控转向控制器模块的第一信号处理单元分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机转矩传感器、第一压力传感器、第二压力传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、路感电机转矩信号C、液压助力信号E以及车辆的状态信号；
电液助力转向控制器模块的第二信号处理单元分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、转角电机转角传感器、第一压力传感器、第二压力传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、转角电机转角信号D、液压助力信号E以及车辆的状态信号；
第一理想传动比控制器根据第一信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，从而计算得到电动助力电机输出到第二转向管柱转角大小，进而通过第一电机驱动单元控制电动助力电机工作，通过循环球式液压助力转向器带动车轮转动，实现变传动比控制；
第二理想传动比控制器根据第二信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，从而计算得到转角电机理想转角信号，通过转角电机提供的附加转角和第一转向管柱的转角进行叠加从而实现变传动比控制；
第一诊断单元和第二诊断单元对各个电机以及各控制器模块进行故障诊断，诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机、电动助力电机、线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块是否发生故障；第一故障报警单元和第二故障报警单元分别用于提醒驾驶员故障信息；
第一电机驱动单元分别与第一电磁离合器、第二电磁离合器、路感电机、电动助力电机、液压泵驱动电机、伺服比例电磁阀电气连接，输出第一电磁离合器、第二电磁离合器控制信号，分别控制第一电磁离合器、第二电磁离合器的开闭状态；输出液压泵助力电机控制信号G，控制液压泵助力电机的转速；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩；
第二电机驱动单元分别与第一电磁离合器、第二电磁离合器、转角电机、电动助力电机、液压泵驱动电机、伺服比例电磁阀电气连接，输出第一电磁离合器、第二电磁离合器控制信号，分别控制第一电磁离合器、第二电磁离合器的开闭状态；输出转角电机控制信号F，控制转角电机输出转角；输出液压泵助力电机控制信号G，控制液压泵助力电机的转速；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩。
进一步地，所述第一转向管柱为谐波齿轮机构的输入，第二转向管柱为谐波齿轮机构的输出。
第一转向管柱作为输入端带动谐波齿轮的柔轮转动，当转角电机驱动时，转角电机的转子带动波发生器转动，波发生器转动过程中通过柔性轴承带动柔轮变形，实现转角的叠加，使柔轮在波发生器长轴方向与刚轮啮合，短轴方向脱开，随着波发生器转动，柔轮、刚轮的啮合区域不断变化，波发生器旋转一圈，柔轮与刚轮存在多个齿差，柔轮相对刚轮就会产生多个齿的位移运动，从而产生变传动比，继而谐波齿轮的刚轮带动第二转向管柱，输出叠加后的转角，实现辅助转角的输入。
进一步地，所述回转部件外形轮廓为曲线型轮廓。
本发明还公开了一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统的控制方法，包含以下步骤：
(1)根据车辆驾驶情况，驾驶员执行转向操作，输入转向盘转角；
(2)第一信号处理单元、第二信号处理单元根据车辆当前转向情况实时接收各传感器的信号以及当前的车辆状态信号，第一诊断单元和第二诊断单元通过诊断策略进行各个电机及各控制器模块的故障诊断，诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机、电动助力电机以及线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块是否发生故障；
(3)若发生故障，则第一电机驱动单元和第二电机驱动单元进行工作模式的切换。
进一步地，所述步骤(3)中工作模式分别包括如下：
工作模式1：第一电机驱动单元控制实现线控转向模式工作：
步骤A1)第一电机驱动单元控制第一电磁离合器闭合、第二电磁离合器断开；
步骤A2)线控转向控制器模块根据车速信号、转向盘转角信号通过第一理想传动比控制器得到当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，计算得到电动助力电机输出到第二转向管柱的转角大小，通过第一电机驱动单元控制电动助力电机工作，通过循环球式液压助力转向器带动车轮转动，实现变传动比控制；
步骤A3)线控转向控制器模块根据转向盘转角、车速、横摆角速度、侧向加速度计算出路感大小，输出路感电机电流控制信号控制路感电机工作反馈路面路感信息；
步骤A4)线控转向控制器模块根据转向盘转角、转向盘转矩、车速计算出所需助力的大小，输出电动助力电机和液压泵驱动电机的电流控制信号控制电动助力电机和液压泵驱动电机进行助力；线控转向控制器模块根据所需助力的大小控制电动助力电机和液压泵驱动电机的协调输出转矩，同时通过第二转向管柱转矩传感器的输出信号进行实时反馈控制；
工作模式2：第二电机驱动单元控制实现电液助力转向模式工作：
步骤B1)电液助力转向控制器模块控制第一电磁离合器断开、第二电磁离合器闭合；
步骤B2)电液助力转向控制器模块根据车速信号、转向盘转角信号通过第二理想传动比控制器确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；然后根据前轮转角信号计算出转角电机控制信号，通过第二电机驱动单元输出转角电机控制信号控制转角电机工作；此时，转角电机驱动波发生器的转角和第一转向管柱输出到柔轮的转角进行叠加，带动刚轮进行转动，从而完成变传动比控制；
步骤B3)电液助力转向控制器模块根据转向盘转角、转向盘转矩、车速计算出所需助力的大小，输出电动助力电机和液压泵驱动电机的电流控制信号控制电动助力电机和液压泵驱动电机进行助力；电液助力转向控制器模块根据所需助力的大小控制电动助力电机和液压泵驱动电机的协调输出转矩，同时通过第二转向管柱转矩传感器的输出信号进行实时反馈控制；
工作模式3：转向系统默认的传统机械转向模式：
步骤C1)第一电磁离合器进入常断状态、第二电磁离合器进入常闭状态；
步骤C2)路感电机、转角电机、液压泵驱动电机和电动助力电机均不工作，此时仅由驾驶员输入转向盘转角，进行传统机械转向。
进一步地，所述诊断策略具体为：
通过线控转向控制器模块的第一诊断单元和电液助力转向控制器模块的第二诊断单元互相监测状态进行故障诊断；其中，第一诊断单元和第二诊断单元通过扩展卡尔曼滤波方法进行各个电机的故障诊断，判断诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机以及电动助力电机是否发生故障。
进一步地，所述步骤(3)中工作模式的切换具体包括以下步骤：
采用工作模式1(线控转向模式)进行工作，若路感电机发生故障时，线控转向控制器模块关闭，电液助力转向控制器模块启动，并切换为工作模式2(电液助力转向模式)，触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若线控转向控制器模块发生故障时，线控转向控制器模块关闭，电液助力转向控制器模块启动，并切换为工作模式2(电液助力转向模式)，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若液压泵驱动电机发生故障，伺服比例电磁阀关闭，助力大小只取决于电动助力电机，触发第一故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若电动助力电机发生故障，助力大小只取决于液压泵驱动电机，触发第一故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；
在工作模式2(电液助力转向模式)下工作时，通过转角电机驱动谐波齿轮机构实现变传动比控制，若转角电机发生故障，锁止机构锁止，电液助力转向控制器模块控制电动助力电机进行转角控制，代替转角电机进行变传动比控制，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若液压泵驱动电机发生故障，伺服比例电磁阀关闭，助力大小只取决于电动助力电机，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若电动助力电机发生故障，助力大小只取决于液压泵驱动电机，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；
若电液助力转向控制器模块发生故障，第二电磁离合器进入常闭状态，采用工作模式3(传统机械转向模式)进行工作，触发第二故障报警单元，并提示驾驶员进行紧急制动。
本发明的有益效果：
本发明通过引入谐波齿轮机构，实现了基于商用车线控转向系统的变传动比容错功能，同时满足商用车线控转向系统所需大传动比大转矩的特点；通过对线控转向系统变传动比的容错控制，使得现有的线控转向发生故障时仍然可以实现变传动比功能，能够有效地避免意外的发生以及在线控转向故障的情况下仍可以保障低速行驶的轻便性和高速行驶的稳定性。
本发明通过采用多种转向工作模式，在实现控制器的容错的基础上，能够在线控转向系统出现故障时轻松切换为电液复合助力转向工作模式，使得线控转向功能能够在前轴载荷较大的商用车上得以实现，可以有效降低驾驶员的负担，加强了抗干扰能力，并降低了整体能耗；也可以使驾驶员体验不同转向模式感受，增加驾驶乐趣。
附图说明
图1为本发明线控转向系统的结构示意图；
图2为变传动比模块的内部细节图；
图3为本发明转向工作模式切换流程图；
图中，1-转向盘，2-第一转向管柱，3-转向盘转角传感器，4-转向盘转矩传感器，5-第二电磁离合器，6-转角电机，7-转角电机传感器，8-变传动比模块，9-第二转向管柱转矩传感器，10-第二转向管柱，11-螺杆与螺母传动副，12-齿条与齿扇传动副，13-循环球式液压助力转向器，14-转向摇臂，15-左转向车轮，16-左转向节，17-左转向节臂，18-左转向梯形臂，19-转向直拉杆，20-电动助力电机，21-第二减速机构，22-液压助力模块，23-伺服比例电磁阀，24-转向横拉杆，25-右转向梯形臂，26-右转向节臂，27-右转向节，28-右转向车轮，29-油箱，30-液压泵驱动电机，31-液压泵，32-电液助力转向控制器模块，33-线控转向控制器模块，34-路感电机，35-路感电机转矩传感器，36-第一电磁离合器，37-第一压力传感器，38-第二压力传感器，39-第一减速机构，40-第三减速机构，61-转角电机转角传感器，62-波发生器(椭圆转子)，63-柔轮，64-刚轮，65-花键；
A-转向盘转角信号，B-转向盘转矩信号，C-路感电机转矩信号，D-转角电机转角信号，E-液压助力信号，F-转角电机控制信号，G-液压泵驱动电机控制信号，H-伺服比例电磁阀控制信号，M-电动助力电机控制信号。
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，本发明的一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统，包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块、机械传动模块、电机助力模块、线控转向控制器模块33和电液助力转向控制器模块32；其中，
所述转向盘模块包括：转向盘1、第一转向管柱2、转向盘转角传感器3、转向盘转矩传感器4、第二电磁离合器5、路感电机34、路感电机转矩传感器35、第一电磁离合器36、第一减速机构39；
所述第一转向管柱2的上端与转向盘1连接，下端被第二电磁离合器5断开，并通过第二电磁离合器5实现其开合状态；路感电机34的输出端经过路感电机转矩传感器35与第一电磁离合器36相连接，然后通过第一减速机构39与第一转向管柱2连接；第一减速机构39固定在第一转向管柱2上，路感电机34输出的反馈力矩依次经过第一减速机构39、第一转向管柱2，传递至转向盘1；所述转向盘转角传感器3、转向盘转矩传感器4均与第一转向管柱2固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给线控转向控制器模块33；
所述第一电磁离合器为常闭状态，第二电磁离合器为常开状态；
所述变传动比液压助力模块包括：变传动比模块8、第二转向管柱10、第二转向管柱转矩传感器9、循环球式液压助力转向器13以及液压助力模块22；
所述第二转向管柱转矩传感器9与第二转向管柱10固定连接，用于采集第二转向管柱的转矩信号，并将采集到的信号发送给线控转向控制器模块33和电液助力转向控制器模块32；
变传动比模块8包括：转角电机7、转角电机转角传感器61、谐波齿轮机构、锁止机构；
谐波齿轮机构包括：波发生器(椭圆转子)62、柔轮63和刚轮64；柔轮63为外齿轮，刚轮64为内齿轮，刚轮64和柔轮63之间存在齿差；第一转向管柱2作为输入端与柔轮63通过花键65无间隙连接；波发生器62由回转部件(例如凸轮)和柔性轴承组成，波发生器62设置于柔轮63的内环中，其外侧面通过柔性轴承带动柔轮63发生弹性形变，波发生器中部的回转部件与转角电机7的转子轴连接；柔轮外齿与刚轮的内齿相啮合；刚轮64与第二转向管柱10通过花键无间隙连接；转角电机转角传感器61与转角电机7固定连接，用于采集转角电机的转角信号；所述锁止机构安装在转角电机7上，用于在转角电机不工作或故障时锁止转角电机；
循环球式液压助力转向器13由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副11；第二级为齿条与齿扇传动副12；所述循环球式液压助力转向器13具有进油口、出油口、常流式转阀、助力油缸；所述常流式转阀由阀体和阀芯组成，阀体具有中间油环槽和上、下油环槽；助力油缸包括左转向动力腔、右转向动力腔以及活塞推杆；第二转向管柱10通过螺杆与螺母传动副11与循环球式液压助力转向器13相连；助力油缸通过活塞推杆与转向摇臂14的中部固连；工作油液从循环球式液压助力转向器壳体的进油口流入常流式转阀的阀体的中间油环槽中，经过其槽底的通孔进入阀体和阀芯之间，再流向阀体外圆的上、下油环槽，然后通过循环球式液压助力转向器壳体的油道流到助力油缸的左转向动力腔和右转向动力腔；同时，流入阀体内的油液从出油口经油管回到油箱中去，形成常流式油液循环；
液压助力模块22包括：液压泵31、液压泵驱动电机30、第二减速机构40、油箱29、伺服比例电磁阀23、油管以及第一压力传感器37、第二压力传感器38；所述液压泵驱动电机30通过第二减速机构40与液压泵31相连，将来自油箱29的液压油通过伺服比例电磁阀23泵入循环球式液压式循环球转向器13，在助力油缸中形成油压差，活塞推杆在油压差的作用下为转向系统提供助力；第一压力传感器37和第二压力传感器38安装在循环球式液压助力转向器13进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，发送液压助力信号；
所述机械传动模块包括：转向摇臂14、转向直拉杆19、左转向车轮15、左转向节16、左转向节臂17、左转向梯形臂18、转向横拉杆24、右转向梯形臂25、右转向节臂26、右转向节27、右转向车轮28；
所述循环球式液压助力转向器的输出端通过齿条与齿扇传动副12与转向摇臂14的一端连接，转向摇臂14的另一端通过转向直拉杆19与左转向节臂17相连，带动左转向节16和左转向车轮15偏转；左转向节臂17经左转向梯形臂18与转向横拉杆24的一端相连；转向横拉杆24的另一端与右梯形臂25相连，右转向梯形臂25经右转向节臂26与右转向节27相连，右转向节27带动右转向车轮28转向；
所述电机助力模块包括：电动助力电机20、第三减速机构21；电动助力电机通过第三减速机构将电动助力传递到第二转向管柱，为转向系统提供助力；
所述线控转向控制器模块包括：第一信号处理单元、第一理想传动比控制器、第一诊断单元、第一故障报警单元、第一电机驱动单元；
所述电液助力转向控制器模块包括：第二信号处理单元、第二理想传动比控制器、第二诊断单元、第二故障报警单元、第二电机驱动单元；
线控转向控制器模块的第一信号处理单元分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机转矩传感器、第一压力传感器、第二压力传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、路感电机转矩信号C、液压助力信号E以及车辆的状态信号；
电液助力转向控制器模块的第二信号处理单元分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、转角电机转角传感器、第一压力传感器、第二压力传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、转角电机转角信号D、液压助力信号E以及车辆的状态信号；
第一理想传动比控制器根据第一信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，从而计算得到电动助力电机输出到第二转向管柱转角大小，进而通过第一电机驱动单元控制电动助力电机工作，通过循环球式液压助力转向器带动车轮转动，实现变传动比控制；
第二理想传动比控制器根据第二信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，从而计算得到转角电机理想转角信号，通过转角电机提供的附加转角和第一转向管柱的转角进行叠加从而实现变传动比控制；
第一诊断单元和第二诊断单元对各个电机以及各控制器模块进行故障诊断，诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机、电动助力电机、线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块是否发生故障；第一故障报警单元和第二故障报警单元分别用于提醒驾驶员故障信息；
第一电机驱动单元分别与第一电磁离合器、第二电磁离合器、路感电机、电动助力电机20、液压泵驱动电机30、伺服比例电磁阀23电气连接，输出第一电磁离合器、第二电磁离合器控制信号，分别控制第一电磁离合器、第二电磁离合器的开闭状态；输出液压泵助力电机控制信号G，控制液压泵助力电机的转速；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩；
第二电机驱动单元分别与第一电磁离合器、第二电磁离合器、转角电机、电动助力电机、液压泵驱动电机、伺服比例电磁阀电气连接，输出第一电磁离合器、第二电磁离合器控制信号，分别控制第一电磁离合器、第二电磁离合器的开闭状态；输出转角电机控制信号F，控制转角电机输出转角；输出液压泵助力电机控制信号G，控制液压泵助力电机的转速；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩。
所述第一转向管柱为谐波齿轮机构的输入，第二转向管柱为谐波齿轮机构的输出。
第一转向管柱作为输入端带动谐波齿轮的柔轮转动，当转角电机驱动时，转角电机的转子带动波发生器转动，波发生器转动过程中通过柔性轴承带动柔轮变形，实现转角的叠加，使柔轮在波发生器长轴方向与刚轮啮合，短轴方向脱开，随着波发生器转动，柔轮、刚轮的啮合区域不断变化，波发生器旋转一圈，柔轮与刚轮存在多个齿差，柔轮相对刚轮就会产生多个齿的位移运动，从而产生变传动比，继而谐波齿轮的刚轮带动第二转向管柱，输出叠加后的转角，实现辅助转角的输入。
其中，所述回转部件外形轮廓为曲线型轮廓。
本发明还公开了一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统的控制方法，包含以下步骤：
(1)根据车辆驾驶情况，驾驶员执行转向操作，输入转向盘转角；
(2)第一信号处理单元、第二信号处理单元根据车辆当前转向情况实时接收各传感器的信号以及当前的车辆状态信号，第一诊断单元和第二诊断单元通过诊断策略进行各个电机及各控制器模块的故障诊断，诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机、电动助力电机以及线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块是否发生故障；
(3)若发生故障，则第一电机驱动单元和第二电机驱动单元进行工作模式的切换。
参照图3所示，所述步骤(3)中工作模式分别包括如下：
工作模式1：第一电机驱动单元控制实现线控转向模式工作：
步骤A1)第一电机驱动单元控制第一电磁离合器闭合、第二电磁离合器断开；
步骤A2)线控转向控制器模块根据车速信号、转向盘转角信号通过第一理想传动比控制器得到当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，计算得到电动助力电机输出到第二转向管柱的转角大小，通过第一电机驱动单元控制电动助力电机工作，通过循环球式液压助力转向器带动车轮转动，实现变传动比控制；
步骤A3)线控转向控制器模块根据转向盘转角、车速、横摆角速度、侧向加速度计算出路感大小，输出路感电机电流控制信号控制路感电机工作反馈路面路感信息；
步骤A4)线控转向控制器模块根据转向盘转角、转向盘转矩、车速计算出所需助力的大小，输出电动助力电机和液压泵驱动电机的电流控制信号控制电动助力电机和液压泵驱动电机进行助力；线控转向控制器模块根据所需助力的大小控制电动助力电机和液压泵驱动电机的协调输出转矩，同时通过第二转向管柱转矩传感器的输出信号进行实时反馈控制；
工作模式2：第二电机驱动单元控制实现电液助力转向模式工作：
步骤B1)电液助力转向控制器模块控制第一电磁离合器断开、第二电磁离合器闭合；
步骤B2)电液助力转向控制器模块根据车速信号、转向盘转角信号通过第二理想传动比控制器确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；然后根据前轮转角信号计算出转角电机控制信号，通过第二电机驱动单元输出转角电机控制信号控制转角电机工作；此时，转角电机驱动波发生器的转角和第一转向管柱输出到柔轮的转角进行叠加，带动刚轮进行转动，从而完成变传动比控制；
步骤B3)电液助力转向控制器模块根据转向盘转角、转向盘转矩、车速计算出所需助力的大小，输出电动助力电机和液压泵驱动电机的电流控制信号控制电动助力电机和液压泵驱动电机进行助力；电液助力转向控制器模块根据所需助力的大小控制电动助力电机和液压泵驱动电机的协调输出转矩，同时通过第二转向管柱转矩传感器的输出信号进行实时反馈控制；
工作模式3：转向系统默认的传统机械转向模式：
步骤C1)第一电磁离合器进入常断状态、第二电磁离合器进入常闭状态；
步骤C2)路感电机、转角电机、液压泵驱动电机和电动助力电机均不工作，此时仅由驾驶员输入转向盘转角，进行传统机械转向。
其中，所述诊断策略具体为：
通过线控转向控制器模块的第一诊断单元和电液助力转向控制器模块的第二诊断单元互相监测状态进行故障诊断；其中，第一诊断单元和第二诊断单元通过扩展卡尔曼滤波方法进行各个电机的故障诊断，判断诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机以及电动助力电机是否发生故障。
其中，所述步骤(3)中工作模式的切换具体包括以下步骤：
采用工作模式1(线控转向模式)进行工作，若路感电机发生故障时，线控转向控制器模块关闭，电液助力转向控制器模块启动，并切换为工作模式2(电液助力转向模式)，触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若线控转向控制器模块发生故障时，线控转向控制器模块关闭，电液助力转向控制器模块启动，并切换为工作模式2(电液助力转向模式)，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若液压泵驱动电机发生故障，伺服比例电磁阀关闭，助力大小只取决于电动助力电机，触发第一故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若电动助力电机发生故障，助力大小只取决于液压泵驱动电机，触发第一故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；
在工作模式2(电液助力转向模式)下工作时，通过转角电机驱动谐波齿轮机构实现变传动比控制，若转角电机发生故障，锁止机构锁止，电液助力转向控制器模块控制电动助力电机进行转角控制，代替转角电机进行变传动比控制，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若液压泵驱动电机发生故障，伺服比例电磁阀关闭，助力大小只取决于电动助力电机，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若电动助力电机发生故障，助力大小只取决于液压泵驱动电机，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；
若电液助力转向控制器模块发生故障，第二电磁离合器进入常闭状态，采用工作模式3(传统机械转向模式)进行工作，触发第二故障报警单元，并提示驾驶员进行紧急制动。
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 (7)

1.一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统，其特征在于，包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块、机械传动模块、电机助力模块、线控转向控制器模块(33)和电液助力转向控制器模块(32)；
所述转向盘模块包括：转向盘(1)、第一转向管柱(2)、转向盘转角传感器(3)、转向盘转矩传感器(4)、第二电磁离合器(5)、路感电机(34)、路感电机转矩传感器(35)、第一电磁离合器(36)、第一减速机构(39)；
所述第一转向管柱(2)的上端与转向盘(1)连接，下端被第二电磁离合器(5)断开，并通过第二电磁离合器(5)实现其开合状态；路感电机(34)的输出端经过路感电机转矩传感器(35)与第一电磁离合器(36)相连接，然后通过第一减速机构(39)与第一转向管柱(2)连接；第一减速机构(39)固定在第一转向管柱(2)上，路感电机(34)输出的反馈力矩依次经过第一减速机构(39)、第一转向管柱(2)，传递至转向盘(1)；所述转向盘转角传感器(3)、转向盘转矩传感器(4)均与第一转向管柱(2)固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给线控转向控制器模块(33)；
所述变传动比液压助力模块包括：变传动比模块(8)、第二转向管柱(10)、第二转向管柱转矩传感器(9)、循环球式液压助力转向器(13)以及液压助力模块(22)；
所述第二转向管柱转矩传感器(9)与第二转向管柱(10)固定连接，用于采集第二转向管柱的转矩信号，并将采集到的信号发送给线控转向控制器模块(33)和电液助力转向控制器模块(32)；
变传动比模块(8)包括：转角电机(7)、转角电机转角传感器(61)、谐波齿轮机构、锁止机构；
谐波齿轮机构包括：波发生器(62)、柔轮(63)和刚轮(64)；柔轮(63)为外齿轮，刚轮(64)为内齿轮，刚轮(64)和柔轮(63)之间存在齿差；第一转向管柱(2)作为输入端与柔轮(63)通过花键(65)无间隙连接；波发生器(62)由回转部件和柔性轴承组成，波发生器(62)设置于柔轮(63)的内环中，其外侧面通过柔性轴承带动柔轮(63)发生弹性形变，波发生器中部的回转部件与转角电机(7)的转子轴连接；柔轮外齿与刚轮的内齿相啮合；刚轮(64)与第二转向管柱(10)通过花键无间隙连接；转角电机转角传感器(61)与转角电机(7)固定连接，用于采集转角电机的转角信号；所述锁止机构安装在转角电机(7)上，用于在转角电机不工作或故障时锁止转角电机；
循环球式液压助力转向器(13)由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副(11)；第二级为齿条与齿扇传动副(12)；第二转向管柱(10)通过螺杆与螺母传动副(11)与循环球式液压助力转向器(13)相连；
液压助力模块(22)包括：液压泵(31)、液压泵驱动电机(30)、第二减速机构(40)、油箱(29)、伺服比例电磁阀(23)、油管以及第一压力传感器(37)、第二压力传感器(38)；所述液压泵驱动电机(39)通过第二减速机构(40)与液压泵(31)相连，将来自油箱(29)的液压油通过伺服比例电磁阀(23)泵入循环球式液压式循环球转向器(13)，在循环球式液压助力转向器中形成油压差，在油压差的作用下为转向系统提供助力；第一压力传感器(37)和第二压力传感器(38)安装在循环球式液压助力转向器(13)进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，发送液压助力信号；
所述机械传动模块包括：转向摇臂(14)、转向直拉杆(19)、左转向车轮(15)、左转向节(16)、左转向节臂(17)、左转向梯形臂(18)、转向横拉杆(24)、右转向梯形臂(25)、右转向节臂(26)、右转向节(27)、右转向车轮(28)；
所述循环球式液压助力转向器的输出端通过齿条与齿扇传动副(12)与转向摇臂(14)的一端连接，转向摇臂(14)的另一端通过转向直拉杆(19)与左转向节臂(17)相连，带动左转向节(16)和左转向车轮(15)偏转；左转向节臂(17)经左转向梯形臂(18)与转向横拉杆(24)的一端相连；转向横拉杆(24)的另一端与右梯形臂(25)相连，右转向梯形臂(25)经右转向节臂(26)与右转向节(27)相连，右转向节(27)带动右转向车轮(28)转向；
所述电机助力模块包括：电动助力电机(20)、第三减速机构(21)；电动助力电机通过第三减速机构将电动助力传递到第二转向管柱，为转向系统提供助力；
所述线控转向控制器模块包括：第一信号处理单元、第一理想传动比控制器、第一诊断单元、第一故障报警单元、第一电机驱动单元；
所述电液助力转向控制器模块包括：第二信号处理单元、第二理想传动比控制器、第二诊断单元、第二故障报警单元、第二电机驱动单元；
线控转向控制器模块的第一信号处理单元分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机转矩传感器、第一压力传感器、第二压力传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、路感电机转矩信号C、液压助力信号E以及车辆的状态信号；
电液助力转向控制器模块的第二信号处理单元分别与转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、转角电机转角传感器、第一压力传感器、第二压力传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、转角电机转角信号D、液压助力信号E以及车辆的状态信号；
第一理想传动比控制器根据第一信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，从而计算得到电动助力电机输出到第二转向管柱转角大小，进而通过第一电机驱动单元控制电动助力电机工作，通过循环球式液压助力转向器带动车轮转动，实现变传动比控制；
第二理想传动比控制器根据第二信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，从而计算得到转角电机理想转角信号，通过转角电机提供的附加转角和第一转向管柱的转角进行叠加从而实现变传动比控制；
第一诊断单元和第二诊断单元对各个电机以及各控制器模块进行故障诊断，诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机、电动助力电机、线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块是否发生故障；第一故障报警单元和第二故障报警单元分别用于提醒驾驶员故障信息；
第一电机驱动单元分别与第一电磁离合器、第二电磁离合器、路感电机、电动助力电机(20)、液压泵驱动电机(30)、伺服比例电磁阀(23)电气连接，输出第一电磁离合器、第二电磁离合器控制信号，分别控制第一电磁离合器、第二电磁离合器的开闭状态；输出液压泵助力电机控制信号G，控制液压泵助力电机的转速；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩；
第二电机驱动单元分别与第一电磁离合器、第二电磁离合器、转角电机、电动助力电机、液压泵驱动电机、伺服比例电磁阀电气连接，输出第一电磁离合器、第二电磁离合器控制信号，分别控制第一电磁离合器、第二电磁离合器的开闭状态；输出转角电机控制信号F，控制转角电机输出转角；输出液压泵助力电机控制信号G，控制液压泵助力电机的转速；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩。
2.根据权利要求1所述的电液耦合的智能循环球式线控转向系统，其特征在于，所述第一转向管柱为谐波齿轮机构的输入，第二转向管柱为谐波齿轮机构的输出；
第一转向管柱作为输入端带动谐波齿轮的柔轮转动，当转角电机驱动时，转角电机的转子带动波发生器转动，波发生器转动过程中通过柔性轴承带动柔轮变形，实现转角的叠加，使柔轮在波发生器长轴方向与刚轮啮合，短轴方向脱开，随着波发生器转动，柔轮、刚轮的啮合区域不断变化，波发生器旋转一圈，柔轮与刚轮存在多个齿差，柔轮相对刚轮就会产生多个齿的位移运动，从而产生变传动比，继而谐波齿轮的刚轮带动第二转向管柱，输出叠加后的转角，实现辅助转角的输入。
3.根据权利要求1所述的电液耦合的智能循环球式线控转向系统，其特征在于，所述回转部件外形轮廓为曲线型轮廓。
4.一种电液耦合的智能循环球式线控转向系统的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)根据车辆驾驶情况，驾驶员执行转向操作，输入转向盘转角；
(2)第一信号处理单元、第二信号处理单元根据车辆当前转向情况实时接收各传感器的信号以及当前的车辆状态信号，第一诊断单元和第二诊断单元通过诊断策略进行各个电机及各控制器模块的故障诊断，诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机、电动助力电机以及线控转向控制器模块和电液助力转向控制器模块是否发生故障；
(3)若发生故障，则第一电机驱动单元和第二电机驱动单元进行工作模式的切换。
5.根据权利要求4所述的电液耦合的智能循环球式线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中工作模式分别包括如下：
工作模式1：第一电机驱动单元控制实现线控转向模式工作：
步骤A1)第一电机驱动单元控制第一电磁离合器闭合、第二电磁离合器断开；
步骤A2)线控转向控制器模块根据车速信号、转向盘转角信号通过第一理想传动比控制器得到当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；根据期望的前轮转角信号，计算得到电动助力电机输出到第二转向管柱的转角大小，通过第一电机驱动单元控制电动助力电机工作，通过循环球式液压助力转向器带动车轮转动，实现变传动比控制；
步骤A3)线控转向控制器模块根据转向盘转角、车速、横摆角速度、侧向加速度计算出路感大小，输出路感电机电流控制信号控制路感电机工作反馈路面路感信息；
步骤A4)线控转向控制器模块根据转向盘转角、转向盘转矩、车速计算出所需助力的大小，输出电动助力电机和液压泵驱动电机的电流控制信号控制电动助力电机和液压泵驱动电机进行助力；线控转向控制器模块根据所需助力的大小控制电动助力电机和液压泵驱动电机的协调输出转矩，同时通过第二转向管柱转矩传感器的输出信号进行实时反馈控制；
工作模式2：第二电机驱动单元控制实现电液助力转向模式工作：
步骤B1)电液助力转向控制器模块控制第一电磁离合器断开、第二电磁离合器闭合；
步骤B2)电液助力转向控制器模块根据车速信号、转向盘转角信号通过第二理想传动比控制器确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；然后根据前轮转角信号计算出转角电机控制信号，通过第二电机驱动单元输出转角电机控制信号控制转角电机工作；此时，转角电机驱动波发生器的转角和第一转向管柱输出到柔轮的转角进行叠加，带动刚轮进行转动，从而完成变传动比控制；
步骤B3)电液助力转向控制器模块根据转向盘转角、转向盘转矩、车速计算出所需助力的大小，输出电动助力电机和液压泵驱动电机的电流控制信号控制电动助力电机和液压泵驱动电机进行助力；电液助力转向控制器模块根据所需助力的大小控制电动助力电机和液压泵驱动电机的协调输出转矩，同时通过第二转向管柱转矩传感器的输出信号进行实时反馈控制；
工作模式3：转向系统默认的传统机械转向模式：
步骤C1)第一电磁离合器进入常断状态、第二电磁离合器进入常闭状态；
步骤C2)路感电机、转角电机、液压泵驱动电机和电动助力电机均不工作，此时仅由驾驶员输入转向盘转角，进行传统机械转向。
6.根据权利要求5所述的电液耦合的智能循环球式线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述诊断策略具体为：
通过线控转向控制器模块的第一诊断单元和电液助力转向控制器模块的第二诊断单元互相监测状态进行故障诊断；其中，第一诊断单元和第二诊断单元通过扩展卡尔曼滤波方法进行各个电机的故障诊断，判断诊断路感电机、转角电机、液压泵助力电机以及电动助力电机是否发生故障。
7.根据权利要求4所述的电液耦合的智能循环球式线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中工作模式的切换具体包括以下步骤：
采用工作模式1进行工作，若路感电机发生故障时，线控转向控制器模块关闭，电液助力转向控制器模块启动，并切换为工作模式2，触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若线控转向控制器模块发生故障时，线控转向控制器模块关闭，电液助力转向控制器模块启动，并切换为工作模式2，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若液压泵驱动电机发生故障，伺服比例电磁阀关闭，助力大小只取决于电动助力电机，触发第一故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若电动助力电机发生故障，助力大小只取决于液压泵驱动电机，触发第一故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；
在工作模式2下工作时，通过转角电机驱动谐波齿轮机构实现变传动比控制，若转角电机发生故障，锁止机构锁止，电液助力转向控制器模块控制电动助力电机进行转角控制，代替转角电机进行变传动比控制，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若液压泵驱动电机发生故障，伺服比例电磁阀关闭，助力大小只取决于电动助力电机，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；若电动助力电机发生故障，助力大小只取决于液压泵驱动电机，并触发第二故障报警单元，提醒驾驶员故障信息；
若电液助力转向控制器模块发生故障，第二电磁离合器进入常闭状态，采用工作模式3进行工作，触发第二故障报警单元，并提示驾驶员进行紧急制动。
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