CN113335371A - 一种商用车多功能电动循环球转向系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种商用车多功能电动循环球转向系统及其控制方法，包括：电动助力模块、机械传动模块和控制模块；所述电动助力模块包括：双转子电机模块和助力电机；所述机械传动模块包括：方向盘、转向轴、联轴器、循环球转向器、齿扇、齿扇轴、转向直拉杆、转向横拉杆、转向节臂、左梯形臂、右梯形臂、左转向节、右转向节、左车轮和右车轮；所述控制模块包括：电子控制单元、转矩传感器、车速传感器、转角传感器和电流传感器；本发明充分发挥了循环球转向器的高减速比能力，最大化了系统助力转矩、实现了电动助力功能、简化了系统、提供线控功能的同时保证了系统可靠性。

Description

一种商用车多功能电动循环球转向系统及其控制方法
技术领域
本发明属于汽车机械转向技术领域，具体指代一种商用车多功能电动循环球转向系统及其控制方法。
背景技术
现有商用车普遍采用的转向系统设计形式为液压助力转向(HPS)系统，相比纯机械转向系统，HPS系统优点在于技术成熟可靠，成本低廉，能有效改善转向沉重的问题，但是其存在高车速时转向稳定性较差、原地掉头等低车速时转向感觉沉重等问题。为解决这些问题，国内外专家学者在HPS系统的基础之上，提出改进型的电控液压助力转向(ECHPS)系统和电动液压助力转向(EHPS)系统。虽然新的技术一定程度上改善了原有转向系统存在的问题。但由于ECHPS系统和EHPS系统仍基于液压传动技术，一方面其能耗仍然较高；另一方面其电气化程度有限，不易实现精准的跟踪控制，难以满足未来汽车智能化、网联化的需求。
电动助力转向系统(EPS)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统(HPS)相比，EPS系统具有能耗低、路感可调性好、结构紧凑、易于维护、响应快、系统匹配性好等优点。它的出现完美契合了人们对于转向系的所有要求。而取消机械连接之后的线控助力转向应该是代表着转向系的终极形态，但目前尚处于初级研究阶段，尚有巨大研究空间。
由此可见，为满足现有车辆智能化和节能化的发展趋势，商用车转向系统必将向着电动化和线控化的趋势发展。然而由于商用车质量较大，目前的研究多采用高功率电机或多电机助力的模式来实现商用车转向系统电动化的技术落地。此外，为了满足商用车智能化的发展也有些研究进行了商用车线控转向技术的研发。但现有商用车电动助力转向技术的研究存在结构复杂、转向助力仍然较小，线控转向技术可靠性不足。而且，目前的研究多是针对单一对象，未考虑技术更替时驾驶员的适应性，将导致商用车转向技术发展不连续，驾驶员难以很快适应新兴技术，可见目前缺少一种集成线控转向和电动助力转向功能于一体且适用于商用车的多功能电动助力转向系统。
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商用车多功能电动循环球转向系统及其控制方法，以解决现有技术中商用车电动助力转向助力较小、线控转向可靠性较差以及转向系统功能单一难以适应车辆未来发展等问题；本发明结合双转子电机和一套普通的助力电机共同作用在循环球转向器的输入端上，利用双转子电机冗余度高，输出转矩高、线控可靠性好的特性，并对其加装了拨叉组件进行双转子的同步和异步旋转，以实现线控转向和电动助力转向功能，充分发挥了循环球转向器的高减速比能力，最大化了系统助力转矩、实现了电动助力功能、简化了系统、提供线控功能的同时保证了系统可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种商用车多功能电动循环球转向系统，包括：电动助力模块、机械传动模块和控制模块；
所述电动助力模块包括：双转子电机模块和助力电机；
所述双转子电机模块包括：转子A、上端盖、定子、定子绕组A、定子绕组B、永磁铁、轴承、轴承座、转子B、同步环、拨叉螺母、拨叉螺杆、拨叉驱动电机和下端盖；
所述上端盖和下端盖分别安装在所述定子的两端；
所述定子绕组A和定子绕组B均缠绕在所述定子内部；
所述永磁铁分别安装在所述转子A和转子B上；
所述转子A位于所述定子的内腔中，其两端均套装有轴承，一端支撑于所述上端盖中，另一端支撑于所述轴承座上；
所述转子B位于所述定子的内腔中，其两端均套装有轴承，一端支撑于所述下端盖中，另一端支撑于所述轴承座上；
所述同步环的两端分别与所述转子A和转子B浮动连接；
所述拨叉螺母旋装在所述拨叉螺杆上，其自由端作用在所述同步环的环面上；
所述拨叉驱动电机固定在所述定子的外部，其输出端与所述拨叉螺杆的输入端固定连接；
所述机械传动模块包括：方向盘、转向轴、联轴器、循环球转向器、齿扇、齿扇轴、转向直拉杆、转向横拉杆、转向节臂、左梯形臂、右梯形臂、左转向节、右转向节、左车轮和右车轮；
所述循环球转向器包括：转向螺杆、转向螺母、导管、循环球；
所述导管安装在所述转向螺母内，导管内放置有若干所述循环球；
所述转向螺母旋装在所述转向螺杆上，两者通过所述循环球传递动力；所述转向螺母与所述齿扇啮合；
所述转向轴的输入端与所述方向盘相连，其输出端与所述转子A的输出端通过所述联轴器连接；
所述转向螺杆的一个输入端与所述转子B的输出端通过联轴器连接，其另一个输入端与所述助力电机的输出端通过联轴器连接；
所述齿扇固定在所述齿扇轴上，用于传输转向螺母输出的动力；
所述转向直拉杆的输入端与所述齿扇轴相连，其输出端与所述转向节臂相连；
所述左转向节与所述左车轮相连，其上固定有所述转向节臂和所述左梯形臂；
所述转向横拉杆的两端分别与所述左梯形臂和右梯形臂相连；
所述右转向节与所述右车轮相连，其上固定有所述右梯形臂；
所述控制模块包括：电子控制单元、转矩传感器、车速传感器、转角传感器和电流传感器；
所述电子控制单元的输入端分别与所述转矩传感器、车速传感器、转角传感器和电流传感器电气相连，其输出端分别与所述助力电机和双转子电机模块电气相连，转向时根据从各传感器得到的车辆及系统状态参数，进行转向功能的选择和助力控制；
所述转矩传感器分别安装在所述转向轴、转子A、转子B和助力电机的输出端上，获取转矩信号，并将转矩信号传递给所述电子控制单元；
所述车速传感器安装在车辆上，用于将获得的车速信号传递到所述电子控制单元；
所述转角传感器安装在所述方向盘上，用于获得车辆转向时的方向盘转角信号，并将转角信号传递到所述电子控制单元；
所述电流传感器分别安装在定子绕组A、定子绕组B和助力电机中，用于获取安装电路中的电流信号，并将电流信号传递到所述电子控制单元。
进一步地，所述双转子电机模块中的定子绕组A和定子绕组B中的线圈匝数和长度不同，即转子A和转子B的输出转矩不同，且转子A所能输出的转矩小于转子B所能输出的转矩。
进一步地，所述同步环与所述转子A和转子B通过花键实现浮动连接。
进一步地，所述拨叉驱动电机选用小功率直流电机。
进一步地，所述转向螺母的输出端面上加工成了齿条状，与所述齿扇啮合。
进一步地，所述循环球转向器中的转向螺杆在制造时要保证完全对称，且尺寸较原尺寸要有所加长，以便在其两端分别与转子B和助力电机连接。
进一步地，所述转向系统默认功能选择为电动助力转向，即系统初始状态为同步环同时与转子A和转子B连接，转子A和转子B相当于转向轴的一部分。
进一步地，所述转向系统的功能选择分为主动选择和被动选择；主动选择可通过在方向盘上设置功能选择按键实现，被动选择则是高级辅助驾驶算法层根据车辆状态进行的被动安全式的选择。
本发明还提供了一种商用车多功能电动循环球转向系统的控制方法，基于上述系统，包含以下步骤：
(1)设计所述转向系统处于电动助力转向状态时的转向助力特性曲线，及处于线控转向状态时的理想变传动比曲线；
(2)进行转向系统的功能选择，电子控制单元根据选择的功能控制拨叉驱动电机进行工作，执行功能切换；
(3)根据步骤(2)中选择的转向系统功能状态，结合步骤(1)中设计的不同转向功能状态下的转向助力特性曲线和理想变传动比曲线，电子控制单元进行实时的转向控制；
(4)若转向系统处于线控转向状态下，则电子控制单元进行实时的故障诊断，并根据系统故障类型进行转向系统的容错控制；
(5)若转向系统处于电动助力状态下，检测到车辆处于危险状态，需要进行主动干预操作，则电子控制单元控制拨叉驱动电机带动同步环即刻脱离转子A，断开机械连接，并完成主动干预操作。
进一步地，所述步骤(1)中设计的转向助力特性曲线为多段式助力特性曲线，具体表达式为：
Figure BDA0003141290210000041
式中，M为助力转矩；v为车速；Ti为驾驶员输入转矩；W为车速影响因子；e为自然对数。
进一步地，所述步骤(1)中设计的理想变传动比曲线的具体表达式为：
Figure BDA0003141290210000042
Figure BDA0003141290210000043
式中，id为理想转向传动比；f为传动比调整函数；δw为方向盘转角，逆时针为正；δw1和δw2为方向盘转角调整阈值。
进一步地，所述步骤(2)中具体步骤为：
(21)若功能选择为线控转向，且转向系统处于电动助力转向状态，则电子控制单元控制拨叉驱动电机逆时针旋转带动拨叉螺杆转动，拨叉螺母产生直线运动，并将动力作用到同步环的端面上，此时同步环从转子A上脱离，只与转子B连接，系统机械连接断开，转为线控转向状态；转子A用于模拟路感，转子B与助力电机用于执行驾驶员转向操作；
(22)若功能选择为电动助力转向，且转向系统处于线控转向状态，则电子控制单元控制拨叉电机顺时针旋转带动拨叉螺杆转动，拨叉螺母产生直线运动，并将动力作用到同步环的端面上，此时同步环的一部分从转子B上逐渐过渡至转子A上，转子A和转子B同时与同步环连接，转向系统恢复至电动助力状态；转子A、转子B与助力电机的输出转矩同时用于转向助力，此时系统转向助力最大。
进一步地，所述步骤(3)中不同转向功能状态下的转向控制步骤为：
(31)转向系统处于电动助力状态：
(311)传感器采集转矩信号、转角信号和车速信号；
(312)电子控制单元接收步骤(311)采集到的信号，根据转向助力特性曲线，实时计算出所需的助力转矩；
(313)结合步骤(312)中计算得到的所需的助力转矩，电子控制单元控制双转子电机进行转向助力，当所需的助力转矩超出双转子电机模块最佳负载区间时，控制助力电机启动进行助力；当所需的助力转矩超出助力电机的最佳负载区间时，优先控制助力电机进入超负荷状态，以保证双转子电机模块能够应对功能切换后的转向操作，保证高级辅助驾驶算法的主动干预的可行性，提高车辆行驶安全；
(32)转向系统处于线控转向状态：
(321)传感器采集转矩信号、转角信号、车速信号和电流信号；
(322)电子控制单元根据采集到的传感器信号，结合理想变传动比曲线和转向助力特性曲线，实时计算出理想的变传动比以及助力电机所需输出的助力转矩；
(323)结合步骤(322)中得到的理想的变传动比和助力电机所需的助力转矩，计算出转子B所需输出的转角后，电子控制单元分别控制转子B跟踪转角和控制助力电机跟踪助力转矩，同时电子控制单元根据转矩传感器返回的转子B的实时反馈转矩，控制转子A实时的产生驾驶路感。
进一步地，所述步骤(4)中的具体步骤为：
(41)电子控制单元实时检测电流信号和转矩信号，并根据信号状态实时进行故障诊断，若诊断出故障，则进行容错控制，同时将高级辅助驾驶算法设为不可主动干预状态；
(42)若步骤(41)中故障诊断结果为转子A故障，则电子控制单元控制拨叉驱动电机转动，带动同步环向转子A靠拢，并进行递进式的控制，即根据转角传感器的信号判断方向盘位置，若其处于中间位置则带动同步环立即同步；若方向盘不处于中间位置则仅让同步环压靠在转子A上，保证有一定的路感的同时又给予方向盘回至中间位置的时间；
(43)若步骤(41)中故障诊断结果为转子B故障，则电子控制单元控制助力电机进行高转矩超负荷输出，跟踪所需的转角，同时控制拨叉驱动电机带动同步环压靠在转子A上，进行递进式的控制，直至方向盘回至中间位置，同步环即刻同步；
(44)若步骤(41)中诊断结果为助力电机故障，则电子控制单元控制转子B进行高转矩超负荷输出，跟踪所需的转角，同时控制拨叉驱动电机带动同步环压靠在转子A上，进行递进式的控制，直至方向盘回至中间位置，同步环即刻同步；
(45)若步骤(41)中诊断结果为其他类型的故障，则电子控制单元控制拨叉驱动电机带动同步环立即同步，连接机械结构，并控制无故障的助力机构进行助力，若所需助力转矩超出无故障的助力机构所能提供的最大助力转矩，则仅控制无故障的助力机构输出最大助力转矩。
进一步地，所述步骤(41)中故障诊断方式为：判断电流传感器中的信号状态，并将信号与前一时刻的信号进行对比，若无信号或信号连续几次波动异常，则认为是转子A、转子B或助力电机出现故障。
本发明的有益效果：
本发明采用双转子电机和普通电机联合助力的方式，将线控转向技术和电动助力转向技术集成为一体；
1、采用循环球输入端双电机助力的形式，最大化了助力转矩，可实现商用车转向系统的电动化，同时拨叉电机至同步环的机构设计使得不同转向功能的切换更加流畅和智能；
2、可提供线控转向功能，驾驶员可提前适应线控转向技术，进一步推进了线控转向技术的落地；
3、本发明提出的转向系统提供的线控转向功能的存在使得主动干预驾驶员的操作成为了可能，可实现主动防侧翻和主动避撞功能，进一步提高商用车的安全性；最后，由于系统中采用的双电机助力形式和双转子电机的存在使得转向系统冗余度极高，进一步保障了转向系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明商用车多功能电动循环球转向系统的结构图；
图2为本发明转向系统中双转子电机模块的结构图；
图3为本发明中同步环的主视图；
图4为本发明中同步环A-A方向的剖视图；
图5为本发明转子A、转子B和同步环连接配合示意图；
图6位本发明方法的控制流程图；
图中，1-方向盘，2-转角传感器，3-转矩传感器，4-转向轴，5-联轴器，6-齿扇轴，7-转向直拉杆，8-转向节臂，9-左车轮，10-左转向节，11-左梯形臂，12-转向直拉杆，13-转子A，14-双转子电机模块，15-转子B，16-循环球转向器，17-转向螺杆，18-转向螺母，19-齿扇，20-车速传感器，21-电子控制单元(ECU)，22-助力电机，23-电流传感器，24-右车轮，25-右转向节，26-右梯形臂，27-导管，28-循环球，29-轴承，30-拨叉螺母，31-同步环，32-拨叉螺杆，33-拨叉驱动电机，34-定子，35-定子绕组A，36-上端盖，37-永磁铁，38-轴承座，39-定子绕组B，40-下端盖。
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5所示，本发明的一种商用车多功能电动循环球转向系统，包括：电动助力模块、机械传动模块和控制模块；
所述电动助力模块包括：双转子电机模块14和助力电机22；
所述双转子电机模块包括：转子A13、上端盖36、定子34、定子绕组A35、定子绕组B39、永磁铁37、轴承29、轴承座38、转子B15、同步环31、拨叉螺母30、拨叉螺杆32、拨叉驱动电机33和下端盖40；
所述上端盖36和下端盖40分别安装在所述定子34的两端；
所述定子绕组A35和定子绕组B39均缠绕在所述定子34内部；
所述永磁铁37分别安装在所述转子A13和转子B15上；
所述转子A13位于所述定子34的内腔中，其两端均套装有轴承29，一端支撑于所述上端盖36中，另一端支撑于所述轴承座38上；
所述转子B15位于所述定子34的内腔中，其两端均套装有轴承29，一端支撑于所述下端盖40中，另一端支撑于所述轴承座38上；
所述同步环31的两端分别与所述转子A13和转子B15浮动连接；
所述拨叉螺母30旋装在所述拨叉螺杆32上，其自由端作用在所述同步环31的环面上；
所述拨叉驱动电机33固定在所述定子34的外部，其输出端与所述拨叉螺杆32的输入端固定连接；
所述机械传动模块包括：方向盘1、转向轴4、联轴器5、循环球转向器16、齿扇19、齿扇轴6、转向直拉杆7、转向横拉杆12、转向节臂8、左梯形臂11、右梯形臂26、左转向节10、右转向节25、左车轮9和右车轮24；
所述循环球转向器16包括：转向螺杆17、转向螺母18、导管27、循环球28；
所述导管27安装在所述转向螺母18内，导管27内放置有若干所述循环球28；
所述转向螺母18旋装在所述转向螺杆17上，两者通过所述循环球28传递动力；所述转向螺母18与所述齿扇19啮合；
所述转向轴4的输入端与所述方向盘1相连，其输出端与所述转子A13的输出端通过所述联轴器5连接；
所述转向螺杆17的一个输入端与所述转子B15的输出端通过联轴器5连接，其另一个输入端与所述助力电机22的输出端通过联轴器5连接；
所述齿扇19固定在所述齿扇轴6上，用于传输转向螺母18输出的动力；
所述转向直拉杆7的输入端与所述齿扇轴6相连，其输出端与所述转向节臂8相连；
所述左转向节10与所述左车轮9相连，其上固定有所述转向节臂8和所述左梯形臂11；
所述转向横拉杆12的两端分别与所述左梯形臂11和右梯形臂26相连；
所述右转向节25与所述右车轮24相连，其上固定有所述右梯形臂26；
所述控制模块包括：电子控制单元(ECU)21、转矩传感器3、车速传感器20、转角传感器2和电流传感器23；
所述电子控制单元21的输入端分别与所述转矩传感器3、车速传感器20、转角传感器2和电流传感器23电气相连，其输出端分别与所述助力电机22和双转子电机模块14电气相连，转向时根据从各传感器得到的车辆及系统状态参数，进行转向功能的选择和助力控制；
所述转矩传感器3分别安装在所述转向轴4、转子A13、转子B15和助力电机22的输出端上，获取转矩信号，并将转矩信号传递给所述电子控制单元21；
所述车速传感器20安装在车辆上，用于将获得的车速信号传递到所述电子控制单元21；
所述转角传感器2安装在所述方向盘1上，用于获得车辆转向时的方向盘转角信号，并将转角信号传递到所述电子控制单元21；
所述电流传感器23分别安装在定子绕组A35、定子绕组B39和助力电机22中，用于获取安装电路中的电流信号，并将电流信号传递到所述电子控制单元21。
优选实例中，所述双转子电机模块中的定子绕组A35和定子绕组B39中的线圈匝数和长度不同，即转子A13和转子B15的输出转矩不同，且转子A13所能输出的转矩小于转子B15所能输出的转矩。
优选实例中，所述同步环31与所述转子A13和转子B15通过花键实现浮动连接。
优选实例中，所述拨叉驱动电机33选用小功率直流电机，以降低成本、减小尺寸。
优选实例中，所述转向螺母18的输出端面上加工成了齿条状，与所述齿扇啮合。
优选实例中，所述循环球转向器16中的转向螺杆17在制造时要保证完全对称，且尺寸较原尺寸要有所加长，以便在其两端分别与转子B15和助力电机22连接。
优选实例中，所述转向系统默认功能选择为电动助力转向，即系统初始状态为同步环31同时与转子A13和转子B15连接，转子A和转子B相当于转向轴的一部分。
优选实例中，所述转向系统的功能选择分为主动选择和被动选择；主动选择可通过在方向盘上设置功能选择按键实现，被动选择则是高级辅助驾驶算法层根据车辆状态进行的被动安全式的选择。
参照图6所示，本发明还提供了一种商用车多功能电动循环球转向系统的控制方法，基于上述系统，包含以下步骤：
(1)设计所述转向系统处于电动助力转向状态时的转向助力特性曲线，及处于线控转向状态时的理想变传动比曲线；
所述设计的转向助力特性曲线为多段式助力特性曲线，具体表达式为：
Figure BDA0003141290210000091
式中，M为助力转矩；v为车速；Ti为驾驶员输入转矩；W为车速影响因子；e为自然对数。
所述设计的理想变传动比曲线的具体表达式为：
Figure BDA0003141290210000092
Figure BDA0003141290210000093
式中，id为理想转向传动比；f为传动比调整函数；δw为方向盘转角，逆时针为正；δw1和δw2为方向盘转角调整阈值。
(2)进行转向系统的功能选择，电子控制单元根据选择的功能控制拨叉驱动电机进行工作，执行功能切换；具体步骤为：
(21)若功能选择为线控转向，且转向系统处于电动助力转向状态，则电子控制单元控制拨叉驱动电机逆时针旋转带动拨叉螺杆转动，拨叉螺母产生直线运动，并将动力作用到同步环的端面上，此时同步环从转子A上脱离，只与转子B连接，系统机械连接断开，转为线控转向状态；转子A用于模拟路感，转子B与助力电机用于执行驾驶员转向操作；
(22)若功能选择为电动助力转向，且转向系统处于线控转向状态，则电子控制单元控制拨叉电机顺时针旋转带动拨叉螺杆转动，拨叉螺母产生直线运动，并将动力作用到同步环的端面上，此时同步环的一部分从转子B上逐渐过渡至转子A上，转子A和转子B同时与同步环连接，转向系统恢复至电动助力状态；转子A、转子B与助力电机的输出转矩同时用于转向助力，此时系统转向助力最大。
(3)根据步骤(2)中选择的转向系统功能状态，结合步骤(1)中设计的不同转向功能状态下的转向助力特性曲线和理想变传动比曲线，电子控制单元进行实时的转向控制；
所述不同转向功能状态下的转向控制步骤为：
(31)转向系统处于电动助力状态：
(311)传感器采集转矩信号、转角信号和车速信号；
(312)电子控制单元接收步骤(311)采集到的信号，根据转向助力特性曲线，实时计算出所需的助力转矩；
(313)结合步骤(312)中计算得到的所需的助力转矩，电子控制单元控制双转子电机进行转向助力，当所需的助力转矩超出双转子电机模块最佳负载区间时，控制助力电机启动进行助力；当所需的助力转矩超出助力电机的最佳负载区间时，优先控制助力电机进入超负荷状态，以保证双转子电机模块能够应对功能切换后的转向操作，保证高级辅助驾驶算法的主动干预的可行性，提高车辆行驶安全；
(32)转向系统处于线控转向状态：
(321)传感器采集转矩信号、转角信号、车速信号和电流信号；
(322)电子控制单元根据采集到的传感器信号，结合理想变传动比曲线和转向助力特性曲线，实时计算出理想的变传动比以及助力电机所需输出的助力转矩；
(323)结合步骤(322)中得到的理想的变传动比和助力电机所需的助力转矩，计算出转子B所需输出的转角后，电子控制单元分别控制转子B跟踪转角和控制助力电机跟踪助力转矩，同时电子控制单元根据转矩传感器返回的转子B的实时反馈转矩，控制转子A实时的产生驾驶路感。
(4)若转向系统处于线控转向状态下，则电子控制单元进行实时的故障诊断，并根据系统故障类型进行转向系统的容错控制；具体步骤为：
(41)电子控制单元实时检测电流信号和转矩信号，并根据信号状态实时进行故障诊断，若诊断出故障，则进行容错控制，同时将高级辅助驾驶算法设为不可主动干预状态；
(42)若步骤(41)中故障诊断结果为转子A故障，则电子控制单元控制拨叉驱动电机转动，带动同步环向转子A靠拢，并进行递进式的控制，即根据转角传感器的信号判断方向盘位置，若其处于中间位置则带动同步环立即同步；若方向盘不处于中间位置则仅让同步环压靠在转子A上，保证有一定的路感的同时又给予方向盘回至中间位置的时间；
(43)若步骤(41)中故障诊断结果为转子B故障，则电子控制单元控制助力电机进行高转矩超负荷输出，跟踪所需的转角，同时控制拨叉驱动电机带动同步环压靠在转子A上，进行递进式的控制，直至方向盘回至中间位置，同步环即刻同步；
(44)若步骤(41)中诊断结果为助力电机故障，则电子控制单元控制转子B进行高转矩超负荷输出，跟踪所需的转角，同时控制拨叉驱动电机带动同步环压靠在转子A上，进行递进式的控制，直至方向盘回至中间位置，同步环即刻同步；
(45)若步骤(41)中诊断结果为其他类型的故障，则电子控制单元控制拨叉驱动电机带动同步环立即同步，连接机械结构，并控制无故障的助力机构进行助力，若所需助力转矩超出无故障的助力机构所能提供的最大助力转矩，则仅控制无故障的助力机构输出最大助力转矩。
所述步骤(41)中故障诊断方式为：判断电流传感器中的信号状态，并将信号与前一时刻的信号进行对比，若无信号或信号连续几次波动异常，则认为是转子A、转子B或助力电机出现故障。
(5)若转向系统处于电动助力状态下，检测到车辆处于危险状态，需要进行主动干预操作，则电子控制单元控制拨叉驱动电机带动同步环即刻脱离转子A，断开机械连接，并完成主动干预操作。
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)

1.一种商用车多功能电动循环球转向系统，其特征在于，包括：电动助力模块、机械传动模块和控制模块；
所述电动助力模块包括：双转子电机模块(14)和助力电机(22)；
所述双转子电机模块包括：转子A(13)、上端盖(36)、定子(34)、定子绕组A(35)、定子绕组B(39)、永磁铁(37)、轴承(29)、轴承座(38)、转子B(15)、同步环(31)、拨叉螺母(30)、拨叉螺杆(32)、拨叉驱动电机(33)和下端盖(40)；
所述上端盖(36)和下端盖(40)分别安装在所述定子(34)的两端；
所述定子绕组A(35)和定子绕组B(39)均缠绕在所述定子(34)内部；
所述永磁铁(37)分别安装在所述转子A(13)和转子B(15)上；
所述转子A(13)位于所述定子(34)的内腔中，其两端均套装有轴承(29)，一端支撑于所述上端盖(36)中，另一端支撑于所述轴承座(38)上；
所述转子B(15)位于所述定子(34)的内腔中，其两端均套装有轴承(29)，一端支撑于所述下端盖(40)中，另一端支撑于所述轴承座(38)上；
所述同步环(31)的两端分别与所述转子A(13)和转子B(15)浮动连接；
所述拨叉螺母(30)旋装在所述拨叉螺杆(32)上，其自由端作用在所述同步环(31)的环面上；
所述拨叉驱动电机(33)固定在所述定子(34)的外部，其输出端与所述拨叉螺杆(32)的输入端固定连接；
所述机械传动模块包括：方向盘(1)、转向轴(4)、联轴器(5)、循环球转向器(16)、齿扇(19)、齿扇轴(6)、转向直拉杆(7)、转向横拉杆(12)、转向节臂(8)、左梯形臂(11)、右梯形臂(26)、左转向节(10)、右转向节(25)、左车轮(9)和右车轮(24)；
所述循环球转向器(16)包括：转向螺杆(17)、转向螺母(18)、导管(27)、循环球(28)；
所述导管(27)安装在所述转向螺母(18)内，导管(27)内放置有若干所述循环球(28)；
所述转向螺母(18)旋装在所述转向螺杆(17)上，两者通过所述循环球(28)传递动力；所述转向螺母(18)与所述齿扇(19)啮合；
所述转向轴(4)的输入端与所述方向盘(1)相连，其输出端与所述转子A(13)的输出端通过所述联轴器(5)连接；
所述转向螺杆(17)的一个输入端与所述转子B(15)的输出端通过联轴器(5)连接，其另一个输入端与所述助力电机(22)的输出端通过联轴器(5)连接；
所述齿扇(19)固定在所述齿扇轴(6)上，用于传输转向螺母(18)输出的动力；
所述转向直拉杆(7)的输入端与所述齿扇轴(6)相连，其输出端与所述转向节臂(8)相连；
所述左转向节(10)与所述左车轮(9)相连，其上固定有所述转向节臂(8)和所述左梯形臂(11)；
所述转向横拉杆(12)的两端分别与所述左梯形臂(11)和右梯形臂(26)相连；
所述右转向节(25)与所述右车轮(24)相连，其上固定有所述右梯形臂(26)；
所述控制模块包括：电子控制单元(21)、转矩传感器(3)、车速传感器(20)、转角传感器(2)和电流传感器(23)；
所述电子控制单元(21)的输入端分别与所述转矩传感器(3)、车速传感器(20)、转角传感器(2)和电流传感器(23)电气相连，其输出端分别与所述助力电机(22)和双转子电机模块(14)电气相连，转向时根据从各传感器得到的车辆及系统状态参数，进行转向功能的选择和助力控制；
所述转矩传感器(3)分别安装在所述转向轴(4)、转子A(13)、转子B(15)和助力电机(22)的输出端上，获取转矩信号，并将转矩信号传递给所述电子控制单元(21)；
所述车速传感器(20)安装在车辆上，用于将获得的车速信号传递到所述电子控制单元(21)；
所述转角传感器(2)安装在所述方向盘(1)上，用于获得车辆转向时的方向盘转角信号，并将转角信号传递到所述电子控制单元(21)；
所述电流传感器(23)分别安装在定子绕组A(35)、定子绕组B(39)和助力电机(22)中，用于获取安装电路中的电流信号，并将电流信号传递到所述电子控制单元(21)。
2.根据权利要求1所述的商用车多功能电动循环球转向系统，其特征在于，所述双转子电机模块中的定子绕组A(35)和定子绕组B(39)中的线圈匝数和长度不同，即转子A(13)和转子B(15)的输出转矩不同，且转子A(13)所能输出的转矩小于转子B(15)所能输出的转矩。
3.根据权利要求1所述的商用车多功能电动循环球转向系统，其特征在于，所述同步环(31)与所述转子A(13)和转子B(15)通过花键实现浮动连接。
4.根据权利要求1所述的商用车多功能电动循环球转向系统，其特征在于，所述转向螺母(18)的输出端面上加工成了齿条状，与所述齿扇(19)啮合。
5.根据权利要求1所述的商用车多功能电动循环球转向系统，其特征在于，所述转向系统默认功能选择为电动助力转向，即系统初始状态为同步环同时与转子A和转子B连接，转子A和转子B相当于转向轴的一部分。
6.一种商用车多功能电动循环球转向系统的控制方法，基于权利要求1-5中任意一项所述的系统，其特征在于，包含以下步骤：
(1)设计所述转向系统处于电动助力转向状态时的转向助力特性曲线，及处于线控转向状态时的理想变传动比曲线；
(2)进行转向系统的功能选择，电子控制单元根据选择的功能控制拨叉驱动电机进行工作，执行功能切换；
(3)根据步骤(2)中选择的转向系统功能状态，结合步骤(1)中设计的不同转向功能状态下的转向助力特性曲线和理想变传动比曲线，电子控制单元进行实时的转向控制；
(4)若转向系统处于线控转向状态下，则电子控制单元进行实时的故障诊断，并根据系统故障类型进行转向系统的容错控制；
(5)若转向系统处于电动助力状态下，检测到车辆处于危险状态，需要进行主动干预操作，则电子控制单元控制拨叉驱动电机带动同步环即刻脱离转子A，断开机械连接，并完成主动干预操作。
7.根据权利要求6所述的商用车多功能电动循环球转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中设计的转向助力特性曲线为多段式助力特性曲线，具体表达式为：
Figure FDA0003141290200000031
式中，M为助力转矩；v为车速；Ti为驾驶员输入转矩；W为车速影响因子；e为自然对数。
8.根据权利要求6所述的商用车多功能电动循环球转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中设计的理想变传动比曲线的具体表达式为：
Figure FDA0003141290200000032
Figure FDA0003141290200000033
式中，id为理想转向传动比；f为传动比调整函数；δw为方向盘转角，逆时针为正；δw1和δw2为方向盘转角调整阈值。
9.根据权利要求6所述的商用车多功能电动循环球转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中具体步骤为：
(21)若功能选择为线控转向，且转向系统处于电动助力转向状态，则电子控制单元控制拨叉驱动电机逆时针旋转带动拨叉螺杆转动，拨叉螺母产生直线运动，并将动力作用到同步环的端面上，此时同步环从转子A上脱离，只与转子B连接，系统机械连接断开，转为线控转向状态；转子A用于模拟路感，转子B与助力电机用于执行驾驶员转向操作；
(22)若功能选择为电动助力转向，且转向系统处于线控转向状态，则电子控制单元控制拨叉电机顺时针旋转带动拨叉螺杆转动，拨叉螺母产生直线运动，并将动力作用到同步环的端面上，此时同步环的一部分从转子B上逐渐过渡至转子A上，转子A和转子B同时与同步环连接，转向系统恢复至电动助力状态；转子A、转子B与助力电机的输出转矩同时用于转向助力，此时系统转向助力最大。
10.根据权利要求6所述的商用车多功能电动循环球转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中不同转向功能状态下的转向控制步骤为：
(31)转向系统处于电动助力状态：
(311)传感器采集转矩信号、转角信号和车速信号；
(312)电子控制单元接收步骤(311)采集到的信号，根据转向助力特性曲线，实时计算出所需的助力转矩；
(313)结合步骤(312)中计算得到的所需的助力转矩，电子控制单元控制双转子电机进行转向助力，当所需的助力转矩超出双转子电机模块最佳负载区间时，控制助力电机启动进行助力；当所需的助力转矩超出助力电机的最佳负载区间时，优先控制助力电机进入超负荷状态，以保证双转子电机模块能够应对功能切换后的转向操作，保证高级辅助驾驶算法的主动干预的可行性，提高车辆行驶安全；
(32)转向系统处于线控转向状态：
(321)传感器采集转矩信号、转角信号、车速信号和电流信号；
(322)电子控制单元根据采集到的传感器信号，结合理想变传动比曲线和转向助力特性曲线，实时计算出理想的变传动比以及助力电机所需输出的助力转矩；
(323)结合步骤(322)中得到的理想的变传动比和助力电机所需的助力转矩，计算出转子B所需输出的转角后，电子控制单元分别控制转子B跟踪转角和控制助力电机跟踪助力转矩，同时电子控制单元根据转矩传感器返回的转子B的实时反馈转矩，控制转子A实时的产生驾驶路感。
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