CN113928412B - 一种电液复合转向系统及电液解耦控制方法 - Google Patents

一种电液复合转向系统及电液解耦控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电液复合转向系统及电液解耦控制方法，包括：机械转向模块、电动调节模块、液压助力模块、电动助力模块及电子控制单元；所述电子控制单元包括：信号采集模块和计算模块；所述信号采集模块用于采集控制所需的各传感器信号；所述计算模块用于根据各传感器信号计算出各电机所需的控制信号并发送给对应的电机，控制各电机工作状态。本发明可按任意比例对电动助力矩与液压助力矩进行分配，为实现电液复合转向系统模式切换、工况自适应调节、能量优化分配等功能提供了技术前提，并且还具有主动容错功能，在某一模块发生故障后还能继续工作，提高了转向的可靠性。

Description

一种电液复合转向系统及电液解耦控制方法
技术领域
本发明属于车辆转向系统技术领域，具体指代一种电液复合转向系统及电液解耦控制方法。
背景技术
随着人类的环保意识的提高，车辆能耗大小成为人们越来越关注的问题，特别是商用车，能耗大小会直接关系到经济收益。
目前，商用车普遍采用的是液压助力转向系统，由发动机带动液压油泵工作为转向提供助力，此类助力系统在车辆直行时液压油泵仍在高速运转，会造成能源的浪费，同时，车辆高速行驶时液压油泵转速高，助力大，使得驾驶员的路感较差，车辆低速行驶时液压油泵转速低，助力小，使得转向沉重。
传统的液压助力转向系统已以无法满足商用车线控化与智能化的发展潮流，采用电液复合转向系统可以弥补传统的液压助力转向系统的各类不足，优化驾驶体验。然而，受限于转阀工作机理，在液压助力转向系统的基础上直接增加一套电动助力转向系统，这就会造成电动助力与液压助力的耦合，即液压助力大小会由电动助力大小和方向盘输入力矩共同决定，造成电动助力液压助力大小无法按任意比例分配。
中国发明专利申请号为CN201811579261.8中涉及一种汽车电液智能转向系统其多目标优化方法，采用电控换向阀取代了原有的转阀，实现了电动助力与液压助力的解耦，但由于目前电控换向阀技术还不成熟，其开度难以做到精准调节，并且可靠性不高，价格昂贵，暂时无法在商用车电液复合转向系统上进行大规模应用。
中国发明专利申请号为CN201910091439.2中涉及一种基于线控转向的多模式助力转向系统及其控制方法，断开了液压泵与发动机的连接，采用助力电机驱动液压泵为转向提供液压助力，通过控制助力电机转速的大小就能控制液压助力的大小，从而实现电动助力与液压助力的分配比例可调，但该方法存在液压助力响应迟滞严重的问题，无法满足商用车实际转向需求。
由于电液复合转向是一种新型汽车转向技术，对其电动助力与液压助力的解耦研究较少。因此，提出一种切实可行的电液复合转向系统电液解耦控制方法，是实现电液复合转向系统模式切换、工况自适应调节、能耗优化等功能的技术前提。
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复合转向系统及电液解耦控制方法，以实现电液复合转向系统电动助力与液压助力的解耦，使得电动助力矩与液压助力矩可以根据需求按任意比例分配，同时保证转向系统的可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种电液复合转向系统，包括：机械转向模块、电子控制单元、电动调节模块、液压助力模块、电动助力模块；
所述机械转向模块，包括：方向盘、转矩转角传感器、转向管柱、齿轮齿条转向器、转向横拉杆及车轮单元；方向盘与转向管柱的上端固定连接；所述齿轮齿条转向器包括：转向齿轮和转向齿条，转向齿轮与转向管柱的下端固定连接，转向齿条的两端分别与转向横拉杆固定连接，齿轮齿条转向器将转向管柱的扭转力变为推拉力，并传递给转向横拉杆；转向横拉杆的两端设有车轮单元，转向横拉杆水平移动时可带动车轮单元绕其主销发生转动，完成转向；转矩转角传感器安装在方向盘和电动调节模块之间的转向管柱上，用于采集方向盘的转角输入信号和驾驶员的输入力矩信号，并传送给电子控制单元；
所述电动调节模块，包括：调节电机、第一转矩传感器及第一减速机构，调节电机所产生的转矩经第一减速机构放大后传递到转向管柱上，提供调节转矩；第一转矩传感器采集调节电机的输出转矩并传送给电子控制单元；
所述电动助力模块，包括：助力电机、第二转矩传感器及第二减速机构，助力电机所产生的转矩经第二减速机构放大后传递到转向管柱上，提供电动助力；第二转矩传感器采集助力电机的输出转矩并传送给电子控制单元；
所述液压助力模块，包括：转阀、溢流阀、液压泵、泵电机、转速传感器、油箱、液压缸及油管；所述液压泵一端与油箱通过油管相连，另一端与转阀通过油管相连，将油箱中的液压油泵进转阀；所述液压缸包括：缸筒和活塞，活塞固定安装在转向横拉杆上，并可沿缸筒内壁左右滑动，活塞将缸筒内部的油腔分为了左、右两腔，当左、右两腔的液压油存在压力差时，液压油推动活塞，活塞带动转向横拉杆为转向提供液压助力；所述转阀安装于电动调节模块与电动助力模块之间，转阀有A、B、C、D四个油口，转阀的内部：油口A与D之间、油口D与B之间、油口B与C之间、油口C与A之间分别经过阀口连通；转阀的外部：油口A与液压泵通过油管连接，油口B与油箱通过油管连接，油口D和油口C分别与液压缸的左、右腔通过油管连接，转阀的芯部为转阀扭杆，转阀扭杆受到扭力后发生扭转变形，使得转阀内的各阀口的开口面积发生变化，调节油口D与油口C之间的液压油压差，以调节液压缸左右两侧的液压油压差，进而调节液压助力大小；所述泵电驱动液压泵工作，从而带动管路中的液压油流动；所述溢流阀与所述液压泵通过油管并联，用于对整个油路的过压保护；所述转速传感器采集泵电机的转速并传送给电子控制单元；
所述电子控制单元包括：信号采集模块和计算模块；所述信号采集模块用于采集控制所需的各传感器信号；所述计算模块用于根据各传感器信号计算出各电机所需的控制信号并发送给对应的电机，控制各电机工作状态。
本发明的一种电液复合转向系统的电液解耦控制方法，基于上述系统，步骤如下：
(1)电子控制单元实时采集方向盘的转角输入信号θ(t)、驾驶员的输入力矩信号Td(t)、第一转矩传感器信号T1(t)、第二转矩传感器信号T2(t)、泵电机转速信号np(t)、车辆车速信号v(t)；
(2)电子控制单元根据输入力矩信号Td(t)和车速信号v(t)，及驾驶员的输入力矩Td-车速v-理想助力值Ta的关系曲面，采用插值法计算得到当前时刻的理想助力值Ta(t)；
(3)电子控制单元将转角输入信号θ(t)对时间t求导，求得方向盘转动角速度ω(t)，再根据理想助力值Ta(t)和方向盘转动角速度ω(t)，及理想助力值Ta-方向盘转动角速度ω-电动助力矩分配系数xe的关系曲面，采用插值法计算得到当前时刻的电动助力矩分配系数xe(t)，最后再计算出当前时刻所需的电动助力矩Tet(t)和液压助力矩Tht(t)；
(4)电子控制单元根据预先设定好的泵电机转速npt与车辆车速v之间的函数关系式，由车辆车速信号v(t)，计算出目标泵电机转速npt(t)，并发送信号控制泵电机的转速np(t)达到npt(t)；
(5)电子控制单元计算调节电机传递到转向管柱上的转矩Te1(t)，正常电液复合转向时，Te1(t)的符号与Td(t)相反；再计算转阀扭杆上所受的转矩Tf(t)；最后根据预先设定好的响应面函数，由转阀扭杆所受转矩Tf(t)、方向盘转动角速度ω(t)、泵电机转速np(t)，计算出此时的液压助力矩Th(t)；同时，电子控制单元发送信号控制调节电机的输出转矩T1(t)，以调节液压助力矩Th(t)，使其达到所需的液压助力矩Tht(t)；
(6)电子控制单元计算助力电机传递到转向管柱上的转矩Te2(t)，正常电液复合转向时，Te2(t)的符号与Td(t)相同，再计算此时的电动助力转矩Te(t)；同时，电子控制单元发送信号调节助力电机的输出转矩T2(t)，以调节电动助力矩Te(t)，使其达到所需的电动助力矩Tet(t)；
(7)当电动调节模块、电动助力模块、液压助力模块中任意一个模块发生故障时，发生故障的模块向电子控制单元发送故障信号，电子控制单元根据故障信号的来源，执行相应操作。
进一步地，所述步骤(7)中的相应操作具体包括：
(71)若收到电动调节模块或电动助力模块的故障信号，电子控制单元控制调节电机和助力电机均停止工作，转向变为纯液压助力转向；
(72)若收到液压助力模块的故障信号，电子控制单元控制泵电机停止工作，Te1(t)的符号变为与Td(t)相同，调节电机和助力电机同时为转向提供电动助力，助力矩大小按预先设定比例分配，转向变为纯电动助力转向。
进一步地，所述步骤(3)中理想助力值Ta-方向盘转动角速度ω-电动助力矩分配系数xe的关系曲面，是对于不同理想助力值Ta与方向盘转动角速度ω的组合工况，以电动助力矩分配系数xe为优化参数，通过能量优化得出的使转向能耗最小的电动助力矩分配系数xe构成的关系曲面。
进一步地，所述步骤(3)中电动助力矩Tet(t)和液压助力矩Tht(t)的计算公式为：
Tet(t)＝xe(t)·Ta(t)
Tht(t)＝(1-xe(t))·Ta(t)。
进一步地，所述步骤(4)中泵电机转速npt与车辆车速v之间的函数关系式为
Figure BDA0003295072010000041
其中，k为比例系数，根据实际需求更改。
进一步地，所述泵电机为直流电机，所述步骤(4)中泵电机的转速控制采用PID控制，具体控制步骤为：
(41)根据公式Δnp(t)＝npt(t)-np(t)计算出转速偏差值Δnp(t)；
(42)将Δnp(t)作为输入，由PID闭环控制法计算得出t时刻所需的泵电机驱动电流占空比δ1(t)，形成转速闭环，计算公式为：
Figure BDA0003295072010000042
式中，Kp1为转速闭环比例系数，Ki1为转速闭环积分系数，Kd1为转速闭环微分系数；
(43)电子控制单元发送信号控制泵电机的驱动电流占空比达到δ1(t)；
(44)重复(41)至(43)，实现泵电机转速的适时调节。
进一步地，所述步骤(5)中调节电机传递到转向管柱上的转矩Te1(t)和转阀扭杆上所受的转矩Tf(t)的计算公式为：
Te1(t)＝i1T1(t)
Tf(t)＝Te1(t)+Td(t)＝i1T1(t)+Td(t)
式中，i1为第一减速机构的减速比。
进一步地，所述步骤(5)中的响应面函数由实验数据拟合得到，具体方法为：
(51)选取多组不同的转阀扭杆所受转矩Tf、方向盘转动角速度ω、泵电机转速np排列组合进行试验，测量每种试验工况下所述液压缸左右两腔的压力差ΔP；
(52)根据公式
Figure BDA0003295072010000051
计算出每种试验工况下的液压助力矩Th，其中，R1为所述活塞截面半径，R2为所述转向横拉杆截面半径，r为所述转向齿轮的分度圆半径；
(53)由所得的实验数据拟合出所述响应面函数。
进一步地，所述调节电机为直流电机，所述步骤(5)中液压助力矩的控制采用PID控制，具体控制步骤为：
(54)根据公式ΔTh(t)＝Tht(t)-Th(t)计算出液压助力矩偏差值ΔTh(t)；
(55)将ΔTh(t)作为输入，由PID闭环控制法计算得出t时刻所需的调节电机驱动电流占空比δ2(t)，形成液压助力闭环，计算公式为：
Figure BDA0003295072010000052
式中，Kp2为液压助力闭环比例系数，Ki2为液压助力闭环积分系数，Kd2为液压助力闭环微分系数；
(56)电子控制单元发送信号控制调节电机的驱动电流占空比达到δ2(t)；
(57)重复(54)至(56)，实现液压助力大小的适时调节。
进一步地，所述步骤(6)中助力电机传递到转向管柱上的转矩Te2(t)和电动助力转矩Te(t)的计算公式为：
Te2(t)＝i2T2(t)
Te(t)＝Te1(t)+Te2(t)＝i1T1(t)+i2T2(t)
式中，i2为第二减速机构的减速比。
进一步地，所述助力电机为直流电机，所述步骤(6)中电动助力矩的控制采用PID控制，具体控制步骤为：
(61)根据公式ΔTe(t)＝Tet(t)-Te(t)计算出电动助力矩偏差值ΔTe(t)；
(62)将ΔTe(t)作为输入，由PID闭环控制法计算得出t时刻所需的助力电机驱动电流占空比δ3(t)，形成电动助力闭环，计算公式为：
Figure BDA0003295072010000061
式中，Kp3为电动助力闭环比例系数，Ki3为电动助力闭环积分系数，Kd3为电动助力闭环微分系数；
(63)电子控制单元发送信号控制助力电机的驱动电流占空比达到δ3(t)；
(64)重复(61)至(63)，实现电动助力大小的适时调节。
本发明的有益效果：
本发明保留了传统液压助力转向系统中技术成熟的转阀结构，在传统液压助力转向系统的基础上加入电动助力模块实现电液复合转向，同时加入一套电动调节模块，以实现电动助力矩与液压助力矩按任意比例分配，达到电液解耦的目的。
本发明可按任意比例对电动助力矩与液压助力矩进行分配，为实现电液复合转向系统模式切换、工况自适应调节、能量优化分配等功能提供了技术前提，并且还具有主动容错功能，在某一模块发生故障后还能继续工作，提高了转向的可靠性。
附图说明
图1为本发明电液复合转向系统结构示意图；
图2为本发明电液解耦控制方法的流程图；
图3为本发明转速闭环流程图；
图4为本发明液压助力闭环流程图；
图5为本发明电动助力闭环流程图；
图中，11-方向盘，12-转矩转角传感器，13-转向管柱，14-齿轮齿条转向器，141-转向齿轮，142-转向齿条，15-转向横拉杆，16-车轮单元，2-电子控制单元，3-电动调节模块，31-调节电机，32-第一转矩传感器，33-第一减速机构，4-液压助力模块，41-转阀，411-转阀扭杆，42-溢流阀，43-液压泵，44-泵电机，45-转速传感器，46-油箱，47-液压缸，471-缸筒，472-活塞，48-油管，5-电动助力模块，51-助力电机，52-第二转矩传感器，53-第二减速机构。
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所示，本发明的一种电液复合转向系统，包括：机械转向模块、电子控制单元(ECU)2、电动调节模块3、液压助力模块4、电动助力模块5；
所述机械转向模块，包括：方向盘11、转矩转角传感器12、转向管柱13、齿轮齿条转向器14、转向横拉杆15及车轮单元16；方向盘11与转向管柱12的上端固定连接；所述齿轮齿条转向器14包括：转向齿轮141和转向齿条142，转向齿轮141与转向管柱13的下端固定连接，转向齿条142的两端分别与转向横拉杆15固定连接，齿轮齿条转向器14将转向管柱13的扭转力变为推拉力，并传递给转向横拉杆；转向横拉杆15的两端设有车轮单元16，转向横拉杆15水平移动时可带动车轮单元16绕其主销发生转动，完成转向；转矩转角传感器12安装在方向盘11和电动调节模块3之间的转向管柱13上，用于采集方向盘11的转角输入信号和驾驶员的输入力矩信号，并传送给电子控制单元；
所述电动调节模块3，包括：调节电机31、第一转矩传感器32及第一减速机构33，调节电机31所产生的转矩经第一减速机构33放大后传递到转向管柱13上，提供调节转矩；第一转矩传感器32采集调节电机31的输出转矩并传送给电子控制单元2；
所述电动助力模块5，包括：助力电机51、第二转矩传感器52及第二减速机构53，助力电机51所产生的转矩经第二减速机构53放大后传递到转向管柱13上，提供电动助力；第二转矩传感器52采集助力电机51的输出转矩并传送给电子控制单元2；
所述液压助力模块4，包括：转阀41、溢流阀42、液压泵43、泵电机44、转速传感器45、油箱46、液压缸47及油管48；所述液压泵43一端与油箱46通过油管48相连，另一端与转阀41通过油管48相连，将油箱46中的液压油泵进转阀41；所述液压缸47包括：缸筒471和活塞472，活塞472固定安装在转向横拉杆15上，并可沿缸筒471内壁左右滑动，活塞472将缸筒471内部的油腔分为了左、右两腔，当左、右两腔的液压油存在压力差时，液压油推动活塞472，活塞472带动转向横拉杆15为转向提供液压助力；所述转阀41安装于电动调节模块3与电动助力模块5之间，转阀41有A、B、C、D四个油口，转阀41的内部：油口A与D之间、油口D与B之间、油口B与C之间、油口C与A之间分别经过阀口连通；转阀41的外部：油口A与液压泵43通过油管48连接，油口B与油箱46通过油管48连接，油口D和油口C分别与液压缸47的左、右腔通过油管48连接，转阀41的芯部为转阀扭杆411，转阀扭杆411受到扭力后发生扭转变形，使得转阀41内的各阀口的开口面积发生变化，调节油口D与油口C之间的液压油压差，以调节液压缸47左右两侧的液压油压差，进而调节液压助力大小；所述泵电机44驱动液压泵43工作，从而带动管路中的液压油流动；所述溢流阀42与所述液压泵43通过油管48并联，用于对整个油路的过压保护；所述转速传感器45采集泵电机44的转速并传送给电子控制单元2；
所述电子控制单元包括：信号采集模块、计算模块；所述信号采集模块用于采集控制所需的各传感器信号；所述计算模块用于根据各传感器信号计算出各电机所需的控制信号并发送给对应的电机，控制各电机工作状态。
参照图2所示，本发明的一种电液复合转向系统的电液解耦控制方法，基于上述系统，步骤如下：
(1)电子控制单元实时采集方向盘的转角输入信号θ(t)、驾驶员的输入力矩信号Td(t)、第一转矩传感器信号T1(t)、第二转矩传感器信号T2(t)、泵电机转速信号np(t)、车辆车速信号v(t)；
(2)电子控制单元根据输入力矩信号Td(t)和车速信号v(t)，及驾驶员的输入力矩Td-车速v-理想助力值Ta的关系曲面，采用插值法计算得到当前时刻的理想助力值Ta(t)；
(3)电子控制单元将转角输入信号θ(t)对时间t求导，求得方向盘转动角速度ω(t)，再根据理想助力值Ta(t)和方向盘转动角速度ω(t)，及理想助力值Ta-方向盘转动角速度ω-电动助力矩分配系数xe的关系曲面，采用插值法计算得到当前时刻的电动助力矩分配系数xe(t)，最后再计算出当前时刻所需的电动助力矩Tet(t)和液压助力矩Tht(t)；
其中，所述理想助力值Ta-方向盘转动角速度ω-电动助力矩分配系数xe的关系曲面，是对于不同理想助力值Ta与方向盘转动角速度ω的组合工况，以电动助力矩分配系数xe为优化参数，通过能量优化得出的使转向能耗最小的电动助力矩分配系数xe构成的关系曲面。
其中，所述电动助力矩Tet(t)和液压助力矩Tht(t)的计算公式为：
Tet(t)＝xe(t)·Ta(t)
Tht(t)＝(1-xe(t))·Ta(t)。
(4)电子控制单元根据预先设定好的泵电机转速npt与车辆车速v之间的函数关系式，由车辆车速信号v(t)，计算出目标泵电机转速npt(t)，并发送信号控制泵电机的转速np(t)达到npt(t)；
其中，所述泵电机转速npt与车辆车速v之间的函数关系式为
Figure BDA0003295072010000091
其中，k为比例系数，根据实际需求更改。
优选示例中，所述泵电机为直流电机，所述步骤(4)中泵电机的转速控制采用PID控制，泵电机的转速闭环PID控制流程参照图3所示，具体控制步骤为：
(41)根据公式Δnp(t)＝npt(t)-np(t)计算出转速偏差值Δnp(t)；
(42)将Δnp(t)作为输入，由PID闭环控制法计算得出t时刻所需的泵电机驱动电流占空比δ1(t)，形成转速闭环，计算公式为：
Figure BDA0003295072010000092
式中，Kp1为转速闭环比例系数，Ki1为转速闭环积分系数，Kd1为转速闭环微分系数；
(43)电子控制单元发送信号控制泵电机的驱动电流占空比达到δ1(t)；
(44)重复(41)至(43)，实现泵电机转速的适时调节。
(5)电子控制单元计算调节电机传递到转向管柱上的转矩Te1(t)，正常电液复合转向时，Te1(t)的符号与Td(t)相反；再计算转阀扭杆上所受的转矩Tf(t)；最后根据预先设定好的响应面函数，由转阀扭杆所受转矩Tf(t)、方向盘转动角速度ω(t)、泵电机转速np(t)，计算出此时的液压助力矩Th(t)；同时，电子控制单元发送信号控制调节电机的输出转矩T1(t)，以调节液压助力矩Th(t)，使其达到所需的液压助力矩Tht(t)；
其中，所述调节电机传递到转向管柱上的转矩Te1(t)和转阀扭杆上所受的转矩Tf(t)的计算公式为：
Te1(t)＝i1T1(t)
Tf(t)＝Te1(t)+Td(t)＝i1T1(t)+Td(t)
式中，i1为第一减速机构的减速比。
其中，所述步骤(5)中的响应面函数由实验数据拟合得到，具体方法为：
(51)选取多组不同的转阀扭杆所受转矩Tf、方向盘转动角速度ω、泵电机转速np排列组合进行试验，测量每种试验工况下所述液压缸左右两腔的压力差ΔP；
(52)根据公式
Figure BDA0003295072010000101
计算出每种试验工况下的液压助力矩Th，其中，R1为所述活塞截面半径，R2为所述转向横拉杆截面半径，r为所述转向齿轮的分度圆半径；
(53)由所得的实验数据拟合出所述响应面函数。
优选示例中，所述调节电机为直流电机，所述步骤(5)中液压助力矩的控制采用PID控制，液压助力矩闭环PID控制流程参照图4所示，具体控制步骤为：
(54)根据公式ΔTh(t)＝Tht(t)-Th(t)计算出液压助力矩偏差值ΔTh(t)；
(55)将ΔTh(t)作为输入，由PID闭环控制法计算得出t时刻所需的调节电机驱动电流占空比δ2(t)，形成液压助力闭环，计算公式为：
Figure BDA0003295072010000102
式中，Kp2为液压助力闭环比例系数，Ki2为液压助力闭环积分系数，Kd2为液压助力闭环微分系数；
(56)电子控制单元发送信号控制调节电机的驱动电流占空比达到δ2(t)；
(57)重复(54)至(56)，实现液压助力大小的适时调节。
(6)电子控制单元计算助力电机传递到转向管柱上的转矩Te2(t)，正常电液复合转向时，Te2(t)的符号与Td(t)相同，再计算此时的电动助力转矩Te(t)；同时，电子控制单元发送信号调节助力电机的输出转矩T2(t)，以调节电动助力矩Te(t)，使其达到所需的电动助力矩Tet(t)；
其中，所述助力电机传递到转向管柱上的转矩Te2(t)和电动助力转矩Te(t)的计算公式为：
Te2(t)＝i2T2(t)
Te(t)＝Te1(t)+Te2(t)＝i1T1(t)+i2T2(t)
式中，i2为第二减速机构的减速比；
优选示例中，所述助力电机为直流电机，所述步骤(6)中电动助力矩的控制采用PID控制，电动助力矩闭环PID控制流程参照图5所示，具体控制步骤为：
(61)根据公式ΔTe(t)＝Tet(t)-Te(t)计算出电动助力矩偏差值ΔTe(t)；
(62)将ΔTe(t)作为输入，由PID闭环控制法计算得出t时刻所需的助力电机驱动电流占空比δ3(t)，形成电动助力闭环，计算公式为：
Figure BDA0003295072010000111
式中，Kp3为电动助力闭环比例系数，Ki3为电动助力闭环积分系数，Kd3为电动助力闭环微分系数；
(63)电子控制单元发送信号控制助力电机的驱动电流占空比达到δ3(t)；
(64)重复(61)至(63)，实现电动助力大小的适时调节。
(7)当电动调节模块、电动助力模块、液压助力模块中任意一个模块发生故障时，发生故障的模块向电子控制单元发送故障信号，电子控制单元根据故障信号的来源，执行相应操作；
其中，所述相应操作具体包括：
(71)若收到电动调节模块或电动助力模块的故障信号，电子控制单元控制调节电机和助力电机均停止工作，转向变为纯液压助力转向；
(72)若收到液压助力模块的故障信号，电子控制单元控制泵电机停止工作，Te1(t)的符号变为与Td(t)相同，调节电机和助力电机同时为转向提供电动助力，助力矩大小按预先设定比例分配，转向变为纯电动助力转向。
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)

1.一种电液复合转向系统，其特征在于，包括：机械转向模块、电动调节模块、液压助力模块、电动助力模块及电子控制单元；
所述机械转向模块，包括：方向盘、转矩转角传感器、转向管柱、齿轮齿条转向器、转向横拉杆及车轮单元；方向盘与转向管柱的上端固定连接；所述齿轮齿条转向器包括：转向齿轮和转向齿条，转向齿轮与转向管柱的下端固定连接，转向齿条的两端分别与转向横拉杆固定连接，齿轮齿条转向器将转向管柱的扭转力变为推拉力，并传递给转向横拉杆；转向横拉杆的两端设有车轮单元，转向横拉杆水平移动时可带动车轮单元绕其主销发生转动，完成转向；转矩转角传感器安装在方向盘和电动调节模块之间的转向管柱上，用于采集方向盘的转角输入信号和驾驶员的输入力矩信号，并传送给电子控制单元；
所述电动调节模块，包括：调节电机、第一转矩传感器及第一减速机构，调节电机所产生的转矩经第一减速机构放大后传递到转向管柱上，提供调节转矩；第一转矩传感器采集调节电机的输出转矩并传送给电子控制单元；
所述电动助力模块，包括：助力电机、第二转矩传感器及第二减速机构，助力电机所产生的转矩经第二减速机构放大后传递到转向管柱上，提供电动助力；第二转矩传感器采集助力电机的输出转矩并传送给电子控制单元；
所述液压助力模块，包括：转阀、溢流阀、液压泵、泵电机、转速传感器、油箱、液压缸及油管；所述液压泵一端与油箱通过油管相连，另一端与转阀通过油管相连，将油箱中的液压油泵进转阀；所述液压缸包括：缸筒和活塞，活塞固定安装在转向横拉杆上，并可沿缸筒内壁左右滑动，活塞将缸筒内部的油腔分为了左、右两腔，当左、右两腔的液压油存在压力差时，液压油推动活塞，活塞带动转向横拉杆为转向提供液压助力；所述转阀安装于电动调节模块与电动助力模块之间，转阀有A、B、C、D四个油口，转阀的内部：油口A与D之间、油口D与B之间、油口B与C之间、油口C与A之间分别经过阀口连通；转阀的外部：油口A与液压泵通过油管连接，油口B与油箱通过油管连接，油口D和油口C分别与液压缸的左、右腔通过油管连接，转阀的芯部为转阀扭杆，转阀扭杆受到扭力后发生扭转变形，使得转阀内的各阀口的开口面积发生变化，调节油口D与油口C之间的液压油压差，以调节液压缸左右两侧的液压油压差，进而调节液压助力大小；所述泵电机驱动液压泵工作，从而带动管路中的液压油流动；所述溢流阀与所述液压泵通过油管并联，用于对整个油路的过压保护；所述转速传感器采集泵电机的转速并传送给电子控制单元；
所述电子控制单元包括：信号采集模块和计算模块；所述信号采集模块用于采集控制所需的各传感器信号；所述计算模块用于根据各传感器信号计算出各电机所需的控制信号并发送给对应的电机，控制各电机工作状态。
2.一种电液复合转向系统的电液解耦控制方法，基于权利要求1所述的系统，其特征在于，步骤如下：
(1)电子控制单元实时采集方向盘的转角输入信号θ(t)、驾驶员的输入力矩信号Td(t)、第一转矩传感器信号T1(t)、第二转矩传感器信号T2(t)、泵电机转速信号np(t)、车辆车速信号v(t)；
(2)电子控制单元根据输入力矩信号Td(t)和车速信号v(t)，及驾驶员的输入力矩Td-车速v-理想助力值Ta的关系曲面，采用插值法计算得到当前时刻的理想助力值Ta(t)；
(3)电子控制单元将转角输入信号θ(t)对时间t求导，求得方向盘转动角速度ω(t)，再根据理想助力值Ta(t)和方向盘转动角速度ω(t)，及理想助力值Ta-方向盘转动角速度ω-电动助力矩分配系数xe的关系曲面，采用插值法计算得到当前时刻的电动助力矩分配系数xe(t)，最后再计算出当前时刻所需的电动助力矩Tet(t)和液压助力矩Tht(t)；
(4)电子控制单元根据预先设定好的泵电机转速npt与车辆车速v之间的函数关系式，由车辆车速信号v(t)，计算出目标泵电机转速npt(t)，并发送信号控制泵电机的转速np(t)达到npt(t)；
(5)电子控制单元计算调节电机传递到转向管柱上的转矩Te1(t)，正常电液复合转向时，Te1(t)的符号与Td(t)相反；再计算转阀扭杆上所受的转矩Tf(t)；最后根据预先设定好的响应面函数，由转阀扭杆所受转矩Tf(t)、方向盘转动角速度ω(t)、泵电机转速np(t)，计算出此时的液压助力矩Th(t)；同时，电子控制单元发送信号控制调节电机的输出转矩T1(t)，以调节液压助力矩Th(t)，使其达到所需的液压助力矩Tht(t)；
(6)电子控制单元计算助力电机传递到转向管柱上的转矩Te2(t)，正常电液复合转向时，Te2(t)的符号与Td(t)相同，再计算此时的电动助力转矩Te(t)；同时，电子控制单元发送信号调节助力电机的输出转矩T2(t)，以调节电动助力矩Te(t)，使其达到所需的电动助力矩Tet(t)；
(7)当电动调节模块、电动助力模块、液压助力模块中任意一个模块发生故障时，发生故障的模块向电子控制单元发送故障信号，电子控制单元根据故障信号的来源，执行相应操作。
3.根据权利要求2所述的电液复合转向系统的电液解耦控制方法，其特征在于，所述步骤(7)中的相应操作具体包括：
(71)若收到电动调节模块或电动助力模块的故障信号，电子控制单元控制调节电机和助力电机均停止工作，转向变为纯液压助力转向；
(72)若收到液压助力模块的故障信号，电子控制单元控制泵电机停止工作，Te1(t)的符号变为与Td(t)相同，调节电机和助力电机同时为转向提供电动助力，助力矩大小按预先设定比例分配，转向变为纯电动助力转向。
4.根据权利要求2所述的电液复合转向系统的电液解耦控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中理想助力值Ta-方向盘转动角速度ω-电动助力矩分配系数xe的关系曲面，是对于不同理想助力值Ta与方向盘转动角速度ω的组合工况，以电动助力矩分配系数xe为优化参数，通过能量优化得出的使转向能耗最小的电动助力矩分配系数xe构成的关系曲面。
5.根据权利要求4所述的电液复合转向系统的电液解耦控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中电动助力矩Tet(t)和液压助力矩Tht(t)的计算公式为：
Tet(t)＝xe(t)·Ta(t)
Tht(t)＝(1-xe(t))·Ta(t)。
6.根据权利要求2所述的电液复合转向系统的电液解耦控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中泵电机转速npt与车辆车速v之间的函数关系式为
Figure FDA0003676710500000031
其中，k为比例系数，根据实际需求更改。
7.根据权利要求6所述的电液复合转向系统的电液解耦控制方法，其特征在于，所述泵电机为直流电机，所述步骤(4)中泵电机的转速控制采用PID控制，具体控制步骤为：
(41)根据公式Δnp(t)＝npt(t)-np(t)计算出转速偏差值Δnp(t)；
(42)将Δnp(t)作为输入，由PID闭环控制法计算得出t时刻所需的泵电机驱动电流占空比δ1(t)，形成转速闭环，计算公式为：
Figure FDA0003676710500000032
式中，Kp1为转速闭环比例系数，Ki1为转速闭环积分系数，Kd1为转速闭环微分系数；
(43)电子控制单元发送信号控制泵电机的驱动电流占空比达到δ1(t)；
(44)重复(41)至(43)，实现泵电机转速的适时调节。
8.根据权利要求2所述的电液复合转向系统的电液解耦控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中调节电机传递到转向管柱上的转矩Te1(t)和转阀扭杆上所受的转矩Tf(t)的计算公式为：
Te1(t)＝i1T1(t)
Tf(t)＝Te1(t)+Td(t)＝i1T1(t)+Td(t)
式中，i1为第一减速机构的减速比。
9.根据权利要求8所述的电液复合转向系统的电液解耦控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中的响应面函数由实验数据拟合得到，具体方法为：
(51)选取多组不同的转阀扭杆所受转矩Tf、方向盘转动角速度ω、泵电机转速np排列组合进行试验，测量每种试验工况下所述液压缸左右两腔的压力差ΔP；
(52)根据公式
Figure FDA0003676710500000041
计算出每种试验工况下的液压助力矩Th，其中，R1为所述活塞截面半径，R2为所述转向横拉杆截面半径，r为所述转向齿轮的分度圆半径；
(53)由所得的实验数据拟合出所述响应面函数。
10.根据权利要求9所述的电液复合转向系统的电液解耦控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中助力电机传递到转向管柱上的转矩Te2(t)和电动助力转矩Te(t)的计算公式为：
Te2(t)＝i2T2(t)
Te(t)＝Te1(t)+Te2(t)＝i1T1(t)+i2T2(t)
式中，i2为第二减速机构的减速比。
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