CN114056420A - 车辆转向系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的车辆转向系统及其控制方法，车辆转向系统包括电动助力转向单元、双电机驱动单元、扭矩分配模块单元，该电动助力转向单元包括第一控制器、第一动力器、第一执行机构，双电机驱动单元包括第二控制器、第二动力器、第二执行机构，其中第一、二执行机构相互协作或第一、二执行机构分别实施车辆转向。本发明能够增强车辆转向性能，提高整车转向横向控制的安全性和稳定性，同时充分利用双电机驱动单元的能力，极大降低对电动助力转向单元的能力要求，可以降低设计成本，此外，即使在电动助力转向系统异常或失效的状态下，也能够实施车辆转向，同时还能够改变车辆在阿克曼转角坐标下整车位置，以减少原坐标下的转向半径。

Description

车辆转向系统及其控制方法
技术领域
本发明属于车辆集成技术领域，具体涉及一种车辆转向系统，同时还涉及一种车辆转向的控制方法。
背景技术
众所周知，新能源汽车技术的飞速发展带动了汽车产业的变革，也为更多的技术革新带来了坚实的基础。汽车零部件开发从过去分布式的工作方式逐步在向协同工作的模式发展，因此，越来越多的技术研究工作开始涉及到底盘的集成化控制，目的是通过耦合不同零件之间的功能以减少零部件的数量，从而实现成本的降低，安全性能的增加。
在车辆中转向系统作为整车底盘核心的部件之一，在车辆的横线控制方面起到重要的作用，随着线控转向产品的推出，各大汽车厂商也纷纷开始涉足于转向系统的应用层研发，但是转向系统发展到现在，其成本随着安全要求和自动驾驶功能的要求在迅速增加，而且也有不少单位和研究机构开始着手转向系统与其他零部件的耦合。
同时，双电机驱动新能源概念的出现为转向系统的技术发展提供了新的契机，设计出合理的耦合控制系统，必然可以带来良好的社会价值，例如：专利CN111284333A就公布了自动驾驶车辆和高效双电机驱动转向耦合系统及其控制方法，但是所涉及的机械结构相对比较复杂，控制的耦合受限于机械装置，在市场应用方面很难有竞争力。
因此，设计出结构简单，控制鲁棒性强，低成本，耦合功能好的转向系统是非常有市场前景的。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种车辆转向系统，其主要是通过协同控制电动助力转向单元和独立分布的双电机驱动单元，增强车辆转向性能，提高整车转向横向控制的安全性和稳定性，同时充分利用双电机驱动单元的能力，极大降低对电动助力转向单元的能力要求，可以降低设计成本，此外，即使在电动助力转向系统异常或失效的状态下，也能够实施车辆转向。
同时本发明还涉及一种车辆转向的控制方法。
为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案是：
一种车辆转向系统，其包括电动助力转向单元和双电机驱动单元，该电动助力转向单元包括第一控制器、第一动力器、第一执行机构，其中第一执行机构与前轮传动连接，双电机驱动单元包括第二控制器、第二动力器、第二执行机构，其中第二执行机构分别与两个前轮或/和两个后轮传动连接，车辆转向系统还包括分别与第一控制器和第二控制器相连通的扭矩分配模块单元，其中扭矩分配模块单元接收转向请求后，根据横摆角速度、转角信号和车速信号分别向第一控制器和第二控制器下达指令，第一执行机构和第二执行机构相互协作或第一执行机构和所述第二执行机构分别实施车辆转向。
优选地，转向请求包括转向角度信号、转向扭矩信号、横摆角速度信号、车速信号和档位信号。
根据本发明的一个具体实施和优选方面，双电机驱动单元分布在后轮，且同步或分别响应自扭矩分配模块单元所传达的指令，以执行左后轮转向或/和右后轮转向。进一步简化结构。
优选地，后轮的两个第二控制器中的一个为主控制器、另一个为从控制器，其中主控制器决定转向请求指令的扭矩及转速，从控制器响应主控制器的扭矩和转速分配指令。
根据本发明的又一个具体实施和优选方面，转向请求获得的转向扭矩请求T_Command和转向角度θ信号的大小，一旦电动助力转向单元所提供的助力不足时，扭矩分配模块单元将转向扭矩请求T_Assist给到两个后轮的两个第二控制器以协助车辆转向。增强车辆转向性能，提高整车转向横向控制的安全性和稳定性；充分利用双电机驱动系统的能力，极大降低对电动助力转向系统的能力要求。
优选地，在电动助力转向单元异常情况或者失效状态下，车辆手动或自动获得转向请求后，扭矩分配模块单元将转向请求指令向主控制器和从控制器下达指令，第二执行机构分别执行左后轮和右后轮的转向。这样能够在电动助力转向单元处于失效状态下，实施转向，有利于自动驾驶的实施。
根据本发明的又一个具体实施和优选方面，在第二执行机构实施或协助转向下，当车辆前行或倒车时，改变车辆在阿克曼转角坐标下整车位置，以减少原坐标下的转向半径。这样能够更加方便转向的操作。
优选地，当左后车轮的速度比右后车轮速度快时，整车以右后轮为原点旋转，产生虚拟转向角度。
此外，双电机驱动单元还包括与第二控制器相连通的位置信号模块。位置信号分别提供提供双电机工作必要的位置信息，同时也作为车轮转速的表征量作为内部控制的输入。
本发明的另一技术方案是：一种车辆转向系统的控制方法，该控制方法采用了上述的车辆转向系统，且在第一执行机构和第二执行机构相互协作或第一执行机构和第二执行机构分别实施手动驾驶或自动驾驶时的车辆转向，同时能够改变车辆在阿克曼转角坐标下整车位置，以减少原坐标下的转向半径，车辆前行且当左后车轮电机的速度比右后车轮电机快时，整车以右后轮为原点旋转，车辆后轴横摆角速度Ψ，使得转向圆心位置变化，并产生虚拟转向角度，其中虚拟转向角度可以表示为：补偿转向角度=后轴横摆角速度/后轴车速×K1，K1为可标定参数；后轴横摆角速度=(左后轮车速−右后轮车速)/后轴轮距；车辆在倒车过程中控制后轮的所述第二动力器的扭矩和转速，使得转向圆心位置变化，以获得补偿转向角度
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明能够增强车辆转向性能，提高整车转向横向控制的安全性和稳定性，同时充分利用双电机驱动单元的能力，极大降低对电动助力转向单元的能力要求，可以降低设计成本，此外，即使在电动助力转向系统异常或失效的状态下，也能够实施车辆转向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中车辆转向系统的布局示意图；
图2为图1中车辆转向系统的原理示意图；
图3为图1中车辆转向系统处于正常状态-手动驾驶示意图；
图4为图1中车辆转向系统处于正常状态-自动驾驶示意图；
图5为图1中车辆转向系统处于失效状态-手动驾驶示意图；
图6为图1中车辆转向系统处于失效状态-自动驾驶示意图；
图7为图1中扭矩分配原理示意图；
图8为前进模式下车辆协同转向示意图；
图9为倒车模式下车辆协同转向示意图；
图10为实施例2中车辆转向系统的布局示意图；
图11为实施例3中车辆转向系统的布局示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1至图9所示，本实施例涉及的车辆转向系统，其包括电动助力转向单元、双电机驱动单元、扭矩分配模块单元。
结合图2所示，电动助力转向单元包括第一控制器、第一动力器、第一执行机构，其中第一执行机构与前轮传动连接。
双电机驱动单元包括第二控制器、第二动力器、第二执行机构、位置信号模块，其中第二执行机构与两个后轮传动连接。也就是说，第二控制器有两个分别为左后轮电机控制器和右后轮电机控制器，第二动力器有两个分别为左后轮电机和右后轮电机，第二执行机构分别为机械传传动机构，位置信号模块有两个分别为左后轮电机位置信号和右后轮电机位置信号。
扭矩分配模块单元分别与第一控制器和第二控制器相连通，且扭矩分配模块单元接收转向请求后，根据横摆角速度、转角信号和车速信号分别向第一控制器和第二控制器下达指令，第一执行机构和第二执行机构相互协作或第一执行机构和第二执行机构分别实施车辆转向。
具体的，转向请求包括转向角度信号、转向扭矩信号、横摆角速度信号、车速信号和档位信号。
本例中，双电机驱动单元分别对应左后轮和右后轮设置，同时，为了实现两个后轮控制器的工作同步和任务分配，需要定义任意一个控制器为主控制（左后轮电机控制器），另外一个作为从控制器（右后轮电机控制器）；主控制器决定两个控制器请求的扭矩及速度，从控制器响应主控制的扭矩和转速分配指令。
结合图3所示，为了实现转向系统的功能，在各个系统正常模式下，驾驶员手动操作转向时，第一控制器接收来自转向扭矩信号的转向指令，通过内部计算发送电机扭矩请求给第一动力器，带动第一执行机构的移动，从而实现前轮的转向角度。
同时，驾驶员手动操作转向时，第一控制器根据转向电机扭矩请求T_Command和转向角度θ信号的大小，决定是否发送转向扭矩T_Assist请求给到两个后轮第二控制器以协助车辆转向。
本例中，以左后轮电机控制器作为主控制器为例，接收到的扭矩请求T_Assist后，左后轮电机控制器需要根据当前方向盘转向转角，车速，档位信号，横摆角速度信号，通过扭矩分配模块单元计算出左后轮电机扭矩和右后轮电机扭矩，同时，扭矩分配模块单元分配左右后轮电机扭矩时，参考转向扭矩和转向角度信号，不同的车辆需要通过实车标定出扭矩的大小；车辆前进和后退情况下的扭矩分配方向是相反的，因此扭矩分配模块单元也要参考档位信号。
车辆动态行驶过程中，扭矩分配模块单元根据横摆角速度、转角信号和车速信号判断车辆的动态稳定性，车辆稳定性出现问题时，扭矩分配模块计算出合理的左右后轮驱动扭矩和转速，通过改变整车转向的角度，以消除不稳定。
结合图4所示，为了实现自动转向的功能，在各个系统正常模式下，第一控制器接收来自转向请求的指令，通过内部计算发送电机扭矩请求给第一动力器（转向系统电机），带动第一执行机构的移动，从而实现前轮的转向角度。在转向系统助力不足时，转向系统控制器发送转向扭矩T_Assist请求给到两个后轮电机控制器以协助车辆转向。
结合图5所示，为了实现自动转向的功能，在电动助力转向单元失效状态下，左后轮电机控制器接收来自转向请求的指令，同时根据转向角度信号、转向扭矩信号、横摆角速度信号、车速信号和档位信号；计算出合理的左右后轮驱动扭矩和转速，控制左右后轮电机的转动，从而实现车辆转向功能。
结合图6所示，在动助力转向单元失效状态下，驾驶员手动操作转向时，左后轮电机控制器接收转向扭矩信号的转向指令，同时根据转向角度信号、转向扭矩信号、横摆角速度信号、车速信号和档位信号；计算出合理的左右后轮驱动扭矩和转速，控制左右后轮电机的转动，从而实现车辆转向功能。
结合图7所示，扭矩分配模块单元根据转向角度信号、转向扭矩信号、横摆角速度信号、车速信号和档位信号和转向需要的扭矩分别向主控制器和从控制器分配。
结合图8所示，本实施的控制方法，主要在于，左右后轮电机在车辆前进过程中协助车辆转向系统的是通过改变车辆在阿克曼转角坐标下整车位置，以减少原坐标下的转向半径；当左后车轮电机的速度比右后车轮电机快时，整车以右后轮为原点旋转，车辆后轴横摆角速度Ψ，使得转向圆心位置从A点到B点，产生虚拟转向角度，其中虚拟转向角度可以表示为：补偿转向角度=后轴横摆角速度/后轴车速×K1，其中K1为可标定参数；后轴横摆角速度=(左后轮车速−右后轮车速)/后轴轮距。
结合图9所示，车辆在倒车过程中控制左右后轮电机的扭矩和转速，使得转向圆心位置从A点到C点，以获得补偿转向角度，从而缩小转弯半径，协助转向系统工作。
实施例2
如图10所示，本实施例的车辆转向系统的结构与实施例1相同，不同之处在于，本实施例的双电机驱动单元分布在两个前轮上。
实施例3
如图11所示，本实施例的车辆转向系统的结构与实施例1相同，不同之处在于，本实施例的双电机驱动单元分布在两个前轮和两个后轮上。
由以上实施例可知，本发明在车辆转向时，具有多种技术优势，包括但不限于：
1、通过协同控制电动助力转向单元和独立分布的双电机驱动单元，增强车辆转向性能，提高整车转向横向控制的安全性和稳定性；
2、充分利用双电机驱动单元的能力，极大降低对电动助力转向单元的能力要求，可以降低设计成本；
3、在电动助力转向系统异常或失效的状态下，也能够实施车辆转向，因此，方便实施车辆在不同状态下，自动或手动驾驶实施车辆转向；
4、在扭矩分配模块单元的精确计算、扭矩和转速的分配下，能够改变车辆在阿克曼转角坐标下整车位置，以减少原坐标下的转向半径。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆转向系统，其包括电动助力转向单元和双电机驱动单元，其特征在于：所述电动助力转向单元包括第一控制器、第一动力器、第一执行机构，其中所述第一执行机构与前轮传动连接，所述双电机驱动单元包括第二控制器、第二动力器、第二执行机构，其中所述第二执行机构分别与两个所述前轮或/和两个后轮传动连接，所述车辆转向系统还包括分别与所述第一控制器和第二控制器相连通的扭矩分配模块单元，其中所述扭矩分配模块单元接收转向请求后，根据横摆角速度、转角信号和车速信号分别向所述第一控制器和第二控制器下达指令，第一执行机构和所述第二执行机构相互协作或第一执行机构和所述第二执行机构分别实施车辆转向。
2.根据权利要求1所述的车辆转向系统，其特征在于：所述转向请求包括转向角度信号、转向扭矩信号、横摆角速度信号、车速信号和档位信号。
3.根据权利要求1所述的车辆转向系统，其特征在于：所述的双电机驱动单元分布在后轮，且同步或分别响应自所述扭矩分配模块单元所传达的指令，以执行左后轮转向或/和右后轮转向。
4.根据权利要求3所述的车辆转向系统，其特征在于：所述后轮的两个所述第二控制器中的一个为主控制器、另一个为从控制器，其中主控制器决定转向请求指令的扭矩及转速，从控制器响应主控制器的扭矩和转速分配指令。
5.根据权利要求4所述的车辆转向系统，其特征在于：所述转向请求获得的转向扭矩请求T_Command和转向角度θ信号的大小，一旦所述电动助力转向单元所提供的助力不足时，所述扭矩分配模块单元将转向扭矩请求T_Assist给到两个后轮的两个所述第二控制器以协助车辆转向。
6.根据权利要求5所述的车辆转向系统，其特征在于：在所述电动助力转向单元异常情况或者失效状态下，车辆手动或自动获得转向请求后，所述的扭矩分配模块单元将转向请求指令向所述主控制器和所述从控制器下达指令，所述的第二执行机构分别执行左后轮和右后轮的转向。
7.根据权利要求5或6所述的车辆转向系统，其特征在于：在所述第二执行机构实施或协助转向下，当车辆前行或倒车时，改变车辆在阿克曼转角坐标下整车位置，以减少原坐标下的转向半径。
8.根据权利要求7所述的车辆转向系统，其特征在于：当左后车轮的速度比右后车轮速度快时，整车以右后轮为原点旋转，产生虚拟转向角度。
9.根据权利要求1所述的车辆转向系统，其特征在于：所述的双电机驱动单元还包括与所述第二控制器相连通的位置信号模块。
10.一种车辆转向系统的控制方法，其特征在于：该控制方法采用了权利要求1至9中任一项权利要求所述的车辆转向系统，且在第一执行机构和所述第二执行机构相互协作或第一执行机构和所述第二执行机构分别实施手动驾驶或自动驾驶时的车辆转向，同时能够改变车辆在阿克曼转角坐标下整车位置，以减少原坐标下的转向半径，车辆前行且当左后车轮电机的速度比右后车轮电机快时，整车以右后轮为原点旋转，车辆后轴横摆角速度Ψ，使得转向圆心位置变化，并产生虚拟转向角度，其中虚拟转向角度可以表示为：补偿转向角度=后轴横摆角速度/后轴车速×K1，K1为可标定参数；后轴横摆角速度=(左后轮车速−右后轮车速)/后轴轮距；车辆在倒车过程中控制后轮的所述第二动力器的扭矩和转速，使得转向圆心位置变化，以获得补偿转向角度。
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