CN115402403B - 基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置及控制方法，涉及汽车转向系统技术领域。本发明包括方向盘、转向电机、转向轴和转角传感器；还包括用于连接转向电机和方向盘的花键轴以及用于连接转向电机和转向轴的花键套，花键轴的一端与花键套的一端固定连接；转向电机采用空心轴电机，转向电机套合在花键轴与花键套连接处的周侧，转向电机的输空心与花键轴固定连接，实现向花键轴传递扭矩；转角传感器套合在转向轴的周侧，实现监测转向轴的转动方向和角度。本发明通过采用花键套与花键轴结合的连接结构，对方向盘和转向轴安装方式进行改进，在改动量少，破坏量小的情况下，实现自动控制转向，以满足自动驾驶线控转向的功能需求。

Description

基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置及控制方法

技术领域

本发明属于汽车转向系统技术领域，特别是涉及基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置及控制方法。

背景技术

自动驾驶是汽车发展的主流方向。目前，普通汽车大都不具备自动驾驶功能，不能实现自动转向。当普通汽车需要改制成自动驾驶能够实现自动转向而又不改变原车的驾驶习惯时，就要求有一套自动转向装置。而适合安装在原车上，并且对原车改动破坏量小的转向装置，则更受消费者的青睐。

市场上现有自动驾驶汽车的线控转向系统应用在普通汽车上时，需要对原车辆进行多方面的拆解、破坏和改造，改动量多、破坏量大、且成本较高，不适合在原车上进行改装。

发明内容

本发明的目的在于提供基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置，本发明通过采用花键套与花键轴结合的连接结构，对方向盘和转向轴安装方式进行改进，在改动量少，破坏量小的情况下，实现自动控制转向，以满足自动驾驶线控转向的功能需求。解决了现有线控转向系统应用在普通汽车上时，需要对原车辆进行多方面的拆解、破坏和改造，改动量多、破坏量大、且成本较高，不适合在原车上进行改装的问题。本发明的另一个目的在于提供一种基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置及控制方法，包括方向盘、转向电机、转向轴和转角传感器。还包括用于连接转向电机和方向盘的花键轴以及用于连接转向电机和转向轴的花键套，所述花键轴的一端与花键套的一端固定连接。所述转向电机采用空心轴电机，所述转向电机套合在花键轴与花键套连接处的周侧，所述转向电机的输空心与花键轴固定连接，实现向花键轴传递扭矩。所述转角传感器套合在转向轴的周侧，实现监测转向轴的转动方向和角度。

作为本发明的一种优选技术方案，所述花键轴在靠近方向盘的一端周侧设有第一外花键，所述方向盘的中心开有与第一外花键适配的花键孔，所述第一外花键与花键孔卡接，实现方向盘与花键轴之间的扭矩传递。

作为本发明的一种优选技术方案，所述花键轴在靠近方向盘的一端采用锥形结构，所述花键孔采用与花键轴适配的锥形结构，所述花键轴采用锥形结构的一端穿过花键孔并通过第一螺母与方向盘锁紧固定。

作为本发明的一种优选技术方案，所述花键套在靠近转向轴的一端开有内花键，所述转向轴的一端设有与内花键适配的第二外花键，所述内花键与第二外花键卡接，实现转向轴与花键套之间的扭矩传递。

作为本发明的一种优选技术方案，所述花键套与转向轴的连接处采用和方向盘与花键轴连接处相同的锥形连接结构，并通过第二螺母锁紧固定。

作为本发明的一种优选技术方案，所述花键轴在靠近花键套的一端设有凸台，所述花键套在靠近花键轴的一端开有与凸台适配的凹槽，所述凸台与凹槽卡接，实现花键轴与花键套之间的扭矩传递。

作为本发明的一种优选技术方案，所述花键轴在远离方向盘的一端固定连接有一法兰，所述法兰在靠近转向电机的表面设有一止口台阶，所述止口台阶与转向电机的空心轴固定连接，实现转向电机向花键轴传递扭矩。

作为本发明的一种优选技术方案，所述转向电机通过电机安装支架固定，所述转角传感器的壳体与电机安装支架固定连接，实现限制转角传感器的壳体转动。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括用于固定转向电机和转角传感器的固定卡箍，所述固定卡箍安装在汽车转向管柱的周侧面。所述电机安装支架与固定卡箍的侧面连接，实现电机的固定。所述转角传感器的壳体与固定卡箍的一表面固定连接，用于限制转角传感器的壳体转动。

基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置的控制方法，包括如下步骤：S1：系统上电后，同时检测到转向电机和转角传感器报文时，延迟一定时间，启动线控转向子系统初始化，计算转角传感器反馈的方向盘转角和转向电机反馈的编码器位置值的偏移关系，用于后续从目标转角到编码器位置值换算。S2：当方向盘转角连续固定时间变化小于某一特定值，初始化完毕，将上述偏移关系锁存，直到系统下电。S3：线控底盘系统状态机进入自动驾驶状态后，使能转向电机，退出自动驾驶状态则失能转向电机。S4：控制器应用层软件接收自动驾驶系统发送的目标方向盘转角，将转角换算为编码器位置值，再加上初始化时锁存的偏移量，输出给底层软件。S5：底层软件检测应用层软件电机使能状态，当转向电机使能时，每隔一定时间周期性依次发送目标位置指令和使能指令，当转向电机失能时，每隔一定时间周期性发送失能指令。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采用花键套与花键轴结合的连接结构，花键轴用于连接转向电机和方向盘，花键套用于连接转向电机和转向轴，花键轴与花键套通过凸台与凹槽结构卡接，实现花键轴与花键套之间的扭矩传递。该结构对方向盘和转向轴安装方式进行改进，在改动量少，破坏量小的情况下，实现自动控制转向，以满足自动驾驶线控转向的功能需求。

2、本发明通过采用固定卡箍形式固定转向电机和转角传感器，固定卡箍采用固定抱紧的方式安装在转向管柱上，转向电机的安装支架和转角传感器直接固定在固定卡箍上，达到了通过固定卡箍的连接，使安装结构紧凑，安装操作方便，转向电机和转角传感器固定牢固，能有效进行驱动和检测的效果。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明的基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置的结构示意图；

图2为线控转向装置的俯视图；

图3为线控转向装置的侧视图；

图4为线控转向装置的剖视图；

图5为基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置的控制方法的流程示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-方向盘，101-花键孔，2-转向电机，201-电机安装支架，3-转向轴，4-转角传感器，5-花键轴，501-法兰，6-花键套，7-第一螺母，8-第二螺母，9-固定卡箍。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。

实施例一

请参阅图1-图4所示，本实施例提供了一种基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置，包括方向盘1、转向电机2、转向轴3和转角传感器4。还包括用于连接转向电机2和方向盘1的花键轴5以及用于连接转向电机2和转向轴3的花键套6，以及用于固定转向电机2和转角传感器4的固定卡箍9。

转向电机2是驱动转向轴转动的元件，转向电机2采用空心轴电机，即其输出轴为空心轴。转向电机2套合在花键轴5与花键套6连接处的周侧，转向电机2的空心轴与花键轴5固定连接，实现向花键轴5传递扭矩。

花键轴5在靠近方向盘1的一端周侧设有第一外花键，方向盘1的中心开有与第一外花键适配的花键孔101，第一外花键与花键孔101卡接。安装时，将方向盘1的花键孔101对准套合在花键轴5上，实现方向盘1与花键轴5之间的扭矩传递。花键轴5在靠近方向盘1的一端采用锥形结构，花键孔101采用与花键轴5适配的锥形结构，花键轴5采用锥形结构的一端穿过花键孔101并通过第一螺母7与方向盘1锁紧固定，防止方向盘1滑脱。花键轴5在远离方向盘1的一端固定连接有一法兰501，法兰501在靠近转向电机2的表面设有一止口台阶，止口台阶安装在转向电机空心轴上，保证花键轴5与转向电机2的空心轴同心。法兰通过螺栓安装固定在转向电机2的空心轴上，使转向电机2扭矩能够传到花键轴5上。

花键套6在靠近转向轴3的一端内孔开有内花键，转向轴3的一端设有与内花键适配的第二外花键，内花键与第二外花键卡接。安装时，花键套6套在转向轴3上，内花键结构与转向轴3上的第二外花键结构相配合，实现转向轴3与花键套6之间的扭矩传递。此外，花键套6与转向轴3的连接处采用和方向盘1与花键轴5连接处相同的锥形连接结构，并通过第二螺母8锁紧固定，防止滑脱。花键套6周侧与转向电机2的空心轴配合，花键套6周侧设计有圆台阶，圆台阶是转向电机2的空心轴安装到位时起限位作用的，不仅能使转向电机2安装方便，还能保证转向电机2的空心轴与花键套6安装的同心度。花键套6在靠近花键轴5的端面上设有“一”字形凹槽，花键轴设有的“一”字形凸台。“一”字形凹槽与“一”字形凸台相配合，用于花键轴5与花键套6之间的扭矩传递。即转向电机2通过花键轴5将扭矩传递至花键套6。

转角传感器4是用来检测转向轴3转动方向和角度的元件。转角传感器4套合在转向轴3的周侧，花键套6靠近转角传感器4的端面设计有大小两种宽度的卡槽，用于卡住转角传感器4内圈上的两个卡件。当花键套6带动转向轴3转动时，转角传感器4的内圈会跟着转动，从而实现监测转向轴3转动的方向和角度。

转向电机2通过电机安装支架201固定，转角传感器4的壳体与电机安装支架201固定连接，实现限制转角传感器4的壳体转动。固定卡箍9是固定转角传感器4和电机安装支架201的构件。固定卡箍采9用圆环形的结构，其内孔可以安装在转向管柱外的外表面，其圆环面上半边设计有一贯穿的径向缺口，缺口两侧可以安装螺钉，螺钉拧紧后可以将固定卡箍9与转向管柱固定在一起。固定卡箍9带缺口的一边设计有一平面，平面正好与转角传感器4顶部下侧的平面接触，也用于限制转角传感器壳4体转动。固定卡箍9两侧各设计有一安装平面，用于安装电机安装支架201。固定电机的电机安装支架201采用圆形托板结构，圆形托板下方设计有两个“L”形支架，圆形托板与转向电机2的安装面接触，起到支撑转向电机2的作用。两个“L”形支架分别安装在固定卡箍9的两侧，起到固定安装支架的作用。通过固定卡箍9的连接，使转角传感器4和转向电机2的安装结构更加紧凑，安装操作方便，转向电机2和转角传感器7固定牢固，能有效进行驱动和检测。

实施例二

基于实施例一，实施例二提供了一种基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置的控制方法，请参阅图5所示，该控制方法是控制整个装置初始化、运行、检测、反馈等以及与原车系统匹配的一套系统逻辑方法。

包括如下步骤：

S1：系统上电后，同时检测到转向电机2和转角传感器4报文时，延迟一定时间，启动线控转向子系统初始化，计算转角传感器4反馈的方向盘1转角和转向电机2反馈的编码器位置值的偏移关系，用于后续从目标转角到编码器位置值换算；

S2：当方向盘1转角连续固定时间变化小于某一特定值，初始化完毕，将上述偏移关系锁存，直到系统下电；

S3：线控底盘系统状态机进入自动驾驶状态后，使能转向电机2，退出自动驾驶状态则失能转向电机2；

S4：控制器应用层软件接收自动驾驶系统发送的目标方向盘1转角，将转角换算为编码器位置值，再加上初始化时锁存的偏移量，输出给底层软件；

S5：底层软件检测应用层软件电机使能状态，当转向电机2使能时，每隔一定时间周期性依次发送目标位置指令和使能指令，当转向电机2失能时，每隔一定时间周期性发送失能指令。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置，包括方向盘（1）、转向电机（2）、转向轴（3）和转角传感器（4）；其特征在于，还包括：

用于连接转向电机（2）和方向盘（1）的花键轴（5）以及用于连接转向电机（2）和转向轴（3）的花键套（6），所述花键轴（5）的一端与花键套（6）的一端固定连接；

所述转向电机（2）采用空心轴电机，所述转向电机（2）套合在花键轴（5）与花键套（6）连接处的周侧，所述转向电机（2）的空心轴与花键轴（5）固定连接，实现向花键轴（5）传递扭矩；

所述转角传感器（4）套合在转向轴（3）的周侧，实现监测转向轴（3）的转动方向和角度；

所述花键轴（5）在靠近方向盘（1）的一端周侧设有第一外花键，所述方向盘（1）的中心开有与第一外花键适配的花键孔（101），所述第一外花键与花键孔（101）卡接，实现方向盘（1）与花键轴（5）之间的扭矩传递；

所述花键轴（5）在靠近方向盘（1）的一端采用锥形结构，所述花键孔（101）采用与花键轴（5）适配的锥形结构，所述花键轴（5）采用锥形结构的一端穿过花键孔（101）并通过第一螺母（7）与方向盘（1）锁紧固定；

所述花键套（6）在靠近转向轴（3）的一端开有内花键，所述转向轴（3）的一端设有与内花键适配的第二外花键，所述内花键与第二外花键卡接，实现转向轴（3）与花键套（6）之间的扭矩传递；

所述花键套（6）与转向轴（3）的连接处采用和方向盘（1）与花键轴（5）连接处相同的锥形连接结构，并通过第二螺母（8）锁紧固定；

所述花键轴（5）在靠近花键套（6）的一端设有凸台，所述花键套（6）在靠近花键轴（5）的一端开有与凸台适配的凹槽，所述凸台与凹槽卡接，实现花键轴（5）与花键套（6）之间的扭矩传递。

2.根据权利要求1所述的基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置，其特征在于，所述花键轴（5）在远离方向盘（1）的一端固定连接有一法兰（501），所述法兰（501）在靠近转向电机（2）的表面设有一止口台阶，所述止口台阶与转向电机（2）的空心轴固定连接，实现转向电机（2）向花键轴（5）传递扭矩。

3.根据权利要求1所述的基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置，其特征在于，所述转向电机（2）通过电机安装支架（201）固定，所述转角传感器（4）的壳体与电机安装支架（201）固定连接，实现限制转角传感器（4）的壳体转动。

4.根据权利要求3所述的基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置，其特征在于，还包括用于固定转向电机（2）和转角传感器（4）的固定卡箍（9），所述固定卡箍（9）安装在汽车转向管柱的周侧面；

所述电机安装支架（201）与固定卡箍（9）的侧面连接，实现转向电机（2）的固定；

所述转角传感器（4）的壳体与固定卡箍（9）的一表面固定连接，用于限制转角传感器（4）的壳体转动。

5.如权利要求1-4任意一项所述的基于空心轴电机和转角传感器的线控转向装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：系统上电后，同时检测到转向电机（2）和转角传感器（4）报文时，延迟一定时间，启动线控转向子系统初始化，计算转角传感器（4）反馈的方向盘（1）转角和转向电机（2）反馈的编码器位置值的偏移关系，用于后续从目标转角到编码器位置值换算；

S2：当方向盘（1）转角连续固定时间变化小于某一特定值，初始化完毕，将上述偏移关系锁存，直到系统下电；

S3：线控底盘系统状态机进入自动驾驶状态后，使能转向电机（2），退出自动驾驶状态则失能转向电机（2）；

S4：控制器应用层软件接收自动驾驶系统发送的目标方向盘（1）转角，将转角换算为编码器位置值，再加上初始化时锁存的偏移量，输出给底层软件；

S5：底层软件检测应用层软件电机使能状态，当转向电机（2）使能时，每隔一定时间周期性依次发送目标位置指令和使能指令，当转向电机（2）失能时，每隔一定时间周期性发送失能指令。