CN115535128B - 一种电动车电动方向助力调节系统和方法 - Google Patents

一种电动车电动方向助力调节系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动车电动方向助力调节系统和方法，包括机械传动子系统、扭矩传感器子系统、数据采集和传输子系统、数据分析与处理子系统和电机运行维护子系统，所述机械传动子系统包括伺服电机、电机连接板、马头管、主轴、锁紧螺母、压力轴承上、压力轴承下、防护罩、蜗轮、平键、蜗杆、孔用内卡簧、深沟轴承、轴承座、扭矩传感单元、联轴器和前叉，将力矩信号传送给控制单元，控制单元根据信号反馈的力矩值、方向转动角度值将电流信号传送给伺服电机，伺服电机接收到控制器传送的信号驱动蜗轮蜗杆正反转，根据电机编码器脉冲传输的信号，自动调节方向把力度，达到方向助力的最终目的，减少驾驶员驾驶疲劳。

Description

一种电动车电动方向助力调节系统和方法
技术领域
本发明涉及助力调节系统领域，特别涉及一种电动车电动方向助力调节系统和方法。
背景技术
为了提升车辆驾驶舒适性，减轻驾驶员疲劳，当前绝大部分车辆都配备了助力转向系统，而随着当前节能减排要求的提升，以及驾驶者对可变助力的需求，电动助力转向系统取得了广泛的应用，电动助力转向系统根据其布置行驶可以分为管柱式、齿轮式和齿条式三种，其中管柱式助力转向系统由于其结构简单，占用空间少等特点，普遍应用于中小型乘用车上，管柱式助力转向系统工作时，通过助力电机驱动蜗轮蜗杆，从而带动转向器管柱转动，实现转向助力功能；
电动三轮环卫车具有省力、环保、噪音小、方便快捷、机动性能好，适合各种场合，主要用于短途垃圾收集、运输、是环卫部门理想的运输车辆，随着城市日益发展，人均每日产生的垃圾量日益增加，原有小型电动环卫车无法满足环卫部门作业的要求，因此现有的载重力1000公斤的电动三轮自装卸环卫车弥补了市场空白，给环卫部门节约了成本，提高了工作效率，我公司在市场调研中发现一线环卫作业人员年龄普遍较大，再加上车辆的自重和垃圾箱的垃圾，车辆满载后总质量接近2000公斤，车辆满载后进入垃圾站都是要倒车进站，因此三轮车的方向把比较沉重，很费力，本发明是为了解决这一问题，提出一种电动车电动方向助力调节系统和方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电动车电动方向助力调节系统和方法，能够有效解决背景技术中的问题：一线环卫作业人员年龄普遍较大，再加上车辆的自重和垃圾箱的垃圾，车辆满载后总质量接近2000公斤，车辆满载后进入垃圾站都是要倒车进站，因此三轮车的方向把比较沉重，很费力。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种电动车电动方向助力调节系统和方法，包括机械传动子系统、扭矩传感器子系统、数据采集和传输子系统、数据分析与处理子系统和电机运行维护子系统，所述机械传动子系统包括伺服电机、电机连接板、马头管、主轴、锁紧螺母、压力轴承上、压力轴承下、防护罩、蜗轮、平键、蜗杆、孔用内卡簧、深沟轴承、轴承座、扭矩传感单元、联轴器和前叉，所述伺服电机与电机连接板螺丝连接，所述电机连接板与马头管螺丝连接，所述伺服电机与联轴器螺丝连接，所述联轴器与蜗杆螺丝连接，所述蜗杆与深沟轴承过盈配合，所述孔用内卡簧将深沟轴承挡在轴承座内，所述深沟轴承与轴承座过盈配合，所述轴承座与马头管螺丝连接，所述主轴与锁紧螺母螺丝连接，所述锁紧螺母将压力轴承上压紧在马头管内，所述压力轴承下在马头管内与前叉压紧，所述扭矩传感单元与马头管螺丝连接，所述扭矩传感单元在蜗轮斜面导向滑动，所述蜗轮在平键控制下固定在主轴上，所述防护罩与马头管螺丝连接，所述蜗杆与蜗轮啮合传动，所述扭矩传感单元用于接收主轴方向把方向给出的扭矩。
本发明进一步的改进在于，所述扭矩传感器子系统用于对扭矩传感单元的运行情况进行采集，所述数据采集和传输子系统用于对扭矩传感单元采集的力矩信息进行储存和并转化为电信号传输，所述数据分析与处理子系统接收数据采集和传输子系统发送的负载扭矩信号，进行转动角度值和扭矩计算，通过电机控制转速策略计算得到下一步的控制信号，将控制信号发送至电机运行维护子系统从而控制伺服电机运动。
本发明进一步的改进在于，所述数据分析与处理子系统通过通信单元与上位机进行信息交互，接收上位机指令并上传运动状态参数，所述电机运行维护子系统用于将外界输入的直流电源转换为幅值和频率可调的三相交流电，并根据数据分析与处理子系统发送的控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制。
本发明进一步的改进在于，所述电机控制转速策略公式为：
Figure SMS_1
，其中，/>
Figure SMS_2
表示为电流反馈系数，/>
Figure SMS_3
表示为电机转矩系数，/>
Figure SMS_4
表示为转速反馈系数，/>
Figure SMS_5
表示为比例系数，J表示为传动机构转动惯量，/>
Figure SMS_6
表示为积分时间常数。
本发明进一步的改进在于，所述数据分析与处理子系统中还包括带通滤波模块，所述带通滤波模块用于对负载扭矩信号中的谐波影响值进行滤波处理。
本发明进一步的改进在于，所述助力调节方法包括以下步骤：第一步：通过人机交互界面对基本数值进行设定，设定基准时间
Figure SMS_7
，基准时间/>
Figure SMS_8
根据使用者的反应时间设定，设定并计算电流反馈系数、电机转矩系数、转速反馈系数、比例系数、传动机构转动惯量、积分时间常数，传动机构转动惯量J通过蜗轮和蜗杆传动比计算；
第二步：整列排布的扭矩传感单元对主轴方向把方向给出的负载扭矩信号进行采集，将负载扭矩信号传输至电机控制转速策略公式中得到电机控制转速的策略；
第三步：根据电机控制转速的策略实时控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制。
本发明进一步的改进在于，在第三步中的通过改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制的具体公式为：
Figure SMS_9
，n为转速，f为频率，p为电机极对数，从公式中能够看出频率与转速成正比，所以通过改变输出交流电的频率改变电机的转速。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：当驾驶者转动方向把，扭矩传感器接收到方向把给出的力矩，将力矩信号传送给控制单元，控制单元根据信号反馈的力矩值、方向转动角度值转换成电流信号传送给伺服电机，伺服电机接收到控制器传送的信号驱动蜗轮蜗杆正反转，根据电机编码器脉冲传输的信号，自动调节方向把力度，达到方向助力的最终目的，减少驾驶员驾驶疲劳。
附图说明
图1为本发明一种电动车电动方向助力调节系统的B-B处横向剖切示意图。
图2为本发明一种电动车电动方向助力调节系统的B处纵向剖切示意图。
图3为本发明一种电动车电动方向助力调节系统的A处纵向剖切示意图。
图4为本发明一种电动车电动方向助力调节系统的A-A处横向剖切示意图。
图5为本发明一种电动车电动方向助力调节系统的扭矩传感器感知蜗轮转动示意图。
图6为本发明一种电动车电动方向助力调节系统的原理框图。
图7为本发明一种电动车电动方向助力调节方法的原理构架示意图。
图中：1、伺服电机；2、电机连接板；3、马头管；4、主轴；5、锁紧螺母；6、压力轴承上；7、压力轴承下；8、扭矩传感单元；9、防护罩；10、蜗轮；11、平键；12、蜗杆；13、孔用内卡簧；14、深沟轴承；15、轴承座；16、联轴器；17、前叉。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，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“一号”、“二号”、“三号”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例利用扭矩传感器接收到方向把给出的力矩，将力矩信号传送给控制单元，控制单元根据信号反馈的力矩值、方向转动角度值转换成电流信号传送给伺服电机1，伺服电机1接收到控制器传送的信号驱动蜗轮10蜗杆12正反转，根据电机编码器脉冲传输的信号，自动调节方向把力度，达到方向助力的最终目的，减少驾驶员驾驶疲劳，具体方案为，如图1-图6所示，一种电动车电动方向助力调节系统，包括机械传动子系统、扭矩传感器子系统、数据采集和传输子系统、数据分析与处理子系统和电机运行维护子系统，机械传动子系统包括伺服电机1、电机连接板2、马头管3、主轴4、锁紧螺母5、压力轴承上6、压力轴承下7、防护罩9、蜗轮10、平键11、蜗杆12、孔用内卡簧13、深沟轴承14、轴承座15、扭矩传感单元8、联轴器16和前叉17，伺服电机1与电机连接板2螺丝连接，电机连接板2与马头管3螺丝连接，伺服电机1与联轴器16螺丝连接，联轴器16与蜗杆12螺丝连接，蜗杆12与深沟轴承14过盈配合，孔用内卡簧13将深沟轴承14挡在轴承座15内，深沟轴承14与轴承座15过盈配合，轴承座15与马头管3螺丝连接，主轴4与锁紧螺母5螺丝连接，锁紧螺母5将压力轴承上6压紧在马头管3内，压力轴承下7在马头管3内与前叉17压紧，扭矩传感单元8与马头管3螺丝连接，扭矩传感单元8在蜗轮10斜面导向滑动，蜗轮10在平键11控制下固定在主轴4上，防护罩9与马头管3螺丝连接，蜗杆12与蜗轮10啮合传动，扭矩传感单元8用于接收主轴4方向把方向给出的扭矩，在使用时，人工手动旋转主轴4方向把，而扭矩传感单元8接收主轴4方向把方向给出的扭矩，将信号传输至控制单元；
其中，扭矩传感器子系统用于对扭矩传感单元8的运行情况进行采集，数据采集和传输子系统用于对扭矩传感单元8采集的力矩信息进行储存和并转化为电信号传输，数据分析与处理子系统接收数据采集和传输子系统发送的负载扭矩信号，进行转动角度值和扭矩计算，通过电机控制转速策略计算得到下一步的控制信号，将控制信号发送至电机运行维护子系统从而控制伺服电机1运动；
其中，数据分析与处理子系统通过通信单元与上位机进行信息交互，接收上位机指令并上传运动状态参数，电机运行维护子系统用于将外界输入的直流电源转换为幅值和频率可调的三相交流电，并根据数据分析与处理子系统发送的控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制；
其中，电机控制转速策略公式为：
Figure SMS_10
，其中，/>
Figure SMS_11
表示为电流反馈系数，/>
Figure SMS_12
表示为电机转矩系数，/>
Figure SMS_13
表示为转速反馈系数，/>
Figure SMS_14
表示为比例系数，J表示为传动机构转动惯量，/>
Figure SMS_15
表示为积分时间常数；这样设置电机控制转速策略公式，对电机的控制转速进行计算，以便于实时对电机进行控制；
其中，数据分析与处理子系统中还包括带通滤波模块，带通滤波模块用于对负载扭矩信号中的谐波影响值进行滤波处理，这样对负载扭矩信号中的谐波影响值进行滤波处理避免干扰源对计算结果的影响。
通过本实施例能够实现：驾驶者转动方向把，扭矩传感器接收到方向把给出的力矩，将力矩信号传送给控制单元，控制单元根据信号反馈的力矩值、方向转动角度值转换成电流信号传送给伺服电机1，伺服电机1接收到控制器传送的信号驱动蜗轮10蜗杆12正反转，根据电机编码器脉冲传输的信号，自动调节方向把力度，达到方向助力的最终目的，减少驾驶员驾驶疲劳。
实施例2
实施例2主要用于在实施例1的基础上提出电动方向助力调节方法，将采集的力矩值引入电机控制转速策略公式，得出电机控制转速的策略，然后通过电机控制转速的策略实时控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制，具体方案为，如图1-图6所示，一种电动车电动方向助力调节系统，包括机械传动子系统、扭矩传感器子系统、数据采集和传输子系统、数据分析与处理子系统和电机运行维护子系统，机械传动子系统包括伺服电机1、电机连接板2、马头管3、主轴4、锁紧螺母5、压力轴承上6、压力轴承下7、防护罩9、蜗轮10、平键11、蜗杆12、孔用内卡簧13、深沟轴承14、轴承座15、扭矩传感单元8、联轴器16和前叉17，伺服电机1与电机连接板2螺丝连接，电机连接板2与马头管3螺丝连接，伺服电机1与联轴器16螺丝连接，联轴器16与蜗杆12螺丝连接，蜗杆12与深沟轴承14过盈配合，孔用内卡簧13将深沟轴承14挡在轴承座15内，深沟轴承14与轴承座15过盈配合，轴承座15与马头管3螺丝连接，主轴4与锁紧螺母5螺丝连接，锁紧螺母5将压力轴承上6压紧在马头管3内，压力轴承下7在马头管3内与前叉17压紧，扭矩传感单元8与马头管3螺丝连接，扭矩传感单元8在蜗轮10斜面导向滑动，蜗轮10在平键11控制下固定在主轴4上，防护罩9与马头管3螺丝连接，蜗杆12与蜗轮10啮合传动，扭矩传感单元8用于接收主轴4方向把方向给出的扭矩，在使用时，人工手动旋转主轴4方向把，而扭矩传感单元8接收主轴4方向把方向给出的扭矩，将信号传输至控制单元；
其中，扭矩传感器子系统用于对扭矩传感单元8的运行情况进行采集，数据采集和传输子系统用于对扭矩传感单元8采集的力矩信息进行储存和并转化为电信号传输，数据分析与处理子系统接收数据采集和传输子系统发送的负载扭矩信号，进行转动角度值和扭矩计算，通过电机控制转速策略计算得到下一步的控制信号，将控制信号发送至电机运行维护子系统从而控制伺服电机1运动；
其中，数据分析与处理子系统通过通信单元与上位机进行信息交互，接收上位机指令并上传运动状态参数，电机运行维护子系统用于将外界输入的直流电源转换为幅值和频率可调的三相交流电，并根据数据分析与处理子系统发送的控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制；
如图7所示，一种电动车电动方向助力调节方法，助力调节方法包括以下步骤：第一步：通过人机交互界面对基本数值进行设定，设定基准时间
Figure SMS_16
，基准时间/>
Figure SMS_17
根据使用者的反应时间设定，设定并计算电流反馈系数、电机转矩系数、转速反馈系数、比例系数、传动机构转动惯量、积分时间常数，传动机构转动惯量J通过蜗轮和蜗杆传动比计算；
第二步：整列排布的扭矩传感单元对主轴方向把方向给出的负载扭矩信号进行采集，将负载扭矩信号传输至电机控制转速策略公式中得到电机控制转速的策略，这里设置整列排布的扭矩传感单元对主轴方向把方向给出的负载扭矩信号进行采集，对采集的错误值进行去除，以减小误判的可能性；
第三步：根据电机控制转速的策略实时控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制；
其中，在第三步中的通过改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制的具体公式为：
Figure SMS_18
，n为转速，f为频率，p为电机极对数，从公式中能够看出频率与转速成正比，所以通过改变输出交流电的频率改变电机的转速。
其中，电机控制转速策略公式为：
Figure SMS_19
，其中，/>
Figure SMS_20
表示为电流反馈系数，/>
Figure SMS_21
表示为电机转矩系数，/>
Figure SMS_22
表示为转速反馈系数，/>
Figure SMS_23
表示为比例系数，J表示为传动机构转动惯量，/>
Figure SMS_24
表示为积分时间常数；
其中，扭矩传感器子系统用于对扭矩传感单元8的运行情况进行采集，数据采集和传输子系统用于对扭矩传感单元8采集的力矩信息进行储存和并转化为电信号传输，数据分析与处理子系统接收数据采集和传输子系统发送的负载扭矩信号，进行转动角度值和扭矩计算，通过电机控制转速策略计算得到下一步的控制信号，将控制信号发送至电机运行维护子系统从而控制伺服电机1运动；
其中，数据分析与处理子系统通过通信单元与上位机进行信息交互，接收上位机指令并上传运动状态参数，电机运行维护子系统用于将外界输入的直流电源转换为幅值和频率可调的三相交流电，并根据数据分析与处理子系统发送的控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制；
通过本实施例能够实现：将采集的力矩值引入电机控制转速策略公式，得出电机控制转速的策略，然后通过电机控制转速的策略实时控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制。
需要说明的是，本发明的工作原理为：首先将装置安装在车辆上，驾驶者转动方向把，扭矩传感器接收到方向把给出的力矩，将力矩信号转化为电信号传输至控制单元，控制单元将负载力矩信息带入电机控制转速策略公式，得出电机控制转速的策略，然后通过电机控制转速的策略实时控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，伺服电机1接收到控制器传送的信号工作，伺服电机1通过联轴器16带动蜗杆12正反转，而蜗杆12与蜗轮10啮合传动，从而带动蜗轮10和主轴4转动，根据电机编码器脉冲传输的信号，自动调节方向把力度，达到方向助力的最终目的，减少驾驶员驾驶疲劳。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种电动车电动方向助力调节系统，其特征在于：包括机械传动子系统、扭矩传感器子系统、数据采集和传输子系统、数据分析与处理子系统和电机运行维护子系统，所述机械传动子系统包括伺服电机（1）、电机连接板（2）、马头管（3）、主轴（4）、锁紧螺母（5）、压力轴承上（6）、压力轴承下（7）、防护罩（9）、蜗轮（10）、平键（11）、蜗杆（12）、孔用内卡簧（13）、深沟轴承（14）、轴承座（15）、扭矩传感单元（8）、联轴器（16）和前叉（17），所述伺服电机（1）与电机连接板（2）螺丝连接，所述电机连接板（2）与马头管（3）螺丝连接，所述伺服电机（1）与联轴器（16）螺丝连接，所述联轴器（16）与蜗杆（12）螺丝连接，所述蜗杆（12）与深沟轴承（14）过盈配合，所述孔用内卡簧（13）将深沟轴承（14）挡在轴承座（15）内，所述深沟轴承（14）与轴承座（15）过盈配合，所述轴承座（15）与马头管（3）螺丝连接，所述主轴（4）与锁紧螺母（5）螺丝连接，所述锁紧螺母（5）将压力轴承上（6）压紧在马头管（3）内，所述压力轴承下（7）在马头管（3）内与前叉（17）压紧，所述扭矩传感单元（8）与马头管（3）螺丝连接，所述扭矩传感单元（8）在蜗轮（10）斜面导向滑动，所述蜗轮（10）在平键（11）控制下固定在主轴（4）上，所述防护罩（9）与马头管（3）螺丝连接，所述蜗杆（12）与蜗轮（10）啮合传动，所述扭矩传感单元（8）用于接收主轴（4）方向把方向给出的扭矩；所述扭矩传感器子系统用于对扭矩传感单元（8）的运行情况进行采集，所述数据采集和传输子系统用于对扭矩传感单元（8）采集的力矩信息进行储存和并转化为电信号传输，所述数据分析与处理子系统接收数据采集和传输子系统发送的负载扭矩信号，进行转动角度值和扭矩计算，通过电机控制转速策略计算得到下一步的控制信号，将控制信号发送至电机运行维护子系统从而控制伺服电机（1）运动；所述数据分析与处理子系统通过通信单元与上位机进行信息交互，接收上位机指令并上传运动状态参数，所述电机运行维护子系统用于将外界输入的直流电源转换为幅值和频率可调的三相交流电，并根据数据分析与处理子系统发送的控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制；所述电机控制转速策略公式为：
Figure QLYQS_1
，其中，/>
Figure QLYQS_2
表示为电流反馈系数，/>
Figure QLYQS_3
表示为电机转矩系数，/>
Figure QLYQS_4
表示为转速反馈系数，/>
Figure QLYQS_5
表示为比例系数，J表示为传动机构转动惯量，/>
Figure QLYQS_6
表示为积分时间常数；
所述数据分析与处理子系统中还包括带通滤波模块，所述带通滤波模块用于对负载扭矩信号中的谐波影响值进行滤波处理。
2.一种电动车电动方向助力调节方法，其特征在于：所述助力调节方法包括以下步骤：第一步：通过人机交互界面对基本数值进行设定，设定基准时间
Figure QLYQS_7
，基准时间/>
Figure QLYQS_8
根据使用者的反应时间设定，设定并计算电流反馈系数、电机转矩系数、转速反馈系数、比例系数、传动机构转动惯量、积分时间常数，传动机构转动惯量J通过蜗轮和蜗杆传动比计算；
第二步：整列排布的扭矩传感单元对主轴方向把方向给出的负载扭矩信号进行采集，将负载扭矩信号传输至电机控制转速策略公式中得到电机控制转速的策略；
第三步：根据电机控制转速的策略实时控制信号通过变频模块改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制。
3.根据权利要求2所述的一种电动车电动方向助力调节方法，其特征在于：在第三步中的通过改变输出交流电的频率，从而对电机的转速进行伺服控制的具体公式为：
Figure QLYQS_9
，n为转速，f为频率，p为电机极对数，从公式中能够看出频率与转速成正比，所以通过改变输出交流电的频率改变电机的转速。/>
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