CN116176688B - 基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，涉及汽车及非道路车辆转向领域技术领域，该装置包括：轴向助力式电驱单元，其包括电机；所述电机包括电机转子和电机定子；丝杠，其两端对应安装有两个转向内球节；两个所述转向内球节与对应的车辆的两个转向拉杆铰接；传动机构，其与丝杠传动连接；所述传动机构与电机转子固定连接；所述传动机构用于将电机转子提供的扭矩转换为对丝杠的轴向力。本发明还提供一种基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向控制方法。本发明工作稳定、容错性高，且缩小了安装空间。

Description

基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置及控制方法

技术领域

本发明涉及汽车及非道路车辆转向领域，具体涉及基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置及控制方法。

背景技术

当前采用内燃机和液压转向系统的非道路车辆，其液压转向系统本身效率低，能耗高，为整车贡献了较多的能耗。且内燃机型非道路车辆的液压转向系统转向控制不够精准，不利于实现主动角度命令的转向控制。同时内燃机型非道路车辆的尾气排放将不利于在如冷库等洁净作业环境中的使用，而新式电动型非道路车辆将更有利于在冷库等洁净作业环境中使用。

随着智能物流搬运、无人堆垛等作业化需求，非道路车辆的电动化、无人化需求快速增长。因非道路车辆的方向盘操作装置在车辆前部，而转向轮在车辆尾部，转向操作装置与转向执行装置之间很难采用机械部件来传递操作力和动作，因此，传统的电动助力转向很难直接应用在非道路车辆中，使用由电线传输控制信号的线控转向系统能够很好解决该难题。非道路车辆采用线控转向装置，可以实现整车的智能化主动转向控制，使其车辆实现无人状态下在智能物流搬运，堆垛等条件下作业，从而提高生产效率，降低生产成本。因而，一种采用轴向电驱动单元，满足功能安全等级要求的线控转向系统在非道路车辆上具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作稳定、容错性高的基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，包括：

轴向助力式电驱单元，其包括电机；所述电机包括电机转子和电机定子；

丝杠，其两端对应安装有两个转向内球节；两个所述转向内球节与对应的两个转向拉杆铰接；所述转向拉杆通过车轮转向臂与车轮连接；

传动机构，其与丝杠传动连接；所述传动机构与电机转子固定连接；所述传动机构用于将电机转子提供的扭矩转换为对丝杠的轴向力。

优选地，所述电机转子为空心转子；

所述丝杠穿过电机转子。

优选地，所述传动机构包括丝杠螺母和钢球；

所述丝杠螺母套设在丝杠上，并与电机转子固定连接；所述丝杠螺母和所述丝杠之间设置有螺旋钢球滚道；

所述钢球设置在螺旋钢球滚道中。

优选地，所述丝杠两端均开设有内螺纹孔，转向内球节的一端设有外螺纹，两个转向内球节带有外螺纹的一端分别旋入对应的丝杠的内螺纹孔中固定连接。

优选地，还包括丝杠衬套和转向壳体；

所述丝杠衬套套设在丝杠上；所述转向壳体套设在丝杠衬套上；

优选地，所述电机还包括电机壳体，所述电机转子和电机定子均位于电机壳体内；

所述电机壳体套设在转向壳体外侧；

所述转向壳体与电机壳体之间设置有第一O型密封圈；

所述丝杠衬套与转向壳体之间设置有第二O型密封圈。

优选地，所述丝杠螺母外侧套设有助力壳体；

所述丝杠两端分别固定设置有锁紧螺母；

所述丝杠上设置有丝杠防护罩；

所述防护罩的一端通过小卡箍固定在转向壳体和助力壳体上，另一端采用大卡箍固定在锁紧螺母的环槽上。

优选地，所述锁紧螺母的环槽两端设置环状凸起的第一挡肩和第二挡肩。

优选地，所述锁紧螺母的外侧开设有用于容纳转向内球节的外圆部位的内孔。

本发明还提供一种基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置的控制方法，包括以下步骤：

电机定子驱动电机转子转动，电机转子带动传动机构共同转动；

传动机构驱动丝杠轴向运动，丝杠带动其两端的内球节共同移动；

两个转向内球节通过两个转向拉杆拉动车轮转向臂移动，使得两侧车轮转向。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明通过传动机构将电机转子提供的扭矩转换为对丝杠的轴向力，转向拉杆带动车轮偏转，从而实现车辆线控转向；

2.轴向助力式电驱单元作为转向系统的动力单元，电机采用空心电机转子，空心电机转子内部容纳丝杠通过，缩小了安装空间；

3.线控转向系统包含一个丝杠螺母与丝杠、钢球配合形成传动机构，用来将电机的旋转动作转换成丝杠的轴向移动动作，从而产生轴向推力；

4.所述丝杠的另一端支撑在丝杠衬套内，丝杠衬套设置在转向壳体的里面，并在转向壳体内部设置环槽，丝杠衬套的法兰卡在转向壳体的环槽里，以轴向固定丝杠衬套；

5.在丝杠衬套的外圆与壳体内孔之间设置2个O型圈。丝杠衬套的外圆与转向壳体内孔之间采用间隙配合，O型圈用来缓冲丝杠移动过程中带来的径向冲击；

6.丝杠的两端设置螺纹，用来连接转向内球节；

7.转向内球节与转向壳体、转向内球节与助力壳体间设置了丝杠防护罩，防护罩的一端采用卡箍固定在壳体上，另一端采用卡箍固定在锁紧螺母外圆上，以防水防尘；

8.锁紧螺母外侧设置内孔，容纳转向内球节的外圆部位，减小了转向装置的轴向占用空间，使转向装置可应用到更窄的车辆上。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置的结构示意图；

图2-14是本发明基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置的装配示意图；

图15是线控转向装置的结构示意图；

图16是线控转向系统的模块示意图；

图17是线控转向方法的流程示意图；

图18是电机壳体的结构示意图；

图19是传动机构的结构示意图；

图20是丝杠衬套的结构示意图；

图21是转向内球节和锁紧螺母装配的结构示意图。

图中：1、轴向助力式电驱单元；2、丝杠；3、钢球；4、螺栓；5、助力壳体；6、辅助衬套；7、小卡箍；8、防护罩；9、限位环；10、大卡箍；11、转向内球节；12、锁紧螺母；13、钢球导管；14、第一O型密封圈；15、连接器；16、丝杠衬套；17、螺栓；18、转向壳体；19、油封；20、丝杠螺母；21、导管夹；22、电机壳体；23、第一安装孔；24、第二安装孔；25、第五安装孔；26、第六安装孔；27、第七安装孔；28、第八安装孔；29、第三安装孔；30、第四安装孔；31、丝杠总成；32、壳体总成；33、助力壳体总成；34、环槽；35、法兰；36、第二O型密封圈；37、第一挡肩；38、环槽；39、第二挡肩；40、外圆；41、内孔；42、六方；44、电机定子；46、电机六相线；47、电机相线转接件；48、主控电路板；49、电机相线连接件；50、电源接口；51、角度传感器接口；52、针脚；53、桥接头；54、预紧力式鱼眼端子；55、桥接连接器；56、卡槽式端子；57、平直端子；58、电路板；59、靶板；60、电机转子；61、电路板孔；62、CAN通讯接口；63、桥接头；64、电源管理模块；65、主控芯片模块；66、电机逆变桥驱动模块；67、电机逆变桥模块；68、电机位置传感器；69、电机相线关断模块；70、传动机构；71、CAN总线；72、车辆车桥；73、角度传感器；74、车轮；75、车轮转向臂；76、转向拉杆；78、整车电源线；79、螺栓。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

在本说明书一个或多个实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本说明书一个或多个实施例中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例中可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1-21所示，一种基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，包括：

轴向助力式电驱单元1，其包括电机；所述电机包括电机转子60和电机定子44；

丝杠2，其两端对应安装有两个转向内球节11；两个所述转向内球节11与对应的两个转向拉杆76铰接；所述转向拉杆76通过车轮转向臂75与车轮74连接；

传动机构70，其与丝杠2传动连接；所述传动机构70与电机转子60固定连接；所述传动机构70用于将电机转子60提供的扭矩转换为对丝杠2的轴向力。

在本实施例中，所述传动机构70可以采用滚珠丝杠传动副。

优选地：所述电机转子60为空心转子；

所述丝杠2穿过电机转子60。

优选的，所述传动机构70包括丝杠螺母20和钢球3；

所述丝杠螺母20套设在丝杠2上，并与电机转子60固定连接；所述丝杠螺母20和所述丝杠2之间设置有螺旋钢球滚道；

所述钢球3设置在螺旋钢球滚道中。

优选的，所述丝杠2两端均开设有内螺纹孔，转向内球节11的一端设有外螺纹，两个转向内球节11带有外螺纹的一端分别旋入对应的丝杠2的内螺纹孔中固定连接。

优选的，所述电机定子44为双绕组六相定子；

优选的，还包括丝杠衬套16和转向壳体18；

所述丝杠衬套16套设在丝杠2上；所述转向壳体18套设在丝杠衬套16上；

所述丝杠衬套16外侧设置有法兰35；所述转向壳体18内侧开设有环槽34；所述法兰35与环槽34卡接。

优选的，所述电机还包括电机壳体22，所述电机转子60和电机定子44均位于电机壳体22内；

所述电机壳体22套设在转向壳体18外侧；

所述转向壳体18与电机壳体22之间设置有第一O型密封圈14；

所述丝杠衬套16与转向壳体18之间设置有第二O型密封圈36。

优选的，所述丝杠螺母20外侧套设有助力壳体5；

所述丝杠2两端分别固定设置有锁紧螺母12；

所述丝杠2上设置有丝杠防护罩8；

所述防护罩8的一端通过小卡箍7固定在转向壳体18和助力壳体5上，另一端采用大卡箍10固定在锁紧螺母12的环槽38上。

优选的，所述锁紧螺母12的环槽38两端设置环状凸起的第一挡肩37和第二挡肩39。

优选的，所述锁紧螺母12的外侧开设有内孔41，内孔41用于容纳转向内球节11的外圆部位。

本发明还提供一种线控转向装置的转向方法，包括以下步骤：

电机定子44驱动电机转子60转动，电机转子60带动传动机构70共同转动；

传动机构70驱动丝杠2轴向运动，丝杠2带动其两端的转向内球节11共同移动；

两个转向内球节11通过两个转向拉杆76拉动车轮转向臂75移动，使得两侧车轮74转向。

为了更好的说明本发明的技术效果，本发明提供如下具体实施例说明上述技术流程：

实施例1，一种线控转向装置，包含轴向助力式电驱单元1、丝杠2、钢球3、螺栓4、助力壳体5、辅助衬套6、小卡箍7、防护罩8、限位环9、大卡箍10、转向内球节11、锁紧螺母12、钢球导管13、第一O型密封圈14、丝杠衬套16、螺栓17、转向壳体18、油封19、导管夹21。如图1所示。

轴向助力式电驱单元1作为转向系统的动力单元，其电机内设置电机定子44和电机转子60。

丝杠螺母20与丝杠2、钢球3、钢球导管13、导管夹21配合形成传动机构70。所述丝杠2的另一端支撑在丝杠衬套16内，丝杠衬套16设置在转向壳体18里，并在转向壳体18内部设置环槽34，丝杠衬套16的法兰35卡在转向壳体18的环槽34里，以轴向固定丝杠衬套16；如图19所示；

在丝杠衬套16的外圆与转向壳体18的内孔之间设置2个第二O型密封圈36。丝杠衬套16的外圆与转向壳体18内孔之间采用间隙配合，第二O型密封圈36用来缓冲丝杠2移动过程中带来的径向冲击；如图20所示；

丝杠2的两端开设内螺纹孔，用来连接转向内球节11；转向内球节11一端设置外螺纹，伸入丝杠2的内螺纹孔中拧紧，然后用锁紧螺母12给锁紧固定；转向内球节11另一端与车辆的转向拉杆76通过销连接。丝杠2左右移动会带动转向内球节11左右移动。

转向内球节11包括与转向拉杆76铰接的外圆部位，以及与丝杠2螺纹连接的直杆部分；

转向内球节11与转向壳体18、转向内球节11与助力壳体5之间设置了丝杠防护罩8，防护罩8的一端采用小卡箍7固定在转向壳体18和助力壳体5上，另一端采用大卡箍10固定在锁紧螺母12的环槽38上；锁紧螺母12外圆两端设置环状凸起的第一挡肩37和第二挡肩39，用来防止丝杠防护罩8脱落。

锁紧螺母12的外侧开设有内孔41，内孔41用来容纳转向内球节11的外圆部位；另一侧设置了外圆40，用来装配限位环9；中间部位设置了六方42，用来拧紧锁紧螺母12；

在轴向助力式电驱单元1的电机壳体22上，设置了4个转向装置第一安装孔23、第二安装孔24、第三安装孔29、第四安装孔30；在助力壳体5上设置了4个转向装置第五安装孔25、第六安装孔26、第七安装孔27、第八安装孔28，共计8个转向装置安装孔，该种设计能承受最大22KN齿条力的载荷。用螺栓79将转向装置通过所述8个转向装置安装孔安装到车辆车桥72上；如图18所示；

当轴向助力式电驱单元1上的主控电路板48控制电机转子60旋转时，丝杠螺母20与电机转子60通过过盈方式连接进行同步旋转，通过前述的传动机构70，将电机的旋转动作转换成丝杠2的轴向移动动作，同时将电机的旋转力矩转换成丝杠2的轴向推力；丝杠2刚性连接转向内球节11，转向内球节11带动转向拉杆76，转向拉杆76带动车辆的车轮转向臂75转动，而车轮转向臂75与车轮74相连，通过丝杠2的推力推动车轮74偏转，从而实现车辆线控转向。

控制器主控电路板48上设置有电源管理模块64，主控芯片模块65，电机逆变桥驱动模块66，电机逆变桥模块67以及电机相线关断模块69；

控制器主控电路板48上焊接有电机相线连接件49，电机相线连接件49与电机六相线46通过电机相线转接件47进行连接；

轴向助力式电驱单元1的电机转子60与电机位置传感器68的靶板59进行焊接连接，控制器主控电路板48控制电机转子60旋转时带动传感器靶板59旋转，从而通过电机位置传感器68的电路板58测量电机转子60的旋转角度位置；轴向助力式电驱单元作为转向系统的动力单元，采用空心式带两路涡流感应式芯片的冗余型电机位置传感器，该电机位置传感器底座与电机壳体相连，电机位置传感器的靶板与电机空心转子相连，用以测量电机转子的旋转角度位置，结构设计紧凑的同时实现了电机角度位置冗余测量输出。

电机位置传感器68底座上设置有平直端子57，电机位置传感器68的桥接连接器55上设置有一端为卡槽式端子56和另一端为预紧力式鱼眼端子54；卡槽式端子56通过卡紧力与电机位置传感器68底座之平直端子57相连，预紧力式鱼眼端子54通过挤压力插入主控电路板48中的电路板孔61而产生电气连接。依托此种连接方式将电机位置传感器68测量到的电机转子60的旋转角度位置传递至主控电路板48，再通过主控电路板48中的电路传至主控芯片模块65；

电机转子60的旋转角度位置代表的是电机UVW的相位与电机转子的角度关系，主控芯片模块根据检测到电机转子60的旋转角度位置来控制电机旋转。

线控转向系统工作原理：电源接口50将外部车辆电源通过整车电源线78接入控制器主控电路板48，角度传感器接口51将车轮转向臂75的转动角度信号接入主控制模块的主控芯片模块65；通过CAN通讯接口62将车辆速度、车辆状态以及车辆转向控制命令接入主控制模块的主控芯片模块65。主控芯片模块65从CAN总线71的CAN通讯接口62收到车辆转向控制命令后通过内部算法处理计算目标力矩和目标角度，然后各自控制双绕组六相永磁同步电机中的相连的一路线圈绕组驱动电机转子60旋转而输出力矩，传动机构70将电机的旋转力矩转换成丝杠的轴向推力，从而推动车轮转向臂75带动车轮74向目标角度转动，同时在车轮转向臂75上安装有一个外部的角度传感器73，该角度传感器73通过线束77与轴向助力式电驱单元11的角度传感器接口51相连。实时的将车轮转向臂75的实际角度检测并传递到主控制模块。主控制模块的主控芯片模块65通过计算车轮转向臂75的实际角度与目标控制角度之差，控制轴向助力式电驱单元1推力输出，使其控制角度达到目标角度，从而实现线控转向功能。如图15、图16所示。

车辆速度和车辆状态也是主控芯片模块65计算目标力矩和目标角度的输入信息，主控芯片模块65通过接受车辆速度，车辆行驶状态计算不同的目标力矩大小和目标控制角度大小。

轴向助力式电驱单元1的连接器15上设置电源接口50，电源接口50通过桥接头63与电源滤波及防反模块连接，将车辆电源输入电源滤波及防反模块。该电源滤波及防反模块有一个Id为180Amp的MOSFET，该MOSFET的栅极G与电源正极相连，漏极D与轴向助力式电驱单元1的电源负极相连，源极S与电源接口50的车辆电源地相连。当轴向助力式电驱单元1的电源接口50接插正确时，MOSFET的栅极电压高于源极电源，MOSFET导通；当轴向助力式电驱单元1的电源接口50接插反向时，MOSFET的栅极电压低于源极电源，MOSFET不导通；因此该MOSFET起到轴向助力式电驱单元1防反接插作用；电源滤波防反电路模块内部有一个差模电感，一端与MOSFET的源极S相连，一端输出电机驱动电源和主控电路电源。主控电路电源用于电源管理模块64的输入，电机驱动电源用于电机逆变桥预驱动模块66、电机逆变桥模块和电机相线关断模块的电源输入。其中差模电感用于电源滤波，以提升轴向助力式电驱单元1的EMC性能。

电源管理模块64工作原理：电源管理模块64内部有一个PMIC芯片，该PMIC芯片的电源输入引脚与主控电路电源相连，该PMIC芯片的唤醒引脚与车辆点火信号相连，该PMIC芯片的使能引脚与主控芯片模块65的电源保持信号相连。同时该PMIC芯片具备SPI通讯功能，并通过SPI通讯与主控芯片模块65的SPI通道相连。当车辆点火信号为高时，PMIC芯片输出主控芯片模块5V、角度传感器5V、总线通讯5V、电机位置传感器5V共四路5V电源，从而实现了轴向助力式电驱单元1内部各个模块之间的电源隔离供电。主控芯片模块65上电初始化后，通过ADC模块检测点火信号的电压，一旦点火信号的电压超过标定值时，主控制芯片模块65设置内部点火信号变量，此后主控芯片模块65通过IO端口输出电源保持高电平信号。电源保持信号与PMIC芯片的ENA引脚相连，以同时保持PMIC芯片各路电源的正常输出。当车辆行驶中如因震动或线束接触不良等缘故发生硬线点火信号不稳定时，因主控芯片模块65的电源保持信号输出为高电平可持续使能PMIC芯片，保证其各路电源的正常输出，以保证轴向助力式电驱单元1不会突然下电停机，从而提高系统安全性。当轴向助力式电驱单元1检测到点火信号为低时，轴向助力式电驱单元1根据自有的工作模式进入下电检测控制策略，一旦轴向助力式电驱单元1将下电所对应的数据存储到芯片内部EEPROM中后并且下电策略检测完成，主控制芯片模块65将电源保持信号设置为低，PMIC芯片将禁止各路5V电源的输出，轴向助力式电驱单元1进入下电模式。PMIC芯片支持SPI通讯和内部故障诊断功能，主控芯片模块65可以通过SPI通讯读取电源管理模块的输入电压过压/欠压状态，用于力矩输出的控制，以免因整车电压过低时大力矩输出造成整车电源的过度消耗；轴向助力式电驱单元1的电源管理模块64可以实现轴向助力式电驱单元1在低功耗休眠时通过车辆CAN总线信号或车辆点火信号进行唤醒，可以实现当车辆行驶过程中，因总线工作使能或点火信号丢失的情况下，通过主控制芯片模块65的电源保持信号输出继续保持电源管理模块64的各路5V电源输出，为电驱动单元的各个模块提供工作电源，使电驱动单元可持续工作，以保证车辆安全行驶。轴向助力式电驱单元1的电源管理模块64具有四路5V电源输出，为主控芯片模块65供电，为电机位置传感器68供电，为外部角度传感器51供电，为总线通讯模块供电。每一路5V电源独立输出，且具有故障检测能力，可以保证当单一外围电路出现短路等故障时禁止该路电源的输出，其他电源正常工作，同时主控芯片模块65可以通过SPI总线读取电源管理模块的故障，并记录相应的故障存储于主控芯片模块65的EEPROM中供售后识别及故障排查。

SENT协议处理模块工作原理：轴向助力式电驱单元1选用外部冗余型四通道角度传感器73，该角度传感器73输出4路SENT角度信号，通过线束77与角度传感器接口51相连、然后角度传感器接口51和桥接头53后与控制器主控电路板48连接(连接器15上的针脚52，用于与电路板48上的信号桥接器53焊接相连)，实现与主控芯片模块65中的SENT协议处理模块的通讯，其中SENT1通道与SENT协议处理模块相连，传输L1_A1角度信号；其中SENT2通道与SENT协议处理模块相连，传输L1_A2角度信号；其中SENT3通道与另一路SENT协议处理模块相连，传输L2_A1角度信号；其中SENT4通道与另一路SENT协议处理模块相连，传输L2_A2角度信号；一路SENT协议处理模块收到L1_A1角度信号和L1_A2角度信号后进行比例因子转换得到一个0度到40度的ANGLE_1角度值和一个0度到60度的ANGLE_2角度值，然后通过ANGLE_1角度值和ANGLE_2角度值利用游标算法计算出一个0度到180度的外部角度值。如图16所示。该轴向助力式电驱单元65支持4路SENT协议的外部冗余型角度信号传感器，每一路主芯片模块中的SENT协议处理模块分别与两路SENT角度信号相连接，进行角度信号的解析计算和校验处理，以保证角度信号的可靠性，为主控芯片模块65的角度控制提供安全可靠的外部角度反馈输入。

总线通讯模块工作原理：该轴向助力式电驱单元1连接在车辆CAN总线网络71中，通过CAN通讯接口62、桥接头53与控制器主控电路板48连接，实现与主控芯片模块65中的总线通讯模块的通讯，总线通讯模块在硬件PCB设计上布置了一颗CAN通讯芯片，其中CAN芯片的CANH和CANLCAN通讯接口的端子接入整车总线网络。CAN芯片的RX和TX与主控芯片模块的CAN协议处理模块相连，主控芯片模块65通过CAN协议处理模块进行CAN总线信号的解析；该轴向助力式电驱单元65的CAN协议处理模块支持CAN-FD和CAN总线通信协议，在硬件设计上布置了CAN-FD通讯芯片和CAN通讯芯片，可以根据车辆总线的需要进行选择CAN-FD通讯芯片或CAN通讯芯片，该类CAN芯片均支持唤醒低功耗休眠状态下的电源管理模块64和主控芯片模块65。

电机逆变桥模块67与电机相线关断模块69的工作原理：基于冗余型故障模式的设计要求，每路相线关断模块中有三个各自串联在相线UVW上的MOSFET，用于双绕组六相电机单绕组UVW三相的通断控制，以达到对双绕组六相电机的相线进行关断功能，主控制芯片模块65通过控制相线关断模块中的MOSFET而具备控制双绕组六相电机UVW相线通断的能力。由于电机逆变桥模块67的MOSFET是基于PWM的时序逻辑控制的，其导通前需进行严格的初始化检测。主控制芯片模块65上电初始化时对内部软件、数据和电机逆变桥模块67外围电路进行故障检测，仅当主控制芯片模块65检测故障等级E和电机逆变桥模块67无驱动故障时主控制芯片模块65控制电机逆变桥驱动模块67的使能和电机相线关断模块的使能。从而使电机相线关断模块的导通，双绕组六相电机绕组上电。否则电机相线关断模块不导通，以防止意外力矩的输出，从而提高双绕组六相电机上电控制的安全性；该轴向助力式电驱单元1集成了一个8极12槽的双绕组六相永磁同步电机，其中12槽定子绕组按照六槽一个星点进行连接，在同一电机本体中组成两路UVW三相电机的定子，控制器的每路三相逆变桥模块可以单独控制的一个电机绕组驱动电机转子60旋转工作，同时在双绕组六相永磁同步电机的转子尾部安装了一个传感器靶板59，通过一个空心式带两路涡流感应式芯片的冗余型电机位置传感器68进行电机转子旋转角度的检测；

电机逆变桥驱动模块66和电机逆变桥模块67工作原理：电机逆变桥驱动模块66是设置一颗电机预驱动芯片，该芯片支持SPI通讯用于主控芯片模块65来配置预驱动芯片和读取预驱动芯片的故障状态；该预驱动芯片的使能引脚与主控芯片模块65的IO端口相连，用于主控芯片模块65来使能预驱动芯片；该预驱动芯片有六个引脚与主控芯片模块65的六个PWM端口相连，用于接收PWM信号来驱动电机逆变桥模块67的六个MOSFET的开断进而驱动双绕组六相电机绕组，主控芯片模块65在工作前进行完整的电机逆变桥模块67故障模式检测，以确保电驱单元不会因为内部故障导致MOSFET短路，从而确保双绕组六相电机绕组不会因为MOSFET短路而出现卡死现象，导致车辆无法转向的情况发生；该轴向助力式电驱单元1包含两路电机逆变桥预驱动模块66、两路电机三相逆变桥模块67和两路电机相线关断模块，每一路电机逆变桥预驱动模块66、电机三相逆变桥模块67和电机相线关断模块形成一组，用以接收该路主控芯片模块65的PWM信号，进行电机驱动的逆变调制，控制电机的一路绕组的三相磁场。同时每路电机相线关断模块与电机的UVW三相相连，当轴向助力式电驱单元1出现故障时，主控芯片模块65通过关断电机相线关断模块来确保电机三相逆变桥模块67不会因为轴向助力式电驱单元内部电路故障而短路，保证双绕组六相永磁同步电机不会因为电机三相逆变桥模块67的短路而出现电机卡死现象，以提高系统的安全可靠性；

主控芯片模块65工作原理：两路主控芯片模块65通过SPI与信号光隔离模块连接，轴向助力式电驱单元1上电时，两路主控芯片模块65进行上电初始化及互相故障检验，如果任何一方出现校验错误时，该主控制芯片对当前错误进行故障等级分类。如果故障等级达到力矩限制等级D时，该主控芯片模块65禁止电机逆变桥驱动模块67的使能和电机相线关断模块69的使能(电机将无法通电)，防止意外力矩的输出。该轴向助力式电驱单元1包含两路主控芯片模块65，每路主控芯片模块65包含一颗32位的微处理器，该微处理器与总线通讯模块相连，用于CAN通讯协议的解析；该微处理器与SENT协议处理模块相连，用于传感器角度信号的解析计算；该微处理器与电机逆变桥预驱模块相连，微处理器用PWM信号生成电机三相逆变桥模块的正旋电压；该微处理器与电机相线关断模块相连，用于对电机三相关断的开启保护；该微处理器与电机位置传感器68相连，用于电机转子角度位置信号的检测计算；

双主控芯片模块65的协同监控工作原理：

a)、两路主控芯片模块65分为主从控制模式，每路主控芯片模块65用于对双绕组六相电机中单一绕组的力矩控制、电机角度位置信号的检测、电机逆变桥驱动模块66、电机逆变桥模块67和电机相线关断模块69的控制；两路主控芯片模块65利用CAN协议处理模块解析整车总线信号、进行转向应用层力矩计算策略的执行、外部角度信号的计算，从而计算出最终控制角度和电机输出力矩，然后主控芯片模块65(主)将电机输出力矩除以2，力矩的二分之一用作本路的电机力矩输出，力矩的二分之一通过SPI传输至另一路主控芯片模块65(从)，该主控芯片模块(从)收SPI传输过来的力矩控制目标与自己计算的力矩目标的二分之一进行校核，校核误差在标定值范围内，用作本路的电机力矩输出；

b)、其中一路主控芯片模块65(主)中实时运行软件安全监控模块1_1和软件安全监控模块2_2，另一路主控芯片模块65(从)中实时运行软件安全监控模块2_1和软件安全监控模块1_2。其中软件安全监控模块1_1用于本主芯片模块65(主)监控运算，软件安全监控模块1_2运行在另一路主控芯片模块65(从)中，作为接收SPI和光隔离模块传输过来信号的校核运算。其中软件安全监控模块2_1用于本主控芯片模块65(从)的监控运算，软件安全监控模块2_2运行在另一路主控芯片模块65(主)中，作为接收SPI和光隔离模块传输过来信号的校核运算。轴向助力式电驱单元1的两路主控芯片模块65在运行过程中通过SPI和光隔离模块进行的变量数据的交互传输，接收方用收到的数据进行算法运算，并将运算后的结果与收到的结果进行比对校核。如果校核发现错误，实时对错误进行故障等级E/D/H分类；如果主控芯片模块65在上电初始化校验中发现故障等级E或无故障时，主控芯片模块65控制电机逆变桥驱动模块66和电机逆变桥模块67使能，电机逆变桥模块67和电机相线关断模块69导通(电机上电)，轴向助力式电驱单元1进入角度控制模式以提供力矩输出。轴向助力式电驱单元1角度控制模式后如果轴向助力式电驱单元1在运行过程中发现错误，实时对错误进行故障等级E/D/H分类；轴向助力式电驱单元1的等级E故障将作为故障信息被记录，轴向助力式电驱单元1的角度控制模式不受影响；等级D故障的产生，将使轴向助力式电驱单元1执行故障模式切换，轴向助力式电驱单元1不再接受外部角度控制命令，主控芯片模块65立即关闭电机相线关断模块69断开双绕组六相电机的某一个绕组。轴向助力式电驱单元1系统进入故障工作模式后，双绕组六相电机的某一个绕组力矩输出将降低至为零(即无力矩输出状态)，双绕组六相电机的另一个绕组力矩输出为50％；

c)、当任一电源管理模块64、主控芯片模块65、电机逆变桥驱动模块66、电机逆变桥模块67、电机相线关断模块69、双绕组六相电机的单一绕组出现故障时，轴向助力式电驱单元1定义为单一控制器失效，轴向助力式电驱单元1输出50％力矩；

d)、当任一电机位置芯片通道、总线通讯模块、角度信号出现故障时，轴向助力式电驱单元1定义为单一节点失效，轴向助力式电驱单元1的主控芯片模块65通过SPI和光隔离模块传输有效的电机位置信号至失效节点，以保证轴向助力式电驱单元1输出100％力矩；

线控转向系统轴向助力式电驱单元1的系统模式切换，如图16、图17所示，包括以下步骤：

A)、当车辆点火开关打开为高电平或者CAN线唤醒信号到来时，轴向助力式电驱单元1被唤醒进入初始化及自检过程，并读取存储器参数，该模式下如主控芯片模块65自检完成且无故障，CAN总线71接收到的工作模式使能信号为低时电驱单元1进入自检完成模式，此时电驱单元1不会接受外部角度控制命令产生力矩输出；

B)、轴向助力式电驱单元1自检完成无故障并且接收到CAN总线71中的工作模式使能信号为真时，轴向助力式电驱单元1进入正常工作模式，可接受外部角度命令控制。正常运行时如发现故障，轴向助力式电驱单元1对故障进行等级识别，等级E故障将作为故障信息被记录，系统力矩输出和外部角度控制不受影响，若果某一路有等级D/H故障的产生，将使轴向助力式电驱单元1执行故障模式切换，轴向助力式电驱单元1的某一绕组进入限制角度控制和力矩输出模式后，轴向助力式电驱单元1的力矩输出将以50％的模式输出，且通过CAN总线71点亮故障灯以提示；

C)、当CAN总线71中工作模式使能信号为低时且车速小于标定值(包括车速信号丢失)时，轴向助力式电驱单元1进入软件检测关闭模式。该模式下轴向助力式电驱单元1对力矩输出实施逐渐降低至零控制，直至软件关闭检测完成，系统进入休眠模式，如果在软件关闭检测未完成时，点火ON或工作模式使能，系统返回正常工作模式；

D)、轴向助力式电驱单元1在上电自检过程中如发现等级为D/H的故障时即进入故障工作模式，轴向助力式电驱单元1在该工作模式下不能接受外部角度命令控制和提供力矩输出，且通过CAN总线71点亮故障灯以提示；

E)、正常运行时如发现故障，轴向助力式电驱单元1对故障进行E/D/H等级识别，等级故障为H时轴向助力式电驱单元1切换进入故障模式，系统根据计算后的比例将力矩输出缓慢降低至为零，该模式下不能提接受外部角度命令控制和不提供力矩输出，且通过CAN总线71点亮故障灯以提示；

F)、故障模式下检测到CAN总线71工作模式使能信号为低时，系统直接进入休眠模式；

该轴向助力式电驱单元1包含两路主控芯片模块65，两路主控芯片模块65通过信号光隔离模块相连，在电驱动单元工作时，两路主控芯片模块65相互监控，实时通过信号光隔离模块对每路主控芯片模块65的力矩、角度、工作模式、安全状态信号等进行同步校验运算，两路主控芯片模块各自工作在50％状态下，当任一路主控芯片模块65出现故障时即进入故障模式，另一路主控芯片模块65仍然工作在50％工作状态下，在保证车辆安全的情况下提供50％的力矩输出，以确保车辆安全行驶，从而防止车辆载物情况下的突然失控；

该轴向助力式电驱单元1每路主控芯片模块65通过接收车辆的总线上工作模式使能信号、车速信号、四轮轮速信号、外部线控转向命令信号以及检测到的传感器角度信号，然后主控芯片模块65运行内部力矩计算模块、角度控制模块以及转向控制策略和系统安全控制策略，用一种可控的方法接收外部角度控制命令控制转向系统提供力矩输出，通过转向装置转换成推力，推动车辆转向桥上的转向拉杆76，转向拉杆76带动车轮74偏转，与此同时通过转向桥上的车轮角度传感器检测当前转向的角度，从而实现车辆转向的闭环控制。

本实施例的具体实施方式：

将传感器电路板及底座68装到电机端盖82，用螺钉81固定；将传感器靶板59焊接在电机转子60上；如图2所示；

将传感器桥接件55压入传感器平直端子57上，将相线桥接件47通过电阻焊焊接在电机六相线46上；如图3所示；

将焊接信号桥接件53和相线桥接件49的主控电路板装入电机壳体22，并在预留安装孔内打紧安装螺钉85固定，然后通过电阻焊将相线桥接件49与相线桥接件47焊接在一起，形成电气连接属性；如图4所示；

将带有电源连接件50、传感器连接件51和通讯连接件62的一体式连接器15通过螺钉85固定在外盖84上，形成带连接器的外盖总成86，如图5所示；

将外盖总成86通过六个螺钉88安装在电机壳体22上，然后通过电阻焊将电源连接件50与电源桥接件47焊接在一起，将传感器连接器51和通讯连接器63的端子与信号桥接件53焊接在一起。然后将连接器保护盖87装配一体式连接器15上，形成如图6所示。将轴向助力式电驱单元1装配完成；

将丝杠2放置于轴向助力式电驱单元1的内孔，将钢球3装入丝杠2与丝杠螺母20组成的螺旋钢球滚道中；将钢球导管13插入丝杠螺母20的导管孔内，将导管夹21装配到钢球导管13上，以固定钢球导管13，形成电驱单元与丝杠总成31，如图7所示；

将第二O型密封圈36装配到丝杠衬套16上，形成丝杠衬套总成80，如图8所示；

将丝杠衬套总成80装入转向壳体18中，使丝杠衬套16的法兰35卡入转向壳体18的内孔的环槽34内，以轴向固定丝杠衬套16；如图9所示；

将油封19装配到转向壳体18里，形成转向壳体总成32，如图10所示；

将辅助衬套6装入助力壳体5里，形成助力壳体总成33，如图11所示；

将转向壳体总成32装配到电驱单元与丝杠总成31上，用螺栓17连接电机壳体22和转向壳体18；将助力壳体总成33装配到电驱单元与丝杠总成31上，用螺栓4固定电机壳体22和助力壳体5，如图12所示；

分别将2个丝杠护罩8装配到助力壳体5上，用卡箍7箍紧，如图13所示；

将锁紧螺母12装配到转向内球节11上，然后将转向内球节11装配到丝杠2上，并拧紧锁紧螺母12。丝杠2的两端各装配1个转向内球节11和锁紧螺母12。如图14所示；

将丝杠护罩8的另一端装配到锁紧螺母12上，并用卡箍10箍紧，装配完成，如图1所示。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块、模组或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元、模组或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，其特征在于，包括：

轴向助力式电驱单元（1），其包括电机；所述电机包括电机转子（60）和电机定子（44）；

丝杠（2），其两端对应安装有两个转向内球节（11）；两个所述转向内球节（11）与对应的两个转向拉杆（76）铰接；所述转向拉杆（76）通过车轮转向臂（75）与车轮（74）连接；

传动机构（70），其与丝杠（2）传动连接；所述传动机构（70）与电机转子（60）固定连接；所述传动机构（70）用于将电机转子（60）提供的扭矩转换为对丝杠（2）的轴向力；

其中：所述传动机构（70）包括丝杠螺母（20）和钢球（3）；

所述丝杠螺母（20）套设在丝杠（2）上，并与电机转子（60）固定连接；所述丝杠螺母（20）和所述丝杠（2）之间设置有螺旋钢球滚道；

所述钢球（3）设置在螺旋钢球滚道中；

所述电机还包括电机壳体（22），所述电机转子（60）和电机定子（44）均位于电机壳体（22）内；

所述电机壳体（22）套设在转向壳体（18）外侧；

所述转向壳体（18）与电机壳体（22）之间设置有第一O型密封圈（14）；

车辆线控转向装置还包括丝杠衬套（16）和转向壳体（18）；

所述丝杠衬套（16）套设在丝杠（2）上；所述转向壳体（18）套设在丝杠衬套（16）上；

所述丝杠衬套（16）外侧设置有法兰（35）；所述转向壳体（18）内侧开设有环槽（34）；所述法兰（35）与环槽（34）卡接；

所述丝杠衬套（16）与转向壳体（18）之间设置有第二O型密封圈（36）；

所述丝杠螺母（20）外侧套设有助力壳体（5）；

所述丝杠（2）两端分别固定设置有锁紧螺母（12）；

所述丝杠（2）上设置有丝杠防护罩（8）；

所述防护罩（8）的一端通过小卡箍（7）固定在转向壳体（18）和助力壳体（5）上，另一端采用大卡箍（10）固定在锁紧螺母（12）的环槽（38）上；

在电机壳体（22）上设置了第一安装孔（23）、第二安装孔（24）、第三安装孔（29）和第四安装孔（30）；在助力壳体（5）上设置了第五安装孔（25）、第六安装孔（26）、第七安装孔（27）和第八安装孔（28）；用螺栓（79）将转向装置通过第一安装孔（23）、第二安装孔（24）、第三安装孔（29）、第四安装孔（30）、第五安装孔（25）、第六安装孔（26）、第七安装孔（27）和第八安装孔（28）安装到车辆车桥（72）上。

2.根据权利要求1所述的基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，其特征在于：

所述电机转子（60）为空心转子；

所述丝杠（2）穿过电机转子（60）。

3.根据权利要求2所述的基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，其特征在于：

所述丝杠（2）两端均开设有内螺纹孔，转向内球节（11）的一端设有外螺纹，两个转向内球节（11）带有外螺纹的一端分别旋入对应的丝杠（2）的内螺纹孔中固定连接。

4.根据权利要求3所述的基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，其特征在于：

所述锁紧螺母（12）的环槽（38）两端设置环状凸起的第一挡肩（37）和第二挡肩（39）。

5.根据权利要求4所述的基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，其特征在于：

所述锁紧螺母（12）的外侧开设有用于容纳转向内球节（11）的外圆部位的内孔（41）。

6.一种基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置的控制方法，所述车辆线控转向装置为如权利要求1-5任一所述的基于轴向助力式电驱单元的车辆线控转向装置，其特征在于，包括以下步骤：

电机定子（44）驱动电机转子（60）转动，电机转子（60）带动传动机构（70）共同转动；

传动机构（70）驱动丝杠（2）轴向运动，丝杠（2）带动其两端的内球节（11）共同移动；

两个转向内球节（11）通过两个转向拉杆（76）拉动车轮转向臂（75）移动，使得两侧车轮（74）转向。