CN1746064A - 电动车转向系统及电动车转向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车转向系统，包括用于产生车辆转向信号的方向指示单元；用于采集车辆状态值，并转化为电信号的信息采集单元；用于对上述两种电信号进行处理运算，并得出转向控制指令的处理运算单元；依据转向控制指令，进行车辆转向的控制执行单元；其中，方向指示单元、信息采集单元、控制执行单元均与处理运算单元电连接；所述的转向控制指令是对车辆的各车轮分别做出的转向控制指令，是通过控制执行单元分别独立执行的。本发明还公开了一种通过上述系统实施的电动车转向方法，实现了车辆转向的智能化操作。

Description

电动车转向系统及电动车转向方法

【技术领域】

本发明涉及一种电动车转向系统，尤其是涉及一种应用电子化控制，对各个车轮分别进行驱动或制动，通过轮速差而实现汽车转向的电动车转向系统。本发明还涉及一种通过上述系统实施的电动车转向方法。

【背景技术】

汽车技术的发展日新月异，随着电子技术，尤其是IC芯片的集成功能越来越强大，汽车设计也逐步开始向电子化方向迈进，传统汽车中为数众多的机械化构件已逐渐被电子化器件所替代。在汽车的动力传动总成、底盘控制、车身控制及信息与通讯等领域，汽车电子化都已经进行了相当广泛的应用，相较于传统的汽车而言，汽车的概念已然发生了翻天覆地的变化，而且，随着电子化程度的提高，现代汽车有关的设计、制造思想和方法也将发生重大变革。

在传统汽车中，负责执行汽车转向工作的是转向系，也可称之为前轮转向(2WS)，目前仍在应用之中，其通常由转向盘(即方向盘)、转向轴、转向节、转动轴、转向器、转向横拉杆和转向轮(即前轮)等机械构件组成。这种转向系其具体的工作原理是：转向盘转动，其提供的扭矩传递至转向器中，操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向横拉杆的摆动，使转向轮也呈现出摆动，从而改变汽车行驶的方向。

由于现如今的汽车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，人们在现有转向系的基础上，对中高档次的汽车转向器又都加装了动力转向装置，又称为液压动力转向器。它通过助力器辅动车轮转向，从而减轻了驾驶者的劳动强度，减少了方向盘的转数，特别是减少了车辆在停车转向时的操纵力。

近来，为了更有效地增强汽车在高速行驶或者在侧向风力作用下的操纵稳定性，改善低速时的操纵轻便性，在汽车高速行驶时便于由一个车道向另一个车道的移动调整，以及减少调头时的转弯半径。人们又开发出四轮转向(4WS)技术，这是一种使后轮与前轮一样，也具有一定转向功能的技术，其不仅可以使后轮与前轮同方向转向，也可以与前轮反方向转向。

但是，应用上述技术的车辆在实现转向时，仍然是采用传统的机械转向构件实现转向操作。这种方式下，其机械结构复杂，响应速度慢，而且对驾驶员的操作要求高，通常还需要加装EPS(电子助力转向装置)。在操作上还远远不能达到自动化的程度，因而一直以来成为汽车设计中难以解决的问题。

但是，这种现象在实用性的电动车出现后得到了解决。在电动车领域，已逐渐出现了一种新的的四轮驱动技术，如CN1394768A“电动汽车四轮驱动新模式”中，就是采用由多个轮毂电机作为汽车驱动的动力源设备，通过每个车轮上的轮毂电机对各自车轮的驱动以达到汽车行使的目的。这种方式不仅改变了汽车的结构(如取消了传统汽车的动力传动装置)，同时在功能上也发生了改变，以轮毂电机的无极调速取代了变速箱；以多电机分别驱动车轮，取代了差速装置；以直接传动取代了多极传动。同时，这种电动汽车在实现转向操作时，前轮随方向盘一起转动后，为了抵消车辆绕Z轴(垂直轴)的横向力及横向加速度，车辆的各车轮也相应地进行协调，内侧轮的阻转矩加大，其转速相应减小，而外侧轮的阻转矩增加值较小，其转速降低值也小，从而内侧轮转速慢，外侧轮转速快，电动车将随着方向盘的转动和前轮的偏转而平顺的改变车辆的运行方向。

另一种通过轮速差实现车辆转向的方式，如CN2402533Y“电动汽车”中，其采用方向盘式转向机，并在后轮上分别设有轮毂电机，且由调速控制器控制，当进行转向操作时，方向盘式转向机确定转向角度后，通过调速控制器控制车辆一方的轮毂电机停转，而另一电机仍在转动，这样，就通过车轮之间的差速转动来实现车辆的转向。

但是，上述的两种方式中，均是在前轮已进行转向操作后进行的，所以并不是产生车辆转向的主导方式，而均是通过辅助转向的方式来消除车辆在垂直方向上产生的扭矩，以使汽车保持稳定，其并未改变传统汽车的前轮转向机构，所以仍存在机械式构件的弊端。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种电动车转向系统，该系统通过电子化控制的方式，替代了传统汽车的机械式转向结构，从而提高了汽车操作及控制的可靠性与精确度。

本发明所要解决的另一个技术问题是，提供一种电动车转向方法，该方法不同于传统汽车的机械式转向方法，而采用电子化控制的方式，实现了汽车转向的智能化操作。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种电动车转向系统，包括用于产生车辆转向信号的方向指示单元；用于采集车辆状态值，并转化为电信号的信息采集单元；用于对上述两种电信号进行处理运算，并得出转向控制指令的处理运算单元；依据转向控制指令，进行车辆转向的控制执行单元；其中方向指示单元、信息采集单元、控制执行单元均与处理运算单元电连接；所述的转向控制指令是对车辆的各车轮分别做出的转向控制指令，该分别独立执行的转向控制指令是通过处理运算单元输入控制执行单元的。

在本发明电动车转向系统中：

所述的方向指示单元包括用于产生一个车辆的转向角度的方向盘。

方向指示单元还包括有连接在方向盘上的转角传感器。

所述的转角传感器与处理运算单元电连接，将车辆的转向角度发送至该处理运算单元。

所述的信息采集单元主要由传感器构成，包括：四个可分别感应各个车轮速度的轮速传感器，其分别连接在四个车轮上；前后两个可感应车辆的速度信号的车速度传感器，分别装设在车身的前部和后部；装设于车辆质心处，可监测车辆绕Z轴(垂直轴)的旋转情况的车辆横向角速度传感器；同样装设于车辆质心处，可监测车辆横向加速度的车辆横向加速度传感器，上述车辆的状态信号均发送至处理运算单元。

还有加速踏板输入、制动踏板输入、停车灯开关信号及驻车制动输入这样一些车辆的状态信号的传感器与处理运算单元电连接，将所测信号也发送至处理运算单元。

所述的处理运算单元，主要为一车辆转向ECU，其装设在车身内部，车辆转向ECU内部存储有车辆的各种状态参数。

所述的处理运算单元具有在接收到车辆的转向信号和状态信号后，用于对这些信号进行处理运算，并得出车辆的瞬时状态参数和理想状态参数的工作流程的程序软件。

所述的处理运算单元还具有用于对所述瞬时状态参数与理想状态参数进行比对，并做出转向控制指令的工作流程的程序软件。

所述的能输出转向控制指令的处理运算单元通过CAN总线与控制执行单元电连接。

所述的控制执行单元包括电池管理ECU、电机控制ECU、电子制动系统ECU、和轮毂电机及制动机构，且前三者与轮毂电机及制动机构电连接，以对后者进行控制。

所述的电机控制ECU与各车轮的轮毂电机电连接；所述的电池管理ECU与各轮毂电机电连接对驱动电流进行控制；所述的电子制动系统ECU与制动机构电连接并进行控制。

所述的轮毂电机及制动机构可以是独立的两个，也可以是独立的四个，并且都是连接在各车轮上。

所述的轮毂电机及制动机构还可连接有多个传感器，该多个传感器包括：电机转速传感器、转矩传感器、温度传感器、电压传感器、制动液压力传感器。

本发明还公开了一种通过上述系统实施的电动车转向方法，其实现了车辆转向的智能化操作。所述方法包括以下步骤：

(1)由方向指示单元产生车辆转向信号；

(2)由信息采集单元采集车辆状态信号；

(3)由处理运算单元处理上述信号，并得出车辆的瞬时状态参数和理想状态参数；

(4)比对上述两种参数；

(5)根据比对结果的差值由处理运算单元做出对各车轮独立的转向控制指令；

(6)由控制执行单元执行转向控制指令，同时，从步骤2重复执行，直至所述的两种参数相符。

本发明的有益性效果是：

本发明提出一种应用现有技术方法中的设计经验，在电动车中已取消传统汽车的动力传动系的基础上，再取消机械式转向系，采用以轮毂电机驱动的方式，仅通过对各车轮分别进行不同的动力驱动，或者加以制动，而产生各车轮之间的轮速差，从而实现车辆的转向。

本发明电动车转向系统及方法，取消了传统车辆中的机械式转向机构，通过采用电子化控制各车轮轮毂电机的驱动或制动的方法，通过轮速差来实现电动车的转向。

由于取消了传统的转向机构，车身底盘应用范围扩大，非常有利于车辆的整车布置；传统车辆上的EPS(电子助力转向系统)也可以取消；同时，采用电子化控制，较传统的机械式控制，响应更加迅速，智能化程度更高；充分利用轮毂电机的独立控制优势，使车辆控制更方便可靠。

【附图说明】

下面参照附图结合实例对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明电动车转向系统的原理方框图；

图2为本发明电动车转向系统实施例的结构方框图；

图3为本发明电动车转向方法的流程图。

【具体实施方式】

请参阅图1，本发明电动车转向系统，包括：用于产生车辆转向信号的方向指示单元1、用于采集车辆状态值，并转化为电信号的信息采集单元2、用于对上述两种电信号进行处理运算，并得出转向控制指令的处理运算单元3、和依据转向控制指令，进行车辆转向的控制执行单元4，其中，方向指示单元1与处理运算单元3的输入口连接；信息采集单元2与处理运算单元3的输入口连接；而处理运算单元3的输出口则与控制执行单元4连接以进行控制输出。

请继续参阅图2，结合具体的实施例进行说明。所述的方向指示单元1包括方向盘12和连接于其上的转角传感器14。其中，所述的方向盘12与现有的汽车方向盘在外形上并无不同，但是其并不提供车辆转向时的扭矩，而仅是作为一种车辆的操作输入设备存在的。也就是说，当转动方向盘12时，即能够得到一个车辆进行转向时的转向角度，这个转向角度由连接在方向盘12上的转角传感器14采集得到，并且通过转角传感器14将这个车辆转向角度的物理量转化为电信号，再发送至处理运算单元3。如此，由方向指示单元1作出的方向转向信号即可送入处理运算单元3进行运算。

当然，作为对本实施例的补充，所述的方向指示单元1还可以是其它同样能够反映出车辆转向角度的设备。

采用这样的方向指示单元1，由于方向盘12不提供扭矩，所以没有现有车辆中机械式的转向系，该方向盘12仅占用一定的驾驶员控制空间，其并不占据现有转向系中转向轴、转向节、转向横拉杆等装置所占用的空间，因而对车辆的空间上也相应的有所节俭，从而可以提供更多的应用空间以利它用。

所述的信息采集单元2由传感器构成，其布置在车辆的各个部位，可采集车辆在行使状态或非行使状态下的各种状态值，因为这些状态值是车辆进行转向时，处理运算单元3做出转向控制指令的重要依据，其具体包括：四个可分别感应各个车轮速度的轮速传感器21，分别连接在四个车轮上；前后两个可感应车辆的速度信号的车速度传感器22，分别装设在车身的前部和后部；装设于车辆质心处，可监测车辆绕Z轴(垂直轴)的旋转情况的车辆横向角速度传感器23；同样装设于车辆质心处，可监测车辆横向加速度的车辆横向加速度传感器24。这些传感器所监测得到的车辆的状态信号都将发送至处理运算单元3。

另外，还有一些车辆的状态值也同时被采集，并发送至处理运算单元3，其中包括加速踏板输入25(即踩踏油门)、制动踏板输入26(即踩踏刹车)、停车灯开关信号27及驻车制动输入28(即手刹车)。上述的这些状态信号也将作为处理运算单元3做出转向控制指令的重要依据。

所述的处理运算单元3，为一车辆转向ECU，其装设在车身内部，而且在其内部具有存储器，存储有车辆的各种状态参数。其处理运算的过程是：在接收到车辆的转角信号后，通过预先存储的车辆状态参数，加以计算即可得出车辆转向的理想状态参数(如理想的横摆角速度和横向力值)，同时，通过接收到的前述的各类状态信号，经过处理、计算后，即可得出车辆的瞬时状态参数。此时，将瞬时状态参数与理想状态参数进行比较，二者若不相符，处理运算单元3就将对各车轮分别做出相应的转向控制指令，并传递至控制执行单元4。这种运算过程是一直持续的，直至车辆转向的瞬时状态与理想状态达成相符的条件。

所述的控制执行单元4与处理运算单元3是通过车辆的CAN总线连接的，其包括电池管理ECU 41、电机控制ECU 42、电子制动系统ECU 43和轮毂电机及制动机构44，且前三者与后者均具有电连接，以对后者进行控制。所述的控制执行单元4的控制执行过程是：在接收车辆转向ECU所发送的转向控制指令后，根据该转向控制指令，由电机控制ECU 42分别对各车轮的轮毂电机进行控制，此时，通过电池管理ECU 41的管理协调来控制各轮毂电机的驱动电流，当所供应的电流增加时，轮毂电机的转速将加快，反之亦然，从而控制各轮毂电机的功率输出；同样，当转向控制指令中要求有制动动作产生时，电子制动系统ECU 43也可以对要求制动的车轮的轮毂电机作出制动指令，而进行该车轮的制动控制及调节。

所述的轮毂电机及制动机构44可以是独立的两个，以实现前轮转向，也可以是独立的四个，以实现四轮转向，并且都是连接在各车轮上，采用现有的技术成熟的汽车零部件，而且其上还连接有多个传感器，包括：电机转速传感器441、转矩传感器442、温度传感器443、电压传感器444、制动液压力传感器445，以监测轮毂电机及制动机构44的工作状态，及时向控制执行单元4反馈以便于调整。

上述即为本发明电动车转向系统的基本组成，它完全不同于现有汽车中所采用的机械式转向机构，同样，在现有的电动车中，普遍地也是采用这种机械式转向机构，因而，在采用本发明这种新的电动车转向系统后，其实际的装配和与车辆其他零部件的连接上则是完全不同的。

电动车的动力源主要为可重复使用的蓄电池，限于目前的技术水平，电动车蓄电池的体积质量往往很大，这就要求在车辆上能够提供较大的空间来放置蓄电池。在现有的电动车中，蓄电池通常安装在车辆的底盘上，但是，汽车底盘上同时还装设有传统的机械式转向机构，二者难免在布置上产生冲突，为设计研发人员的设计带来不便。

而采用本发明电动车转向系统后，由于采用电子化控制，以各种ECU替代了传统的机械式构件，这样车身底盘的可用空间得到了延伸，所以在蓄电池的布置上也带来了便利，同时，扩大的空间也同样可以使蓄电池的容量扩大，从而提供更加充足的动力。

在实际的操作中，本发明电动车转向系统的工作原理一般是这样的：

当车辆在行驶过程中，驾驶员由于某种原因需要对车辆进行转向操作时，驾驶员转动方向盘，此时，转角传感器即可监测到转角信号，并且将该转角信号发送至车辆转向ECU，同时，车辆转向ECU也监测四个车辆轮速传感器信号、前后车辆速度传感器信号、车辆横摆角速度传感器信号、车辆横向加速度传感器信号，以及车辆的加速踏板输入、制动踏板输入、停车灯开关信号、驻车制动输入。车辆转向ECU对这些信号进行处理分别计算出车速大小，各轮转速，车辆的横摆角速度，横向作用力，驾驶员转向输入，再根据车辆转向ECU内存储的车辆参数计算出理想的横摆角速度值和横向力值，然后和实际值进行比较，得出车辆瞬时状态(转向情况)与理想状态的差别，并进一步做出转向控制指令，然后将结果通过CAN总线输送到相应的电机控制ECU、电池管理ECU和电子制动系统ECU，来控制各个轮毂电机的电流输入(控制转矩)或同时对某电机进行制动，之后再比较在某车速及方向盘输入情况下，车辆的横摆角速度及横向力与理想值的差别，反复对比调整，直到实际结果与理想值基本相符(应该是在理想值一定范围内波动)。如果在某时刻，车辆运动状态又偏出该理想值范围，则车辆又重复前述控制过程，保持车辆实际运动状态与驾驶员转向输入相吻合，实现车辆转向。

请参阅图3，即是通过对本发明电动车转向系统的工作原理的总结归纳，得出的流程图，从车辆的转向请求至转向结束的过程中，该流程包括以下步骤：

(1)由方向指示单元产生车辆转向信号；

(2)由信息采集单元采集车辆状态信号；

(3)由处理运算单元处理、计算上述信号，并得出车辆的瞬时状态参数和理想状态参数；

(4)比对上述两种参数；

(5)根据比对结果的差值由处理运算单元做出对各车轮独立的转向控制指令；

(6)由控制执行单元执行转向控制指令，同时，从步骤2重复执行，直至所述的两种参数相符。

如此，即可完成车辆的转向控制。

下面以具体的操作进行说明。

例如，当驾驶员实施原地起步向左转向时，其要求是对左前轮施加制动力，右前轮及右后轮施加较大驱动力，左后轮施加较小驱动力。此时，向左转动方向盘，车辆转向ECU将采集转角信号和车辆非行使状态下的状态信号，并对这些信号进行处理，再与理想参数进行比较后，对各轮毂电机和制动机构分别做出上述的转向控制指令，并发送给相应的电机控制ECU，通过该电机控制ECU与电池管理ECU的协调来控制轮毂电机的驱动电流，从而控制轮毂电机的输出，或通过电子制动ECU来进行车轮的制动控制及调节。这样，各车轮将按照要求进行转动，从而通过轮速差实现车辆的转向。

同样，在较高车速时，假设向右转向，则根据方向盘转角输入及行使状态下的车辆状态信号，车辆转向ECU通过比对理想状态与瞬时状态，得出转向控制指令，并对各轮毂电机进行控制：右前轮进行制动动作，左前轮及左后轮电机驱动电流增大、不变、或减小，同时也减小右后轮电机驱动电流，这时车辆的运动轨迹发生变化，而且车辆转向ECU持续进行运算，根据实际横摆角速度传感器、横向力传感器与理想值比较，得出二者间的差距，并做出转向控制指令，对轮毂电机进行相应驱动与制动调节，直至实际值和理想值吻合，实现意图转向。

上述实施例只是体现本发明技术方案的优选方案，本技术领域的技术人员对其中的某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1，一种电动车转向系统，其特征在于该系统包括：

用于产生车辆转向信号的方向指示单元；

用于采集车辆状态值，并转化为电信号的信息采集单元；

用于对上述两种电信号进行处理运算，并得出转向控制指令的处理运算单元；和

依据转向控制指令，进行车辆转向的控制执行单元；

其中，方向指示单元、信息采集单元、控制执行单元均与处理运算单元电连接；

所述的转向控制指令是对车辆的各车轮分别做出的转向控制指令，该分别独立执行的转向控制指令是通过处理运算单元输入控制执行单元的。

2，如权利要求1所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的方向指示单元包括用于产生一个车辆的转向角度的方向盘。

3，如权利要求2所述的电动车转向系统，其特征在于：方向指示单元还包括有连接在方向盘上的转角传感器。

4，如权利要求3所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的转角传感器与处理运算单元电连接，将车辆的转向角度发送至该处理运算单元。

5，如权利要求1所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的信息采集单元包括：四个可分别感应各个车轮速度的轮速传感器，其分别连接在四个车轮上；前后两个可感应车辆的速度信号的车速度传感器，分别装设在车身的前部和后部；装设于车辆质心处，可监测车辆绕垂直轴的旋转情况的车辆横向角速度传感器；同样装设于车辆质心处，可监测车辆横向加速度的车辆横向加速度传感器；这些传感器均与处理运算单元电连接以将所采集的车辆状态信号发送至处理运算单元。

6，如权利要求5所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的信息采集单元还包括加速踏板输入传感器、制动踏板输入传感器、停车灯开关信号传感器及驻车制动输入传感器；这些传感器均与处理运算单元电连接以将所采集的车辆状态信号发送至处理运算单元。

7，如权利要求1所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的处理运算单元包括一内部存储有车辆的各种状态参数的车辆转向ECU，其装设在车身内部。

8，如权利要求7所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的处理运算单元具有在接收到车辆的转向信号和状态信号后，用于对这些信号进行处理运算并得出车辆的瞬时状态参数和理想状态参数的工作流程的程序软件。

9，如权利要求8所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的处理运算单元还具有用于对所述瞬时状态参数与理想状态参数进行比对，并做出转向控制指令的工作流程的程序软件。

10，如权利要求9所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的能输出转向控制指令的处理运算单元通过CAN总线与控制执行单元电连接。

11，如权利要求1所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的控制执行单元包括电池管理ECU、电机控制ECU、电子制动系统ECU、和轮毂电机及制动机构，且前三者与轮毂电机及制动机构电连接。

12，如权利要求11所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的电机控制ECU与各车轮的轮毂电机电连接；所述的电池管理ECU与各轮毂电机电连接以对驱动电流进行控制；所述的电子制动系统ECU与制动机构电连接并对其进行控制。

13，如权利要求11所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的轮毂电机及制动机构是独立的两个或者是独立的四个，并且都是连接在各车轮上。

14，如权利要求11所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的轮毂电机及制动机构还连接有多个传感器。

15、如权利要求14所述的电动车转向系统，其特征在于：所述的轮毂电机及制动机构连接的多个传感器包括：电机转速传感器、转矩传感器、温度传感器、电压传感器、制动液压力传感器。

16，一种电动车转向方法，用于对包括方向指示单元、信息采集单元、处理运算单元和控制执行单元的电动车控制系统进行控制，其特征在于包括以下步骤：

(1)由方向指示单元产生车辆转向信号；

(2)由信息采集单元采集车辆状态信号；

(3)由处理运算单元处理上述信号，并得出车辆的瞬时状态参数和理想状态参数；

(4)比对上述两种参数；

(5)根据比对结果的差值由处理运算单元做出对各车轮独立的转向控制指令；

(6)由控制执行单元执行转向控制指令，同时，从步骤2重复执行，直至所述的两种参数相符。

Images