CN1970368A - 基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，该装置包括有转向柱、离合器、电机及减速器，转向柱位于方向盘的下部，控制车辆的方向，其下部连接有减速器，减速器还依次连接有离合器和电机，电机是起助力的作用，将其作用力传递到离合器，在高速行驶时，离合器将电机的转动惯量放大后等效加载在转向柱上，增加阻尼以增加改变单位转向角速度的的操控力矩，以增加方向盘的调节能力，起到提高车辆稳定性的作用。

Description

基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置

技术领域

本发明涉及提高车辆稳定性的装置，特别是用于提高安装电动助力转向总成车辆高速行驶安全性的稳定装置。

技术背景

一般汽车特别是液压助力转向汽车在高速时均会出现高速时转向过于灵敏，方向盘发飘，易导致侧滑、摆尾翻车等危险的发生。这是由于轮胎对地面附着力基本不变或因轮胎温度升高而有所下降的前提下，所需克服纵向阻力增加，使得可提供横向分力不足轮胎发生不同程度的滑动造成的。

现有的解决方案主要有三种：

一是采用电控液压助力转向，使在高速时，对方向盘的转向助力的大小进行调节。常见的电控液压动力转向系统采用直流电动机代替发动机驱动油泵，电动机由蓄电池供电。控制器根据车速信号、转向盘转速信号控制电动机转速，从而控制油泵的流量，达到变助力转向的目的。但是电控液压动力转向系统有些难以克服的缺点，如存在渗油问题，零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测等。另外虽然引入车速调节助力，但是在原有液压系统的基础上又增加了电子系统，使系统越加复杂，成本增加。

二是采用电动助力转向，在原机械转向系统的基础上，增加了车速传感器、转矩转角传感器、电子控制器、电动机及其传动机构，根据车速与扭矩信号直接利用电动机驱动转向轴提供助力转矩。在高速行驶时，关闭电机对系统助力，用机械转向系统转向。但此种方式是在高速仅利用原机械系统工作，本质上并没有提出改善高速稳定性的措施。

另外一种是采用电动助力转向，在高速时，利用电机为转向系统提供阻尼，要求电机所提供的力矩与转动方向相反。但电机提供与转向方向相反的力矩实现起来非常困难，并且对电机以及电器系统的寿命造成损害，直接影响到电机及控制电路的使用寿命，不经济也不可靠。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，该装置能够克服现有产品中无法提高高速行驶过程中系统的稳定性的缺陷，提高高速行驶的安全性。

本发明的另一个目的在于提供一种基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，该装置在不改变电机运转条件的情况下，可将电机转子原有的转动惯量将通过减速机构放大添加到转向柱上，这样便于在高速行驶时增加驾驶员操控的稳定性。

基于此，本发明是这样实现的：

一种基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，该装置包括有转向柱、离合器、电机及减速器，转向柱位于方向盘的下部，控制车辆的方向，其下部连接有减速器，减速器还依次连接有离合器和电机，电机是起助力的作用，将其作用力传递到离合器，在高速行驶时，离合器将电机的转动惯量放大后等效加载在转向柱上，增加阻尼以增加改变单位转向角速度的的操控力矩，以增加方向盘的调节能力，起到提高车辆稳定性的作用。

所述的基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，离合器是单片式电磁离合器，减速器是涡轮涡杆减速机构，其安装是电机上加装单片式电磁离合器后再与蜗轮蜗杆减速机构相连接，减速器的齿轮与转向柱相连接。单片式电磁离合器的工作原理是电流经过磁化线圈，主动轮产生电磁吸力，压盘吸到主动轮上，然后电机的动力经主动轮、压盘及花键传动给从动轴，实现助力作用。

电磁离合器的吸合或释放由微控制器、I/O输出控制驱动电路来控制功率MOSFET的导通或截止来实现。蜗轮蜗杆减速机构则用来增大电动机传递的转向助力矩。

所述的基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，其连接有车辆速度检测电路，车辆速度检测电路包括有微处理器和执行电路，车辆移动速度数据由微处理器从车辆的速度表采集，并对数据进行运算、对比，如果得到的结果超过预先设定的车辆速度，则发送信号给执行电路，由执行电路向控制电路传输信号，吸合离合器，离合器与电机与减速机构连接。

本发明是在助力转向电机的基础上加装一个电磁离合器，在低速通过控制电磁离合器的电流的通断保证助力的施加与撤销的动态特性。在高速行驶时，为增加驾驶员操控的稳定性，吸合离合器，这样电机转子原有的转动惯量将通过减速机构放大添加到转向柱上。利用电机与离合器的转动惯量来提供转向盘的转动方向相反的阻尼作用，一定程度上降低转向的灵敏度，衰减汽车高速转向盘的抖动，使系统的抗干扰能力加强，提高了汽车高速时操纵稳定性。此发明充分发挥了电动助力转向的优势，省去了液压回路，而且在不必牺牲电机的寿命的基础上实现车辆高速的稳定转向行驶。

本发明通过在转向柱上施加额外的转动惯量的方式，提高了方向盘的操控力矩，有效提高了驾驶的稳定性，提高了驾驶的安全系数，并保证系统对电机以及电气系统损害较小，便于工程化应用。

附图说明

图1是本发明实施的结构示意图；

图2是本发明实施的电路图；

图3是本发明实施的速度检测电路图；

图4是本发明实施的离合器控制电路图；

图5是本发明实施的电源电路图；

图6是本发明实施的软件控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步说明。

图1所示为本发明的机械装配示意图。它是在原有的转向柱1上安装助力电机2、离合器3以及转向机构4等。在助力电机2上加装离合器3后与蜗轮蜗杆减速机构4相连接，电机主动轴经离合器带动蜗杆从动轴，蜗杆与蜗轮啮合传动，蜗轮与转向柱1相连接，从而将电机助力输出到转向柱1上。

图2所示为本发明的原理方框图。本发明包括由速度检测、微控制器、离合器控制、电源系统组成的电子部分，以及由电机、离合器、减速机构、转向柱等组成的机械部分。速度检测部分是检测速度传感器或仪表盘输入的的速度信号，通过电动助力转向的微控制器判断速度与预先设定的高速阈值进行比较，判断是否需要实施高速稳定程序，当需要运行时，关闭控制电机转动的PWM信号，控制离合器电路导通，使电机的转动惯量通过减速装置放大后施加于转向柱上。

图3所示为是本发明的速度检测电路图。车速信号检测是用控制器的定时器输入引脚检测车速表传送过来的脉冲信号来得到。脉冲信号经过光电隔离后接入控制器引脚，利用控制器的内部定时器计时一个周期内高电平的时间，从而检测出车速值。速度检测由软件来完成。

在其它的实施方式中，车辆速度的检测还可以有外置的探测头检测，探测头连接到车辆内部的检测电路，具体的检测电路可采用与上述电路一样的结构，也可采用微处理器对探测头的数据进行运算处理得到结果。

图4是本发明一个实施例中的离合器控制电路图。离合器保证在一定车速范围内起作用。当在高速行驶时，吸合离合器，电机H桥路关闭。由控制器I/O口输出的信号，不能直接驱动功率MOSFET来控制离合器的吸合，采用驱动芯片实现对功率MOSFET的最优驱动，同时还具有完善的保护功能。功率MOSFET的导通和截止来控制离合器的吸合与释放。

如图5所示是本发明的电源部分的一种实施方案。波动的直流电VB+经过F1(保险丝)D1反向截止二极管的加到齐纳二极管D2的两端，后接共模滤波器L1、C1、C2电容，进行交/低频噪声信号滤波，通过U1、C2、C3、R1、R2、R3组成10~16V转5V的DC/DC转换器，+端P2输出到L3、C5、组成的噪声滤波电路，然后再输出到由L4、C6、C7组成的二次滤波电路。L3的输出端与地之间并接D3齐纳二极管后，以及C8电容滤波器。产生稳定的VCC二次直流电平。U2、C9、C10、C11、C12、D4组成二次DC/DC转换器，产生3.3VDD电源，供数字电路采用。U3、C13、C14、C15、C16、D5、L7、L8、C19组成二次DC/DC转换器，产生3.3VAA电流，供模拟电路采用。

如图6所示是本发明一个实施例中的软件控制流程图。电动助力转向系统在一定低速范围内实行电机电流闭环控制，电机助力转向；当高速时，关闭电机，吸合离合器，将电机转子的转动惯量添加到转向柱上。

具体地说，本发明实施的控制过程为：

首先，由采样经调理电路进入控制器A/D的模拟信号方向盘的扭矩TOR和反馈电流I_FEED，；

然后再检测出车辆的行驶速度V_MOB；

再判断，现在的车辆行驶速度V_MOB是否大于预定的车辆最大限定速度V_MAX；

如果是，则吸合离合器，停止电机的运转，起到阻碍方向盘转动的阻尼作用；

如果不是则进一步判断现在的扭矩TOR是否大于所预先设定的最小限定扭矩TOR_MIN；

如果否，则说明扭矩在车辆在直线行驶的保舵力范围中，无须电机提供助力。则断开离合器，停电机，返回进行下一轮的检测。

如果是大于最小限定扭矩TOR_MIN；则根据扭矩TOR和车辆速度V_MOB确定对应的目标电流I_TAR；

然后计算电流差值E，与电流差变化EC。E为本次采样周期的目标电流与反馈电流的差值，EC为本次采样周期的E与上次采样周期的E值之差；

再通过PID算法进行计算。PID控制是基于误差的比例积分微分控制，是自动控制中采用的最普遍的方法。它的算法简单，通过调整PID参数，可使电动助力转向系统获得快速跟踪能力和比较平滑的路感。

计算完成后进行PWM信号输出，吸合离合器，进行转向的电机助力控制。

上述的实施方式，仅仅是对本发明实施的一种具体描述，并不限定本发明所实施的方式，譬如检测电路、离合器控制电路、微处理器都可以具有多种形式，凡是结构与上述方式类似的，能够按照本发明目的达到本发明的技术效果的，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，该装置包括有转向柱、离合器、电机及减速器，其特征在于转向柱位于方向盘的下部，控制车辆的方向，其下部连接有减速器，减速器还依次连接有离合器和电机，电机是起助力的作用，将其作用力传递到离合器。

2、如权利要求1所述的基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，其特征在于离合器是单片式电磁离合器，减速器是涡轮涡杆减速机构，电机上加装单片式电磁离合器后再与蜗轮蜗杆减速机构相连接，减速器的齿轮与转向柱相连接。

3、如权利要求2所述的基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，其特征在于单片式电磁离合器包括有磁化线圈、主动轮产生电磁吸力、压盘、花键及从动轴，主动轮与电机连接，从动轮连接到减速器上。

4、如权利要求2所述的基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，其特征在于电磁离合器的还连接有微控制器、I/O输出控制驱动电路，由微控制器、I/O输出控制驱动电路来控制功率MOSFET的导通或截止来实现电磁离合器的吸合或释放。

5、如权利要求1所述的基于电动助力转向的车辆驾驶高速稳定装置，其特征在于该装置连接有车辆速度检测电路，车辆速度检测电路包括有微处理器和执行电路，车辆移动速度数据由微处理器从车辆的速度表采集，并对数据进行运算、对比，如果得到的结果超过预先设定的车辆速度，则发送信号给执行电路，由执行电路向控制电路传输信号，吸合离合器，离合器与电机与减速机构连接。

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