CN201033585Y - 电机驱动式液压助力转向系统的控制装置 - Google Patents

Abstract

电机驱动式液压助力转向系统的控制装置，属于汽车技术领域。该装置包括液压泵、方向盘输入轴、贮油罐、助力油缸，其特征是设有直流电机、方向盘转矩传感器、车速传感器、控制单元，控制单元设有由一个场效应晶体管(MOSFET)作为开关元件构成的驱动直流电机的驱动电路。直流电机通过联轴机构直接驱动连接液压泵，方向盘转矩传感器和车速传感器分别安装在方向盘输入轴和车轮处与控制单元连接。采用直流电机作为动力源直接驱动液压泵，借助一个方向盘转矩传感器检测方向盘转矩的大小，借助车速传感器检测车辆的行驶速度，将其信号送入控制单元分析并控制动力源的电源电压和电流的大小，从而间接控制液压泵流量和压力。本实用新型结构新颖简单合理，生产制造容易，使用操作轻便、省力，节约能耗。

Description

电机驱动式液压助力转向系统的控制装置

技术领域

本实用新型涉及到一种电机驱动式液压助力转向控制系统的控制装置，属于汽车技术领域。

背景技术

传统液压助力式转向系统主要包括液压泵、方向盘输入轴、贮油罐、助力油缸等，采用发动机作为动力源，利用液压泵建立一定的压力，再经过控制阀来调整压力流的流量，根据车辆的行驶状态，控制转向系统。在车辆转向过程中，转向动作仍然由驾驶员完成，动力转向系统的油压只对转向起辅助作用，即利用油的压力帮助驾驶员完成转向动作，使之轻便、省力。但传统的液压助力转向系统在车辆行驶时不论是否转向，液压泵都在工作，能量消耗比较大，其助力特性不能随车速的变化而自由调节，无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时良好的转向路感。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有的液压助力转向系统存在的上述的缺点，提供一种既轻便、省力，节约能耗，能随车速的变化而自由调节的在一些大中型车辆上实现电控液压动力转向功能的电机驱动式液压助力转向系统的控制装置。

本实用新型的目的是这样实现的，电机驱动式液压助力转向系统的控制装置，包括液压泵、方向盘输入轴、贮油罐、助力油缸，其特征是设有直流电机、方向盘转矩传感器、车速传感器、控制单元，直流电机通过联轴机构直接驱动连接液压泵，方向盘转矩传感器和车速传感器分别安装在方向盘输入轴和车轮处与控制单元连接。

所述的控制单元设有由一个场效应晶体管(MOSFET)作为开关元件构成的驱动直流电机的驱动电路。

本实用新型结构新颖简单合理，生产制造容易，使用操作轻便、省力，节约能耗。主要采用直流电机作为动力源直接驱动液压泵，借助方向盘转矩传感器检测方向盘转矩的大小，借助车速传感器检测车辆的行驶速度，将其信号送入控制单元分析并控制动力源的电源电压和电流的大小，从而间接控制液压泵流量和压力，液压泵可根据需要通过转向阀提供给转向助力油缸相应流量和压力的液压油，从而推动转向机构实施转向。本实用新型采用电流控制方式来控制液压泵流量和压力属闭环控制，在车辆转向过程中，电控单元将根据转矩传感器和车速传感器的输入信号来确定直流电机的目标控制电流，由电流传感器实测的电枢电流信号构成反馈通道，使电流传感器反馈电流与目标电流的误差为零。这种控制方式的优点是控制精度高，抗干扰能力强。该电机驱动式液压助力转向控制系统保持了传统液压转向机构技术成熟和产品可靠的优越性，便于推广应用；而且，通过调节直流电机电流可以控制液压泵流量和压力，能够避免传统液压转向系统中发动机高速运行时液压泵流量过大导致的油液溢流现象，从而提高转向系统的能量效率和可靠性。此外，由直流电机控制和驱动的特点还便于实现动力转向系统的线传控制(Steering-By-Wire)，结合车速信号可以进一步实现转向力矩的非线性控制，在电动车辆领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2A是电动液压泵特性图；

图2B是直流电机速度特性图；

图3是直流电机电流控制系统框图；

图4A是直流电机等效结构示意图；

图4B是PWM输出电压波形图；

图5是电控单元的主程序控制框图；

图6是直流电机电流控制模块示意图。

图中：1方向盘、2方向盘转矩传感器、3转向阀、4止回阀、5小齿轮、6齿条、7贮油罐、8溢油阀、9液压泵、10控制单元、11直流电机、12车速传感器、13车轮、14助力油缸、15方向盘输入轴。

具体实施方式

方向盘转矩传感器2、转向阀3安装在方向盘1的方向盘输入轴15上，直流电机11通过联轴机构直接驱动连接液压泵9，车速传感器12安装车轮13处。液压泵9、溢油阀8连接贮油罐7，在液压泵9与助力油14缸的回路中设置溢油阀8、止回阀4，控制单元10设置一个场效应晶体管(MOSFET)作为开关元件构成的驱动直流电机的驱动电路。方向盘转矩传感器2和车速传感器12分别与控制单元10连接。方向盘输入轴15通过小齿轮5、齿条6连接车轮轴。

图1示意地表示，采用直流电机11作为动力源直接驱动液压泵9，借助一个方向盘转矩传感器2检测方向盘转矩的大小，借助车速传感器12检测车辆的行驶速度，将其信号送入控制单元10分析并控制动力源的电源电压和电流的大小，间接控制液压泵9输出的流量和压力，从而可以根据车辆的实际工况来控制由液压泵9通过转向阀3进入转向助力油缸14油液的流量和压力，给转向系统提供一个符合实际需要的助推力，满足车辆转向需要的同时又可以节能和提高效率。

图2A示意地表示了液压泵的输出压力是和直流电机的电流的近似正比关系，同时液压泵的输出压力又与其流量在某一范围内成一定的比例关系，这是由液压泵特性决定的。所以可以通过控制直流电机的电流来达到控制输出压力和输出流量的目的。

图2B示意地表示了直流电机电流与车速的之间变化关系的速度特性。理想的速度特性曲线呈现非线性特性，这将使整个系统的控制变得复杂，而且需要大量的试验数据予以修正，为简化系统，我们采用直线代替曲线，即直线型的速度特性曲线。当车速较低时，直流电机电流值设定为I₁，以保证液压泵输出足够的压力，当车速大于某一设计值V₁时，，为了使司机在驾驶过程中保持一定的路感，应该适当降低转向过程中的助力效果，通过对车速信号的获取，利用车速的负反馈作用使得控制电流随车速的增加而降低，直到车速V₂对应的电流值I₂，当车速继续增加时，直流电机电流便稳定在I₂附近，并略有下降，以保持高速时直流电机电流维持在一个较小的值。这种基于车速反馈的液压泵变流量设计方法能够兼顾车辆低速运行的转向动力性和高速运行的稳定性。

速度特性曲线对电机驱动式液压助力转向系统具有非常重要的意义，速度特性曲线选取的好坏将直接影响到车辆的转向特性，转向的轻便性。理想的特性应能充分协调好转向轻便性与路感的关系，具体来讲就是：

(1)在输入转矩很小的区域，希望液压泵输出压力越小越好，保持较好路感；

(2)在常用的快速转向行驶区间，为使转向轻便，助力效果要明显；

(3)当转向阻力矩相当大时，如原地转向或掉头，应尽可能发挥较大的助力转向效果，输出压力增幅大；

(4)随着车速的增高，输入转矩很小时不助力的区域应增大；

(5)各区段过渡要平滑。

对于电机驱动式液压助力转向系统的控制模块设计：当转矩传感器检测到的转矩小于T₀时，直流电机不工作，只有当直流电机转矩达到T₀时才开始助力；其次是饱和环节，当传感器输出转矩超过一定值时，直流电机电流将保持不变，这两个模块的引入不仅保护了液压泵和直流电机，同时也有利于获得理想的助力特性。

电子控制单元(ECU)根据转矩传感器检测的转矩和车速信号确定直流电机的目标电流值(大小和方向)，即I_M＝λ(V)f(T_sen)，式中λ(V)是一个和车速信号相关的参数，车速越低，λ(V)值越大，此时提供的电动机电流就越大，相应的助力也越大，反之亦然。式(1)即为直线型速度特性曲线所对应的数学表达式。

$I_M=\left\{\begin{array}{cc}I& (T_{\mathrm{sen}}<T_0)\\ \mathrm{\&lambda;}\left(V\right)(T_{\mathrm{sen}}-T_0)& (T_0\&le;T_{\mathrm{sen}}<T_{\max })\\ \mathrm{\&lambda;}\left(V\right)(T_{\max }-T_0)& (T_{\mathrm{sen}}\&GreaterEqual;T_{\max })\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于实际的λ(V)可以如下确定：把车速分成多个区域进行控制。车速越低，λ(V)越大，反之，车速越高，λ(V)越小，当车速超过一定范围，取λ(V)为一恒定值，确保行车安全。

图3示意地表示了液压泵驱动直流电机的电流闭环控制方式。上面已经提到，液压泵驱动直流电机采用电流控制的方式来实现，具体而言就是直流电机采用电流PI反馈和前馈补偿相结合的控制方式，其中PI反馈部分用于消除静态偏差，保证系统良好的跟踪性能，前馈补偿部分提高了直流电机的响应速度。

直流电机目标电流与电流传感器检测的实际电流值作为负反馈信号，比较这两个电流，同时考虑电流前馈补偿，确定系统的控制信号u₁，设计控制器如下：

$u_1=K_f\&CenterDot;I_m+K_p[(I_M-I_d)+\frac{1}{T_i}\&Integral;(I_m-I_d)\mathrm{dt}]---\left(2\right)$

式中K_f——控制器前馈系数；

K_p——控制器比例系数；

T_i——控制器积分时间系数；

u₁——常规助力控制时直流电机的控制信号。

I_m——直流电机目标电流；

I_d——直流电机检测电流。

式中的比例控制用于提高系统的动态响应速度和减小系统稳态误差，即提高系统的控制精度；但比例控制系数K_p取值太大将使系统响应趋于不稳定。

积分控制通常使系统的稳定性下降(如超调量、振荡次数增加和调整时间延长)以换取消除系统的稳态误差；但T_i取值太小将使系统趋于不稳定，反之将减小对系统控制性能的影响。直流电机控制量的输出值要在此范围内u_1min≤u₁≤u_1max，一旦超出上述范围，那么实际执行的控制量就不再是计算值，产生的结果与预期的不相符。

图4A示意地表示了本实用新型所采用的液压泵直流电机为永磁直流电动机结构，直流电机的运行方程式可以写成：

$L=\frac{{\mathrm{dI}}_d}{\mathrm{dt}}+R{I}_d+E=U_d---\left(3\right)$

式中U_d——直流电机平均端电压；

I_d——通过直流电机的电流；

图4B示意地表示了直流电机的脉宽调制(PWM)方式。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断控制电压脉冲宽度或周期，达到变压的目的，由于PWM可以有效的进行谐波抑制，而且动态响应好，因此可以利用PWM控制技术实现对液压泵直流电机的控制。本文中直流电机由于单向运转，故采用不可逆PWM电路，图4B为直流电机运转时的PWM波形图。

该控制模块中包括一个驱动直流电机的驱动电路，它由一个场效应晶体管(MOSFET)作为开关元件构成，根据直流电机驱动信号控制MOSFET的占空比来控制液压泵直流电机的电流大小。

直流电机电枢端电压的平均值为：

$U_d=\frac{T_1}{T_1+T_2}{U}_s=\frac{T_1}{T}{U}_s=\mathrm{\&alpha;}{U}_s---\left(4\right)$

式中α＝^T ₁/_T为一个周期T中，晶体管导通时间与周期的比率，称为占空比。α的变化范围为0≤α≤1，U_s为施加在直流电机两端的电源电压。由式(4)可知，当电源电压U_s＝12V不变的情况下，电枢的端电压的平均值U_d取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调节直流电机电流的目的。

脉宽调制器和PWM变换器的传递函数根据其工作原理，当控制电压U_a改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期才会改变，因此，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成是一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期T，当系统的开环频率特性截止频率满足 ${\mathrm{\&omega;}}_a\&le;\frac{1}{3T}$ 式时，可以将滞后环节看成一阶惯性环节。因此，脉宽调制器和PWM变换器的传递函数可以近似看成：

$G_{\mathrm{PWM}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PWM}}}{\mathrm{Ts}+1}---\left(5\right)$

式中 $K_p=\frac{U_d}{U_a}$ ——脉宽调制器和PWM变换器的放大系数；

U_d——PWM变换器的输出电压；

U_a——脉宽调制器的控制电压；

T——开关周期。

这样就可以得到整个直流电机电流控制模块，主要输入为车辆车速传感器和方向盘转矩传感器信号，直流电机转速输入信号是系统内部输入信号，由直流电机自身的结构所决定，输出为直流电机目标电流、检测电流、电磁转矩和反电动势，其控制子模块如图6所示。

Claims (2)

1.一种电机驱动式液压助力转向系统的控制装置，包括液压泵、方向盘输入轴、贮油罐、助力油缸，其特征是设有直流电机、方向盘转矩传感器、车速传感器、控制单元，直流电机通过联轴机构直接驱动连接液压泵，方向盘转矩传感器和车速传感器分别安装在方向盘输入轴和车轮处与控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的电机驱动式液压助力转向系统的控制装置，其特征是所述的控制单元设有由一个场效应晶体管(MOSFET)作为开关元件构成的驱动直流电机的驱动电路。

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