CN2633702Y

CN2633702Y - 车辆的电动助力转向机构

Info

Publication number: CN2633702Y
Application number: CN 03247079
Authority: CN
Inventors: 李振全
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2013-06-10

Abstract

本实用新型公开了一种车辆的电动助力转向机构，包括与车轮轮轴连接的转向器及与转向器连接的转向轴，还包括一电机，一转矩传感器，及一控制器，所述电机通过减速机构将转向辅助转矩施加到转向轴上，所述转矩传感器，连接于转向轴，并将温度检测信号、主信号、安全信号送到控制器。本实用新型系统效率高，能量消耗少，系统路感好，回正性好，且安全可靠又环保。

Description

车辆的电动助力转向机构

技术领域

本实用新型涉及一种车辆的电动助力转向机构。

背景技术

自1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压助力转向系统以来，液压助力转向系统省力、易操纵的优点受到人们越来越多的欢迎。现在液压助力转向系统几乎成为发达国家所销售轿车的标准装备。虽然液压助力转向被认为是一个近乎完善的技术，但是，由于它固有的缺陷使得该转向系统存在以下几个无法克服的缺点：液压系统的管路过多，使得沿程损失、弯头损失较大，从而使系统效率低，能耗大；液压系统具有滞后性，系统路感差，回正性差；液压助力转向系统的助力能源是由发动机通过油泵提供的，当发动机熄火或者转速较低时，不能充分带动油泵输出足够的能量，使得转向系统无法提供足够的动力，因而转向发生困难；操纵力特性单一。

随后出现的电控液压助力转向系统将近些年发展起来的计算机和电子控制技术与液压助力系统相结合，对汽车转向进行实时控制。采用这种方案，只需在原有液压助力转向系统中增设方向盘转矩传感器、车速传感器和控制装置就可以得到较佳的操纵力特性。但是由于该系统的技术革新是在液压助力转向系统的基础上进行，无法根除液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损等方面的固有缺点，尤其在节能、环保等方面存在很大的不足，因此只是使液压助力转向的性能得到局部的改善。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种系统效率高、能耗低、路感好的车辆的电动助力转向机构。

为了达到上述目的，本实用新型的车辆的电动转向机构包括与车轮轮轴连接的转向器及与之连接的转向轴，还包括：

一电机；

一转矩传感器，用以检测施加在转向盘上的转矩；

及一控制器，采集转向盘转矩信号、车速信号和转矩微分信号，并根据这些信号进行运算分析后输出辅助电流，

其中，所述电机，通过减速机构将转向辅助转矩施加到转向轴上；所述转矩传感器，连接于转向轴，并将温度检测信号、主信号、安全信号送到控制器。

所述转矩传感器为光电非接触式转矩传感器。

所述电机为直流有刷电机，通过蜗轮-蜗杆减速增扭后将转向辅助转矩施加到转向轴。

所述控制器包括一动力模块和一驱动模块，所述驱动模块包括大功率场效应晶体管组成的H桥回路及其驱动电路、安全继电器及其驱动电路及电流传感器，可以控制电机的输出转矩，根据来自单片机系统的信号，对电机进行线性的PWM控制。

本实用新型的车辆的电动助力转向机构，通过永磁直流电机提供助力，辅助驾驶员完成转向过程，具有以下有益效果：(1)系统效率高，由于采用机械和电气连接方式，系统效率可高达80％；(2)能量消耗少，液压助力转向系统随时需要向助力泵输出动力使发动机附加燃油消耗增加3％，而本实用新型仅在方向盘转动的时候才启动电机产生助力转矩，使附加燃油消耗量仅增加0.5％；(3)系统“路感”好，由于本实用新型内部采用刚性连接，系统刚度高，且系统特性可以通过软件加以控制，转向时容易获得更好的路感；(4)系统回正性好，本实用新型比液压助力转向系统结构简单，内阻小，回正性好；(5)系统以电池为能源，以电机为动力元件，只要电池电量充足，无论发动处于何种工作状态，都可产生助力，发动机在熄火或低速情况下也不会造成转向困难；(6)安全可靠，电机助力装置失效时，能立即转为机械式转向，具有较好的安全性；(7)环保，本实用新型中没有不可回收的油管、液压油和橡胶，也没有油液泄漏问题，对环境污染小；(8)本实用新型使用元器件少，布置方便，重量轻。

附图说明

图1是本实用新型车辆的电动转向机构结构示意图。

图2是本实用新型光电非接触式转矩传感器部件连接示意图。

图3是本实用新型光电非接触式转矩传感器结构示意图。

图4是本实用新型光电非接触式转矩传感器输出特性图。

图5是本实用新型控制器原理简图。

图6是本实用新型控制器驱动单元示意图。

图7是本实用新型控制器流程图。

图8是本实用新型进行软件转矩故障限制特性图。

具体实施方式

如图1所示的电动转向机构配备有一个固定在转向轴上的电动机1，通过蜗轮蜗杆减速机构将转向辅助转矩施加到转向轴8上，转向轴8再通过机械齿轮齿条式转向器5把转动操作传给左右前轮，实施辅助转向。电动机1为永磁直流有刷电机，其外形尺寸与壳体外形尺寸配合安装。转矩传感器3安装在转向轴上，检测到转向盘上的转矩信号并通过电线传输到控制器2，车速信号可从仪表上的车速传感器4直接采得。控制器可根据不同车型固定在不同的位置，通过线束与其他各机构相连。

如图2所示，所述转矩传感器通过光电发射装置34及接收装置31，将扭杆36两端的变形角度转换成符合要求的电流信号，经过差动放大后，转换成可采集的电压信号。本实用新型采用单孔型光电非接触式转矩传感器，其结构示意图如图3所示，导光盘32和透光盘33分别固定于扭杆两端，其两侧分别装有发射装置34和两个并排着的接收装置31(光电池)。扭杆变形引起导光盘32和透光盘33之间的相对转动造成两个光电池各自的受光面积发生变化，利用光电池输出电压、电流随其受光面积变化的特性，将扭杆的形变转换为电信号。由于光电池输出电压的非线性特性，因此采用其输出电流作为信号源。通过转矩传感器标定试验，得到如图4所示的方向盘转矩传感器的输出特性。转向盘在中间位置时，输出为2.5V，向右转动转向盘，负载增大时，转矩传感器可增大到4V(扭杆扭转变形的极限位置)，向左转动转向盘，负载增大时，转矩传感器的输出减小到1V。

车辆电动助力系统控制器分为两部分，其中一部分为控制模块，另一部分为驱动模块如图5所示，控制器的功能是采集转向盘转矩传感器、反馈电流传感器和车速传感器的信号，并根据这些信号通过逻辑分析与计算后，发出指令到驱动模块中以控制电机工作。此外，它还具有安全保护功能，能对系统进行安全保护，以保证在意外情况下，不使控制器发出错误指令。单片机通过采集方向盘转矩、电机电流、蓄电池电压、散热器温度等信号来判断其系统的工作状况是否正常，一旦系统异常，主、副安全继电器将断开，助力立即被取消；同时，单片机故障指示灯闪烁提出警告。

驱动模块的核心部分是一个H型PWM功率转换电路，采用四个大功率场效应晶体管(MOSFET)组成，如图6所示。功率转换电路接受由控制单元控制的驱动电路信号进行导通或关断的动作。功率转换电路由两个继电器控制其与电源、电机的连通，保证系统在不工作时切断电源以及在故障保护时切断电机与电源直接的联系，以及提供给动力单元各种转换电路用的电源。继电器的控制信号也是通过驱动电路由控制单元提供的。电机通过减速器将助力转矩施加于转向管柱上。电流传感器检测流过电机电枢的电流并将检测信号反馈给控制单元进行电流闭环控制。

控制器驱动模块可以控制电机的输出转矩，根据来自单片机系统的信号，可以对电机进行线性的PWM控制。驱动模块主要由4个N型MOSFET管组成的H桥回路及其驱动电路、主副安全继电器及其驱动电路、故障指示灯及其驱动电路以及电流传感器等组成，如图6所示。当转矩传感器告诉EPS控制器需要进行转向助力时，控制器就发信号给动力模块里的MOSFET管驱动电路，驱动电路就会向电机提供一系列脉宽调制电压信号，其中包括需要多大的助力和助力方向的信息。所谓电压的脉宽调制就是指一串具有固定频率的脉冲信号，它们的占空比是一个变量，对每一个周期而言，都有一段时间有信号，一段时间没有信号。举个例子，如果有信号的时间占40％，没有信号的时间占60％，流经电机的电流就较小，电机的转速和产生的助力也较小；当有信号的时间占60％，没有信号的时间占40％，流经电机的电流就较大，电机的转速和产生的助力就会增大。我们用场效应换向驱动电路来控制4个场效应管组成的电桥，向助力电机提供相应的助力电流和方向以产生合适的助力，见下表正常助力控制下H桥路中各MOSFET管的状态。

方向盘转向	MOSFET(a)	MOSFET(b)	MOSFET(c)	MOSFET(d)	电机状态
方向盘转向	MOSFET(a)	MOSFET(b)	MOSFET(c)	MOSFET(d)	电机状态	左转	截止	导通	截止	PWM	左转
右转	导通	截止	PWM	截止	右转	左转	截止	导通	截止	PWM	左转
右转	导通	截止	PWM	截止	右转	中间位置	截止	截止	截止	截止	停止

在电动方式下，如图6所示，a管(或b管)始终处于导通状态，同时d管(c管)由PWM信号控制工作在开关状态。在PWM信号指示晶体管导通时，电流从蓄电池正极经a管(或b管)流经电机，再由d管(c管)流回蓄电池负极。在PWM信号指示晶体管判断时，电流从a管(或b管)经由电机，通过b管(或a管)的反接二极管开成闭合回路进行续流。在制动方式下，a、b两管始终处于关断状态，c、d两管由同一PWM信号控制工作在开关状态。当c、d管导通时，电机电枢两端短路。

在驱动模块中，用一个霍尔电流传感器来测量流过电机电流的大小和方向，参与助力控制运算。当助力电机工作时，电流也流经电流传感器，电流传感器输出一个反馈电压信号给EPS控制器。如果电机电流超出了电机正常工作的预定值，控制器就会发信号给动力模块的驱动电路，降低电流防止电机过载损坏。如果方向盘朝一个方向转到了头，并保持这一位置，助力电机的电流就会大幅增加，这时电流传感器就会发信号给EPS控制器来降低电流以保护电机。

本实用新型采用闭环电流反馈控制方法，利用目标电流和反馈电流的差值进行PID运算后，送到控制器驱动单元进行电机的电流和方向的控制。转矩传感器采用的是光电非接触式传感器，电流传感器采用的是霍尔型电流传感器，目标电流是根据转矩传感器和车速差助力表格得到。

转向过程中，车辆的车速和方向盘转矩变化范围很大，在控制算法上根据不同的转向状态，制定了不同的控制模式和控制方法。控制算法快速准确，满足实时控制的要求，能够有效地实现理想的助力特性和控制规律。控制器的芯片采用8位Motorola单片机，运算速度能满足控制程序快速响应的要求，能做到在2毫秒内完成完整的程序循环。

当点火开关将脉冲信号送到单片机输入端口时，控制程序开始自检，检查转矩传感器输出信号、车速信号以及蓄电池电压信号是否在正常范围内。如果上述信号正常，控制程序开始运行，安全继电器闭合，控制器进入工作状态。此时控制单元根据转矩信号、车速信号和反馈电流信号，进行控制算法运算，给出合理的电机控制方向和电流，如程序流程图7所示。为限制电机电流超出运行的范围，在控制软件上进行相应的限制算法，以限制电流超出预定的范围。转矩信号作为主要的控制源信号，必须要对其进行必要的故障保护，在转矩传感器硬件电路上的安全保护措施，能保证传感器信号发射和检测部分出现故障时其输出值在转向盘的中间位置，在软件中同时对其进行保护，如图8所示，以保证在连接线路上出现故障时，不至于使软件进行错误运算，输出错误的结果，造成车辆行车过程中的危险。

控制软件根据转矩传感器信号和反馈电流信号和反馈电流信号推算判断出是进行助力还是制动模式。采用四象限法进行判定，如果推算出的电机电压和电流的值在第一象限或第三象限是为助力模式，在第二象限或第四象限时为制动模式。

Claims

1、一种车辆的电动助力转向机构，包括与车轮轮轴连接的转向器(5)及与转向器(5)连接的转向轴(8)，其特征在于还包括：

一电机(1)；

一转矩传感器(3)，用以检测施加在转向盘上的转矩；

及一控制器(2)，采集转向盘转矩信号、车速信号和转矩微分信号，并根据这些信号进行运算分析后输出辅助电流以控制电机工作，

其中，所述电机(1)通过减速机构将转向辅助转矩施加到转向轴(8)上；所述转矩传感器(3)，连接于转向轴(8)，并将温度检测信号、主信号、安全信号送到控制器(2)。

2、权利要求1所述的车辆的电动助力转向机构，其特征在于所述转矩传感器(3)为光电非接触式转矩传感器。

3、权利要求1所述的车辆的电动助力转向机构，其特征在于所述电机为直流电机，通过蜗轮-蜗杆减速机构(7)减速增扭后将转向辅助转矩施加到转向轴(8)。

4、权利要求1所述的车辆的电动助力转向机构，其特征在于所述控制器(2)包括一控制模块和一驱动模块，所述驱动模块包括大功率场效应晶体管组成的H桥回路及其驱动电路、安全继电器及其驱动电路及电流传感器，可以控制电机的输出转矩，根据来自单片机系统的信号，对电机进行线性的PWM控制。