一种线控转向系统试验台架技术方案

一种线控转向系统试验台架，包括主控模块、容错模块、转向操纵模块、转向执行模块和阻力加载模块及其连接零件的设计；转向盘与转向柱助力式方向机相连来模拟路面反馈；两个不同功率的齿轮齿条式方向机通过零件连接，通过主控单片机接收传感器信号，利用Flexray总线传输PWM信号来实现转向及阻力模拟。去除了转向执行及操纵之间的机械连接，可以自由设计传动比和路感来改变系统力传递特性及角传递特性，节约了汽车的布置空间，改善了车辆的操纵稳定性。可以模拟各种状态下的路面阻力，提高了系统的准确性。本发明专利技术所述SBW试验台架搭建方法简单有效，可用于SBW系统控制算法、容错算法、总线技术的试验研究。

Test stand for steer by wire system

System test bench for steering by wire, including the main control module, fault tolerance module, steering control module, execution module and loading module and connecting parts to design; to simulate the pavement plate and the column connected feedback steering gear rack type steering; two different directions of power machine through the connection parts, receiving the sensor signal by MCU control, to achieve the steering resistance simulation using PWM and Flexray bus signal transmission. Remove the steering and mechanical manipulation of the connection between, can be free to design the transmission ratio and the sense of the way to change the system of force transmission characteristics and angle transfer characteristics, saving arrangement of space vehicles, improve the handling stability of vehicle. It can simulate the resistance of the road under various conditions and improve the accuracy of the system. The SBW test bench construction method of the invention is simple and effective, and can be used for the experimental study of the SBW system control algorithm, the fault-tolerant algorithm and the bus technology.

【技术实现步骤摘要】
一种线控转向系统试验台架
本专利技术涉及一种线控转向系统即SBW试验台架，属于汽车转向

技术介绍
近年由于市场的需求和电子技术的发展，汽车开始趋向智能化，在转向领域，已经由机械转向系统、液压助力转向系统（简称HPS）、电液助力转向系统(简称EHPS)和电动助力转向系统(简称EPS)向线控转向系统（Steer-By-Wire，简称SBW）发展。EPS系统分为转向柱助力式（C-EPS）、转向小齿轮助力式（P-EPS）、齿条助力式（R-EPS）。直流电机式EPS技术已趋于成熟，并广泛应用于实车，线控转向技术由于成本、稳定性等因素还没有在价格低廉的家用轿车中普及。目前，公知的SBW系统基本是单独选用电机、减速器、齿轮齿条转向器等部件装配组成转向操纵结构和转向执行结构，装配误差难以控制；大都采用CAN总线实现单片机通讯，最高性能极限为1Mbps,传输速度慢，实时控制效果一般，SBW系统的控制的快速性、准确性对总线系统提出了更高的要求；目前的阻力加载机构大多采用弹簧、磁粉制动器，弹簧加载的阻力变化规律恒定，磁粉制动器则易控制失误且受潮性能不稳定。湖南大学硕士学位论文《基于汽车线控转向系试验台的在环系统仿真》一文中提出的SBW系统采用伺服电机阻力加载机构，并通过滚珠丝杠与电机减速器连接向SBW系统输出阻力矩，滚珠丝杠承载能力较低，缓冲性能低且有磨损，会因摩擦影响定位精度和刚性，摩擦力矩也会引起换向时的跳动突变。目前相关文献中很少提到直接利用EPS方向机机械结构作为SBW系统转向操纵机构、转向执行机构以及阻力加载机构。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术不足提供一种线控转向系统即SBW试验台架，采用直流电机式EPS方向机机械结构节省了设计时间，提高了装配精度。采用电机阻力加载机构，可实现不同工况下的阻力模拟并且易于控制。通过Flexray总线通讯，加快传输速度，降低危险工况的系统的反应时间，提高了系统的稳定性。本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述试验台架结构包括上下两层，上层为主控模块由ECU构成，下层为转向操纵模块、转向执行模块、阻力加载模块和容错模块；转向操纵模块由方向盘、路感电机、电机控制器、转矩传感器、转角传感器和电流传感器构成；转向执行模块由转向执行电机、电机控制器、电流传感器、线位移传感器和拉压力传感器构成；阻力加载模块由阻力模拟电机、电机控制器和电流传感器构成；容错模块由RECU构成，所述试验台架系统采用12V的电源，包含为传感器和控制芯片供电的12V转5V的电源电路接口，车速信号由信号发生器提供。所述SBW系统试验台架的上层主控模块ECU和容错模块RECU，包括一个16位微控制器、Flexray驱动电路；所述ECU和RECU采用嵌入式微控制器——飞思卡尔的16位单片机MC9S12XF512，该芯片增加了X-GATE协处理器，具有较强的数据处理能力和控制功能；Flexray驱动电路以TJA1080为收发器；MC9S12XF512内部集成2路Flexray控制器，FlexRay总线两个信道上的数据速率最大可达到10Mbps,总数据速率可达到20Mbit/秒，具有使用灵活、功耗低、低噪声、传输快等优点；S12MCU总线频率为25MHz，方便实现一些复杂的均衡控制算法和多总线通讯控制。在MCU外围还通过IIC总线接入实时时钟芯片和EEPROM存储芯片，2路Flexray的RX和TX脚分别接TJA1080收发器构成内部和外部双Flexray通讯网络。所述下层转向操纵模块路感电机采用C-EPS方向机，由于实验数据表明，方向盘转矩没有超过5N•m，选用功率为150W—350W直流电机式C-EPS方向机，采用MC9S12XF512作为电机控制板并设计以DRV8301为驱动芯片的电机驱动电路及以TJA1080为收发器的Flexray驱动电路；转角传感器采用光电编码器，精度为0.5度左右；转矩传感器采用非接触扭矩传感器；电流传感器采用霍尔式电流传感器，转向操纵模块单独使用铝型材台架搭建，下层设立隔板用来放置控制板及电源。所述下层转向操纵模块转向执行电机采用R-EPS（或P-EPS）方向机，由于汽车的转向动作全部直接由转向执行电机来提供，所以对转向电机的功率要求比较高，本专利技术采用功率600W—900W直流电机式R-EPS（或P-EPS）方向机；以MC9S12XF512作为电机控制板并设计以DRV8301为驱动芯片的电机驱动电路及以TJA1080为收发器的Flexray驱动电路。线位移传感器采用拉杆式直线位移传感器，拉压力传感器采用S型拉压力传感器。所述下层阻力加载模块由阻力模拟电机、电机控制器和电流传感器构成；阻力模拟电机也采用R-EPS（或P-EPS）方向机，选用功率为150W—350W直流电机式R-EPS（或P-EPS）方向机。以MC9S12XF512作为电机控制板并设计以DRV8301为驱动芯片的电机驱动电路及以TJA1080为收发器的Flexray驱动电路。所述下层转向执行模块与阻力加载模块的连接方式为：将转向执行模块中的拉压力传感器和阻力加载模块中的阻力模拟电机的两端用下述零件连接，该零件为一个套筒和一个双头螺柱，套筒左侧为右旋螺纹，右侧为左旋螺纹；双头螺柱左侧为左旋螺纹，右侧为右旋螺纹，套筒和双头螺柱中间留有凹槽，方便使用扳手等拆卸工具；该零件通过螺纹结构保证转向执行模块与阻力加载模块的连接可靠性与水平度，同时可方便拆卸拉压力传感器和转向执行电机。所述转向操纵模块中方向盘、转矩传感器、转角传感器的安装位置均为圆柱孔结构，直接安装在C-EPS方向机柱管上，柱管头部自带有右旋螺纹，依次安装转矩传感器、转角传感器、方向盘在C-EPS方向机柱管上并用螺母紧固，通过螺栓结构将C-EPS方向机固定在铝型材台架上，转向执行模块和阻力模拟模块中R-EPS（或P-EPS）方向机两端均为右旋螺纹结构，R-EPS（或P-EPS）方向机通过螺栓结构安装在厚度适中的铁板上并保证在一条直线上，阻力模拟模块的R-EPS（或P-EPS）方向机右侧右旋螺纹与连接零件套筒左侧右旋螺纹连接，套筒右侧左旋螺纹与双头螺柱左侧左旋螺纹相连，双头螺柱右侧右旋螺纹连接拉压力传感器，拉压力传感器再与转向执行电机螺纹结构相连。线位移传感器通过螺栓结构安装在平行于R-EPS（或P-EPS）方向机的位置，其拉杆使用螺栓结构紧固在一块铁片上，铁片通过螺母固定在拉压力传感器和转向执行电机之间，各个电机的电机控制板的两路PWM信号输出端用电线与电机正负极相连，Flexray驱动板的BP和BM端与主控模块ECU的BP和BM端用电线相连，并接通12V电源，电流传感器均接在电机正极。主控模块的ECU的ECT模块采集转角传感器的信号，A/D模块采集转矩传感器、拉压力传感器、线位移传感器、电流传感器信号，各个传感器和微控制器均需接5V的电源。本专利技术所述线控转向系统即SBW试验台架工作过程如下：试验人员通过给定方向盘转矩、转角，ECU采集转矩及转角传感器信号以及信号发生器的随机车速信号，通过ECU内部的算法运算，计算出驱动路感电机、转向执行电机、阻力模拟电机的PWM控制信号，通过Flexray总线传输到下层各电机控制板，路感电机控制板接收路感电机PWM控制信号实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线控转向系统试验台架，其特征在于，所述试验台架结构包括上下两层，上层为主控模块由ECU构成，下层为转向操纵模块、转向执行模块、阻力加载模块和容错模块；转向操纵模块由方向盘、路感电机、电机控制器、转矩传感器、转角传感器和电流传感器构成；转向执行模块由转向执行电机、电机控制器、电流传感器、线位移传感器和拉压力传感器构成；阻力加载模块由阻力模拟电机、电机控制器和电流传感器构成；容错模块由RECU构成，所述试验台架系统采用12V的电源，包含为传感器和控制芯片供电的12V转5V的电源电路接口，车速信号由信号发生器提供；所述SBW系统试验台架的上层主控模块ECU和容错模块RECU，包括一个16位微控制器、Flexray驱动电路；本专利技术所述线控转向系统即SBW试验台架工作过程如下：试验人员通过给定方向盘转矩、转角，ECU采集转矩及转角传感器信号以及信号发生器的随机车速信号，通过ECU内部的算法运算，计算出驱动路感电机、转向执行电机、阻力模拟电机的PWM控制信号，通过Flexray总线传输到下层各电机控制板，路感电机控制板接收路感电机PWM控制信号实现路感模拟，转向执行模块接收转向执行电机PWM控制信号来实现转向，反馈线位移信号实现转向执行闭环控制及反馈拉压力信号用于主控模块阻力及路感计算，阻力加载模块接收阻力模拟电机PWM控制信号来实现阻力模拟；各电流传感器反馈给ECU电流信号，用于电机闭环控制。...

【技术特征摘要】
1.一种线控转向系统试验台架，其特征在于，所述试验台架结构包括上下两层，上层为主控模块由ECU构成，下层为转向操纵模块、转向执行模块、阻力加载模块和容错模块；转向操纵模块由方向盘、路感电机、电机控制器、转矩传感器、转角传感器和电流传感器构成；转向执行模块由转向执行电机、电机控制器、电流传感器、线位移传感器和拉压力传感器构成；阻力加载模块由阻力模拟电机、电机控制器和电流传感器构成；容错模块由RECU构成，所述试验台架系统采用12V的电源，包含为传感器和控制芯片供电的12V转5V的电源电路接口，车速信号由信号发生器提供；所述SBW系统试验台架的上层主控模块ECU和容错模块RECU，包括一个16位微控制器、Flexray驱动电路；本发明所述线控转向系统即SBW试验台架工作过程如下：试验人员通过给定方向盘转矩、转角，ECU采集转矩及转角传感器信号以及信号发生器的随机车速信号，通过ECU内部的算法运算，计算出驱动路感电机、转向执行电机、阻力模拟电机的PWM控制信号，通过Flexray总线传输到下层各电机控制板，路感电机控制板接收路感电机PWM控制信号实现路感模拟，转向执行模块接收转向执行电机PWM控制信号来实现转向，反馈线位移信号实现转向执行闭环控制及反馈拉压力信号用于主控模块阻力及路感计算，阻力加载模块接收阻力模拟电机PWM控制信号来实现阻力模拟；各电流传感器反馈给ECU电流信号，用于电机闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种线控转向系统试验台架，其特征在于，所述ECU和RECU采用嵌入式微控制器——飞思卡尔的16位单片机MC9S12XF512，该芯片增加了X-GATE协处理器，具有较强的数据处理能力和控制功能；Flexray驱动电路以TJA1080为收发器；MC9S12XF512内部集成2路Flexray控制器，FlexRay总线两个信道上的数据速率最大达到10Mbps,总数据速率达到20Mbit/秒；S12MCU总线频率为25MHz，方便实现一些复杂的均衡控制算法和多总线通讯控制；在MCU外围还通过IIC总线接入实时时钟芯片和EEPROM存储芯片，2路Flexray的RX和TX脚分别接TJA1080收发器构成内部和外部双Flexray通讯网络；所述下层转向操纵模块路感电机采用C-EPS方向机，选用功率为150W—350W直流电机式C-EPS方向机，采用MC9S12XF512作为电机控制板并设计以DRV8301为驱动芯片的电机驱动电路及以TJA1080为收发器的Flexray驱动电路；转角传感器采用光电编码器，精度为0.5度左右；转矩传感器采用非接触扭矩传感器；电流传感器采用霍尔式电流传感器，转向操纵模块单独...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庭芳，何新毅，曹铭，张超敏，曲志林，郭劲林，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西,36