一种双助力循环球式转向系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双助力循环球式转向系统及其控制方法，该系统包括有方向盘、转向管柱、转矩传感器、齿扇、双向蜗轮蜗杆减速机构、转向摇臂、转向横拉杆、车轮、车速传感器、横摆角速度传感器、电子控制单元、左右助力电机。在行驶过程中，电子控制单元实时采集转矩传感器、横摆角速度以及车速信号，计算理想横摆角速度与实际横摆角速度的差值，通过设计的自适应容错控制器重新计算双助力电机补偿转矩，并由ECU向发送脉冲控制其运行完成正常与执行器部分失效状况下的汽车稳定性控制。本发明专利技术能够实现双助力循环球式转向系统的自适应容错控制，提高转向系统的可靠性和汽车行驶时的稳定性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种双助力循环球式转向系统及其控制方法
本专利技术涉及转向系统
，尤其涉及一种双助力循环球式转向系统及其控制方法。
技术介绍
动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统，在机械转向系统的基础上额外增加一套动力转向装置而形成的。在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由动力转向装置提供的。但在动力转向装置失效时，驾驶员需要独立承担汽车转向的任务。对质量较重的汽车而言，一旦动力转向装置失效，驾驶员通过机械传动系加于转向节的力可能不足以使转向轮偏转而实现转向或者需要耗费较多体力，因此设计动力转向装置失效工况下的容错控制显得非常必要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种双助力循环球式转向系统及其控制方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种双助力循环球式转向系统，包括方向盘、转向管柱、方向盘转角传感器、齿扇、双向蜗轮蜗杆减速机构、转向摇臂、转向横拉杆、车速传感器、横摆角速度传感器、电子控制单元、左助力电机和右助力电机；所述转向管柱一端和所述方向盘固定相连，另一端和所述双向蜗轮蜗杆减速机构的输出端相连；所述方向盘转角传感器安装在转向管柱上，用于获取方向盘转角，并将其传递给所述电子控制单元；所述双向蜗轮蜗杆减速机构的一个输入端和左助力电机的输出端相连，另一个输入端和右助力电机的输出端相连；所述左助力电机、右助力电机用于根据各自接收到的电流信号提供转向助力给所述双向蜗轮蜗杆减速机构；所述转向管柱在方向盘转角传感器和双向蜗轮蜗杆减速机构之间设有螺杆；所述齿扇的齿面和所述螺杆啮合、转心和所述转向摇臂的一端铰接；所述转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的中心铰接；所述转向横拉杆的两端分别和汽车的两个前轮相连；所述车速传感器、横摆角速度传感器均设置在汽车上，分别用于获取汽车的车速和横摆角速度，并将其传递给所述电子控制单元；所述电子控制单元分别和方向盘转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、左助力电机、右助力电机电气相连，用于根据获得的方向盘转角、车速、横摆角速度计算左助力电机和右助力电机需要提供的补偿助力，并产生相应的电流信号传递给所述左助力电机、右助力电机。本专利技术还公开了一种基于该双助力循环球式转向系统的容错控制方法，包括以下步骤：步骤1)，计算理想横摆角速度与方向盘转角关系；步骤2)，建立双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型，并基于双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型建立双助力循环球式转向系统的状态空间模型；步骤3)，建立自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型；步骤4)，建立双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，并基于双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，建立自适应容错控制算法结构；步骤5)，基于自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型和自适应容错控制算法结构，建立双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器，并采用所述自适应容错控制器对双助力循环球式转向系统进行稳定性控制。作为本专利技术一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤1)中所述的理想横摆角速度ωr*与方向盘转角θsw关系为：式中：a0＝k1k2(a+b)2+(k2b-k1a)mu2；b0＝k1k2(a+b)u；L为前后轴轴距；u为汽车速度；Ks为预设的横摆角速度调整参数；k1、k2为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量。作为本专利技术一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤2)中所述的双助力循环球式转向系统模型为：式中：Ts＝Kh(θh-θr)；Kh为方向盘转角传感器；Th为驾驶员作用在方向盘作用力；Jh和Bh分别表示方向盘等效转动惯量和等效阻尼系数；θh为方向盘转角；n1、n2分别表示左右助力电机减速机构减速比；T1、T2分别为左右助力电机输出转矩；Jr和Br分别表示转向螺杆等效转动惯量和等效阻尼系数；θr为转向螺杆转角；Tr为作用于轮胎的阻力矩等效到转向螺杆上的力矩，d为半轮距；n3为转向螺杆到前轮的传动比；β为质心侧偏角；ωr为横摆角速度；δ为前轮转角；步骤2)中所述的整车二自由度模型为：式中：Iz为汽车质量对z轴的转动惯量。作为本专利技术一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤2)中所述的双助力循环球式转向系统的状态空间模型为：作为本专利技术一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤3)所述的自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型为：式中，B＝σB1；C＝[000001]T；σ1和σ2分别表示左右助力电机发生故障的概率；u(t)＝[T1T2]T；w(t)＝[Th]T；y(t)＝[ωr]T；t为时间。作为本专利技术一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤4)所述的双助力循环球式转向系统的参考模型为：式中：xm(t)为参考模型的状态向量；um(t)为参考模型的输入控制向量，ym(t)为参考模型的输出向量；Am＝A；Bm＝B1；Cm＝C。作为本专利技术一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤4)中所述的双助力循环球式转向系统的理想模型为：式中：x*(t)为理想模型的状态向量；u*(t)为理想模型的输入控制向量，y*(t)为理想模型的输出向量。作为本专利技术一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤4)所述的自适应容错控制算法结构为：u(t)＝Ke(t)(ym(t)-y(t))+Kx(t)xm(t)+Ku(t)um(t)式中：Ke(t)表示跟踪误差增益；Kx(t),Ku(t)表示理想的前馈增益；Kr(t)为定义自适应增益，Kr(t)＝[Ke(t)Kx(t)Ku(t)]＝[Kp(t)Ki(t)]；自适应控制器输入式中自适应增益按照以下自适应控制律在线调整：Kp(t)＝ey(t)rT(t)TpKi(t)＝ey(t)rT(t)Ti式中：Tp,Ti为常值权矩阵；自适应控制算法结构可简化为：ut＝Kt(t)r(t)。作为本专利技术一种双助力循环球式转向系统的容错控制方法进一步的优化方案，步骤5)所述的双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器为：式中：Ap＝A-BKcC，Kc为基本控制器增益；Bp＝Bσ；Cp＝C。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1.预先并不需要知道助力电机发生失效的时间和失效情况，不需要通过传感器进行检测，通过本专利技术自适应控制器，能够在线自适应调整控制器参数，让故障转向系统跟踪理想模型输出，从而达到理想的控制效果；2.所提控制算法结构简单，可调参数少，并且能保证转向系统动态方程满足自适应控制系统稳定性条件，为解决循环球式助力转向系统的容错控制拓宽了研究思路。附图说明图1为本专利技术双助力循环球式转向系统结构图；图2为本专利技术自适应容错控制结构图。图中，1-方向盘，2-转向管柱，3-方向盘转角传感器，4-螺杆，5-螺母，6-齿扇，7-双向蜗轮蜗杆减速机构，8转向摇臂，9-转向横拉杆，10-车轮，11-车速传感器，12-横摆角速度传感器，13-电子控制单元，14-左助力电机，15-右助力电机。具体实施方式下面结合附图对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双助力循环球式转向系统，其特征在于，包括方向盘、转向管柱、方向盘转角传感器、齿扇、双向蜗轮蜗杆减速机构、转向摇臂、转向横拉杆、车速传感器、横摆角速度传感器、电子控制单元、左助力电机和右助力电机；所述转向管柱一端和所述方向盘固定相连，另一端和所述双向蜗轮蜗杆减速机构的输出端相连；所述方向盘转角传感器安装在转向管柱上，用于获取方向盘转角，并将其传递给所述电子控制单元；所述双向蜗轮蜗杆减速机构的一个输入端和左助力电机的输出端相连，另一个输入端和右助力电机的输出端相连；所述左助力电机、右助力电机用于根据各自接收到的电流信号提供转向助力给所述双向蜗轮蜗杆减速机构；所述转向管柱在方向盘转角传感器和双向蜗轮蜗杆减速机构之间设有螺杆；所述齿扇的齿面和所述螺杆啮合、转心和所述转向摇臂的一端铰接；所述转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的中心铰接；所述转向横拉杆的两端分别和汽车的两个前轮相连；所述车速传感器、横摆角速度传感器均设置在汽车上，分别用于获取汽车的车速和横摆角速度，并将其传递给所述电子控制单元；所述电子控制单元分别和方向盘转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、左助力电机、右助力电机电气相连，用于根据获得的方向盘转角、车速、横摆角速度计算左助力电机和右助力电机需要提供的补偿助力，并产生相应的电流信号传递给所述左助力电机、右助力电机。...

【技术特征摘要】
1.一种双助力循环球式转向系统，其特征在于，包括方向盘、转向管柱、方向盘转角传感器、齿扇、双向蜗轮蜗杆减速机构、转向摇臂、转向横拉杆、车速传感器、横摆角速度传感器、电子控制单元、左助力电机和右助力电机；所述转向管柱一端和所述方向盘固定相连，另一端和所述双向蜗轮蜗杆减速机构的输出端相连；所述方向盘转角传感器安装在转向管柱上，用于获取方向盘转角，并将其传递给所述电子控制单元；所述双向蜗轮蜗杆减速机构的一个输入端和左助力电机的输出端相连，另一个输入端和右助力电机的输出端相连；所述左助力电机、右助力电机用于根据各自接收到的电流信号提供转向助力给所述双向蜗轮蜗杆减速机构；所述转向管柱在方向盘转角传感器和双向蜗轮蜗杆减速机构之间设有螺杆；所述齿扇的齿面和所述螺杆啮合、转心和所述转向摇臂的一端铰接；所述转向摇臂的另一端和所述转向横拉杆的中心铰接；所述转向横拉杆的两端分别和汽车的两个前轮相连；所述车速传感器、横摆角速度传感器均设置在汽车上，分别用于获取汽车的车速和横摆角速度，并将其传递给所述电子控制单元；所述电子控制单元分别和方向盘转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、左助力电机、右助力电机电气相连，用于根据获得的方向盘转角、车速、横摆角速度计算左助力电机和右助力电机需要提供的补偿助力，并产生相应的电流信号传递给所述左助力电机、右助力电机。2.基于权利要求1所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，计算理想横摆角速度与方向盘转角关系；步骤2)，建立双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型，并基于双助力循环球式转向系统模型和整车二自由度模型，建立双助力循环球式转向系统的状态空间模型；步骤3)，建立自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型；步骤4)，建立双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，并基于双助力循环球式转向系统的参考模型和理想模型，建立自适应容错控制算法结构；步骤5)，基于自适应容错控制的双助力循环球式转向系统的状态空间模型和自适应容错控制算法结构，建立双助力循环球式转向系统的自适应容错控制器，并采用所述自适应容错控制器对双助力循环球式转向系统进行稳定性控制。3.根据权利要求书2所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤1)中所述的理想横摆角速度ωr*与方向盘转角θsw关系为：式中：a0＝k1k2(a+b)2+(k2b-k1a)mu2；b0＝k1k2(a+b)u；L为前后轴轴距；u为汽车速度；Ks为预设的横摆角速度调整参数；k1、k2为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量。4.根据权利要求书3所述的双助力循环球式转向系统的容错控制方法，其特征在于，步骤2)中所述的双助力循环球式转向系统模型为：式中：Ts＝Kh(θh-θr)；Kh为方向盘转角传感器；Th为驾驶员作用在方向盘作用力；Jh和Bh分别表示方向盘等效转动惯量和等效阻尼系数；θh为方向盘转角；n1、n2分别表示左右助力电机减速机构减速比；T1、T2分别为左右助力电机输出转矩；Jr和Br分别表示转向螺杆等效转动惯量和等效阻尼系数；θr为转向螺杆转角；Tr为作用于轮胎的阻力矩等效到转向螺杆上的力矩，d为半轮距；n3为转向螺杆到前轮的传动比；β为质心侧偏角；ωr为横摆角速度；δ为前轮转角；步骤2)中所述的整车二自由度模型为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张寒，赵万忠，杨遵四，王春燕，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32