基于双绕组电机的双电机线控转向系统及多目标优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统及多目标优化方法，系统包括：机械传动模块、第一电机助力模块、双绕组电机助力模块及主控制器；本发明专利技术将两个电机均布置转向横拉杆上，减少了电机助力的机械耦合和干涉，提高了转向系统可靠性；并且采用了双绕组电机两个绕组同时工作的工作模式，使双绕组电机在有限的安装空间内，相对于单绕组电机能输出更大的力矩；而且具备电机绕组冗余功能，一套绕组故障，另一套绕组仍能驱动电机产生助力转矩，增强了汽车的行驶安全性；又基于NSGA‑II的多目标优化算法对转向系统关键参数进行优化，得到综合转向性能较好的一组解集。

Double motor by wire steering system based on double winding motor and multi-objective optimization method

【技术实现步骤摘要】
基于双绕组电机的双电机线控转向系统及多目标优化方法
本专利技术属于汽车转向系统
，具体涉及一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统及多目标优化方法。
技术介绍
随着汽车智能化程度越来越高，汽车上各模块逐渐趋于线控化设计，其中线控转向是当前人们研究的一个热点。而线控转向中转向的精确性对转向系统的综合性能尤为重要，如何提高转向系统的转向精确性是一个值得研究的问题。现有的线控转向系统，通常采用双电机执行装置，例如，中国专利申请号为CN201910222088.4中公开了一种将两个电机的输出转矩通过齿轮叠加到中间轴上，然后通过转矩耦合器将叠加转矩耦合到下转向管柱，进而通过转向器完成转向动作的基于平行轴的双电机电动助力转向系统；中国专利申请号为CN201811056931.8中公开了一种将两个电机通过联轴器同轴连接，两个电机的输出转矩叠加到同一根输出轴上，然后通过转矩耦合器耦合到下转向管柱输入到转向器，进而完成转向动作的双电机电动助力转向系统；但是上述电机都直接与转向管柱连接，造成电机助力容易产生机械耦合和干涉，而且两个电机的机械传递路线串联在一起，当某一机械结构出现故障，双电机执行装置完全失效，大大降低了转向系统的可靠性；而且上述技术中由于安装空间和成本限制，电机功率较小，两个电机所能提供的转矩仍然较小。双电机线控转向系统涉及多个模块相互配合，结构复杂，需要机械，电子等多门学科协同作用。同时其中涉及众多的性能参数指标，合理科学的参数优化设计对系统性能起到关键性作用。因此，准确建立优化模型，采用合适优化算法对获得双电机线控转向系统的良好综合性能有着不可忽视的作用。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统及多目标优化方法，以克服现有技术中存在的转向系统可靠性低、助力转矩较小的问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统，包括：机械传动模块、第一电机助力模块、双绕组电机助力模块及主控制器；其中，所述机械传动模块包括：方向盘、转角传感器、转矩传感器、转向管柱、第一齿轮齿条转向器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮；转向管柱的上端与方向盘相连，方向盘上安装转角传感器；转向管柱的下端与第一齿轮齿条转向器的小齿轮端连接，转向管柱上固定安装转矩传感器；转向横拉杆通过转向梯形与转向车轮连接；第一齿轮齿条转向器的齿条沿轴向固定在转向横拉杆上；方向盘输入的力矩经转矩传感器传至第一齿轮齿条转向器的小齿轮端，转向管柱的旋转运动经第一齿轮齿条转向器转换为转向横拉杆的位移运动；所述第一电机助力模块包括第一电机、蜗轮蜗杆及第二齿轮齿条转向器；蜗轮蜗杆的蜗杆端与第一电机输出轴轴向连接，蜗轮端与第二齿轮齿条转向器的小齿轮沿轴向固定在同一根传动轴上，第二齿轮齿条转向的齿条沿轴向固定在转向横拉杆上；第一电机输出的旋转运动经蜗轮蜗杆转化为传动轴的旋转运动，传动轴的旋转运动经第二齿轮齿条转向器转化为转向横拉杆的位移运动；所述双绕组电机助力模块包括：双绕组电机、减速机构、丝杆、供电单元；双绕组电机包括：定子铁芯、转子组件、机座、第一套绕组、第二套绕组、双绕组电机输出轴；第一套绕组包括：A相绕组、B相绕组、C相绕组；第二套绕组包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第一套绕组输入端分为三条支路，分别连接A相绕组输入端、B相绕组输入端、C相绕组输入端；第二套绕组输入端分为三条支路，分别连接a相绕组输入端、b相绕组输入端、c相绕组输入端；定子铁芯上分布有定子槽，第一套绕组和第二套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，定子铁芯固定在机座上；转子组件包括：转子铁芯及转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯沿轴向固定在双绕组电机输出轴上；第一套绕组和第二套绕组同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过双绕组电机输出轴将转矩输出；减速机构包括小齿轮、皮带及大齿轮；小齿轮沿轴向固定在双绕组电机输出轴上，皮带连接小齿轮和大齿轮，大齿轮内部带有螺纹，沿轴向套在丝杆上；丝杆将转向横拉杆打断，丝杆的两端沿轴向固定在转向横拉杆上；主控制器的输入端与转角传感器、转矩传感器、车速传感器电气连接，接收驾驶员输入的方向盘转角信号、转矩信号以及车速信号，输出端与第一电机、双绕组电机的供电单元电气连接，输出第一电机控制信号，控制第一电机输出的电磁转矩，输出双绕组电机控制信号，控制供电单元输出电流的大小，控制双绕组电机输出的电磁转矩。进一步地，所述双绕组电机输出端相对于转向横拉杆平行布置，经减速机构连接到丝杆上；双绕组电机输出的旋转运动转换为小齿轮的旋转运动，小齿轮的旋转运动通过皮带转换为大齿轮的旋转运动，大齿轮的旋转运动通过丝杆转换为转向横拉杆的位移运动。进一步地，所述第一齿轮齿条转向器齿条的位移、第二齿轮齿条转向器齿条的位移和大齿轮旋转带动丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，进而带动转向梯形和转向车轮完成转向动作。本专利技术的一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统的多目标优化方法，基于上述系统，包括步骤如下：(1)建立双电机线控转向系统模型；(2)选择双电机线控转向系统优化目标，并根据步骤(1)建立的模型，推导对应优化目标的评价公式；(3)以步骤(2)选择的系统优化目标为基础，进行性能分析选择对转向性能影响大的机械参数和电机参数为优化变量；(4)在转向灵敏度和优化变量取值范围的约束条件下，建立双电机线控转向系统多目标优化模型；(5)根据双电机线控转向系统多目标优化模型，采用基于NSGA-II的多目标优化算法，进行多目标参数优化。进一步地，所述双电机线控转向系统模型包括：方向盘-转向管柱模型、第一电机助力模块模型、双绕组电机助力模块模型、第一齿轮齿条转向器模型、第二齿轮齿条转向器模型及丝杆模型。进一步地，所述步骤(1)中的双电机线控转向系统模型为：式中：Js为方向盘转动惯量，θs为驾驶员输入转角，Tdri为驾驶员输入力矩，Bs为转向管柱阻尼系数，ks为转矩传感器刚度，θe1为第一齿轮齿条转向器小齿轮转角，Jz为转向管柱转动惯量，Tsen为转矩传感器输出力矩，Tw1为第一齿轮齿条转向器作用力矩，Jwo为蜗轮蜗杆的转动惯量，θe2为第二齿轮齿条转向器小齿轮转角，Bwo为蜗轮蜗杆阻尼系数，G1为蜗轮蜗杆减速比，Teps1为第一电机助力转矩，Tw2为第二齿轮齿条转向器作用力矩，Jd为减速机构转动惯量，θf为减速机构大齿轮转角，G2为减速机构减速比，Teps2为双绕组电机助力转矩，Tf为丝杆上作用力矩，Jm1为第一电机转动惯量，θm1为第一电机转角，Bm1为第一电机阻尼系数，Tem1为第一电机电磁转矩，Jm2为双绕组电机转动惯量，θm2为双绕组电机转角，Bm2为双绕组电机阻尼系数，Tem2为双绕组电机电磁转矩，Kc为反电动势系数，R1为第一套绕组电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统，其特征在于，包括：机械传动模块、第一电机助力模块、双绕组电机助力模块及主控制器；其中，/n所述机械传动模块包括：方向盘、转角传感器、转矩传感器、转向管柱、第一齿轮齿条转向器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮；转向管柱的上端与方向盘相连，方向盘上安装转角传感器；转向管柱的下端与第一齿轮齿条转向器的小齿轮端连接，转向管柱上固定安装转矩传感器；转向横拉杆通过转向梯形与转向车轮连接；第一齿轮齿条转向器的齿条沿轴向固定在转向横拉杆上；方向盘输入的力矩经转矩传感器传至第一齿轮齿条转向器的小齿轮端，转向管柱的旋转运动经第一齿轮齿条转向器转换为转向横拉杆的位移运动；/n所述第一电机助力模块包括第一电机、蜗轮蜗杆及第二齿轮齿条转向器；蜗轮蜗杆的蜗杆端与第一电机输出轴轴向连接，蜗轮端与第二齿轮齿条转向器的小齿轮沿轴向固定在同一根传动轴上，第二齿轮齿条转向的齿条沿轴向固定在转向横拉杆上；第一电机输出的旋转运动经蜗轮蜗杆转化为传动轴的旋转运动，传动轴的旋转运动经第二齿轮齿条转向器转化为转向横拉杆的位移运动；/n所述双绕组电机助力模块包括：双绕组电机、减速机构、丝杆、供电单元；/n双绕组电机包括：定子铁芯、转子组件、机座、第一套绕组、第二套绕组、双绕组电机输出轴；/n第一套绕组包括：A相绕组、B相绕组、C相绕组；第二套绕组包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第一套绕组输入端分为三条支路，分别连接A相绕组输入端、B相绕组输入端、C相绕组输入端；第二套绕组输入端分为三条支路，分别连接a相绕组输入端、b相绕组输入端、c相绕组输入端；/n定子铁芯上分布有定子槽，第一套绕组和第二套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，定子铁芯固定在机座上；/n转子组件包括：转子铁芯及转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯沿轴向固定在双绕组电机输出轴上；第一套绕组和第二套绕组同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过双绕组电机输出轴将转矩输出；/n减速机构包括小齿轮、皮带及大齿轮；小齿轮沿轴向固定在双绕组电机输出轴上，皮带连接小齿轮和大齿轮，大齿轮内部带有螺纹，沿轴向套在丝杆上；/n丝杆将转向横拉杆打断，丝杆的两端沿轴向固定在转向横拉杆上；/n主控制器的输入端与转角传感器、转矩传感器、车速传感器电气连接，接收驾驶员输入的方向盘转角信号、转矩信号以及车速信号，输出端与第一电机、双绕组电机的供电单元电气连接，输出第一电机控制信号，控制第一电机输出的电磁转矩，输出双绕组电机控制信号，控制供电单元输出电流的大小，控制双绕组电机输出的电磁转矩。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统，其特征在于，包括：机械传动模块、第一电机助力模块、双绕组电机助力模块及主控制器；其中，
所述机械传动模块包括：方向盘、转角传感器、转矩传感器、转向管柱、第一齿轮齿条转向器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮；转向管柱的上端与方向盘相连，方向盘上安装转角传感器；转向管柱的下端与第一齿轮齿条转向器的小齿轮端连接，转向管柱上固定安装转矩传感器；转向横拉杆通过转向梯形与转向车轮连接；第一齿轮齿条转向器的齿条沿轴向固定在转向横拉杆上；方向盘输入的力矩经转矩传感器传至第一齿轮齿条转向器的小齿轮端，转向管柱的旋转运动经第一齿轮齿条转向器转换为转向横拉杆的位移运动；
所述第一电机助力模块包括第一电机、蜗轮蜗杆及第二齿轮齿条转向器；蜗轮蜗杆的蜗杆端与第一电机输出轴轴向连接，蜗轮端与第二齿轮齿条转向器的小齿轮沿轴向固定在同一根传动轴上，第二齿轮齿条转向的齿条沿轴向固定在转向横拉杆上；第一电机输出的旋转运动经蜗轮蜗杆转化为传动轴的旋转运动，传动轴的旋转运动经第二齿轮齿条转向器转化为转向横拉杆的位移运动；
所述双绕组电机助力模块包括：双绕组电机、减速机构、丝杆、供电单元；
双绕组电机包括：定子铁芯、转子组件、机座、第一套绕组、第二套绕组、双绕组电机输出轴；
第一套绕组包括：A相绕组、B相绕组、C相绕组；第二套绕组包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第一套绕组输入端分为三条支路，分别连接A相绕组输入端、B相绕组输入端、C相绕组输入端；第二套绕组输入端分为三条支路，分别连接a相绕组输入端、b相绕组输入端、c相绕组输入端；
定子铁芯上分布有定子槽，第一套绕组和第二套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，定子铁芯固定在机座上；
转子组件包括：转子铁芯及转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯沿轴向固定在双绕组电机输出轴上；第一套绕组和第二套绕组同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过双绕组电机输出轴将转矩输出；
减速机构包括小齿轮、皮带及大齿轮；小齿轮沿轴向固定在双绕组电机输出轴上，皮带连接小齿轮和大齿轮，大齿轮内部带有螺纹，沿轴向套在丝杆上；
丝杆将转向横拉杆打断，丝杆的两端沿轴向固定在转向横拉杆上；
主控制器的输入端与转角传感器、转矩传感器、车速传感器电气连接，接收驾驶员输入的方向盘转角信号、转矩信号以及车速信号，输出端与第一电机、双绕组电机的供电单元电气连接，输出第一电机控制信号，控制第一电机输出的电磁转矩，输出双绕组电机控制信号，控制供电单元输出电流的大小，控制双绕组电机输出的电磁转矩。


2.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的双电机线控转向系统，其特征在于，所述双绕组电机输出端相对于转向横拉杆平行布置，经减速机构连接到丝杆上；双绕组电机输出的旋转运动转换为小齿轮的旋转运动，小齿轮的旋转运动通过皮带转换为大齿轮的旋转运动，大齿轮的旋转运动通过丝杆转换为转向横拉杆的位移运动。


3.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的双电机线控转向系统，其特征在于，所述第一齿轮齿条转向器齿条的位移、第二齿轮齿条转向器齿条的位移和大齿轮旋转带动丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，进而带动转向梯形和转向车轮完成转向动作。


4.一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统的多目标优化方法，基于上述权利要求1至3中任意一项系统，包括步骤如下：
(1)建立双电机线控转向系统模型；
(2)选择双电机线控转向系统优化目标，并根据步骤(1)建立的模型，推导对应优化目标的评价公式；
(3)以步骤(2)选择的系统优化目标为基础，进行性能分析选择对转向性能影响大的机械参数和电机参数为优化变量；
(4)在转向灵敏度和优化变量取值范围的约束条件下，建立双电机线控转向系统多目标优化模型；
(5)根据双电机线控转向系统多目标优化模型，采用基于NSGA-II的多目标优化算法，进行多目标参数优化。


5.根据权利要求4所述的基于双绕组电机的双电机线控转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述双电机线控转向系统模型包括：方向盘-转向管柱模型、第一电机助力模块模型、双绕组电机助力模块模型、第一齿轮齿条转向器模型、第二齿轮齿条转向器模型及滚珠丝杆模型。


6.根据权利要求4所述的基于双绕组电机的双电机线控转向系统的多目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：周长志，赵万忠，周小川，高犇，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