一种差动协同多模式线控转向系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种差动协同多模式线控转向系统，包括：方向盘单元、机械转向单元、线控转向单元、转向传动机构、差动转向单元以及电子控制单元；所述方向盘单元用于驾驶员操纵输入转向指令，所述机械转向单元用于传递驾驶员操纵力矩至所述转向传动机构，所述线控转向单元用于线控自动完成转向力矩产生并传递至所述转向传动机构，所述差动转向单元用于辅助或冗余所述线控转向单元；本发明专利技术还公开了一种差动协同多模式线控转向控制方法，在系统正常工作时，所述电子控制单元用于控制差动转向单元协同线控转向单元驱动车轮偏转，以降低线控转向系统能耗；当系统发生故障时，所述电子控制单元用于通过协调控制设置多种冗余模式提升线控转向系统安全性。线控转向系统安全性。线控转向系统安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种差动协同多模式线控转向系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及汽车
，尤其是线控转向
更具体地说，本专利技术涉及一种差动协同多模式线控转向系统及控制方法。

技术介绍

[0002]线控转向(SbW)通过电控信号控制转向执行电机驱动转向梯形完成车轮转向运动，实现了方向盘与汽车转向前轮的机械解耦。随着智能驾驶技术的应用和自动驾驶级别的提高，线控转向正吸引越来越多的研究，用于替代基于电动助力转向(EPS)的主动转向方案而被用于高级别自动驾驶汽车，以适应未来智能交通场景。但作为线控技术，由于与驾乘安全紧密相关，单一的线控转向技术至今仍未得到产业政策法规的支持；同时线控转向在面对高速紧急避障、中低速大角度转弯等转向工况时，存在转向执行电机电流较大易发热、负载较高响应慢的问题。
[0003]现阶段线控转向系统多采用被动容错方案，是指通过采用额外装置以保证在电子元件功能失效或发生控制环境变化时仍不失去转向性能，典型为设置电子元件备份和机械转向轴备份，如Infiniti Q50选用三个互为冗余的线控转向控制器控制两个执行电机实现线控转向，以保证在一个电机失效时另一个执行电机生效完成转向动作，同时还预备一套由电磁离合器接合和断开的机械转向装置来确保必要时恢复驾驶员机械转向。现阶段，采用双转向执行电机的线控主动转向系统在双电机匹配中存在两种方案，一种从安全性考虑采用备份匹配方案，一种从节能性考虑采用并行匹配方案；前者通常是两个转向执行电机可以独立工作，电机二选做电机一的备份且仅在电机一失效时工作，所以转向执行电机的功率、转矩等参数的选取标准为单个转向执行电机需要满足转向时的要求；后者选用两个小功率双转向执行电机协同并行工作，若一个电机存在失效的情况下，仅凭另一个执行电机工作，无法满足特定工况转向系统高转向功率所需动力，就需要约束汽车的转向速度或转向力矩。
[0004]差动转向可以利用左右轮毂电机驱动转矩差值在轮胎与地面间产生的地面驱动力差，围绕主销接地横向偏移距可以产生驱动转向梯形机构运动的转向力矩，从而被认为是一种利用驱动系统实现间接自动转向的新型线控转向方式。因此，该转向方式可以用作线控主动转向系统转向执行电机失效时的备份转向系统，大大提高线控转向系统的功能安全。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供了一种差动协同多模式线控转向系统及控制方法，实现了在系统电子元件未失效的情况下，线控转向电子控制单元基于汽车动力学、轮毂电机MAP图、转向执行电机输出功率等方面因素，控制前轮轮毂电机在维持总驱动转矩不变的同时输出差动转向力矩，协同线控转向系统共同驱动前轮进行主动转向，以实现降低线控转向系统转向执行电机输出功率的节能作用；同时在线控转向系统电子器
件故障的情况下，作为线控转向系统的冗余备份，差动转向产生转向力矩单独驱动前轮进行主动转向，仍能保证转向功能，提高了线控转向系统的安全性。
[0006]结合说明书附图，本专利技术的
技术实现思路
如下：
[0007]一种差动协同多模式线控转向系统，包括：方向盘单元Ⅰ、机械转向单元Ⅱ、线控转向单元Ⅲ、差动转向单元Ⅳ、转向传动机构
Ⅴ
以及电子控制单元
Ⅵ
。
[0008]所述方向盘单元Ⅰ包括：
[0009]方向盘(100)，其用于驾驶员操纵输入转向指令；
[0010]方向盘转角传感器(110)，其连接所述方向盘(100)，用于检测方向盘(100)转角并传输至电子控制单元
Ⅵ
；
[0011]方向盘扭矩传感器(120)，其连接所述方向盘(100)，用于检测方向盘(100)扭矩并传输至电子控制单元
Ⅵ
；
[0012]路感电机(130)，其用于接收并传输至电子控制单元
Ⅵ
输出的控制信号，输出路感反馈阻力转矩或转向助力转矩；
[0013]路感电机减速器(140)，其用于减速增扭所述路感电机(130)输出的力矩；
[0014]转向轴(150)，其用于连接和传递所述方向盘(100)转向力矩；
[0015]上转向传动轴(160)，其上端通过销钉与所述转向轴(150)相连，并侧方连接所述路感电机减速器(140)，并传递其路感反馈阻力转矩或转向助力转矩，下端与所述机械转向单元Ⅱ连接；
[0016]所述机械转向单元Ⅱ包括：
[0017]电磁离合器(200)，其用于接收电子控制单元
Ⅵ
控制信号，分离可以实现所述方向盘(100)与前轮的解耦，接合可以实现机械转向；
[0018]万向节(210)，用于变角度传递来自所述方向盘(100)的转向力矩；
[0019]下转向传动轴(220)，其通过所述万向节(210)连接所述电磁离合器(200)下端；
[0020]所述线控转向单元Ⅲ包括：
[0021]转向执行电机(300)，其用于接收电子控制单元
Ⅵ
的控制信号，输出转向力矩；
[0022]转向执行电机减速器(310)，其用于减速增扭所述转向执行电机(300)输出的转向力矩，输出至转向传动机构
Ⅴ
；
[0023]所述差动转向单元Ⅳ包括：
[0024]第一前轮(420)，其通过转向节与转向传动机构
Ⅴ
一侧相连受控偏转；
[0025]第二前轮(430)，其通过转向节与转向传动机构
Ⅴ
另一侧相连受控偏转；
[0026]第一前轮轮毂电机(400)，其用于接收电子控制单元
Ⅵ
输出的控制信号，驱动所述第一前轮；
[0027]第二前轮轮毂电机(410)，其用于接收电子控制单元
Ⅵ
输出的控制信号，驱动所述第二前轮；
[0028]前轮转角传感器(440)，其用于检测前轮转角，并传输至电子控制单元
Ⅵ
；
[0029]所述转向传动机构
Ⅴ
包括：
[0030]齿轮齿条转向器(510)，其用于接收所述转向执行电机减速器(310)和所述下转向传动轴(220)输出的转向力矩；
[0031]转向梯形臂(520)，其两端通过球销分别连接所述齿轮齿条转向器和车轮转向节
臂，带动车轮偏转；
[0032]作为一种优选，所述齿轮齿条转向器(510)包括：
[0033]第一转向小齿轮(511)，其用于接收所述转向执行电机减速器(310)输出的转向力矩，驱动转向齿条(513)移动；
[0034]转向小齿轮转角传感器(512)，其用于检测所述第一转向小齿轮(511)转角，并传递至电子控制单元
Ⅵ
；
[0035]转向齿条(513)，其用于驱动所述转向梯形臂(520)移动；
[0036]齿条位移传感器(514)，其用于检测所述转向齿条(513)位移；
[0037]第二转向小齿轮(516)；其用于接收所述下转向传动轴(220)输出的转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种差动协同多模式线控转向系统，其特征在于，包括：方向盘单元，其用于驾驶员操纵输入转向指令；机械转向单元，其连接所述方向盘单元传递驾驶员输入转向力矩，包括：电磁离合器，万向节，下转向传动轴；线控转向单元，其用于线控自动完成转向力矩产生；转向传动机构，其用于接收机械转向单元和线控转向单元传递的转向力矩；差动转向单元，其用于辅助或冗余所述线控转向单元；电子控制单元，用于采集所述方向盘单元转角、扭矩信号，和所述转向传动机构转角信号，并根据控制程序控制所述方向盘单元、所述电磁离合器、所述线控转向单元和差动转向单元的协同动作。2.如权利要求1所述的差动协同多模式线控转向系统，其特征在于，所述方向盘单元包括：方向盘，其用于接收驾驶员输入转向力矩；方向盘转角传感器，其连接所述方向盘，用于检测方向盘转角并输入至电子控制单元；方向盘扭矩传感器，其连接所述方向盘，用于检测方向盘扭矩并输入至电子控制单元；路感电机，其用于接收所述电子控制单元输出的控制信号，输出路感反馈阻力转矩或转向助力转矩；路感电机减速器，其用于减速增扭所述路感电机输出的转矩；转向轴，其用于连接和传递所述方向盘转向力矩；上转向传动轴，其上端通过销钉与所述转向轴相连，并侧方连接所述路感电机减速器，传递所述路感反馈阻力转矩或转向助力转矩至驾驶员，下端与所述电磁离合器连接。3.如权利要求1所述的差动协同多模式线控转向系统，其特征在于，所述线控转向单元包括：转向执行电机，其用于接收所述电子控制单元输出的控制信号，输出自动转向力矩；转向执行电机减速器，其用于减速增扭所述转向执行电机输出的转向力矩，输出至所述转向传动机构。4.如权利要求1所述的差动协同多模式线控转向系统，其特征在于，所述差动转向单元包括：第一前轮，其通过转向节与所述转向传动机构一侧相连；第二前轮，其通过转向节与所述转向传动机构另一侧相连；第一前轮轮毂电机，其用于接收所述电子控制单元输出的控制信号，驱动所述第一前轮；第二前轮轮毂电机，其用于接收所述电子控制单元输出的控制信号，驱动所述第二前轮；前轮转角传感器，其用于检测前轮转角，并传输至所述电子控制单元。5.如权利要求1所述的差动协同多模式线控转向系统，其特征在于，所述转向传动机构包括：齿轮齿条转向器，其用于接收转向执行电机减速器和所述下转向传动轴输出的转向力矩；
转向梯形臂，其两端通过球销分别连接所述齿轮齿条转向器和车轮转向节臂；作为一种优选，所述齿轮齿条转向器还包括：第一转向小齿轮，其用于接收转向执行电机减速器输出的转向力矩；转向小齿轮转角传感器，其用于检测所述第一转向小齿轮转角，并传递至所述电子控制单元；转向齿条，其用于驱动所述转向梯形臂移动；齿条位移传感器；其用于检测所述转向齿条位移，并传递至所述电子控制单元；第二转向小齿轮；其用于接收所述下转向传动轴输出的转向力矩，驱动所述转向齿条移动；转向器壳体，用于容置所述第一转向小齿轮、所述转向齿条和所述第二转向小齿轮。6.一种差动协同多模式线控转向控制方法，其特征在于，包括：工作模式，用于控制电磁离合器断电实现线控转向并基于整车动力性、前轮轮毂电机MAP图以及转向执行电机输出功率，从降低能耗的角度控制第一前轮轮毂电机和第二前轮轮毂电机输出差动转向力矩，协同转向执行电机驱动前轮进行转向，ECU控制路感电机输出路感反馈阻力转矩；冗余模式一，用于转向执行电机故障，此模式可以实现差动主动转向，ECU控制电磁离合器断电，ECU控制第一前轮轮毂电机和第二前轮轮毂电机输出差动转向力矩，利用产生的地面驱动力差间接驱动车轮进行转向，ECU控制路感电机输出路感反馈阻力转矩；冗余模式二，用于前轮轮毂电机故障，此模式可以实现线控主动转向，ECU控制电磁离合器断电，ECU控制转向执行电机输出转向力矩，ECU控制路感电机输出路感反馈阻力转矩；冗余模式三，用于转向执行电机和前轮轮毂电机同时故障，此模式可以实现电动助力转向，ECU控制电磁离合器通电，使上转向传动轴与下转向传动轴连接，ECU控制路感电机输出转向助力转矩，协同驾驶员通过方向盘施加的转向力矩驱动车轮进行转向；其特征在于，还包括：系统自检、ECU读取转向执行电机、前轮轮毂电机自检信号：若所有电机都未失效，ECU执行所述工作模式；若存在任一电机失效，ECU执行所述冗余模式一，或所述冗余模式二，或所述冗余模式三：若转向执行电机自检信号异常、前轮轮毂电机自检信号正常，ECU执行所述冗余模式一；若转向执行电机自检信号正常、前轮轮毂电机自检信号异常，ECU执行所述冗余模式二；若转向执行电机自检信号和前轮轮毂电机自检信号均异常，ECU执行所述冗余模式三。7.如权利要求6所述的差动协同多模式线控转向控制方法，其特征在于，所述工作模式包括：步骤一、ECU读取方向盘转角δ
h
、方向盘转矩T
h
、车速u、整车横摆角速度ω、整车质心侧偏角β、油门踏板和前轮转角δ
f
等信号，并控制电磁离合器断电，断开上转向传动轴与下转向传动轴连接，实现线控转向模式；步骤二、ECU将油门踏板信号转换为期望车速u
d
，将当前车速u和期望车速u
d
差值输入
PID控制器中，得出整车需求的总驱动力矩T
re
；步骤三、ECU根据方向盘转角δ
h
、车速u查MAP图表选取当前角传动比i；步骤四、ECU根据选取的角传动比i及转向盘转角δ
h
计算得到期望前轮转角值δ
fd
：步骤五、ECU根据线控转向系统动力学方程计算转向执行电机与前轮轮毂电机协同输出转向力矩T
Z
：e1＝δ
fd
‑
δ
fff
c＝r
p
*K*m
r
其中，a1为回正阻力系数；a2为摩擦阻力系数；k1和k2为系统稳定系数；M
r
为转向器质量；K为前轮转角到齿条位移的比例系数；δ
f
为当前前轮转角；r
p
为转向小齿轮半径；B
r
为转向器齿条阻力系数；步骤六、ECU结合车速u以及前轮转角δ
f
从车速
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军年，王振宇，范瑞浩，付东旭，庄硕，周子栋，刘哲，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：