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原文传递一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法

专利名称：	一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法
摘要：	本发明公开了一种基于双绕组电机的线控电液转向系统及混杂控制方法，包括：方向盘，转向管柱总成、路感总成、电动液压助力模块、双绕组电机助力模块、转向控制单元、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮；本发明可根据车辆所处工况，在各种转向工作模式间进行切换，满足各种工况下的转向需求，通过模式的切换，可以减少液压助力的工作时间，大大降低转向系统的能耗；并且采用了双绕组电机两套绕组同时工作的工作模式，具备电机绕组冗余功能，一套绕组故障，可由另一套绕组驱动电机提供助力转矩，提升了转向系统的可靠性，增强了车辆行驶安全性。
专利类型：	发明专利
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	周小川;赵万忠;周长志;黄馨谊;王睿;王泓积;薛子宽;孙林林;钟怡欣
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T13:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T15:00:00+0805
申请号：	CN202010030912.9
公开号：	CN111152835A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	贺翔
分类号：	B62D5/04;B62D5/06;B62D5/30;B62D6/00;B62D15/02;B62D101/00;B62D137/00;B;B62;B62D;B62D5;B62D6;B62D15;B62D101;B62D137;B62D5/04;B62D5/06;B62D5/30;B62D6/00;B62D15/02;B62D101/00;B62D137/00
申请人地址：	210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，包括：方向盘，转向管柱总成、路感总成、电动液压助力模块、双绕组电机助力模块、转向控制单元、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮；方向盘连接转向管柱总成，转向管柱总成包括：第一转向管柱、第一转矩传感器、转角传感器、第二转向管柱、滚珠丝杆、位移传感器；第一转向管柱上分别固定安装第一转矩传感器、转角传感器，第二转向管柱连接到滚珠丝杆的螺母，滚珠丝杆的丝杆两端与转向横拉杆同轴线轴向固定连接，滚珠丝杆上固定安装位移传感器，第一转向管柱和第二转向管柱通过电磁离合器连接；电磁离合器断开时，方向盘输入的作用力经过第一转向管柱作用于路感总成；电磁离合器闭合时，方向盘输入的作用力经第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、滚珠丝杆转化为转向横拉杆的位移；路感总成包括：路感电机、第二转矩传感器、蜗轮蜗杆；路感电机输出端经过第二转矩传感器与蜗轮蜗杆的蜗轮端连接，蜗轮蜗杆的蜗杆端固定在第一转向管柱上；路感电机输出的力矩依次经过蜗轮蜗杆、第一转向管柱，传递至方向盘，形成转向路感；电动液压助力模块包括：油箱、液压泵、第一电机、电磁换向阀、液压缸、活塞、活塞杆、第三转矩传感器；活塞杆位于液压缸内，活塞杆上固定安装活塞，活塞杆两端与转向横拉杆同轴线轴向固定连接；第三转矩传感器安装在第一电机输出端；液压油在第一电机作用下，依次从油箱、液压泵流向电磁换向阀，通过电磁换向阀阀门开度不同，液压油流向液压缸内的活塞两侧，在活塞两侧产生压力差，从而对活塞杆产生轴向作用力，活塞杆在轴向力的作用下发生轴向位移运动，并传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移运动；双绕组电机模块包括：继电器控制单元、双绕组电机、第一电流传感器、第二电流传感、减速机构；继电器控制单元包括：继电器控制器、继电器、供电单元；继电器控制器的输入端连接转向控制单元，继电器控制器的输出端连接继电器；供电单元的输入端连接转向控制单元，供电单元的输出端通过继电器连接双绕组电机给双绕组电机供电；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；第一套绕组的输入端与第一电流传感器连接，第二套绕组的输入端与第二电流传感器连接；转子组件包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯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、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，沿轴向套在滚珠丝杆上；转向控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与上述各传感器电气连接，并获取第一转矩信号、第二转矩信号、第三转矩信号、第一电流信号、第二电流信号、转角信号、转向横拉杆位移信号；车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号和横摆角速度信号；主控制器的输出端连接路感总成、电磁离合器、第一电机、继电器控制单元；电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁、摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离。 2.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述电磁换向阀具有正向负荷、反向负荷和卸荷三种工作状态，正向负荷时，第一电机驱动油泵，电磁换向阀控制阀门开闭使液压油正向流动，液压油流入液压缸内活塞两侧，活塞左侧压力大于右侧，为车辆右转时的提供转向助力；反向负荷时，第一电机驱动油泵，电磁换向阀控制阀门开闭使液压油反向流动，液压油流入液压缸内活塞两侧，活塞右侧压力大于左侧，为车辆右转时的提供转向助力；卸荷时，第一电机停止工作，液压油停止流入液压缸内活塞两侧，不能提供转向助力。 3.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述双绕组电机输出轴相对于转向横拉杆平行布置，经减速机构连接到滚珠丝杆上；双绕组电机输出轴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滚珠丝杆转换为转向横拉杆的位移运动。 4.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述转向横拉杆与活塞杆、滚珠丝杆固定连接为一个整体，活塞杆和滚珠丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，转向横拉杆两端分别通过转向梯形连接转向车轮，实现将转向横拉杆的位移运动转化为转向车轮的转向角，完成车辆转向动作。 5.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述主控制器包括信息处理单元、转向决策单元、转向数据库、混杂控制单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元以及电磁离合器驱动单元；信息处理单元与上述各传感器和车辆其它状态单元电气连接，实时获取各传感器信号和车辆其它状态信号；转向决策单元通过车载通讯线路接收信号处理单元、转向数据库以及混杂控制单元的输入信号，路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元和电磁离合器驱动单元通过车载通讯线路接收转向决策单元的输入信号，分别输出路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号以及电磁离合器控制信号；混杂控制单元通过车载通讯线路接收信号处理单元和转向数据库的输入信号，助力电机驱动单元通过车载通讯线路接收混杂控制单元的输入信号，分别输出第一电机控制信号和双绕组电机控制信号，完成转向动作的控制。 6.根据权利要求5所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述混杂控制单元包括：切换监督器、切换控制器、稳定监督器；切换监督器根据信息处理单元的输入信号对转向系统的工作模式进行切换，同时检测转向系统各工作模式之间的变迁过程，减小转向控制过程中由于模式切换引起的冲击和震荡；切换控制器根据切换监督器识别的转向系统的工作模式，选择转向系统各工作模式所对应的控制算法；稳定监督器实时监控各工作模式及其相应的控制算法下的不稳定特征量，识别其不稳定趋势，强制限制其输出幅值。 7.根据权利要求1所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统，其特征在于，所述电磁铁包括线圈和磁轭；电磁离合器具有断开和闭合两种工作状态：线圈不通电，磁轭与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器断开，第一转向管柱和第二转向管柱之间不传递扭矩；线圈通电，磁轭吸合衔铁，将摩擦片组压紧，摩擦片组通过摩擦力传递转矩，电磁离合器闭合，第一转向管柱和第二转向管柱之间传递扭矩。 8.一种基于双绕组电机的线控电液转向系统的混杂控制方法，基于上述权利要求1-7中任意一项系统，其特征在于，包括以下步骤： 1）根据当前行驶工况，输入方向盘转角； 2）信息处理单元接收第一转矩信号、第二转矩信号、第三转矩信号、第一电流信号、第二电流信号、转角信号、转向横拉杆位移信号、车速信号、横摆角速度信号，经过计算得到当前车辆状态信号，并传输给转向决策单元和混杂控制单元； 3）混杂控制单元接收信息处理单元的输入信号，切换监督器根据信息处理单元的输入信号获得车辆当前车速和各助力模块工作状态，进而对转向系统的工作模式进行切换；切换控制器根据切换监督器识别的转向系统的工作模式，选择转向系统各工作模式所对应的控制算法，各工作模式所对应的控制算法根据转向数据库储存的各个车辆状态下的期望前轮转角计算得到期望转向横拉杆位移，并传输给助力电机驱动单元；稳定监督器实时监控各工作模式及其相应的控制算法下的不稳定特征量，识别其不稳定趋势，强制限制其输出幅值；混杂控制单元将当前转向系统所处工作模式传输给转向决策单元；转向决策单元根据当前转向系统所处工作模式，得到电磁离合器和电磁换向阀的工作状态，并传输给电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元；转向决策单元根据转向数据库储存的各个车辆状态下的期望驾驶路感，计算出期望驾驶路感对应的期望第一转向管柱力矩，并传输给路感电机驱动单元； 4）助力电机驱动单元根据混杂控制单元的输出指令，以期望转向横拉杆位移作为控制量计算得到第一电机驱动电流和双绕组电机驱动电流，输出第一电机控制信号和双绕组电机控制信号，驱动第一电机和双绕组电机工作；电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元根据转向决策单元的输出指令，输出电磁离合器控制信号和电磁换向阀控制信号，控制电磁离合器和电磁换向阀的工作状态；路感电机驱动单元根据转向决策单元的输出指令，以期望第一转向管柱力矩作为控制量计算得到路感电机驱动电流，输出路感电机控制信号，驱动路感电机工作； 5）路感电机输出的电磁转矩作用在第一转向管柱上，形成的第一转向管柱力矩传递至方向盘，给驾驶员提供驾驶路感；双绕组电机输出的电磁转矩经减速机构作用在滚珠丝杆上，转化为转向横拉杆的位移；第一电机输出的电磁转矩驱动液压泵工作，使液压缸内的活塞两侧产生压力差输出轴向作用力，经活塞、活塞杆传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移；活塞杆和滚珠丝杆的位移在转向横拉杆上进行叠加，并向转向梯形和转向车轮输出，完成转向动作。 9.根据权利要求8所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统的混杂控制方法，其特征在于，上述步骤3）中转向系统有电动助力模式、电液复合助力模式、电动液压助力模式和机械复合助力模式四种工作模式。 10.根据权利要求9所述的基于双绕组电机的线控电液转向系统的混杂控制方法，其特征在于，所述转向系统各工作模式所对应的控制算法具体包括： 31）在电动助力模式下，车辆处于高速工况，采用前馈反馈的组合控制算法； 32）在电液复合助力模式下，车辆处于中速工况，采用模糊PID控制算法； 33）在电动液压助力模式下，车辆处于低速工况，采用PID控制算法； 34）在机械复合助力模式下，车辆处于故障工况采用滑模控制算法。
所属类别：	发明专利