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原文传递一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统及其控制方法

专利名称：	一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统及其控制方法
摘要：	本发明公开了一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统及其控制方法，系统包括：方向盘、转向管柱总成、路感总成、双电机转向执行装置、转向控制单元、电磁离合器；本发明融合了双绕组电机的功能，双绕组电机两套绕组同时工作的工作模式，相比于单绕组电机能输出更大的转矩，相比于双绕组电动液压助力转向系统，具备更快的响应速度和更低的能耗。
专利类型：	发明专利
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	赵万忠;周小川;周长志;高犇;王春燕
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T18:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN201911308231.8
公开号：	CN111055918A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	贺翔
分类号：	B62D5/04;H02P25/18;B62D6/00;B62D137/00;H02K7/10;H02K7/116;H02K7/06;H02K3/28;H02K3/12;H02P5/00;B;H;B62;H02;B62D;H02P;H02K;B62D5;H02P25;B62D6;B62D137;H02K7;H02K3;H02P5;B62D5/04;H02P25/18;B62D6/00;B62D137/00;H02K7/10;H02K7/116;H02K7/06;H02K3/28;H02K3/12;H02P5/00
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双电机线控转向系统，其特征在于，包括：方向盘、转向管柱总成、路感总成、双电机转向执行装置、转向控制单元、电磁离合器；其中，所述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、第一转矩传感器及转角传感器；方向盘输入的作用力经过第一转向管柱作用于路感总成上，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；所述路感总成包括：路感电机、第二转矩传感器及第一蜗轮蜗杆；路感电机输出端经过第二转矩传感器与第一蜗轮蜗杆的蜗轮端连接，第一蜗轮蜗杆的蜗杆端固定在第一转向管柱上；路感电机输出的反馈力矩依次经过第一蜗轮蜗杆、第一转向管柱，传递至方向盘；所述双电机转向执行装置包括：第一电机模块、双绕组电机模块、转向横拉杆、转向梯形、转向车轮；第一电机模块包括：第一电机、第三转矩传感器、单向离合器、第二蜗轮蜗杆、第二转向管柱、滚珠丝杆、位移传感器；位移传感器安装在滚珠丝杆上，第一电机的输出端依次通过第三转矩传感器、单向离合器、第二蜗轮蜗杆、第二转向管柱连接到滚珠丝杆的螺母；滚珠丝杆的丝杆端将转向横拉杆打断，滚珠丝杆两端与转向横拉杆被打断的两个端口轴向固定连接；第一电机输出的旋转运动经单向离合器、第二蜗轮蜗杆转换为第二转向管柱的旋转运动，第二转向管柱的旋转运动又经过滚珠丝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：继电器控制器及继电器；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；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；所述转向控制单元包括：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；所述电磁离合器包括：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双电机线控转向系统，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。 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，所述滚珠丝杆的螺母带动滚珠丝杆的位移和大齿轮旋转带动所述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.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，所述双绕组电机为无刷直流电机。 5.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，所述第一电流传感器和第二电流传感器为霍尔电流传感器。 6.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，所述主控制器包括：信号处理单元、转向决策单元、转向数据库、诊断单元、故障报警单元、电机驱动单元和电磁离合器驱动单元；信号处理单元与上述各传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，同时信号处理单元与上述车辆其它状态单元电气连接，获取车辆的其它状态信号；转向决策单元分别通过车载通讯线路接收信号处理单元、转向数据库和诊断单元的输入信号，经过计算通过车载通讯线路分别向电机驱动单元和电磁离合器驱动单元输出指令，电机驱动单元输出路感电机、第一电机、双绕组电机的控制信号，电磁离合器驱动单元输出电磁离合器控制信号，完成转向动作的控制过程。 7.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，所述电磁铁包括线圈及磁轭；线控转向正常时，线圈不通电，磁轭与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器分离；线控转向失效时，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，电磁离合器结合；方向盘的转矩通过第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、滚珠丝杆传递给转向横拉杆、转向梯形和转向车轮，完成转向动作。 8.一种基于双绕组电机的双电机线控转向系统的控制方法，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）根据车辆驾驶情况，输入方向盘转角； 2）信号处理单元实时接收转角信号，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，转向横拉杆位移信号，车速信号，横摆角速度信号，通过计算得到当前车辆状态信号，并传输给转向决策单元； 3）转向决策单元根据转向数据库中存储的各个车辆状态下期望的车辆前轮转角和期望的驾驶路感对上述当前车辆状态信号进行转向决策计算，得到下一时刻期望的车辆前轮转角，并计算出下一时刻期望的车辆前轮转角对应的转向横拉杆位移；同时还得到下一时刻期望的驾驶路感，并计算出下一时刻期望的驾驶路感对应的转向管柱力矩；转向决策单元向电机驱动单元和电磁离合器控制单元输出指令； 4）诊断单元在车辆行驶过程中，检测系统是否正常工作，电机驱动单元根据转向决策单元的输出指令，选择不同的工作模式，分别输出路感电机控制信号、第一电机控制信号、包含第一套绕组和第二套绕组工作状态的双绕组电机控制信号，继电器控制器根据双绕组电机控制信号判断第一套绕组和第二套绕组工作状态，进而控制继电器内部触点的连接方式；同时，电磁离合器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，控制电磁离合器的结合和分离。 9.根据权利要求8所述的基于双绕组电机的双电机线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4）电机驱动单元工作模式的选择具体包括以下步骤： 41）当系统所需助力转矩小于等于第一电机所能提供的最大助力转矩，单向离合器闭合，启动第一电机，第一电机作为转角电机，转向横拉杆位移取决于第一电机； 42）当系统所需助力转矩大于第一电机所能提供的最大助力转矩，小于等于第一电机和双绕组电机第一套绕组工作所能提供的最大助力转矩之和，单向离合器闭合，第一电机作为转角电机满负荷工作，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，启动双绕组电机的第一套绕组作为转矩电机，转向横拉杆位移取决于第一电机和双绕组电机的第一套绕组； 43）当系统所需助力转矩大于第一电机和双绕组电机第一套绕组工作所能提供的最大助力转矩之和，小于等于第一电机和双绕组电机两套绕组同时工作所能提供的最大助力转矩之和，单向离合器闭合，第一电机作为转角电机满负荷工作，同时启动双绕组电机的两套绕组，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机的两套绕组同时工作作为转矩电机，转向横拉杆位移取决于第一电机和双绕组电机的两套绕组； 44）当系统所需助力转矩大于第一电机和双绕组电机两套绕组同时工作所能提供的最大助力转矩之和，第一电机和双绕组电机同时满负荷工作，电磁离合器单元同时控制电磁离合器闭合，线控转向和机械转向同时进行，单向离合器闭合，第一电机作为转角电机，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机两套绕组同时工作作为转矩电机，转向横拉杆位移取决于第一电机、双绕组电机的两套绕组和方向盘输入的力矩； 45）当第一电机故障时，单向离合器断开，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机作为转角电机，转向横拉杆位移取决于双绕组电机的两套绕组，触发故障报警单元，提醒驾驶员故障信息； 46）当双绕组电机两套绕组均故障时，继电器所有触点断开，单向离合器闭合，第一电机作为转角电机，转向横拉杆位移取决于第一电机，触发故障报警单元，提醒驾驶员故障信息； 47）当第一电机故障且双绕组电机的第一套绕组故障时，单向离合器断开，继电器触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机的第二套绕组作为转角电机，转向横拉杆位移取决于双绕组电机的第二套绕组，触发故障报警单元，提醒驾驶员故障信息； 48）当第一电机故障且双绕组电机的第二套绕组故障时，单向离合器断开，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，双绕组电机的第一套绕组作为转角电机，转向横拉杆位移取决于双绕组电机的第一套绕组，触发故障报警单元，提醒驾驶员故障信息； 49）当双绕组电机的第一套绕组故障时，单向离合器闭合，第一电机作为转角电机，继电器触点a连接触点e，触点b连接触点f，双绕组电机的第二套绕组作为转矩电机，转向横拉杆位移取决于第一电机和双绕组电机的第二套绕组，触发故障报警单元，提醒驾驶员故障信息； 50）当双绕组电机的第二套绕组故障时，单向离合器闭合，第一电机作为转角电机，继电器触点a连接触点c，触点b连接触点d，双绕组电机的第一套绕组作为转矩电机，转向横拉杆位移取决于第一电机和双绕组电机的第一套绕组，触发故障报警单元，提醒驾驶员故障信息； 51）当第一电机和双绕组电机的两套绕组均出现故障时，单向离合器断开，继电器所有触点均断开，电磁离合器闭合，转向横拉杆位移取决于方向盘输入的转矩，触发故障报警单元，并提示驾驶员进行紧急制动操作。 10.根据权利要求8所述的基于双绕组电机的双电机线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4）具体还包括：路感电机输出的反馈力矩通过第一蜗轮蜗杆作用在第一转向管柱上，然后传递至方向盘，给驾驶员提供驾驶路感；第一电机输出的助力力矩经单向离合器、第二蜗轮蜗杆、第二转向管柱作用在滚珠丝杆上，转化为转向横拉杆的位移；双绕组电机输出的助力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；第一电机和双绕组电机对转向横拉杆作用的位移进行叠加，并向转向梯形和转向车轮输出，转换为下一时刻的前轮转角。
所属类别：	发明专利