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原文传递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

专利名称：	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
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。
专利类型：	发明专利
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	周长志;赵万忠;周小川;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：	CN201911308240.7
公开号：	CN111055919A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	贺翔
分类号：	B62D5/04;B62D7/20;H02K3/28;G06N3/00;B;H;G;B62;H02;G06;B62D;H02K;G06N;B62D5;B62D7;H02K3;G06N3;B62D5/04;B62D7/20;H02K3/28;G06N3/00
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：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优化方法，其特征在于，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为第一套绕组电阻，R2为第二套绕组电阻，U1为第一套绕组输入电压，U2为第二套绕组输入电压，mr1为第一齿轮齿条转向器齿条质量，xr1为第一齿轮齿条转向器齿条位移，Br1为第一齿轮齿条转向器齿条阻尼系数，rp1为第一齿轮齿条转向器齿轮半径，mr2为第二齿轮齿条转向器齿条质量，xr2为第二齿轮齿条转向器齿条位移，Br2为第二齿轮齿条转向器齿条阻尼系数，rp2为第二齿轮齿条转向器齿轮半径，msg为丝杆质量，xsg为丝杆位移，Bsg为丝杆阻尼系数，Kf为减速机构大齿轮到丝杆的力传递系数，rp3为减速机构大齿轮半径，Fz为转向横拉杆上的阻力。 7.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，所述步骤(2)中的优化目标包括：转向路感、转向助力及转向能耗；其中，转向路感公式为：转向助力公式为： Fforce＝Tw2/rp2+KfTf/rp3 转向能耗公式为： Eenergy＝Em+UIt+U1I1t1+U2I2t2+Eecu 式中，Em表示转向系统机械传动能耗，U表示第一电机输入电压，I表示第一电机输入电流，t表示第一电机运行时间，U1表示第一套绕组输入电压，I1表示第一套绕组输入电流，t1表示第一套绕组运行时间，U2表示第二套绕组输入电压，I2表示第二套绕组输入电流，t2表示第二套绕组运行时间，Eecu表示主控制器能耗。 8.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，所述步骤(3)中的优化变量包括：第一电机转动惯量Jm1，双绕组电机转动惯量Jm2，第一套绕组匝数Z1，第二套绕组匝数Z2，蜗轮蜗杆减速比G1，减速机构减速比G2，减速机构大齿轮到丝杆的力传递系数Kf。 9.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，所述步骤(4)中的双电机线控转向系统多目标优化模型为：式中，Fenergy(X)为转向能耗函数，Troad(X)为转向路感函数，Eforce(X)为转向助力函数，g1(X)为转向灵敏度。 10.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，所述步骤(5)中的基于NSGA-II的多目标优化算法，具体步骤如下： (51)随机生成初始父代种群P0(Jm1，Jm2，Z1，Z2，G1，G2，Kf)，根据双电机线控转向系统优化变量的初值对种群进行初始化； (52)对父代种群P0中所有个体按非支配关系排序，进行选择、交叉和变异三种遗传操作，生成子代种群Q0； (53)将初始父代种群P0和子代种群Q0合并成新的种群R0,对种群R0进行非支配关系排序，分层计算拥挤度，选出N个个体，组成初始父代种群Pt，t＝1； (54)对父代种群Pt中所有个体按非支配关系排序，进行选择、交叉和变异三种遗传操作，生成子代种群Qt，t≥1； (55)将初始父代种群Pt和子代种群Qt合并成新的种群Rt,对种群Rt进行非支配关系排序，分层计算拥挤度，选出N个个体，组成新的父代种群Pt+1； (56)判断t是否等于设置的最大进化代数gen，若t＝gen，则算法结束退出优化，得到双电机线控转向系统最优解；否则t＝t+1，转到步骤(54)继续执行优化。
所属类别：	发明专利