专利名称：依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及电动助力转向系统，特指依靠电机进行变传动比控制的新型电动助力 转向系统，能实现变传动比控制和主动转向干预功能，且保证电动助力转向路感不受影响。
背景技术：
电动助力转向系统是新型的、很有发展前途的动力转向系统，它完全取消了液压 组件，整个系统由转向盘转矩传感器、车速传感器、控制器、助力电机及其减速机构等组成。 基本原理是控制器接受转向盘转矩信号和车速信号，经过判断和处理后，根据事先确定好 的助力特性输出控制信号，控制电机输出助力转矩。当前国内外电动助力转向系统基本都采用固定传动比，然而固定传动比不利于改 变转向系统的性能在低速下容易出现转向盘偏沉；而在高速下，容易出现转向过度等危 险工况，汽车的操纵稳定性存在隐患。当前也有一些文献和专利探讨了可变传动比的电动助力转向系统，北京理工大学 申请的实用新型专利——力与位移耦合控制的电动助力转向机构(CN200820180655. 1)， 提出通过增加一套行星齿轮机构和主动转向电机实现变传动比控制和主动转向干预功能 (专利申请号201010018342)，但是增加行星齿轮机构将会使得转向系统变得很累赘，且在 转向管柱上的安装也有一定的难度。
发明内容
为了提高汽车的操纵稳定性和行车安全性，本发明提出依靠转向伺服电机直接进 行变传动比控制的电动助力转向系统及控制方法，实现助力转向和主动转向功能；实现汽 车安全性和灵活性的完美融合。依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统，由转向盘、通过转向管柱与转 向盘相连的齿条、以及位于转向盘下方的转矩传感器，还包括通过减速机构与齿条相连的 助力电机，还包括与齿条相连的转向摇臂，还包括电子控制单元E⑶；其特征在于在转矩 传感器和齿条之间的转向管柱上安装有转向伺服电机，转向伺服电机的定子和转子分别与 转矩传感器、齿轮齿条上方的转向管柱相连。依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统变传动比可变控制方法，其特征 在于当驾驶员转动转向盘时，转矩传感器获得的转矩信号、转角传感器获得的转角信号、 侧向加速度传感器获得的侧摆加速度信号和横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号，传 递给电子控制单元ECU，电子控制单元ECU根据这些信号给转向伺服电机发送第一控制信 号，控制转向伺服电机的定子和转子之间的相对位移，一方面利用转向伺服电机的定子通 过转向管柱给方向盘提供附加转角，从而实现主动转向干预，另一方面利用转向伺服电机 的转子通过转向管柱将转向盘力矩进行传动比变换后，成为经过变传动比变换后的转向盘 力矩，再提供给齿条，从而实现变传动比控制；电子控制单元ECU根据转向伺服电机发回的传动比等信号，转角传感器获得的转角信号、转矩传感器获得的转矩信号、横摆角速度传 感器获得的横摆角速度信号、侧向加速度传感器获得的横摆加速度信号和助力电机反馈信 号，给助力电机发送第二控制信号，确定助力电机助力大小，助力电机提供的转矩经减速机 构减速增扭之后，形成增扭后的助力转矩，增扭后的助力转矩在齿条上与经过变传动比转 换后的转向盘力矩进行叠加，通过转向摇臂共同驱动前轮转向，实现传动比可变的电动助 力转向功能。采用本发明在转矩传感器和齿轮齿条之间增加了转向伺服电机，电动助力转向系 统可在完成原有电动助力转向的基础上，实现变传动比控制和主动转向干预功能。该传动机构由转向伺服电机控制，它可实现可变传动比功能在低速时转向传动 比较大，以减少转向盘转动的圈数，提高汽车的转向灵活性；在高速时转向传动比较小，以 提高车辆的稳定性和安全性。此外，该传动机构可通过转向干预实现对车辆的稳定性控制。汽车在低速行驶时，为减轻驾驶员负担，达到良好的转向轻便性，系统应有较大的 传动比；而在高速时，为了保障行驶安全，同时获得良好的转向路感，系统应有较小的传动 比。因此，在电动助力转向系统中实现可变传动比功能，可进行主动转向干预，实现汽车转 向轻便性和转向路感的完美融合，而且还能将汽车的安全性与灵活性有机的融合在一起， 是一种理想转向系统，具有广阔的应用前景。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统结构图。图2传动比控制单元E⑶实施控制流程图。图中1为转向盘，2为与转向盘相连的转向管柱，3为转矩传感器，27为转向伺服 电机，4转向伺服电机的定子，5为转向伺服电机的转子，6为转向管柱，7为助力电机，8为减 速机构，9为齿条，10为转向摇臂，11为驱动前轮，12为电子控制单元ECU，13为转角信号， 14为转矩信号，15为第一控制信号，16为第二控制信号，17为侧摆角速度信号，18为横摆角 速度信号，19为转向伺服电机反馈的信号，20为助力电机反馈信号，21为助力信号，22减速 增扭后的信号，23变传动比后的转向盘力矩信号，24主动角信号，25附加转角信号，26合成 控制信号。
具体实施例方式如图1所示，依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统，由转向盘1、通过 转向管柱6与转向盘1相连的齿条9、以及位于转向盘下1方的转矩传感器3，还包括通过 减速机构8与齿条9相连的助力电机7，还包括与齿条9相连的转向摇臂10，还包括电子控 制单元ECU12 ；其特征在于在转矩传感器3和齿条9之间的转向管柱2之间安装有转向伺 服电机27，转向伺服电机27包括定子4和转子5，其中转向伺服电机的定子4和转矩传感 器3相连，转向伺服电机的转子5和齿条9上方的转向管柱6相连。如图2所示，依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统传动比可变控制方 法是当驾驶员转动转向盘1时，转矩传感器3获得的转矩信号14以及转角传感器获得的 转角信号13、侧向加速度传感器获得的侧摆加速度信号17和横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号18，传递给电子控制单元ECU12，电子控制单元ECU12根据这些信号给转向伺 服电机27发送第一控制信号15，转向伺服电机27根据第一控制信号15控制转向伺服电机 定子4和转向伺服电机转子5的相对位移，一方面利用转向伺服电机定子4通过转向管柱2 给方向盘提供附加转角25，从而实现主动转向干预功能，另一方面利用转向伺服电机转子 5通过转向管柱6将转向盘主动角信号24变传动比后，成为变传动比后的转向盘转向力矩 信号23，再提供给齿条9，从而实现变传动比控制；电子控制单元ECU12根据转向伺服电机 27反馈的信号19，转角传感器获得的转角信号13、转矩传感器3获得的转矩信号14、侧向 加速度传感器获得的侧摆加速度信号17、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号18，和 助力电机7反馈信号20，给助力电机7发送第二控制信号16，确定助力电机7助力大小，助 力电机7发出的助力信号21经减速机构8减速增扭之后，形成减速增扭后的转矩信号22， 减速增扭后的转矩信号22在齿条9上与转向管柱6传来的转向盘力矩信号23进行叠加形 成一个合成控制信号26，合成控制信号通过控制转向摇臂10驱动前轮11转向，实现电动助 力转向功能。
权利要求
一种依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统，由转向盘(1)、通过转向管柱(6)与转向盘(1)相连的齿条(9)、以及位于转向盘(1)下方的转矩传感器(3)，还包括通过减速机构(8)与齿条(9)相连的助力电机(7)，还包括与齿条(9)相连的转向摇臂(10)，还包括电子控制单元ECU(12)；其特征在于在转矩传感器(3)和齿条(9)之间的转向管柱(6)上安装转向伺服电机(27)，该电机由转向伺服电机定子(4)和转向伺服电机转子(5)组成，其中转向伺服电机定子(4)与位于方向盘(1)下方的转矩传感器(3)相连，转向伺服电机转子(5)与位于齿条(9)上方的转向管柱(6)相连。
2.一种利用权利要求1所述依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统的控制 方法，其特征在于当驾驶员转动转向盘(1)时，转矩传感器(3)获得的转矩信号(14)以及 转角传感器获得的转角信号(13)、侧向加速度传感器获得的侧摆加速度信号(17)和横摆 角速度传感器获得的横摆角速度信号(18)，传递给电子控制单元ECU(12)，电子控制单元 E⑶(12)根据这些信号给转向伺服电机(27)发送第一控制信号(15)，控制转向伺服电机定 子(4)和转向伺服电机转子(5)的相对位移，一方面利用转向伺服电机定子(4)通过转向 管柱(2)给方向盘(1)提供附加转角(25)，从而实现主动转向干预，另一方面利用转向电机 转子(5)通过转向管柱(6)将转向盘主动角信号(24)进行传动比变换后，成为经过变传动 比的转向盘力矩(23)，再提供给此条(9)，从而实现变传动比控制；电子控制单元ECU(12) 根据转向伺服电机(27)发回的传动比等信号(19)，和转角传感器获得的转角信号(13)、转 矩传感器(3)获得的转矩信号(14)、横摆角度传感器获得的横摆角速度信号(18)、侧向加 速度传感器获得的侧摆加速度信号(17)和助力电机(7)反馈信号(20)，给助力电机(7)发 送第二控制信号(16)，确定助力电机(7)助力大小，助力电机(7)提供的助力转矩(21)经 减速机构(8)减速增扭之后，形成控制主力转矩(22)，控制助力转矩(22)在齿条(9)上与 变传动比后转向盘力矩(23)进行叠加后形成合成控制信号(26)，合成控制信号(26)通过 转向摇臂(10)驱动前轮(11)转向，实现电动助力转向功能。
全文摘要
一种依靠电机进行变传动比控制的电动助力转向系统及控制方法，涉及电动助力转向系统。该转向系统由转向盘、通过转向管柱与转向盘相连的齿条、以及位于转向盘下方的转矩传感器，还包括通过减速机构与齿条相连的助力电机，还包括与齿条相连的转向摇臂，还包括电子控制单元ECU；其特征在于在转矩传感器和齿条之间的转向管柱上安装有转向伺服电机，转向伺服电机的定子和转子分别与转矩传感器、齿轮齿条上方的转向管柱相连。本发明能够实现助力转向和主动转向功能；实现汽车安全性和灵活性的完美融合。
文档编号B62D113/00GK101941459SQ20101021963
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者刘顺, 孙培坤, 赵万忠, 陈涛 申请人:南京航空航天大学