一种基于线控转向的多模式助力转向系统及其控制方法与流程

本发明涉及线控助力转向系统，特别涉及一种基于线控转向的多模式助力转向系统及其控制方法。

背景技术：

转向系统是汽车的关键部件之一，驾驶员通过转向系统来控制汽车的运动方向，因此，转向系统设计的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶的舒适性。线控转向系统是新一代的转向系统，因取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，故也称柔性转向系统。线控助力转向系统完全摆脱了传统转向系统的各种限制，驾驶员的转向操纵仅仅是向车辆输入转向盘的转角信号指令，由控制器根据转向盘转角信号、当前车辆行驶状态等信息，通过执行器控制前轮转向，结构简单，布置方便，也减少了路面干扰对驾驶员的影响。

但是，目前市场上的线控助力转向系统主要应用于小轿车，而对于前轴载荷较大的商用车，鲜有线控助力转向的相关报道。其次，单一的驾驶模式很难满足驾驶者的不同要求，线控转向取消了机械连接，方便了机械结构的布置，但是驾驶员与真实的路感也被隔离，无法根据真实的路面状况对车辆行驶状态进行合理操纵，驾驶体验较差，车辆安全性也受到影响。

目前线控转向多模式系统在工作时主要依赖于一套转向系统，在该线控转向系统下完成多种工作，如中国专利申请201810280502.2公开了一种具有多模式的线控转向系统，该转向系统具有转矩控制模式，转角控制模式，路径跟踪控制模式。但是该转向系统只可实现线控转向功能，驾驶体验单一，在线控转向系统发生机械故障时无法实现对转向系统的操控。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种适用于前轴载荷较大的商用车的多模式助力转向系统，相比轿车转向系统可以提供更大的转向助力，同时，其转向系统工作模式根据驾驶员选择以及路况的不同具有多种选择。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:

一种基于线控转向的多模式助力转向系统，包括转向机械模块、电动液压助力模块、ecu控制模块4、旋转开关25和车载传感器。

所述转向机械模块包括方向盘1、转向柱2、路感电机4、电磁离合器a10、电磁离合器b9、双行星排机构11、蜗轮蜗杆机构12、转角电机13、车轮14、转向横拉杆15、齿轮齿条机构17；方向盘1位于车体内部，转向柱2一端与方向盘1连接，另一端与电磁离合器b9相连；电磁离合器b9、电磁离合器a10均设置于转向柱2上，电磁离合器b9位于位于方向盘1与电磁离合器a10之间；路感电机8与电磁离合器b9相连接；转角电机13通过蜗轮蜗杆机构12与双行星排机构11下排齿圈相连，双行星排机构11的输出轴与齿轮齿条机构17相连接，扭矩传感器b16设置于双行星排机构11的输出轴上；转向横拉杆15两端均设有车轮14。

所述电动液压助力模块包括液压油箱19、液压泵21、溢流阀22、助力电机20、转阀23以及液压缸18；液压油箱19与液压泵21、转阀23、液压缸18依次相连，助力电机20与动液压泵21连接并直接驱动液压泵21，溢流阀22与液压泵21并联，在液压管路压力过高时打开，使得液压油回流到液压油箱19中；液压缸18设置于转向横拉杆15上。

所述车载传感器包括车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、扭矩传感器a、扭矩传感器b、电流传感器以及转角传感器，所述扭矩传感器a设置于转向柱2上。

ecu控制模块4与旋转开关相连接；所述ecu控制模块4包括互相连接的信号处理模块32、电磁离合器模块27、转角电机控制模块36、助力电机控制模块39、路感电机控制模块42、复合转向助力分配模块45；ecu控制模块4分别接收车载传感器发出的信号。具体而言，ecu控制模块4分别接收车速传感器发车的车速信号5、横摆角速度传感器发出的横摆角速度信号6、侧向加速度传感器发出的侧向加速度信号7、扭矩传感器a3产生的扭矩传感器信号44、电流传感器产生的电流信号43以及转角传感器产生的转角信号38。

本发明所提供的上述基于线控转向的多模式助力转向系统，其包括五种工作模式，这些工作模式通过选择开关进行转换：1)线控模式，转向柱与双行星排之间加入电磁离合器，在通电状态下保持断开，路感电机与转向柱之间也加入电磁离合器，通电状态保持闭合，在驾驶员操作方向盘转向时路感电机为驾驶员提供合适的反作用力(路感)，双行星排输入轴锁死，转角电机作为执行机构为转向系统提供转角输入，同时助力电机驱动液压泵向转阀供油，转阀与液压缸两侧相连，在液压缸两侧形成压差，为线控助力转向系统提供助力。

2)电动液压主动转向模式，转向柱与双行星排之间的电磁离合器断电闭合，路感电机与转向柱之间的电磁离合器断电，保持断开状态，驾驶员输入方向盘转角，路感电机不再工作，转角电机通过双行星排机构输入附加转角，方向盘转角遇附加转角叠加作为齿轮齿条机构输入角度，同时，助力电机驱动液压模块为转向系统提供动力。

3)电液复合主动转向模式，转向柱与双行星排之间的电磁离合器断电闭合，路感电机与转向柱之间的电磁离合器通电闭合，驾驶员输入方向盘转角，路感电机不再提供反作用力，而是提供同方向的作用力，为转向系统一起提供助力，转角电机通过双行星排提供附加转角，助力电机驱动液压模块为转向系统提供助力。

4)电动液压转向模式，转向柱与双行星排之间的电磁离合器断电闭合，路感电机与转向柱之间的电磁离合器断电，保持断开状态，路感电机、转角电机锁死均不工作，此时助力电机驱动转向系统液压模块为转向提供助力，由驾驶员输入方向盘转角，并提供辅助助力。

5)机械转向模式，转向柱与双行星排之间的电磁离合器断电闭合，路感电机与转向柱之间的电磁离合器断电，保持断开状态，路感电机、转角电机以及助力电机锁死均不工作，此时由驾驶员输入方向盘转角，并为转向系统提供助力。

所述基于线控转向的多模式助力转向系统的控制方法，根据旋转开关选择不同转向系统模式，采集传感器信号，采用不同的控制方案：

1)当选择模式为线控转向模式，电磁离合器9闭合，电磁离合器a0断开。根据车速信号、前轮转角信号以及方向盘转角信号确定理想传动比信号、助力信号、路感信号，通过转角电机转角控制模块实现转角控制，通过助力电机控制模块实现助力控制，通过路感电机控制模块实现路感控制。

2)当选择模式为电液主动转向模式，电磁离合器9断开，电磁离合器a0闭合。根据车速信号、前轮转角信号以及方向盘转角信号确定理想助力信号、路感信号，通过转角电机转角控制模块实现转角控制，通过助力电机控制模块实现助力控制。

3)当选择模式为复合转向模式，电磁离合器9闭合，电磁离合器a0闭合。根据车速信号、前轮转角信号以及方向盘转角信号确定理想传动比信号、助力信号、路感信号。通过转角电机转角控制模块实现转角控制，通过复合转向助力分配模块实现助力分配，通过助力电机控制模块实现液压助力，通过路感电机控制模块实现电机助力。

4)当选择模式为电动液压转向模式，电磁离合器9断开，电磁离合器a0闭合。根据车速信号、前轮转角信号以及方向盘转角信号确定理想助力信号通过助力电机控制模块实现液压助力，其他模块在电动液压转向模式下不被触发。

5)当选择模式为机械转向模式，电磁离合器9断开，电磁离合器a0闭合。所有控制模块在机械转向模式下不被触发。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明采用液压助力，使得线控助力转向功能能够在前轴载荷较大的商用车上得以实现，可以有效地降低驾驶员的操作负担，减轻来自路面干扰造成的驾驶疲劳；

2.通过引入双行星排机构到线控助力转向系统中，创造性的实现了线控转向、电动液压主动转向、电液复合主动转向、电动液压转向以及机械转向5种转向模式，装备汽车后可以满足驾驶者的多种驾驶需求，体验更多的驾驶乐趣；在台架试验中，一套设备可以满足多种转向形式的操作实验；

3、针对五种转向模式采用一套控制方法，具有创新性，同时，有效降低了转向系统的控制成本；

4.线控转向出现故障时，通过切换转向系统工作模式，能够有效避免意外的发生，提高汽车的行驶安全性；

附图说明

图1为基于线控转向的多模式助力转向系统的结构示意图；

图2为基于线控转向的多模式助力转向系统控制方法示意图。

图中，1、转向盘；2、转向柱；3、扭矩传感器a；4、ecu控制模块；5、车速信号；6、横摆角速度信号；7、侧向加速度信号；8、路感电机；9、电磁离合器b；10、电磁离合器a；11、双行星排机构；12、蜗轮蜗杆；13、转角电机；14、车轮；15、转向横拉杆；16、扭矩传感器b；17、齿轮齿条机构；18、液压缸；19、油箱；20、助力电机；21、液压泵；22、溢流阀；23、转阀；24、驾驶员指令；25、旋转开关；26、转向模式信号；27、电磁离合器模块；28、电磁离合器a开关信号；29、电磁离合器b开关信号；30、前轮转角信号；31、方向盘转角信号；32、信号处理模块；33、理想传动比信号；34、理想助力信号；35、理想路感信号；36、转角电机控制模块；37、转角电机转角信号；38、电机实际转角信号；39、助力电机控制模块；40、助力电机转速信号；41、电机实际转速信号；42、路感电机控制模块；43、路感电机电流信号；44、扭矩传感器信号；45、复合转向助力分配模块；46、液压理想助力信号；47、电机理想助力信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例中ecu控制面板购自金华同丰汽配有限公司，型号为ck3404ecu02f-52、

旋转开关购自浙江雷曼电气科技有限公司，型号为lmsq3；

车速传感器购自上海霍通电子有限公司，型号为os-01110；

方向盘转角传感器购自sensorway公司，型号为zls-pb；

方向盘角速度传感器购自bosch公司，型号为hx-905；

横摆角速度及侧向加速度传感器购自bosch公司；

前轮转角传感器购自sensorway公司，型号为zls-pb；

转矩传感器购自meiyi公司，型号为zj-8；

助力电机转速传感器购自kingyu公司，型号为se-02；

转角电机转角传感器购自atd公司，型号为aps1190-01。

以下实施例所涉及的器材及装置，若非特殊说明，均为市售商品。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种基于线控转向的多模式助力转向系统，包括车体、转向机械模块、电动液压助力模块、ecu控制模块4、旋转开关25和车载传感器。

转向机械模块包括方向盘1、转向柱2、路感电机4、电磁离合器a10、电磁离合器b9、双行星排机构11、蜗轮蜗杆机构12、转角电机13、车轮14、转向横拉杆15、齿轮齿条机构17；方向盘1位于车体内部，转向柱2一端与方向盘1连接，另一端与电磁离合器b9相连；电磁离合器b9、电磁离合器a10均设置于转向柱2上，电磁离合器b9位于位于方向盘1与电磁离合器a10之间；路感电机8与电磁离合器b9相连接；转角电机13通过蜗轮蜗杆机构12与双行星排机构11下排齿圈相连，双行星排机构11的输出轴与齿轮齿条机构17相连接，扭矩传感器b16设置于双行星排机构11的输出轴上；转向横拉杆15两端均设有车轮14。

电动液压助力模块包括液压油箱19、液压泵21、溢流阀22、助力电机20、转阀23以及液压缸18；液压油箱19与液压泵21、转阀23、液压缸18依次相连，助力电机20与动液压泵21连接并直接驱动液压泵21，溢流阀22与液压泵21并联，在液压管路压力过高时打开，使得液压油回流到液压油箱19中；液压缸18设置于转向横拉杆15上。

车载传感器包括车速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、扭矩传感器a3设置于转向柱2上、扭矩传感器b、电流传感器以及转角传感器，上述车载传感的安装方式及安装位置均根据其产品说明书进行。

ecu控制模块4与旋转开关25相连接；ecu控制模块4包括互相连接的信号处理模块32、电磁离合器模块27、转角电机控制模块36、助力电机控制模块39、路感电机控制模块42、复合转向助力分配模块45；ecu模块4分别接收车速传感器发车的车速信号5、横摆角速度传感器发出的横摆角速度信号6、侧向加速度传感器发出的侧向加速度信号7、扭矩传感器a3产生的扭矩传感器信号44、电流传感器产生的电流信号43以及转角传感器产生的转角信号38。

本实施例中所使用的旋钮开关为市售产品，其与ecu控制模块4的电路连接方式参见旋钮开关产品说明书。

本实施例提供的上述线控转向的多模式助力转向系统，采用与ecu控制模块4通过电路相连的旋转开关25，可手动切换五种工作模式：线控模式、电动液压主动转向模式、电液复合主动转向模式、电动液压转向模式和机械转向模式，其具体如下：

1)线控模式，转向柱2与双行星排机构11之间的电磁离合器a-10，在通电状态下保持断开，路感电机8与转向柱2之间的电磁离合器b-9，通电状态保持闭合；在驾驶员操作方向盘转向时路感电机8为驾驶员提供合适的反作用力(路感)，双行星排机构11输入轴锁死，转角电机13作为执行机构为转向系统提供转角输入，同时助力电机20驱动液压泵21向转阀23供油，转阀23与液压缸18两侧相连，在液压缸18两侧形成压差，为线控助力转向系统提供助力。

2)电动液压主动转向模式，转向柱2与双行星排机构11之间的电磁离合器a-9断电闭合，路感电机8与转向柱2之间的电磁离合器b-9断电，保持断开状态，驾驶员输入方向盘转角，路感电机8不再工作，转角电机13通过双行星排机构11输入附加转角，方向盘转角与附加转角叠加作为齿轮齿条机构17输入角度，同时，助力电机20驱动液压模块为转向系统提供动力。

3)电液复合主动转向模式，转向柱2与双行星排机构11之间的电磁离合器a-10断电闭合，路感电机8与转向柱2之间的电磁离合器b-9通电闭合，驾驶员输入方向盘转角，路感电机8不再提供反作用力，而是提供同方向的作用力，为转向系统一起提供助力，转角电机13通过双行星排机构11提供附加转角，助力电机20驱动液压模块为转向系统提供助力。

4)电动液压转向模式，转向柱2与双行星排机构11之间的电磁离合器a-10断电闭合，路感电机8与转向柱2之间的电磁离合器b-9断电，保持断开状态，路感电机8、转角电机13锁死均不工作，此时助力电机20驱动转向系统液压模块为转向提供助力，由驾驶员输入方向盘转角，并提供辅助助力。

5)机械转向模式，转向柱2与双行星排机构11之间的电磁离合器a-10断电闭合，路感电机8与转向柱2之间的电磁离合器b-9断电，保持断开状态，路感电机8、转角电机13以及助力电机20锁死均不工作，此时由驾驶员输入方向盘转角，并为转向系统提供助力。

本实施例还提供了上述具有主动转向功能的多模式智能转向系统多模式控制方法，包含以下内容：

1)由驾驶员通过旋转开关25，选择相应转向系统模式(线控模式、电动液压主动转向模式、电液复合主动转向模式电动液压转向模式、机械转向模式中的一种)，将对应的转向模式信号26传递给ecu控制模块；ecu控制模块包括信号处理模块32、电磁离合器模块27、转角电机控制模块36、助力电机控制模块39、路感电机控制模块42、复合转向助力分配模块45；

2)当选择模式为线控转向模式，ecu电磁离合器模块27发送离合器开关信号28给电磁离合器b9使其闭合，路感电机8运转；ecu电磁离合器模块27发送开关信号29给电磁离合器a10使其断开；同时，ecu信号处理模块32接收车载传感器所得的车速信号5、前轮转角信号30，根据预置的车速-前轮转角-理想传动比map图(该map为常规技术，参见文献：《基于理想传动比的主动前轮转向控制》)确定理想传动比信号33，根据预置的车速-前轮转角-理想液压助力map图确定理想助力信号34；ecu接收车载传感器所得的车速信号5、方向盘转角信号31，根据预置的车速-方向盘转角-理想路感map图确定理想路感信号35。

理想传动比信号33、方向盘转角信号31、前轮转角信号30与转向模式信号26一同输入到转角电机转角控制模块36，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据理想传动比信号33与方向盘转角信号31确定转角电机转角信号37，将此信号传递给转角电机13，以转角电机实际转角信号38作为反馈信号，采用模糊pid控制方法(该控制方法参见文献：《通用的模糊逻辑控制算法及其应用》)，使得转角电机13能够迅速跟踪转角控制模块所传递的转角信号，控制车辆前轮转角，实现汽车转向。

理想助力信号34、电机实际转速信号41与转向模式信号26输入到助力电机控制模块39，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据理想助力信号34计算助力电机20所需转速，得到助力电机转速信号40，以助力电机实际转速信号41作为反馈信号，采用转速闭环的矢量控制方法(该控制方法参见文献：《基于电动客车的电动液压助力转向系统电机控制器的研究》)使得助力电机能够更快更稳定的跟踪目标转速信号。由此，转角电机13通过驱动助力电机20进而驱动液压泵21向转阀23供油，转阀23与液压缸18两侧相连，在液压缸18两侧形成压差，为线控助力转向系统提供液压助力。

理想路感信号35、扭矩传感器信号44与转向模式信号26输入到路感电机控制模块42，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据理想路感信号35得到路感电机8合适的反馈力矩，以扭矩传感器a3所得扭矩传感器信号44为反馈信号，采用h2/h∞鲁棒控制方法(参见文献：《基于遗传算法优化的eps路感混合h2/h∞控制》)，控制路感电机电流信号43，使得路感电机8输出的力矩能够更好地跟踪理想路感信号35，同时有效的避免因车身抖振等引起的外界干扰对汽车行驶状态的影响。

3)当选择模式为电液主动转向模式，ecu电磁离合器模块27发送离合器开关信号28给电磁离合器b9使其断开，进而路感电机8停止运行；ecu电磁离合器模块27发送开关信号29给电磁离合器a10使其闭合，进而双行星排机构11可通过转向柱2驱动。

ecu信号处理模块32接收车载传感器所得的车速信号5、前轮转角信号30，根据预置的车速-前轮转角-理想传动比map图确定理想传动比信号33，根据预置的车速-前轮转角-理想液压助力map图确定理想助力信号34。

理想传动比信号33、方向盘转角信号31、前轮转角信号30与转向模式信号26一同输入到转角电机转角控制模块36，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据理想传动比信号33与方向盘转角信号31确定目标前轮转角，并将目标前轮转角与方向盘转角信号31做差(当转向模式为电液主动转向时触发执行)，通过转角差值确定转角电机转角信号37，将此信号传递给转角电机13，以电机实际转角信号38作为反馈信号，采用模糊pid控制方法，使得转角电机13能够迅速跟踪转角控制模块所传递的转角信号，通过双行星排机构11输入附加转角，方向盘转角与附加转角叠加作为齿轮齿条机构17输入角度，进而控制车辆前轮转角，实现汽车转向。

理想助力信号34、助力电机实际转速信号41与转向模式信号26输入到助力电机控制模块39，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据理想助力信号34计算助力电机20所需转速，得到助力电机转速信号40，以助力电机实际转速信号41作为反馈信号，采用转速闭环的矢量控制方法使得助力电机能够更快更稳定的跟踪目标转速信号。由此，转角电机13通过驱动助力电机20进而驱动液压泵21为转向系统提供液压助力。

4)当选择模式为复合转向模式，ecu电磁离合器模块27发送离合器开关信号28给电磁离合器9使其闭合，进而路感电机8运转；ecu电磁离合器模块27发送开关信号29给离合器10使其闭合，进而双行星排机构11输入轴运转；驾驶员输入方向盘转角，路感电机8不再提供反作用力，而是提供同方向的作用力，为转向系统一起提供助力。

ecu信号处理模块32接收车载传感器所得的车速信号5、前轮转角信号30，根据预置的车速-前轮转角-理想传动比map图确定理想传动比信号33，根据预置的车速-前轮转角-理想液压助力map图确定理想助力信号34；ecu信号处理模块32接收车载传感器所得的车速信号5、方向盘转角信号31，根据预置的车速-方向盘转角-理想路感map图确定理想路感信号35。

理想传动比信号33、方向盘转角信号31、前轮转角信号30与转向模式信号26一同输入到转角电机转角控制模块36，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据理想传动比信号33与方向盘转角信号31确定目标前轮转角，并将目标前轮转角与实际方向盘转角信号31做差(当转向模式为电液复合主动转向时触发执行)，通过转角差值确定转角电机转角信号37，将此信号传递给转角电机13，以电机实际转角信号38作为反馈信号，采用模糊pid控制方法，使得转角电机13能够迅速跟踪转角电机控制模块36所传递的转角信号，通过双行星排机构11提供附加转角，控制车辆前轮转角，实现汽车转向。

理想助力信号34与理想路感信号35输入到复合转向助力分配模块45(此模块只在电液复合主动转向模式下触发)，将理想助力信号34与理想路感信号35做差，差值的60％作为液压理想助力信号46，另外40％作为电机理想助力信号47。

液压理想助力信号46、电机实际转速信号41与转向模式信号26输入到助力电机控制模块39，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据理想助力信号34计算助力电机20所需转速，得到助力电机转速信号40，以助力电机实际转速信号41作为反馈信号，采用转速闭环的矢量控制方法使得助力电机能够更快更稳定的跟踪目标转速信号。由此，转角电机13通过驱动助力电机20进而驱动液压泵21为转向系统提供液压助力。

电机理想助力信号47、扭矩传感器信号44与转向模式信号26输入到路感电机控制模块42，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据电机理想助力信号47得到路感电机8对应的目标助力力矩，以扭矩传感器a3所得扭矩传感器信号44为反馈信号，采用h2/h∞鲁棒控制方法(参见文献：《基于遗传算法优化的eps路感混合h2/h∞控制》)，控制路感电机电流信号43，使得路感电机8输出的助力力矩能够使得驾驶员获得理想的转向路感，同时有效防止路面干扰、侧向风等对汽车行驶状态的影响。

5)当选择模式为电动液压转向模式，ecu电磁离合器模块27发送离合器开关信号28给电磁离合器b9使其断开，进而路感电机8停止运转；ecu电磁离合器模块27发送开关信号29给电磁离合器a10使其闭合，双行星排机构11通过转向柱2驱动，由驾驶员输入方向盘转角，并提供辅助助力。

ecu信号处理模块32接收车载传感器所得的车速信号5、前轮转角信号30，根据预置的车速-前轮转角-理想液压助力map图确定理想助力信号34。

理想助力信号34、电机实际转速信号41与转向模式信号26输入到助力电机控制模块39，通过转向模式信号26判断是否触发该模块，根据理想助力信号34计算助力电机20所需转速，得到助力电机转速信号40，以助力电机实际转速信号41作为反馈信号，采用转速闭环的矢量控制方法使得助力电机20能够更快更稳定的跟踪目标转速信号。由此，转角电机13通过驱动助力电机20进而驱动液压泵21为转向系统提供液压助力。其他模块在电动液压转向模式下不被触发。

6)当选择模式为机械转向模式，ecu电磁离合器模块27发送离合器开关信号28给电磁离合器b9使其断开，发送开关信号29给电磁离合器a10使其闭合。路感电机8、转角电机13以及助力电机20锁死均不工作，此时由驾驶员输入方向盘转角，并为转向系统提供助力。所有控制模块在机械转向模式下不被触发。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。