专利名称：具有稳向功能的电动式助力转向系统及稳向方法
技术领域：
本发明涉及一种机动车辆的电动转向系统及稳向方法，尤其是指一种直接用于防止汽车在高速行驶时因导向轮胎爆裂而突然改变行驶方向的具有稳向功能的电动式助力转向系统及稳向方法。
背景技术：
助力转向，顾名思义，是协助驾驶员作汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘的用力强度。机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。但是，无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力；另外，机械式液压助力转向系统由液压泵及管路和油缸组成，为保持压力，不论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，能耗较高。
鉴于机械式液压动力转向系统的上述缺陷，电动助力转向系统(EPS)应运而生，它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。汽车在转向时，转矩(转向)传感器会感觉到转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩、拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了助力转向。如果不转向，则本套系统就不工作，处于休眠(standby)状态等待调用。由于电动助力转向的工作特性，你会感觉到开这样的车，方向感更好，高速时更稳；又由于它不转向时不工作，所以，也相应节省了能源消耗。但是，目前的电动助力转向系统仍然有其缺点高速行驶的汽车如遇导向轮胎突然爆破，两侧车轮打破了力的平衡，会突然转向爆胎侧，因爆胎产生的转向力将牵引齿条快速移动，然后通过齿轮、万向节杆、转向柱传递到方向盘，方向盘就会快速转动，此时驾驶者如没有紧握方向盘就会滑脱，方向就会失去控制，导致重大交通事故发生。
有鉴于此，本发明人为解决上述公知技术存在的问题，乃决心凭其从事本领域多年研发、制造的经验，经多次的开发改良后终于得到本发明的具有稳向功能的电动式助力转向系统及稳向方法，其可克服上述公知电动转向系统的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有稳向功能的电动式助力转向系统及稳向方法，在遇到导向轮胎突然爆破时，能使汽车保持直线行驶，不会突然改变行驶方向，从而有效地避免交通事故发生。
本发明的技术解决方案是一种具有稳向功能的电动式助力转向系统，其包括转向转矩检测装置，设置于转向轴上，用于检测所述转向轴的转向转矩；轮胎气压检测装置，用于检测车辆的爆胎信号；电动机，用于产生助力转矩，所述电动机设有制动装置；减速机构，设置于所述转向轴与电动机间，其将所述电动机产生的助力转矩减速增扭后通过转向输出轴传递给转向机构；电子控制单元，用于至少根据转向转矩检测装置的转向转矩信号来设定电动机的电流值，并输出用于驱动所述电动机的控制信号，所述电子控制单元获得前述爆胎信号时输出用于驱动所述制动装置抱住电动机的控制信号。
如上所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其中，所述轮胎气压检测装置为设置于导向轮胎中的压力传感器，其在检测到爆胎时的胎压异常信号时将其传送到电子控制单元，所述电子控制单元发出使制动装置电吸合以抱住电动机的控制信号。
如上所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其中，还包括有车速检测装置，以将检测到的车速信号传送至所述电子控制单元。
如上所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其中，所述减速机构为蜗轮蜗杆减速机构、斜齿轮减速机构或行星齿轮减速机构。
如上所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其还包括转向角传感器，其向电子控制单元提供用于确定电动机输出助力转矩的方向的辅助信号。
如上所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其中，所述转向机构为齿条-齿轮转向器。
如上所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其还包括有安全保护装置，由一个在主电源电路中能切断电动机电源的继电器和一个安装在电动机与减速机构之间并能把它们断开的电磁离合器组成。
如上所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其中，还包括有故障诊断装置，用于判断轮胎气压检测装置、直流电机、转速传感器的工作是否正常，亦可以通过联机电脑检测。
如上所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，所述电子控制单元的核心包括一微处理器，外围电路还包括有放大电路、A/D转换器、D/A转换器、限流器及用于驱动电动机及制动装置的驱动电路；其中转向转矩和转向角信号放大后经过A/D转换器被输入到所述微处理器，微处理器就在其内存中寻找与该信号相匹配的电动机电流值，然后将此值输送给D/A转换器进行数字模拟转换，处理后的模拟信号再送给限流器，由限流器来决定电动机驱动电路电流值的大小，向电动机提供控制电流，车辆高速行驶测得爆胎信号时，所述微处理器发出指令，使驱动电路驱动制动装置电磁吸合，转为制动状态。
本发明还公开了一种电动式助力转向系统的稳向方法，包括获得车轮爆胎的信号，并将该信号传送到电子控制单元；所述电子控制单元接收到该爆胎信号后，控制电动机的制动装置电吸合，抱住电动机，使与之相连动的转向机构无法转动，实现方向锁定。
如上所述的稳向方法，其中，在方向锁定后，还可随时转动方向盘，解除电动机的制动装置的制动功能，恢复原有助力转矩输出功能。
如上所述的稳向方法，其中，在解除制动装置的制动功能后，所述电子控制单元通过判断并发出指令使电动机在一定时间范围内输出较大助力转矩，以获得较大的转向助力。
如上所述的稳向方法，其中，由设置在导向轮胎中的压力传感器向电子控制单元提供车轮爆胎的信号。
如上所述的稳向方法，该方向锁定延长一段时间后，自动解除锁定，以保证汽车方向的自动回正。
如上所述的稳向方法，还包括在转向系统的电子控制单元中设定一触发速度，当车辆的行驶速度达到或超过该触发速度时，所述电子控制单元才会根据所获得的爆胎信号控制电动机的制动装置电吸合，以抱住电动机。
本发明的特点和优点是本发明的具有稳向功能的电动式助力转向系统及稳向方法，该转向系统包括转向转矩检测装置、轮胎气压检测装置、电动机、减速机构及电子控制单元，其中，所述电动机设有制动装置，所述电子控制单元根据转向转矩信号及转向角信号来设定电动机的电流值，并驱动所述电动机；所述电子控制单元在获得由轮胎气压检测装置发出的爆胎信号时输出用于驱动所述制动装置抱住电动机的控制信号，实现方向锁定。本发明的具有稳向功能的电动式助力转向系统及稳向方法克服了现有技术的缺陷，不仅可由ECU控制电动机及减速机构产生助力转矩阵，使汽车行驶在低、中车速下都能获得最佳的转向，而且在遇到导向轮胎突然爆破时，不会突然改变行驶方向，能使汽车保持直线行驶，有效地避免交通事故的发生。
图1为本发明的具有稳向功能的电动式助力转向系统的结构示意图；图2为本发明的具有稳向功能的电动式助力转向系统的电子控制单元的示意图。
附图标号说明1、转向轮2、横拉杆3、齿轮4、齿条 5、转向输出轴7、转矩传感器
8、转向输入轴 9、方向盘10、转向轮11、电动机 12、电子控制单元(ECU)13、蜗杆14、转向角传感器 15、万向节 16、蜗轮17、压力传感器 110、制动装置具体实施方式
本发明提出了一种具有稳向功能的电动式助力转向系统，至少包括转向转矩检测装置，设置于转向轴上，用于检测所述转向轴的转向转矩；轮胎气压检测装置，用于检测轮胎的爆胎信号；电动机，用于产生助力转矩，所述电动机设有制动装置；减速机构，设置于所述转向轴与电动机间，其将所述电动机产生的助力转矩减速增扭后通过转向轴传递给转向机构；电子控制单元(ECU)，根据转向转矩检测装置的转向转矩信号来控制电动机的电流值，并输出用于驱动所述电动机的控制信号，所述电子控制单元在获得由轮胎气压检测装置传送的爆胎信号时输出用于驱动所述制动装置抱住电动机的控制信号。
下面配合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。
如图1、图2所示，为本发明的具有稳向功能的电动式助力转向系统一具体实施例，其主要由车速传感器、转矩传感器7、转向角传感器14、电子控制单元(ECU)12、电动机11及减速机构等组成。
该电动式动力转向系统的基本原理与公知技术相似，其根据汽车行驶速度(车速传感器输出信号)、转矩及转向角信号，由ECU控制电动机11及减速机构产生助力转矩阵，使汽车行驶在低、中车速下都能获得最佳的转向。电动机11连同电磁离合器10和蜗杆一起，电动机11输出的转矩由蜗轮蜗杆减速机构增扭后，并通过万向节15、转向器中的助力齿轮3把输出转矩送至齿条4，向转向轮1提供助推转矩，电子控制单元(简称ECU)12根据各传感器的输入信号确定助力转矩的幅值和方向，并且直接控制驱动电路去驱动电动机11。本发明的电动机11设有制动装置110，爆胎发生时电子控制单元12输出控制信号，驱动制动装置110抱住电动机11，实现方向锁定。
以下具体说明本实施例的各具体组成部分。
如图1所示，本发明的执行器包括直流电动机、电磁离合器和减速机等，其中电动机11采用设有制动装置的永磁磁场直流电动机，其可为公知的结构，本实施例中所采用的电动机的最大电流为30A左右，电压12V，额定转矩为10N.m左右。
电磁离合器10其可为公知的多种结构，本实施例中，主要由电磁线圈、主动轮、从动轴、压板等组成。工作时，电流通过滑环进入电磁线圈，主动轮便产生电磁吸力，带花键的压板就被吸引，并与主动轮压紧，于是电动机11的输出转矩便经过输出轴——主动轮——压板——花键——从动轴——传递给蜗轮蜗杆减速机构。电磁离合器10的主要功能有三，一是保证电动助力只有在一定的车速范围内起作用。当汽车行驶速度超过该速度时，电磁离合器10便切断电动机11的电源，使电动机11停转，离合器10分离，不起传递转向助力作用；二是在系统出现故障时，离合器10会自动分离，此时，又可恢复手动控制转向状态；三是电子控制单元在获得爆胎信号时输出用于驱动所述制动装置抱住电动机的控制信号，同时也输出使电磁离合器电磁吸合的信号，以实现方向锁定，并依据转向角传感器的信号判断控制输入电动机以反方向的保持转矩。
减速机构主要有蜗轮16、蜗杆13构成，蜗杆13的动力来自于电磁离合器10和电动机11，经蜗轮16减速增扭后，传送给转向输出轴5，然后再通过转向机构传送给转向轮1，以实现转向助力。
如图2所示，本发明的电子控制单元(ECU)的基本组成其核心是一个具有1K字节的RAM、16K定位的ROM，还有10位A/D转换器，8位字节的单片微机(微处理器)；其外围电路有8位D/A转换器，I/F(电流/频率)转换器，放大电路，动力监测电路，驱动电路等。当然，该电子控制单元(ECU)也可使用公知的其它结构，并不仅限于此。
正常工作时，转向转矩传感器和转向角传感器的信号经过A/D转换器被输入到微处理器，微处理器根据上述信号、车速信号和电动机的电流信号计算出最优化的助力转矩。ECU把计算出来的参数值作为电流命令值送到D/A转换器并转换为模拟量，再将其输入到电流控制电器；电流控制电路把来自微处理器的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较，产生一个差值信号。该差值信号被送到驱动电路，该电路可驱动直流电机动力装置并向电动机提供控制电流，也即当转矩传感器7和转向角传感器14的信号经A/D转换器处理后，微处理器就在其内存中寻找与该信号相匹配的相应的电动机电流值，然后将此值输送给D/A转换器进行数字模拟转换，处理后的模拟信号再送给限流器，由限流器来决定电动机驱动电路电流值的大小。微处理器同时给电动机驱动电路输出信号，即决定电动机(左转或右转)的转动方向。
本发明最大的特点是，驱动电路还连接到电动机11的制动装置110，且本实施例中，导向轮胎气压检测装置为一设置于导向轮胎内的压力传感器。
在正常情况下，制动装置110处在失电非制动状态，只有在轮胎气压检测装置获得爆胎信号，并将信号传输到微处理器时，微处理器发出指令，使制动装置110电吸合，转为制动状态，抱住电动机11。此时如要主动改变汽车的行驶方向，转动方向盘1则转矩传感器7会产生信号并传输到微处理器，微处理器随即发出指令，电动机11的制动装置110断电，解除制动功能，即可保证主动改变汽车行驶方向功能。
在本实施例中，该电子控制单元(ECU)可选用ATMEL公司的AVR芯片，其运行速度比较快，性能优越，它可以处理外部的A/D线路的传感器信号，经过运算处理再经D/A传换为模拟量经电动机控制线路PWM来实现电动机的正反运转，实现助力控制。当然并不限于此，例如也可以采用DSP或其他公司的单片机来实现上述功能设置，因为DSP可以处理模拟数字信号和专用的电动机控制线路，同样能实现上述功能。
如图1、图2所示，本实施例中的电动式助力转向系统还可设有安全保护装置，由一个在主电源电路中能切断电动机11电源的继电器和一个安装在电动机11与减速机构之间并能把它们断开的电磁离合器10组成。当检测到发动机11停止运转后，电动助力系统处于休眠节电状态；另外，如果检测到电动机11控制失灵、蓄电池电压过低、发动机的充电部分工作异常或控制系统自身的零部件出现故障时，ECU自动通过继电器切断直流电动机11的电源，电磁离合器10分离，电动助力不起作用，而恢复手动控制转向。
如图2所示，本实施例中的电动式助力转向系统还可选择设置公知的转向系统的故障诊断装置，此处不再详述。
本发明的电动机11的正反转由专用线路处理，本实施例中采用公知的MOS管及外围线路来实现电动机的直接控制，当然并不仅限于此。
本实施例的电动式助力转向系统的稳向方法是由以下原理实现的(一)汽车低速正常行驶的情况下由于低速行驶的汽车爆胎的可能性更小，且其危险性也较低，因此，此种情况下爆胎时，该稳向功能不是必要的，亦即在一定的速度范围内，本发明的电动式助力转向系统仅提供助力转向的功能，即电动助力转向系统设定的最高速度以下的速度，超过该速度电动助力转向系统不再提供助力。细分为以下两种情况①汽车转弯时，将由驾驶者转动方向盘1而产生的转矩信号、转向角信号及车速信号经A/D转换器处理后，微处理器就在其内存中寻找与该信号相匹配的电动机电流值，然后将此值输送给D/A转换器进行数字模拟转换，处理后的模拟信号再送给限流器，由限流器来决定电动机驱动电路电流值的大小，微处理器同时给电动机11的驱动电路输出一信号，决定电动机的转动方向(左转或右转)，此时电磁离合器10吸合，传递电动机11输出的相应转矩，经蜗杆13蜗轮16减速增扭后，传送给转向轴5，然后再通过小齿轮3及齿条4等部件传送给转向轮10，以实现转向助力。驾驶者判定转弯到位后，轻放方向盘1，转矩信号消失，电磁离合器10及电动机11迅速切换到断电状态，实现汽车方向的自动回正。根据汽车车速、转矩及转向角等信号，由ECU控制电动机产生助力转矩，使汽车行驶在低、中车速下都能获得最佳的转向。
②汽车直线行驶时，方向盘1不转动，无转矩信号输出，此时，电磁离合器10及电动机11均处在断电状态，这样可节省能源。
(二)汽车高速行驶的情况下由于超过电动助力转向系统设定的最高速度，电动助力转向系统不再提供助力，汽车高速行驶时电磁离合器10及电动机11均处在断电状态，不论汽车保持直线行驶，还是变道，高速行驶时汽车方向的控制均为手动控制。
此时，如遇导向轮胎突然爆破，爆胎检测装置迅速将爆胎信号传输到微处理器，微处理器据此发出指令，使得制动装置110电吸合，抱住电动机11，此时爆胎产生的牵引齿条4移动的转向力通过齿轮3、万向节杆15、与输出轴5一体的蜗轮16、蜗杆13及电磁离合器10传递到电动机11后，被电动机11的保持转矩阻尼力及制动力所抵消，齿条4仍保持不动，即将导向轮胎行驶方向锁定，汽车会保持直线行驶。此时，驾驶者若主动改变汽车行驶方向，转动方向盘1，则转矩传感器产生转矩信号，并传输到微处理器，微处理器获得转矩信号后随即发出指令，电动机11的制动装置110断电，解除制动功能，同时输出助力转矩。方向锁定解除制动功能后，控制系统通过判断并发出指令使电机在一定时间范围内输出较大助力转矩，以获得较大的转向助力，克服因爆胎导致的较大的转向力。
如遇爆胎并进行上述方向锁定一段时间(该时间可根据需要来设定)后，如驾驶者未主动改变汽车行驶方向，则可由电子控制单元发出信号自动解除锁定，以保证汽车方向的自动回正功能。
虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，例如，本发明的所述减速机构还可为斜齿轮减速机构或行星齿轮减速机构，等等，皆应仍属本专利涵盖的范畴。
权利要求
1.一种具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，包括转向转矩检测装置，设置于转向轴上，用于检测所述转向轴的转向转矩；轮胎气压检测装置，用于检测车辆的爆胎信号；电动机，用于产生助力转矩，所述电动机设有制动装置；减速机构，设置于所述转向轴与电动机间，其将所述电动机产生的助力转矩减速增扭后通过转向输出轴传递给转向机构；电子控制单元，用于至少根据转向转矩检测装置的转向转矩信号来设定电动机的电流值，并输出用于驱动所述电动机的控制信号，所述电子控制单元获得前述爆胎信号时输出用于驱动所述制动装置抱住电动机的控制信号。
2.如权利要求1所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，所述轮胎气压检测装置为设置于导向轮胎中的压力传感器，其在检测到爆胎时的胎压异常信号时将其传送到电子控制单元，所述电子控制单元发出使制动装置电吸合以抱住电动机的控制信号。
3.如权利要求1所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，还包括有车速检测装置，以将检测到的车速信号传送至所述电子控制单元。
4.如权利要求1所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，所述减速机构为蜗轮蜗杆减速机构、斜齿轮减速机构或行星齿轮减速机构。
5.如权利要求1所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，还包括转向角传感器，其向电子控制单元提供用于确定电动机输出助力转矩的方向的辅助信号。
6.如权利要求1所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，所述转向机构为齿条-齿轮转向器。
7.如权利要求1至6任一项所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，还包括有安全保护装置，由一个在主电源电路中能切断电动机电源的继电器和一个安装在电动机与减速机构之间并能把它们断开的电磁离合器组成。
8.如权利要求7所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，还包括有故障诊断装置，用于判断轮胎气压检测装置、直流电机、转速传感器的工作是否正常，亦可以通过联机电脑检测。
9.如权利要求7所述的具有稳向功能的电动式助力转向系统，其特征在于，所述电子控制单元的核心包括一微处理器，外围电路还包括有放大电路、A/D转换器、D/A转换器、限流器及用于驱动电动机及制动装置的驱动电路；其中转向转矩和转向角信号放大后经过A/D转换器被输入到所述微处理器，微处理器就在其内存中寻找与该信号相匹配的电动机电流值，然后将此值输送给D/A转换器进行数字模拟转换，处理后的模拟信号再送给限流器，由限流器来决定电动机驱动电路电流值的大小，向电动机提供控制电流，车辆高速行驶测得爆胎信号时，所述微处理器发出指令，使驱动电路驱动制动装置电磁吸合，转为制动状态。
10.一种电动式助力转向系统的稳向方法，包括获得车轮爆胎的信号，并将该信号传送到电子控制单元；所述电子控制单元接收到该爆胎信号后，控制电动机的制动装置电吸合，抱住电动机，使与之相连动的转向机构无法转动，实现方向锁定。
11.如权利要求10所述的稳向方法，其特征在于，在方向锁定后，还可随时转动方向盘，解除电动机的制动装置的制动功能，恢复原有助力转矩输出功能。
12.如权利要求11所述的稳向方法，其特征在于，在解除制动装置的制动功能后，所述电子控制单元通过判断并发出指令使电动机在一定时间范围内输出较大助力转矩，以获得较大的转向助力。
13.如权利要求10所述的稳向方法，其特征在于，由设置在导向轮胎中的压力传感器向电子控制单元提供车轮爆胎的信号。
14.如权利要求10所述的稳向方法，其特征在于，该方向锁定延长一段时间后，自动解除锁定，以保证汽车方向的自动回正。
15.如权利要求10至14任一项所述的稳向方法，其特征在于，还包括在转向系统的电子控制单元中设定一触发速度，当车辆的行驶速度达到或超过该触发速度时，所述电子控制单元才会根据所获得的爆胎信号控制电动机的制动装置电吸合，以抱住电动机。
全文摘要
本发明公开了一种具有稳向功能的电动式助力转向系统及稳向方法，该转向系统包括转向转矩检测装置、轮胎气压检测装置、电动机、减速机构及电子控制单元，其中，所述电动机设有制动装置，所述电子控制单元根据转向转矩信号及转向角信号来设定电动机的电流值，并驱动所述电动机；所述电子控制单元在获得由轮胎气压检测装置发出的爆胎信号时输出用于驱动所述制动装置抱住电动机的控制信号，实现方向锁定。本发明克服了现有技术的缺陷，不仅可由ECU控制电动机及减速机构产生助力转矩阵，使汽车行驶在低、中车速下都能获得最佳的转向，而且在遇到导向轮胎突然爆破时，不会突然改变行驶方向，能使汽车保持直线行驶，有效地避免交通事故的发生。
文档编号B62D6/00GK1962339SQ20051011523
公开日2007年5月16日 申请日期2005年11月11日 优先权日2005年11月11日
发明者许倍强 申请人:许倍强