专利名称：弧形直线电机助力转向系统及其路感控制方法
技术领域：
本发明涉及一种助力转向系统及其路感控制方法，特别涉及一种弧形直线电机助力转向系统及其路感控制方法，属于电器控制技术领域。
背景技术：
目前，具有变传动比功能的电动助力转向系统已经成为汽车动力转向系统的发展方向，它通过助力电机和转角电机分别提供助力转矩和附加转角以同时实现助力转向和主动转向功能。但现有的变传动比电动助力转向系统的转向电机普遍采用直流旋转电机，需要通过涡轮蜗杆或行星轮减速机构与转向轴相连，不仅结构复杂，而且由于传动机构存在机械摩擦从而导致传动效率降低，传动噪声大并且动态响应性能较差。同时，当前的变传动比电动助力转向系统的转向助力策略只根据车速与方向盘转矩确定助力转矩，无法根据实时的路况信息和传动比的变化对转向助力进行修正，也无法根据车辆的行驶状况对转向助力进行反馈控制，这有可能会导致驾驶员失去真实的转向路感，从而做出错误的操作导致事故发生。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种采用弧形直线电机直接提供转向助力，并且能根据路况信息和车辆行驶状况主动修正转向路感的具有变传动比功能的弧形直线电机助力转向系统及其路感控制方法。为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的:
弧形直线电机助力转向系统，包括顺序相连的转向机械单元、转角电机和电子控制单元ECU，其特征在于，还包括弧形直线电机，所述的弧形直线电机包括并列设置的弧形直线电机初级和弧形直线电机次级，其中，所述的转向机械单元中的转向输出轴分两段设置，两段转向输出轴分别通过胀紧联结套与弧形直线电机次级的上下两端连接，而所述的弧形直线电机初级同时与电子控制单元E⑶相连，而所述的电子控制单元E⑶还连接一车载光学传感器。所述的转向机械单元包括转向盘、转矩传感器、输入太阳轮、行星轮、齿圈、转向输出轴、齿轮齿条转向器和转向轮，所述的转向盘、转矩传感器、输入太阳轮顺序连接，输入太阳轮和转向输出轴分别与行星轮的上下两端进行内啮合，而所述的齿圈则设置在行星轮的外部并与行星轮进行外啮合，所述的转向输出轴同时与齿轮齿条转向器、转向轮顺序连接，而所述的转角电机与齿圈相连。所述的电子控制单元ECU包括路况信息综合计算模块、助力修正模块和变传动比及助力控制模块，所述的路况信息综合计算模块、助力修正模块和变传动比及助力控制模块顺序相连。弧形直线电机助力转向系统的路感控制方法，其特征在于，包括:
(O实时路况及变传动比路感修正步骤: 电子控制单元ECU中的路况信息综合计算模块收集横摆角速度信号、侧向加速度信号、纵向加速度信号和车载光学传感器检测到的路况信息，并通过神经网络算法计算出路况信息修正系数发送给电子控制单元ECU中的助力修正模块，助力修正模块根据路况信息修正系数、转角电机的变传动比反馈信号、车速信号得到助力修正信号，并将助力修正信号发送给变传动比及助力控制模块，助力修正模块同时将神经网络学习信号发送给路况信息综合计算模块；而所述的变传动比及助力控制模块根据转矩传感器发送的转角信号和转矩信号，以及横摆角速度信号、车速信号和助力修正信号最终确定助力控制信号；
(2)路感外环控制步骤:外环控制采用基于整车动态预测模型的滚动优化H2控制，通过整车动态预测模型对整车的未来运动状态进行预测，并不断根据弧形直线电机助力转向系统的实际输出对预测输出值做出修正，然后再进行新的优化，滚动优化不仅基于模型，而且利用反馈信息构成闭环优化；
路感外环控制具体为:常规转矩减去修正转矩后再与模型输出反馈矫正的反馈信号相减得到助力转矩，助力转矩通过H2控制器得到参考电流，整车动态预测模型根据参考电流输出理论横摆角速度和侧向加速度以及预测横摆角速度和侧向加速度，整车反馈的横摆角速度和侧向加速度与理论横摆角速度和侧向加速度相减后再与预测横摆角速度和侧向加速度叠加，通过模型输出反馈矫正反馈到H2控制器，同时H2控制器根据整车动态预测模型不断对预测时域内系统的动态性能进行滚动优化，确定最优的参考电流，最终确定助力转向系统的助力输出趋近于理想助力转矩；
(3)路感内环控制步骤:
路感内环控制采用基于遗传算法优化的PID控制，遗传算法根据参考电流和助力转矩确定PID控制器的参数，弧形直线电机的助力转矩通过助力输出反馈矫正与参考电流叠力口，经过PID控制器输出实际电流，实际电流控制弧形直线电机输出助力转矩，助力转矩与转矩信号叠加实现助力转向。本发明的有益效果是:
(I)本发明采用弧形直线电机代替旋转电机，不经过减速机构直接驱动转向输出轴提供转向助力，由于没有了中间环节，所以不存在摩擦、反向间隙等问题，结构简单，运行可靠，传动效率高，并且转向系统的刚度增大，从而使系统的动态响应性能提高，稳定性变好；同时电机的助力输入经过转向器传递，电动机要求的最大输出力矩相对小；电动机可布置在驾驶室内，工作环境较好，对密封要求低；整个助力转向系统与转向器分开布置，故拆装与维修工作容易进行，因此本发明可以广泛的应用于微型车上。(2)本发明通过对实时路况进行检测，可以针对结冰、湿滑、浙青、泥土等不同路面状况和道路车流状况运用神经网络算法确定最合理的助力转矩，在低附着系数路面减少转向助力，避免驾驶员过度转向，在车流量大的路段增大转向助力，使转向轻便，减轻驾驶员工作强度，车流量小的路段减小转向助力，使转向盘操作稳重，并对转向传动比变化所引起的方向盘转矩的突变进行补偿，保持良好的转向路感，提高行驶安全性。(3)本发明对转向助力进行内外环控制，外环控制采用基于整车动态预测模型的滚动优化H2控制，该控制方法通过整车动态预测模型对整车的未来运动状态做出预测，并不断根据系统的实际输出对预测输出值做出修正，然后再进行新的优化，使滚动优化不但基于模型，而且利用了反馈信息，构成闭环优化，从而达到较好的动态控制效果并保证系统鲁棒性。相比传统的H2控制，本方法可以及时的根据系统的状态调整系统的控制性能，一方面满足了系统对扰动的鲁棒性，另一方面又避免了系统设计的保守性，使系统具有良好的动态响应性能。而内环控制采用基于遗传算法优化的PID控制，该方法运用遗传算法对PID控制器参数进行优化，和一般的过程整定法和单纯性发相比，不需要给出调节器参数初始值，克服了单纯形法对初始参数初始值的敏感性，并具有寻优简单，速度快的优点，可以迅速而准确的控制助力电流，使助力电机输出合理的助力力矩。
图1为具有变传动比功能的弧形直线电机助力转向系统结构 图2为具有变传动比功能的弧形直线电机助力转向系统的实时路况及变传动比路感修正方法框 图3为具有变传动比功能的弧形直线电机助力转向系统的路感内外环控制方法框图。图中主要附图标记含义为:
1、转向盘 2、电子控制单元E⑶ 3、转矩传感器 4、输入太阳轮
5、行星轮 6、齿圈7、转角电机8、转向输出轴
9、弧形直线电机初级 10、弧形直线电机次级 11、胀紧联结套
12-齿轮齿条转向器 13、转角信号14、转矩信号
15、横摆角速度信号 16、侧向加速度信号 17、纵向加速度信号 18、车速信号19、助力控制信号20、助力反馈信号
21、变传动比反馈信号22、变传动比控制信号
23、路况信息综合计算模块；24、变传动比及助力控制模块
25、助力修正模块26、路况信息修正系数
27、神经网络学习信号28、助力修正信号
29、车载光学传感器30、路况信息
31、转向轮32、H2控制器33、整车动态预测模型
34、模型输出反馈矫正35、PID控制器36、弧形直线电机
37、遗传算法38、助力输出反馈矫正 39、整车
40、常规转矩41、修正转矩42、助力转矩
43、参考电流44、预测横摆角速度和侧向加速度
45、理论横摆角速度和侧向加速度 46、横摆角速度和侧向加速度
47、实际电流。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明进行具体的介绍。图1为具有变传动比功能的弧形直线电机助力转向系统结构图。如图1所示:弧形直线电机助力转向系统，包括顺序相连的转向机械单元、转角电机7、电子控制单元ECU2、弧形直线电机，所述的弧形直线电机包括并列设置的弧形直线电机初级9和弧形直线电机次级10，其中，所述的转向机械单元包括转向盘1、转矩传感器3、输入太阳轮4、行星轮5、齿圈6、转向输出轴8、齿轮齿条转向器12和转向轮31，所述的转向盘1、转矩传感器3、输入太阳轮4顺序连接，输入太阳轮4和转向输出轴8分别与行星轮5的上下两端进行内啮合，而所述的齿圈6则设置在行星轮5的外部并与行星轮5进行外啮合，所述的转向输出轴8同时与齿轮齿条转向器12、转向轮31顺序连接，而所述的转角电机7与齿圈6相连。其中，所述转向输出轴8分两段设置，两段转向输出轴8分别通过胀紧联结套11与弧形直线电机次级10的上下两端连接，而所述的弧形直线电机初级9同时与电子控制单元E⑶2相连，而所述的电子控制单元E⑶2还连接一车载光学传感器29。转矩传感器3获得转角信号13和转矩信号14，车载光学传感器29获得路况信息
30,电子控制单兀ECU2根据转角信号13、转矩信号14、横摆角速度信号15、侧向加速度信号
16、纵向加速度信号17、车速信号18确定助力控制信号19和变传动比控制信号22，转角电机7根据变传动比控制信号22驱动行星轮5提供附加转角，并将变传动比反馈信号21反馈到电子控制单元ECU2，弧形直线电机初级9根据助力控制信号19驱动连接在转向输出轴8上的弧形直线电机次级10提供转向助力，并将助力反馈信号20反馈给电子控制单元ECU2，齿轮齿条转向器12驱动转向轮31转动一定角度，使汽车转向。图2为具有变传动比功能的弧形直线电机助力转向系统的实时路况及变传动比路感修正方法框图。如图2所示:所述的电子控制单元E⑶2包括路况信息综合计算模块23、助力修正模块25和变传动比及助力控制模块24，所述的路况信息综合计算模块23、助力修正模块25和变传动比及助力控制模块24顺序相连。而弧形直线电机助力转向系统的路感控制方法则包括:
实时路况及变传动比路感修正步骤:
电子控制单元ECU2中的路况信息综合计算模块23收集横摆角速度信号15、侧向加速度信号16、纵向加速度信号17和车载光学传感器29检测到的路况信息30，并通过神经网络算法计算出路况信息修正系数26发送给电子控制单元ECU2中的助力修正模块25，助力修正模块25根据路况信息修正系数26、转角电机7的变传动比反馈信号21、车速信号18得到助力修正信号28，并将助力修正信号28发送给变传动比及助力控制模块24，助力修正模块25同时将神经网络学习信号27发送给路况信息综合计算模块23 ;而所述的变传动比及助力控制模块24根据转矩传感器3发送的转角信号13和转矩信号14，以及横摆角速度信号15、车速信号18和助力修正信号28最终确定基于实时路况及变传动比修正的助力控制信号19，控制弧形直线电机初级9与弧形直线电机次级10提供助力，使驾驶员获得最优的转向路感。图3为具有变传动比功能的弧形直线电机助力转向系统的路感内外环控制方法框图。如图3所示:路感外环控制步骤:外环控制采用基于整车动态预测模型的滚动优化H2控制，通过整车动态预测模型33对整车39的未来运动状态进行预测，并不断根据弧形直线电机助力转向系统的实际输出对预测输出值做出修正，然后再进行新的优化，滚动优化不仅基于模型，而且利用反馈信息构成闭环优化；
具体为:常规转矩40减去修正转矩41后再与模型输出反馈矫正34的反馈信号相减得到助力转矩42，助力转矩42通过H2控制器32得到参考电流43，整车动态预测模型33根据参考电流43输出理论横摆角速度和侧向加速度45以及预测横摆角速度和侧向加速度44，整车反馈的横摆角速度和侧向加速度46与理论横摆角速度和侧向加速度45相减后再与预测横摆角速度和侧向加速度44叠加，不断根据系统的实际输出对预测输出值做出修正，然后通过模型输出反馈矫正34反馈到H2控制器32，同时H2控制器32根据整车动态预测模型33不断对预测时域内系统的动态性能进行滚动优化，确定最优的参考电流43，最终确定助力转向系统的助力输出尽可能的趋近于理想助力转矩，使转向助力系统达到较好的动态控制效果并保证系统鲁棒性。路感内环控制步骤:路感内环控制采用基于遗传算法优化的PID控制，遗传算法37根据参考电流43和助力转矩42确定PID控制器35的参数，弧形直线电机36的助力转矩42通过助力输出反馈矫正38与参考电流43叠加，经过PID控制器35输出实际电流47，即通过经遗传算法37优化后的PID控制器35快速而准确地输出实际电流47，实际电流47控制弧形直线电机36输出助力转矩42，助力转矩42与转矩信号14叠加实现助力转向。本发明采用弧形直线电机代替旋转电机，不经过减速机构直接驱动转向输出轴提供转向助力，由于没有了中间环节，所以不存在摩擦、反向间隙等问题，结构简单，运行可靠，传动效率高，并且转向系统的刚度增大，从而使系统的动态响应性能提高，稳定性变好；同时电机的助力输入经过转向器传递，电动机要求的最大输出力矩相对小；电动机可布置在驾驶室内，工作环境较好，对密封要求低；整个助力转向系统与转向器分开布置，故拆装与维修工作容易进行，因此本发明可以广泛的应用于微型车上。汽车在不同的行驶路况行驶，方向盘的回正力矩会相应发生变化，同时转向传动比的改变也会引起方向盘转矩的突变，这些因素会大大影响驾驶员的转向路感，使驾驶员无法合理地对车辆进行控制，导致事故的发生。本发明通过对实时路况进行检测，可以针对结冰、湿滑、浙青、泥土等不同路面状况和道路车流状况运用神经网络算法确定最合理的助力转矩，在低附着系数路面减少转向助力，避免驾驶员过度转向，在车流量大的路段增大转向助力，使转向轻便，减轻驾驶员工作强度，车流量小的路段减小转向助力，使转向盘操作稳重，并对转向传动比变化所引起的方向盘转矩的突变进行补偿，保持良好的转向路感，提高行驶安全性。本发明对转向助力进行内外环控制，外环控制采用基于整车动态预测模型的滚动优化H2控制，该控制方法通过整车动态预测模型对整车的未来运动状态做出预测，并不断根据系统的实际输出对预测输出值做出修正，然后再进行新的优化，使滚动优化不但基于模型，而且利用了反馈信息，构成闭环优化，从而达到较好的动态控制效果并保证系统鲁棒性。相比传统的H2控制，本方法可以及时的根据系统的状态调整系统的控制性能，一方面满足了系统对扰动的鲁棒性，另一方面又避免了系统设计的保守性，使系统具有良好的动态响应性能。而内环控制采用基于遗传算法优化的PID控制，该方法运用遗传算法对PID控制器参数进行优化，和一般的过程整定法和单纯性发相比，不需要给出调节器参数初始值，克服了单纯形法对初始参数初始值的敏感性，并具有寻优简单，速度快的优点，可以迅速而准确的控制助力电流，使助力电机输出合理的助力力矩
本发明按照上述实施例进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.弧形直线电机助力转向系统，包括顺序相连的转向机械单元、转角电机和电子控制单元ECU，其特征在于，还包括弧形直线电机，所述的弧形直线电机包括并列设置的弧形直线电机初级和弧形直线电机次级，其中，所述的转向机械单元中的转向输出轴分两段设置，两段转向输出轴分别通过胀紧联结套与弧形直线电机次级的上下两端连接，而所述的弧形直线电机初级同时与电子控制单元E⑶相连，而所述的电子控制单元E⑶还连接一车载光学传感器。
2.根据权利要求1所述的弧形直线电机助力转向系统，其特征在于，所述的转向机械单兀包括转向盘、转矩传感器、输入太阳轮、行星轮、齿圈、转向输出轴、齿轮齿条转向器和转向轮，所述的转向盘、转矩传感器、输入太阳轮顺序连接，输入太阳轮和转向输出轴分别与行星轮的上下两端进行内啮合，而所述的齿圈则设置在行星轮的外部并与行星轮进行外哨合，所述的转向输出轴同时与齿轮齿条转向器、转向轮顺序连接，而所述的转角电机与齿圈相连。
3.根据权利要求1所述的弧形直线电机助力转向系统，其特征在于，所述的电子控制单元ECU包括路况信息综 合计算模块、助力修正模块和变传动比及助力控制模块，所述的路况信息综合计算模块、助力修正模块和变传动比及助力控制模块顺序相连。
4.弧形直线电机助力转向系统的路感控制方法，其特征在于，包括: (1)实时路况及变传动比路感修正步骤: 电子控制单元ECU中的路况信息综合计算模块收集横摆角速度信号、侧向加速度信号、纵向加速度信号和车载光学传感器检测到的路况信息，并通过神经网络算法计算出路况信息修正系数发送给电子控制单元ECU中的助力修正模块，助力修正模块根据路况信息修正系数、转角电机的变传动比反馈信号、车速信号得到助力修正信号，并将助力修正信号发送给变传动比及助力控制模块，助力修正模块同时将神经网络学习信号发送给路况信息综合计算模块；而所述的变传动比及助力控制模块根据转矩传感器发送的转角信号和转矩信号，以及横摆角速度信号、车速信号和助力修正信号最终确定助力控制信号； (2)路感外环控制步骤:外环控制采用基于整车动态预测模型的滚动优化H2控制，通过整车动态预测模型对整车的未来运动状态进行预测，并不断根据弧形直线电机助力转向系统的实际输出对预测输出值做出修正，然后再进行新的优化，滚动优化不仅基于模型，而且利用反馈信息构成闭环优化； (3)路感内环控制步骤: 路感内环控制采用基于遗传算法优化的PID控制，遗传算法根据参考电流和助力转矩确定PID控制器的参数，弧形直线电机的助力转矩通过助力输出反馈矫正与参考电流叠力口，经过PID控制器输出实际电流，实际电流控制弧形直线电机输出助力转矩，助力转矩与转矩信号叠加实现助力转向。
5.根据权利要求4所述的弧形直线电机助力转向系统的路感控制方法，其特征在于，路感外环控制具体为:常规转矩减去修正转矩后再与模型输出反馈矫正的反馈信号相减得到助力转矩，助力转矩通过H2控制器得到参考电流，整车动态预测模型根据参考电流输出理论横摆角速度和侧向加速度以及预测横摆角速度和侧向加速度，整车反馈的横摆角速度和侧向加速度与理论横摆角速度和侧向加速度相减后再与预测横摆角速度和侧向加速度叠加，通过模型输出反馈矫正反馈到H2控制器，同时H2控制器根据整车动态预测模型不断对预测时域内系统的动态性能进行滚动优化，确定最优的参考电流，最终确定助力转向系统的助力输出趋近 于理想助力转矩。
全文摘要
本发明涉及一种弧形直线电机助力转向系统及其路感控制方法，其中，弧形直线电机助力转向系统包括顺序相连的转向机械单元、转角电机和电子控制单元ECU，还包括弧形直线电机，弧形直线电机包括并列设置的弧形直线电机初级和弧形直线电机次级，转向机械单元中的转向输出轴分两段设置，两段转向输出轴分别通过胀紧联结套与弧形直线电机次级的上下两端连接，而弧形直线电机初级同时与电子控制单元ECU相连，电子控制单元ECU还连接一车载光学传感器。而其路感控制方法则包括实时路况及变传动比路感修正步骤、路感外环控制步骤和路感外环控制步骤。本发明采用弧形直线电机直接提供转向助力，并且能根据路况信息和车辆行驶状况主动修正转向路感。
文档编号B62D5/04GK103121466SQ20131005787
公开日2013年5月29日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者赵万忠, 李怿骏, 王春燕 申请人:南京航空航天大学