一种双源双绕组电机线控转向系统及其容错控制方法与流程

文档序号：20487366发布日期：2020-04-21 21:46阅读：350来源：国知局

本发明属于汽车转向系统技术领域，具体指代一种双源双绕组电机线控转向系统及其容错控制方法。

背景技术：

随着交通事故的频繁发生，人们对汽车的行驶安全性越来越重视，而转向系统对汽车的行驶安全至关重要；现有转向系统通常进行冗余设计来提高转向系统的可靠性，进而提高汽车的行驶安全性。

现有双绕组电机液压助力转向技术中，中国发明专利申请号为cn201510946353.5中公开了一种双源电动液压助力转向系统及其控制方法，在转向电机中设置一套高压绕组和一套低压绕组，当为高压绕组供电的高压电源不能正常工作时，可采用低压电源为低压绕组供电，使转向电机能够正常工作，从而保证电动液压转向系统工作的可靠性；但是，上述技术中双绕组电机均采用单绕组工作模式，电机利用率低，而且液压助力转向存在能耗较大且响应速度不如电动转向等缺点。

现有双电机线控转向系统，在一个电机故障时，利用另一个电机进行转向，具有容错功能。例如：中国发明专利申请号为cn201711346835.2中公开了一种通过电机控制器将故障电机对应的电磁离合器分离的容错控制方法；中国发明专利申请号为cn20171134340.6的中公开了一种在线控转向机构故障时电磁离合器合上，电机反转使转向器小齿轮和转向器齿条完成转向的容错控制方法；但是，上述技术电机均采用单一电源供电，没有考虑电源发生故障的容错问题，一旦电源发生故障，两个电机均无法工作使驾驶员完全失去对车辆的控制，从而造成巨大的安全隐患。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双源双绕组电机线控转向系统及其容错控制方法，以解决现有技术中难以实现转向系统较高的电机利用率、较快的响应速度、较高的可靠性等性能的融合统一的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种双源双绕组电机线控转向系统，包括：方向盘，转向管柱总成、路感总成、双绕组电机转向执行装置、电源容错装置、主控制器及电磁离合器；其中，

所述方向盘连接转向管柱总成，转向管柱总成包括：转角传感器、第一转向管柱及第一转矩传感器；方向盘输入的作用力经过第一转向管柱作用于路感总成上，第一转向管柱上分别固定安装第一转矩传感器和转角传感器；

所述路感总成包括：路感电机、第二转矩传感器、及第一蜗轮蜗杆；路感电机的输出端经过第二转矩传感器与第一蜗轮蜗杆的蜗轮端连接，第一蜗轮蜗杆的蜗杆端固定在第一转向管柱上；路感电机输出的反馈力矩依次经过第一蜗轮蜗杆、第一转向管柱，传递至方向盘；

所述双绕组电机转向执行装置包括：双绕组电机模块、第二蜗轮蜗杆、第二转向管柱、滚珠丝杆、转向横拉杆、转向梯形、转向车轮；

双绕组电机模块包括：定子铁芯、转子组件、机座、第一套绕组、第二套绕组、第一组电流传感器、第二组电流传感器、双绕组电机模块输出轴、转速传感器；

第一套绕组包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第一组电流传感器包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器；第一电流传感器与a相绕组连接，第二电流传感器与b相绕组连接，第三电流传感器与c相绕组连接；

第二套绕组包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第二组电流传感器包括第四电流传感器、第五电流传感器、第六电流传感器；第四电流传感器与a相绕组连接，第五电流传感器与b相绕组连接，第六电流传感器与c相绕组连接；

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；第一套绕组的输入端与第一组电流传感器连接，第二套绕组的输入端与第二组电流传感器连接；

转子组件包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕于转子铁芯上，转子铁芯固定在双绕组电机模块输出轴上；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模块输出轴将转矩输出；转速传感器安装在双绕组电机输出轴上；

所述电源容错装置包括：电源控制器单元、第一电源单元、第二电源单元；电源控制器单元的输入端依次连接第一电源单元和第二电源单元，同时还与主控制器电气连接；电源控制器单元的输出端依次连接第一套绕组和第二套绕组；

所述主控制器的输入端通过车载通讯线路连接第一转矩传感器、第二转矩传感器、第一组电流传感器、第二组电流传感器、转角传感器、转速传感器及车辆其它状态单元；主控制器的输出端连接路感总成、电磁离合器和电源控制单元；

所述电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁及摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱上，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱上，衔铁套于主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离。

进一步地，双绕组电机模块输出端依次通过转速传感器、第二蜗轮蜗杆、第二转向管柱连接到滚珠丝杆的螺母；滚珠丝杆的丝杆端将转向横拉杆打断，滚珠丝杆两端与转向横拉杆被打断的两个端口轴向固定连接；双绕组电机输出的旋转运动经第二蜗轮蜗杆转换为第二转向管柱的旋转运动，第二转向管柱的旋转运动又经过滚珠丝杆转换为转向横拉杆的位移运动，转向横拉杆的位移运动通过转向梯形和转向车轮完成转向动作。

进一步地，所述双绕组电机模块为无刷直流电机。

进一步地，所述第一组电流传感器、第二组电流传感器为霍尔电流传感器。

进一步地，所述电源控制器单元包括：继电器控制器、第一继电器及第二继电器；继电器控制器的输入端依次连接第一电源单元、第二电源单元、主控制器，继电器控制器的输出端依次连接第一继电器、第二继电器；第一电源单元的输出电路与第一继电器的a、b触点连接，第一继电器的触点e、f输出电路经过第一组电流传感器与第一套绕组连接，第一继电器的触点g、h输出电路第二继电器的触点i、j连接；第二电源单元的输出电路分为两个并联支路，第一个支路与第一继电器的触点c、d连接，第二个支路与第二继电器的k、l触点连接，第二继电器的触点m、n输出电路经过第二组电流传感器与第二套绕组连接。

进一步地，所述第一电源单元包括第一电源、第一电压传感器；第二电源单元包括第二电源、第二电压传感器；第一电源输出端经过第一电压传感器与继电器控制器连接；第二电源输出端经过第二电压传感器与继电器控制器连接。

进一步地，所述第一电压传感器、第二电压传感器均为霍尔电压传感器。

进一步地，所述车辆其它状态单元包括：车速传感器、横摆角速度传感器；主控制器的输入端与车辆其它状态单元通过车载通讯线路连接，获取车速和横摆角速度。

进一步地，所述电磁铁包括衔铁、线圈、磁轭；线控转向正常时，线圈不通电，磁轭与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器分离；线控转向失效时，线圈通电，磁轭吸合衔铁，将摩擦片组压紧，摩擦片组通过摩擦力传递转矩，电磁离合器结合；方向盘的转矩通过第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱传递给转向横拉杆、转向梯形和转向车轮，完成转向动作。

本发明的一种双源双绕组电机线控转向系统的容错控制方法，基于上述系统，包括以下步骤：

1)根据车辆驾驶情况，输入一个方向盘转角；

2)主控制器接收转角信号，第一转矩信号，第二转矩信号，转速信号，第一组电流信号，第二组电流信号，车速信号及横摆角速度信号，计算出双绕组电机模块所需提供的转向助力的大小及路感电机需要的反馈力矩的大小，并判断是否要启动电磁离合器以及输出电磁离合器控制信号，同时，向电源控制器单元输出主控制电源控制信号以及向路感电机输出路感电机控制信号；

3)电源控制器单元分别接收第一电源单元输出信号、第二电源单元输出信号以及主控制器电源控制信号，继电控制器输出第一套绕组控制信号和第二套绕组控制信号，控制第一继电器和第二继电器进行供电模式的选择；

4)双绕组电机模块输出的转向力矩经过第二蜗轮蜗杆、第二转向管柱、滚珠丝杆、转向横拉杆和转向梯形传递给转向车轮，完成车轮转向操作；路感电机输出的路感反馈力矩经过第一蜗轮蜗杆、第一转向管柱和方向盘传递给驾驶员，完成路感反馈操作。

进一步地，所述步骤3)中的供电模式的选择具体包括以下步骤：

31)主控制器根据第一组电流传感器和第二组电流传感器的输出信号，判断第一套绕组和第二套绕组是否正常工作，并输出包含第一套绕组和第二套绕组工作状态的主控制器电源控制信号；电源控制器单元接收第一电源单元和第二电源单元输出的信号，判断第一电源和第二电源的工作状态，并接收主控制器电源控制信号，得到第一套绕组和第二套绕组的工作状态；继电器控制器通过各绕组和电源的工作状态，控制第一继电器和第二继电器选择相应的供电模式；

32)若第一套绕组、第二套绕组、第一电源、第二电源均正常工作，电源控制器单元输出第一套绕组控制信号和第二套绕组控制信号，第一继电器的触点a连接触点e，触点b连接触点f，第一电源单元给第一绕组供电，第二继电器的触点k连接触点m，触点l连接触点n，第二电源给第二套绕组供电，转向系统正常工作；

33)若第一电源出现故障，电源控制器单元输出第一套绕组控制信号和第二套绕组控制信号，第一继电器触点c连接触点e，触点d连接触点f，第二继电器触点k连接触点m，触点l连接触点n，第二电源同时给第一套绕组和第二套绕组供电，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告；

34)若第二电源出现故障，电源控制器单元输出第一套绕组控制信号和第二套绕组控制信号，第一继电器触点a连接触点e，触点b连接触点f，触点a连接触点g，触点b连接触点h，第二继电器触点i连接触点m，触点j连接触点n，第一电源同时给第一套绕组和第二套绕组供电，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告；

35)若第一套绕组出现故障，电源控制器单元输出第二套绕组控制信号，并停止输出第一套绕组控制信号，第一继电器触点a连接触点g，触点b连接触点h，第二继电器触点i连接触点m，触点j连接触点n，触点k连接触点m，触点l连接触点n，第一电源和第二电源同时给第二套绕组供电，第一套绕组暂停工作，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告；

36)若第二套绕组出现故障，电源控制器单元输出第一套绕组控制信号，并停止输出第二套绕组控制信号，第一继电器触点a连接触点e，触点b连接触点f，触点c连接触点g，触点d连接触点h，第一电源和第二电源同时给第一套绕组供电，第二套绕组暂停工作，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告；

37)若第一电源出现故障且第二套绕组出现故障，电源控制器单元输出第一套绕组控制信号，并停止输出第二套绕组控制信号，第一继电器触点c连接触点e，触点d连接触点f，第二电源给第一套绕组供电，第二套绕组暂停工作，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告；

38)若第二电源出现故障且第一绕组出现故障，电源控制器单元输出第二套绕组控制信号，并停止输出第一套绕组控制信号，第一继电器触点a连接触点g，触点b连接触点h，第二继电器触点i连接触点m，触点j连接触点n，第一电源给第二套绕组供电，第一套绕组暂停工作，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告；

39)若第一电源出现故障且第一绕套组出现故障，电源控制器单元输出第二套绕组控制信号，并停止输出第一套绕组控制信号，第二继电器触点k连接触点m，触点l连接触点n，第二电源给第二套绕组供电，第一套绕组暂停工作，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告；

40)若第二电源出现故障且第二套绕组出现故障，电源控制器单元输出第一套绕组控制信号，并停止输出第二套绕组控制信号，第一继电器触点a连接触点e，触点b连接触点f，第一电源给第一套绕组供电，第二套绕组暂停工作，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告；

41)若两个电源或两套绕组同时出现故障，电源控制器单元停止输出第一套绕组控制信号和第二套绕组控制信号，第一继电器和第二继电器均断开，第一套绕组和第二套绕组暂停工作；主控制器输出电磁离合器控制信号，电磁离合器结合，电源控制器单元向驾驶员发出故障警告，并提示驾驶员进行紧急制动操作。

进一步地，所述步骤31)中的绕组故障的诊断具体包括以下步骤：

311)将采集到的a相电流i1、b相电流i2、c相电流i3、a相电流i4、b相电流i5、c相电流i6分别代入各相开路电流诊断方程处理得到各相的开路电流诊断值im，各相开路电流诊断方程如下：

式中，t1、t2分别为采样的起始时间点，ts为采样周期，n为经历的采样周期的个数，这里选取n＝20，m＝1，2，3，4，5，6；

312)将处理得到的各相开路电流诊断值，代入开路故障诊断方程，得到各相绕组是否出现开路的表示值，开路诊断方程为：

式中，km为各相绕组是否出现开路故障的表示值，1表示出现开路，0表示正常；i0为开路电流诊断阀值，取i0为绕组额定电流的3％；ωr为双源双绕组电机转子机械角速度；

313)将采集到的电流a相电流i1、b相电流i2、c相电流i3、a相电流i4、b相电流i5、c相电流i6分别代入各相短路电流诊断方程处理得到各相的电流诊断值dm：

式中，dm为各相短路电流的诊断值，in为各相绕组额定电流的峰值，im为各相开路电流诊断值，t1、t2分别为采样的起始时间点，ts为采样周期，n为经历的采样周期的个数，这里选取n＝20，m＝1，2，3，4，5，6；

314)将处理得到的各相短路电流诊断值，代入短路故障诊断方程，得到各相绕组是否出现短路的表示值，短路诊断方程为：

式中，km为各相绕组是否出现短路故障的表示值，1表示出现短路，0表示正常；k0为短路诊断阀值，这里k0＝4，td为双源双绕组电机的运行时间，t0为双源双绕组电机的正常启动时间；

315)根据处理得到的各相绕组是否出现开路、短路的的表示值，代入故障处理方程得到故障时应断开那一套绕组故障的表示值，其故障处理方程为：

式中，s1为是否断开第一套绕组的表示值，s2为是否应断开第二套绕组的表示值，值为1表示应该断开，为0表示不断开；

316)主控制器根据s1和s2的值判断第一套绕组和第二套绕组是否正常工作，从而向电源控制器单元输出电源控制信号。

进一步地，所述步骤31)中的电源故障的诊断具体包括以下步骤：

317)将采集到的电压第一电源电压u1、第二电源电压u2分别代入各电源电压诊断方程处理得到各电源电压诊断值um，各电源电压诊断方程如下：

式中，t1、t2分别为采样的起始时间点，ts为采样周期，n为经历的采样周期的个数，这里选取n＝20，m＝1，2；

318)将处理得到的各电源电压诊断值，代入电源故障诊断方程，得到电源是否出现故障的表示值，电源故障诊断方程为：

式中，bm为各电源是否出现故障的表示值，1表示出现故障，0表示正常；u0为故障电压诊断阀值，取u0为电源额定电压的95％；ωr为双源双绕组电机转子机械角速度；

319)继电器控制器根据b1和b2的值判断第一电源和第二电源的工作状态，控制第一继电器和第二继电器选择相应的供电模式。

本发明的有益效果：

本发明具备了电机助力转向的功能，能耗更低，响应速度更快，并且采用第一套绕组和第二套绕组的同一相绕组之间需要错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中的布置方式和两套绕组同时工作的电机工作模式，减少了两套绕组之间的互相干扰，转矩合成效果更好，电机利用率更高。

本发明具备电机绕组、电源双重硬件冗余功能，单个绕组出现故障，可以由另一个绕组在电源驱动下完成转向动作；单个电源出现故障，可以由另一个电源驱动绕组完成转向动作；当绕组和电源均出现故障，仍可通过机械转向完成转向动作；避免电源或绕组故障导致车辆完全丧失转向能力，增强了车辆转向安全性。

本发明的容错控制方法，具备多种供电模式，并能够根据绕组和电源故障情况进行快速切换，最大程度保证转向系统供电模块的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的原理结构框图；

图2为本发明供电模式切换原理图；

图3为本发明容错控制方法流程图；

图中，1-方向盘，2-转角传感器，3-第一转向管柱，4-第一转矩传感器，5-第一蜗轮蜗杆，6-电磁离合器，7-第一组电流传感器，8-转速传感器,9-第二蜗轮蜗杆，10-第二转向管柱，11-转向车轮，12-转向梯形，13-转向横拉杆，14-螺母，15-滚珠丝杆，16-双绕组电机模块输出轴，17-双绕组电机模块，18-第二套绕组，19-第一套绕组，20-第二组电流传感器，21-电源控制器单元，22-第二电源单元，23-第一电源单元，24-电源容错装置，25-车辆其他状态单元，26-主控制器，27-路感电机，28-第二转矩传感器；

a-转角信号，b-第一转矩信号，c-第二转矩信号，d-转速信号，e-第一组电流信号，f-第二组电流信号，g-第一套绕组控制信号，h-第二套绕组控制信号，i-第一电源单元信号，j-第二电源单元信号，k-电源控制信号，l-路感电机控制信号，m-电磁离合器控制信号，n-车速信号，p-横摆角速度信号。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1、图2所示，本发明的一种双源双绕组电机线控转向系统，包括：方向盘1，转向管柱总成、路感总成、双绕组电机转向执行装置、电源容错装置24、主控制器26及电磁离合器6；其中，

所述方向盘连接转向管柱总成，转向管柱总成包括：转角传感器2、第一转向管柱3及第一转矩传感器4；方向盘输入的作用力经过第一转向管柱3作用于路感总成上，第一转向管柱3上分别固定安装第一转矩传感器4和转角传感器2；

所述路感总成包括：路感电机27、第二转矩传感器28及第一蜗轮蜗杆5；路感电机27的输出端经过第二转矩传感器28与第一蜗轮蜗杆5的蜗轮端连接，第一蜗轮蜗杆5的蜗杆端固定在第一转向管柱3上；路感电机27输出的反馈力矩依次经过第一蜗轮蜗杆5、第一转向管柱3，传递至方向盘1；

所述双绕组电机转向执行装置包括：双绕组电机模块17、第二蜗轮蜗杆9、第二转向管柱10、滚珠丝杆15、转向横拉杆13、转向梯形12、转向车轮11；

双绕组电机模块17包括：定子铁芯、转子组件、机座、第一套绕组19、第二套绕组18、第一组电流传感器7、第二组电流传感器20、双绕组电机模块输出轴16、转速传感器8；

第一套绕组19包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第一组电流传感器包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器；第一电流传感器与a相绕组连接，第二电流传感器与b相绕组连接，第三电流传感器与c相绕组连接；

第二套绕组18包括a相绕组、b相绕组、c相绕组；第二组电流传感器包括第四电流传感器、第五电流传感器、第六电流传感器；第四电流传感器与a相绕组连接，第五电流传感器与b相绕组连接，第六电流传感器与c相绕组连接；

转子组件包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕于转子铁芯上，转子铁芯固定在双绕组电机模块输出轴16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模块输出轴16将转矩输出；

双绕组电机输出端依次通过转速传感器8、第二蜗轮蜗杆9、第二转向管柱10连接到滚珠丝杆15的螺母14；滚珠丝杆15的丝杆端将转向横拉杆13打断，滚珠丝杆15两端与转向横拉杆13被打断的两个端口轴向固定连接；双绕组电机输出的旋转运动经第二蜗轮蜗杆转换为第二转向管柱的旋转运动，第二转向管柱10的旋转运动又经过滚珠丝杆15转换为转向横拉杆13的位移运动，转向横拉杆13的位移运动通过转向梯形12和转向车轮11完成转向动作。

所述电源容错装置24包括：电源控制器单元21、第一电源单元23、第二电源单元22；电源控制器单元21的输入端依次连接第一电源单元23和第二电源单元22，同时还与主控制器26电气连接；电源控制器单元21的输出端依次连接第一套绕组19和第二套绕组18；

所述电源控制器单元包括：继电器控制器、第一继电器及第二继电器；继电器控制器的输入端依次连接第一电源单元、第二电源单元、主控制器，继电器控制器的输出端依次连接第一继电器、第二继电器；第一电源单元的输出电路与第一继电器的a、b触点连接，第一继电器的触点e、f输出电路经过第一组电流传感器与第一套绕组连接，第一继电器的触点g、h输出电路第二继电器的触点i、j连接；第二电源单元的输出电路分为两个并联支路，第一个支路与第一继电器的触点c、d连接，第二个支路与第二继电器的k、l触点连接，第二继电器的触点m、n输出电路经过第二组电流传感器与第二套绕组连接；

所述第一电源单元包括第一电源、第一电压传感器；第二电源单元包括第二电源、第二电压传感器；第一电源输出端经过第一电压传感器与继电器控制器连接；第二电源输出端经过第二电压传感器与继电器控制器连接；

所述第一电压传感器、第二电压传感器均为霍尔电压传感器。

所述主控制器26的输入端通过车载通讯线路连接第一转矩传感器4、第二转矩传感器28、第一电流传感器7、第二电流传感器20、转角传感器2、转速传感器8及车辆其它状态单元25；主控制器的输出端连接路感总成、电磁离合器6和电源控制单元21；

所述车辆其它状态单元包括：车速传感器、横摆角速度传感器；主控制器的输入端与车辆其它状态单元通过车载通讯线路连接，获取车速和横摆角速度。

所述电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁及摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱3上，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱10上，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离。

电磁铁包括衔铁、线圈、磁轭；线控转向正常时，线圈不通电，磁轭与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器分离；线控转向失效时，线圈通电，磁轭吸合衔铁，将摩擦片组压紧，摩擦片组通过摩擦力传递转矩，电磁离合器结合；方向盘的转矩通过第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱传递给转向横拉杆、转向梯形和转向车轮，完成转向动作。

参照图3所示，本发明的一种双源双绕组电机线控转向系统的容错控制方法，基于上述系统，包括以下步骤：