一种适时可变传动比的电动助力转向系统及其控制方法

1.一种适时可变传动比的电动助力转向系统，其特征在于包括由转向盘(1)、转矩传感器(2)、转向电机(3)、行星轮(4)、太阳轮(5)、齿圈(6)、转向管柱(38)、助力电机(7)、减速机构(8)、齿条(9)、转向摇臂(10)、前轮(11)、电子控制单元ECU (12)、预前电子控制模块ECUa(27)、车载卫星导航仪(28)、车载前视路况仪(29)、自适应记忆电子控制模块ECUb(30)，转向盘(1)通过转向管柱(38)与齿条(9)相连，转矩传感器(2)位于转向盘(1)下方，安装在转向管柱(38)上，助力电机(7)通过减速机构(8)与齿条(9)相连，齿条(9)通过转向摇臂(10)与前轮(11)相连, 在转矩传感器(2)和齿条(9)之间的转向管柱(38)上安装有行星齿轮结构,该结构由行星轮(4)、太阳轮(5)、齿圈(6)组成，行星轮(4)与齿圈(6)内啮合，太阳轮(5)与行星轮(4)外啮合，行星轮(4)为公用齿轮，齿圈(6)与转向同步离合器(26)相连，转向同步离合器(26)与转向电机(3)相连，太阳轮(5)与位于行星齿轮结构下方的转向管柱(38)相连，行星轮(4)与位于方向盘(1)下方的转矩传感器(2)相连，车载卫星导航仪(28)和车载前视路况仪(29)分别与预前电子控制模块ECUa(27)相连，自适应记忆电子控制模块ECUb(30)与电子控制单元ECU(12)相连，电子控制单元ECU(12)与转矩传感器(2)相连，电子控制单元ECU(12)还分别通过控制信号与预前电子控制模块ECUa(27)、转向电机(3)、助力电机(7)相连，预前电子控制模块ECUa(27)通过控制信号与转向同步离合器(26)相连。
2.一种根据权利要求1所述的适时可变传动比的电动助力转向系统的控制方法，其特征在于：
1）车辆行驶中，当转向模式选择信号(31)为开启时，预前电子控制模块ECUa(27)检测来自车载卫星导航仪(28)的预前路况信息(32)，预前路况信息(32)为前方出现弯道时，预前电子控制模块ECUa(27)发出指令控制车载前视路况仪(29)开启，同时发出转向同步离合器控制信号(35)，控制转向同步离合器(26)解锁；
2）当驾驶员转动转向盘(1)时，将转角传感器获得的转角信号(13)、转矩传感器(2)获得的转矩信号(14)、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号(17)、侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号(18)和来自预前电子控制模块ECUa(27)的系统预前控制信号(34)传递给电子控制单元ECU(12)；
3）电子控制单元ECU(12)中的自适应记忆电子控制模块ECUb(30)根据转角信号(13)、转矩信号(14)、横摆角速度信号(17)、侧向角速度信号(18)和系统预前控制信号(34)结合内部储存的实时自适应理想传动比图确定一个自适应调整控制信号(36)；
4）一方面，电子控制单元ECU(12)根据转角信号(13)、转矩信号(14)、横摆角速度信号(17)、侧向角速度信号(18)和系统预前控制信号(34)，以及自适应调整控制信号(36)处理后给预前电子控制模块ECUa(27)发送系统预前控制信号(34)，预前电子控制模块ECUa(27)根据来自电子控制单元ECU(12)的系统预前控制信号(34)、转向模式选择信号(31)、来自车载卫星导航仪(28)的预前路况信息(32)和来自车载前视路况仪(29)的实时路况信息(33)发送转向同步离合器控制信号(35) 给转向同步离合器(26)，即通过控制转向同步离合器(26)的接合，实现转向电机(3)对行星齿轮结构齿圈(6)的转速控制；另一方面，电子控制单元ECU(12)根据转角信号(13)、转矩信号(14)、横摆角速度信号(17)、侧向角速度信号(18)和系统预前控制信号(34)，以及自适应调整控制信号(36)和预先制定的初始理想传动比图，确定一个结合了实时自适应理想传动比图的实时传动比控制策略，给转向电机(3)发送第一控制信号(15)，即通过转向同步离合器(26)和对转向电机(3)的转速转角控制，通过行星齿轮结构行星轮(4)和太阳轮(5)以及齿圈(6)来提供附加转角(25)，附加转角(25)与方向盘(1)的主动角相互叠加，从而实现变传动比控制和主动转向干预；
5）电子控制单元ECU(12)根据预先制定的初始助力图、转向电机(3)发回的传动比信号(19)、转角传感器获得的转角信号(13)、转矩传感器(2)获得的转矩信号(14)、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号(17)、侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号(18)、自适应调整控制信号(36)、系统预前控制信号(34)和助力电机反馈信号(20)，确定一个结合了实时自适应理想传动比图的实时助力控制策略，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，在齿条(9)上与经过变传动比转换后的转向盘力矩(23)进行叠加，通过控制转向摇臂(10)共同驱动前轮(11)转向，实现电动助力转向功能。
3.一种利用权利要求1所述适时可变传动比的电动助力转向系统转向模式选择和传动比自适应控制方法，其特征在于：
当车辆启动时，预前电子控制模块ECUa(27)根据转向模式选择常开开关的转向模式选择信号(31)控制转向同步离合器(26)，当转向模式选择信号(31)为关闭时，预前电子控制模块ECUa(27)给转向同步离合器(26)发送转向同步离合器控制信号(35)，转向同步离合器(26)断开并自锁，即将行星齿轮结构齿圈(6)锁死，从而可以实现传统电动助力转向功能，以保证在转向电机(3)失效、电子控制元件不能够得到准确的输入信号紧急情况下，转向系统能够实现正常转向；当转向模式选择信号(31)为开启时，预前电子控制模块ECUa(27)给转向同步离合器(26)发送转向同步离合器控制信号(35)，转向同步离合器(26)自锁解除，方能实现变传动比控制时的同步和接合，实现平稳的适时变传动比控制；
电子控制单元ECU(12)中的自适应记忆电子控制模块ECUb(30)，通过采集系统历史控制策略(37)，结合自身处理功能生成一个符合驾驶者习惯、不断改进的最优的实时自适应理想传动比图，并可以在系统控制时实时的提供给电子控制单元ECU(12)自适应调整控制信号(36)，从而实现变传动比的自适应控制。

一种适时可变传动比的电动助力转向系统及其控制方法\n[0001] 技术领域\n[0002] 本发明涉及一种适时可变传动比的电动助力转向系统及其控制方法，属于电动助力转向系统。\n[0003] 背景技术\n[0004] 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。\n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。\n[0005] 当前国内外电动助力转向系统都采用固定传动比，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。\n[0006] 发明内容\n[0007] 本发明提出一种适时可变传动比的电动助力转向系统及其控制方法，实现了助力转向、转向模式选择、适时自适应变传动比控制、主动转向干预；提高汽车的操纵稳定性和行车安全性，实现汽车安全性和灵活性的完美融合。\n[0008] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：\n[0009] 一种适时可变传动比的电动助力转向系统，包括由转向盘、转矩传感器、转向电机、行星轮、太阳轮、齿圈、转向管柱、助力电机、减速机构、齿条、转向摇臂、前轮、电子控制单元ECU 、预前电子控制模块ECUa、车载卫星导航仪、车载前视路况仪、自适应记忆电子控制模块ECUb，转向盘通过转向管柱与齿条相连，转矩传感器位于转向盘下方，安装在转向管柱上，助力电机通过减速机构与齿条相连，齿条通过转向摇臂与前轮相连, 在转矩传感器和齿条之间的转向管柱上安装有行星齿轮结构,该结构由行星轮、太阳轮、齿圈组成，行星轮与齿圈内啮合，太阳轮与行星轮外啮合，行星轮为公用齿轮，齿圈与转向同步离合器相连，转向同步离合器与转向电机相连，太阳轮与位于行星齿轮结构下方的转向管柱相连，行星轮与位于方向盘下方的转矩传感器相连，车载卫星导航仪和车载前视路况仪分别与预前电子控制模块ECUa相连，自适应记忆电子控制模块ECUb与电子控制单元ECU相连，电子控制单元ECU与转矩传感器相连，电子控制单元ECU还分别通过控制信号与预前电子控制模块ECUa、转向电机、助力电机相连，预前电子控制模块ECUa通过控制信号与转向同步离合器相连。\n[0010] 一种适时可变传动比的电动助力转向系统的控制方法， \n[0011] 1）车辆行驶中，当转向模式选择信号为开启时，预前电子控制模块ECUa检测来自车载卫星导航仪的预前路况信息，预前路况信息为前方出现弯道时，预前电子控制模块ECUa发出指令控制车载前视路况仪开启，同时发出转向同步离合器控制信号，控制转向同步离合器解锁；\n[0012] 2）当驾驶员转动转向盘时，将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、侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号和来自预前电子控制模块ECUa的系统预前控制信号传递给电子控制单元ECU；\n[0013] 3）电子控制单元ECU中的自适应记忆电子控制模块ECUb根据上述信号结合内部储存的实时自适应理想传动比图确定一个自适应调整控制信号；\n[0014] 4）一方面，电子控制单元ECU根据上述信号处理后给预前电子控制模块ECUa发送系统预前控制信号，预前电子控制模块ECUa根据来自电子控制单元ECU的系统预前控制信号、转向模式选择信号、来自车载卫星导航仪的预前路况信息、来自车载前视路况仪的实时路况信息发送转向同步离合器控制信号给转向同步离合器，即通过控制转向同步离合器的接合，实现转向电机对行星齿轮机构齿圈的转速控制；另一方面，电子控制单元ECU根据上述信号和预先制定的初始理想传动比图，确定一个结合了实时自适应理想传动比图的实时传动比控制策略，给转向电机发送第一控制信号，即通过转向同步离合器和对转向电机的转速转角控制，通过行星齿轮结构行星轮、太阳轮、齿圈来提供附加转角，附加转角与方向盘的主动角相互叠加，从而实现变传动比控制和主动转向干预；\n[0015] 5）电子控制单元ECU根据预先制定的初始助力图、转向电机发回的传动比信号、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、侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号、自适应调整控制信号、系统预前控制信号和助力电机反馈信号，确定一个结合了实时自适应理想传动比图的实时助力控制策略，给助力电机发送第二控制信号，确定助力电机助力大小，助力电机提供的助力转矩经减速机构减速增扭之后，在齿条上与经过变传动比转换后的转向盘力矩进行叠加，通过控制转向摇臂共同驱动前轮转向，实现电动助力转向功能。\n[0016] 一种适时可变传动比的电动助力转向系统转向模式选择和传动比自适应控制：当车辆启动时，预前电子控制模块ECUa根据转向模式选择常开开关的转向模式选择信号控制转向同步离合器，当转向模式选择信号为关闭时，预前电子控制模块ECUa给转向同步离合器发送转向同步离合器控制信号，转向同步离合器断开并自锁，即将行星齿轮机构齿圈锁死，从而可以实现传统电动助力转向功能，以保证在转向电机失效、电子控制元件不能够得到准确的输入信号等紧急情况下，转向系统能够实现正常转向；当转向模式选择信号为开启时，预前电子控制模块ECUa给转向同步离合器发送转向同步离合器控制信号，转向同步离合器自锁解除，方能实现变传动比控制时的同步和接合，实现平稳的适时变传动比控制；电子控制单元ECU中的自适应记忆电子控制模块ECUb，通过采集系统历史控制策略，结合自身处理功能生成一个符合驾驶者习惯、不断改进的最优的实时自适应理想传动比图，并可以在系统控制时实时的提供给电子控制单元ECU自适应调整控制信号，从而实现变传动比的自适应控制。\n[0017] 本发明的有益效果如下：\n[0018] 1、本发明在转矩传感器和齿轮齿条之间增加了行星齿轮机构、转向同步离合器和转向电机，电动助力转向系统可在完成原有电动助力转向的基础上，实现转向模式选择、适时变传动比控制和主动转向干预功能。\n[0019] 2、本发明中的转向机构由转向电机控制，它可实现可变传动比功能：在低速时转向传动比较小，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大，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。\n[0020] 附图说明\n[0021] 图1为一种适时可变传动比的电动助力转向系统结构图。\n[0022] 图2为一种适时可变传动比的电动助力转向系统自适应控制方法。\n[0023] 图中标记：1.转向盘，2.转矩传感器，3.转向电机，4.行星轮，5.太阳轮，\n6.齿圈，7.助力电机，8.减速机构，9.齿条，10.转向摇臂，11.前轮，12.电子控制单元ECU(Electronic Control Unit)，13. 转角信号，14. 转矩信号，15.第一控制信号，16.第二控制信号，17. 横摆角速度信号，18.侧向角速度信号，19.传动比信号，20.助力电机反馈信号，21.助力转矩，22. 控制助力转矩，23. 经过变传动比转换后的转向盘力矩，24. 转向盘主动力矩，25.附加转角，26.转向同步离合器, 27.预前电子控制模块ECUa，28.车载卫星导航仪，29.车载前视路况仪，30.自适应记忆电子控制模块ECUb，31.转向模式选择信号，32.预前路况信息，33.实时路况信息，34.系统预前控制信号，35.转向同步离合器控制信号，36.自适应调整控制信号，37.历史控制策略，38.转向管柱。\n[0024] 具体实施方式\n[0025] 下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。\n[0026] 如图1所示，一种适时可变传动比的电动助力转向系统，包括由转向盘1、转矩传感器2、转向电机3、行星轮4、太阳轮5、齿圈6、转向管柱38、助力电机7、减速机构8、齿条\n9、转向摇臂10、前轮11、电子控制单元ECU 12、预前电子控制模块ECUa27、车载卫星导航仪\n28、车载前视路况仪29、自适应记忆电子控制模块ECUb30，转向盘1通过转向管柱38与齿条9相连，转矩传感器2位于转向盘1下方，安装在转向管柱38上，助力电机7通过减速机构8与齿条9相连，齿条9通过转向摇臂10与前轮11相连, 在转矩传感器2和齿条9之间的转向管柱38上安装有行星齿轮结构,该结构由行星轮4、太阳轮5、齿圈6组成，行星轮4与齿圈6内啮合，太阳轮5与行星轮4外啮合，行星轮4为公用齿轮，齿圈6与转向同步离合器26相连，转向同步离合器26与转向电机3相连，太阳轮5与位于行星齿轮结构下方的转向管柱38相连，行星轮4与位于方向盘1下方的转矩传感器2相连，车载卫星导航仪28和车载前视路况仪29分别与预前电子控制模块ECUa27相连，自适应记忆电子控制模块ECUb30与电子控制单元ECU12相连，电子控制单元ECU12与转矩传感器2相连，电子控制单元ECU12还分别通过控制信号与预前电子控制模块ECUa27、转向电机3、助力电机7相连，预前电子控制模块ECUa27通过控制信号与转向同步离合器26相连。\n[0027] 如图2所示，一种适时可变传动比的电动助力转向系统自适应传动比可变控制方法是：车辆行驶中，当转向模式选择信号31为开启时，预前电子控制模块ECUa27检测来自车载卫星导航仪28的预前路况信息32，预前路况信息32为前方出现弯道时，预前电子控制模块ECUa27发出指令控制车载前视路况仪29开启，同时发出转向同步离合器控制信号35，控制转向同步离合器26解锁，当驾驶员转动转向盘1时，将转角传感器获得的转角信号13、转矩传感器2获得的转矩信号14、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号17、侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号18，来自预前电子控制模块ECUa27的系统预前控制信号\n34传递给电子控制单元ECU12，电子控制单元ECU12中的自适应记忆电子控制模块ECUb30根据上述信号结合内部储存的实时自适应理想传动比图确定一个自适应调整控制信号36，一方面电子控制单元ECU12根据这些信号处理后给预前电子控制模块ECUa27发送系统预前控制信号34，预前电子控制模块ECUa27根据来自电子控制单元ECU12的系统预前控制信号34、转向模式选择信号31、来自车载卫星导航仪28的预前路况信息32、来自车载前视路况仪29的实时路况信息33给转向同步离合器26发送转向同步离合器控制信号35，即通过控制转向同步离合器26的接合，实现转向电机3对行星齿轮机构齿圈6的转速控制，从而实现转向模式的转换、转向预前控制、适时转向变传动比控制，提高转向系统转向平稳性和可靠性；另一方面电子控制单元ECU12根据这些信号和预先制定的初始理想传动比图，确定一个结合了实时自适应理想传动比图的实时传动比控制策略，给转向电机3发送第一控制信号15，即通过转向同步离合器26和对转向电机3的转速转角控制，通过行星齿轮机构行星轮4、太阳轮5、齿圈6来提供附加转角25，附加转角25与方向盘1的主动角相互叠加，从而实现变传动比控制和主动转向干预；电子控制单元ECU12根据预先制定的初始助力图、转向电机3发回的传动比信号19、转角传感器获得的转角信号13、转矩传感器2获得的转矩信号14、横摆角速度传感器获得的横摆角速度信号17、侧向角速度传感器获得的侧向角速度信号18、自适应调整控制信号36、系统预前控制信号34和助力电机反馈信号20，确定一个结合了实时自适应理想传动比图的实时助力控制策略，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，助力电机提供的助力转矩21经减速机构8减速增扭之后，在齿条9上与经过变传动比转换后的转向盘力矩23进行叠加，通过控制转向摇臂10共同驱动前轮11转向，实现电动助力转向功能。\n[0028] 一种适时可变传动比的电动助力转向系统模式选择和传动比自适应控制为：当车辆启动时，预前电子控制模块ECUa27根据转向模式选择常开开关的转向模式选择信号31控制转向同步离合器26，当转向模式选择信号31为关闭时，预前电子控制模块ECUa27给转向同步离合器26发送转向同步离合器控制信号35，转向同步离合器26断开并自锁，即将行星齿轮机构齿圈6锁死，从而可以实现传统电动助力转向功能，以保证在转向电机3失效、电子控制元件不能够得到准确的输入信号等紧急情况下，转向系统能够实现正常转向；当转向模式选择信号31为开启时，预前电子控制模块ECUa27给转向同步离合器26发送转向同步离合器控制信号35，转向同步离合器26自锁解除，方能实现变传动比控制时的同步和接合，实现平稳的适时变传动比控制；电子控制单元ECU12中的自适应记忆电子控制模块ECUb30，通过采集系统历史控制策略37，结合自身处理功能生成一个符合驾驶者习惯、不断改进的最优的实时自适应理想传动比图，并可以在系统控制时实时的提供给电子控制单元ECU12自适应调整控制信号36，从而实现变传动比的自适应控制。\n[0029] 该转向机构具有转向同步离合器26、车载卫星导航仪28和车载前视路况仪29，它可以实现转向模式选择、适时变传动比控制：当转向模式选择为关闭时，转向同步离合器断开并锁死，系统仅能实现传统助力转向功能，当遇到助力电机失效、电子控制元件不能够得到准确的输入信号等紧急情况下，可强行将转向同步离合器26断开并锁死，以保证转向系统可靠性；当在正常平直路况行驶时，转向同步离合器26断开锁止，转向系统处于待命状态，当车载卫星导航仪28检测到弯道时，转向同步离合器26解锁，车载前视路况仪29开启，检测实时的路况信息，齿圈可实现由锁止状态和动态转速控制，再结合电子控制单元ECU12的控制实现适时变传动比控制；该转向机构的电子控制单元ECU12中的自适应记忆电子控制模块ECUb30，通过采集系统历史控制策略37，结合自身处理功能生成一个符合驾驶者习惯、不断改进的最优的实时自适应理想传动比图，并可以在系统控制时实时的提供给电子控制单元ECU12自适应调整控制信号，从而实现变传动比的自适应控制；\n[0030] 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。