转向系统及其应急转向控制方法与流程

1.本发明涉及汽车转向技术领域，具体涉及转向系统及其应急转向控制方法。


背景技术：

2.目前中重型商用车基本上均采用液压助力转向系统，该转向系统一般为独立的一套液压助力转向系统，当这套液压助力转向系统出现故障时，单靠机械的转向无法满足前轴负荷较大的商用车的基本转向功能，即应急转向功能（emergency steering）商用车用于载货或载客，常行驶于高速或城市工况，从而容易造成重大安全事故。在专利cn114379643a一种具有应急转向功能的电液转向器及其匹配方法中公开了电液转向器的匹配方法，建立了电液转向器的电动助力子系统功率的匹配方法。但上述专利未给出应急转向模式下的电动助力部分控制方法变化以及实现应急转向的平稳切换和退出，而这正式是借助电液耦合转向实现应急转向功能的核心问题。


技术实现要素：

3.1、发明要解决的技术问题针对上述技术问题，本发明提供了转向系统及其应急转向控制方法，它在应急转向模式下采用相应的补偿控制，完成应急转向功能，保证应急转向模式下仍然能够助力驾驶员完成转向动作，极大地提高使用安全性。
4.2、技术方案为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：一种转向系统的应急转向控制方法，包括如下步骤：（1）传感器子系统采集助力电机电流信号、车速信号以及转向盘转矩信号，并将这些信号输送给控制子系统，控制子系统中的故障诊断模块判断传感器子系统采集到的信号是否均存在故障，若均为异常故障，控制子系统启动应急转向模式；（2）进入应急转向模式时，控制子系统中的控制器根据传感器子系统采集到的车速信号、助力电机电流信号、转向盘转矩信号设计对应应急转向助力补偿曲线，应急转向助力补偿曲线的设计方法为：控制器在基本助力特性曲线的基础上取消对助力电机基本助力电流的限制，助力电机按照所能达到的电流上限值，提供额外的应急转向补偿电流，使助力电机补偿后的输出扭矩实现应急转向功能。
5.可选的，所述传感器子系统包括扭矩转角传感器、车速传感器和电流传感器，所述电流传感器用于采集助力电机电流信号，所述扭矩转角传感器用于采集转向盘转矩信号，所述车速传感器用于采集车速信号。
6.可选的，所述应急转向助力补偿曲线的公式为：，式中，为应急转向补偿电流，为扭矩转角
传感器测量值，为基本助力特性曲线在相应车速下的截止点的扭矩值，为扭矩转角传感器量程最大值，为电动助力所允许的最大电流，为基本助力特性曲线在相应车速下的截止点的电流值。
7.可选的，同时具备以下情况时，所述应急转向模式被激活，反之则不满足激活条件：电动助力子系统无异常；车速≥10km/h；扭矩转角传感器测得转向盘扭矩≥12nm；车辆转向速率≤200
°
/s；转向系统不处于极限位置；点火处于on状态。
8.可选的，当转向系统处于应急转向模式时，在以下的一种或多种情况下，所述应急转向模式关闭：车速＜8km/h；扭矩转角传感器测得扭矩＜10nm超过3s；转向速率＞200
°
/s超过3s；转向系统在极限位置超过3s。
9.可选的，所述控制子系统还包括报警模块，所述报警模块与控制器连接。
10.可选的，所述控制器上设有电流限制模块、末端保护模块以及温度保护模块。
11.本发明还公开了一种转向系统，基于上文所述的转向系统的应急转向控制方法，所述转向系统包括机械传动子系统、电动助力子系统、液压助力子系统、传感器子系统、控制子系统，所述电动助力子系统和液压助力子系统分别与机械传动子系统连接，所述传感器子系统分别安装在机械传动子系统和电动助力子系统上，所述控制子系统接收传感器子系统的信息，并根据传感器子系统信息控制电动助力子系统实现常规助力转向模式和应急助力转向模式。
12.可选的，所述机械传动子系统包括转向盘和与转向盘连接的循环球转向器；所述电动助力子系统包括助力电机、蜗轮蜗杆减速器，所述助力电机的输出轴和蜗轮蜗杆减速器的输入轴相连，所述蜗轮蜗杆减速器与所述循环球转向器连接；所述液压助力子系统包括液压油缸、液压泵、转阀，所述转阀的出油口和所述液压油缸的回油管路通过管道相连，转阀的高压出油口和所述循环球转向器的进油口通过管道相连，转阀的低压出油口和所述循环球转向器的出油口通过管道相连，所述液压泵与液压油缸连接。
13.3、有益效果采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：（1）本技术实施例提出的转向系统的应急转向控制方法，通过对相关车速信号、助力电机电流信号、转向盘转矩转角等信息的采集，控制器ecu故障诊断模块检测系统是否启动应急转向模式，实现转向系统的安全应急转向，在应急转向模式下采用相应的补偿控制，完成应急转向功能，在改善车辆非应急转向模式下转向性能的同时，保证应急转向模式下仍然能够助力驾驶员完成转向动作，极大地提高使用安全性，符合相关安全法规。
14.（2）本技术实施例提出的转向系统的应急转向控制方法的补偿控制方法图，应急电机助力曲线，即在原助力电机基本助力的基础上，控制器取消基本助力电流限制，按照助力电机所能达到的最大电流，提供额外的应急转向补偿电流；应急电机助力曲线设计时，在原地或车速10km/h以下转向系统不提供应急转向功能，所以此时不设计应急助力补偿电流。图4中v0代表车速为0时，v1代表第一车速，v2代表第二车速，v3代表第三车速，这里v1应该大于等于10km/h。实线代表对应车速下常规助力转向的助力特性曲线即基本助力特性曲线，虚线代表叠加应急转向的助力补偿电流后的助力特性曲线。为基本助力特性曲线在相应车速下的截止点的扭矩值，最大的截止点扭矩值应小于等于10nm。为扭矩传
感器量程最大值，应大于等于15nm。
附图说明
15.图1为本发明实施例提出的转向系统的应急转向控制方法的应急转向模式激活状态说明图。
16.图2为本发明实施例提出的转向系统的应急转向控制方法的补偿控制方法图。
17.图3为本发明实施例提出的转向系统的应急转向控制方法的补偿曲线图。
18.图4为本发明实施例提出的转向系统的结构图。
19.各附图中的标记为：1、转向盘；2、循环球转向器；3、助力电机；4、蜗轮蜗杆减速器；5、液压油缸；6、液压泵；7、转阀；8、扭矩转角传感器；9、控制器。
具体实施方式
20.为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
21.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语，是为了描述本发明的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本发明的技术方案不构成限定作用。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。同一实施例中的多个技术方案，以及不同实施例的多个技术方案之间，可进行排列组合形成新的不存在矛盾或冲突的技术方案，均在本发明要求保护的范围内。
22.实施例1结合附图1-4，本实施例的转向系统的应急转向控制方法，包括如下步骤：（1）传感器子系统采集助力电机3电流信号、车速信号以及转向盘1转矩信号，并将这些信号输送给控制子系统，控制子系统中的故障诊断模块判断传感器子系统采集到的信号是否均存在故障，若均为异常故障，控制子系统启动应急转向模式；（2）进入应急转向模式时，控制子系统中的控制器9根据传感器子系统采集到的车速信号、助力电机3电流信号、转向盘1转矩信号设计对应应急转向助力补偿曲线，应急转向助力补偿曲线的设计方法为：控制器9在基本助力特性曲线的基础上取消对助力电机基本助力电流的限制，助力电机按照所能达到的电流上限值，提供额外的应急转向补偿电流，使助力电机补偿后的输出扭矩实现应急转向功能。控制子系统包括控制器9和故障诊断模块，
所述控制器9用于接收点火信号、车速信号、助力电机3电流信号、转向盘1转矩转角，还用于控制助力电机3实现常规助力转向、应急助力转向等功能。故障诊断模块用于判断是否处于故障状态或应急转向激活状态，向仪表发出报文进行提示。常规助力转向模式为：驾驶员掌控转向盘1，基于转向盘1力矩和车速实现对转向助力矩的随速控制，并能实现转向盘1的主动回正；并需要对转向系统进行助力控制、阻尼控制以及回正控制；其中，所需的转向助力由驾驶员、电动助力子系统和液压助力子系统共同承担，其中液压助力子系统提供大部分的助力，这是因为液压系统助力大，电动助力子系统和液压助力子系统两者是串联的，液压助力子系统的转阀7扭杆刚度比较小，液压助力子系统正常时，转阀7开度决定了液压助力的大小，液压助力会首先承担掉绝大部分的转向阻力。应急转向模式单纯靠电动助力子系统和驾驶员手力转动转向盘1，需要根据传感器子系统采集到的车速信号、转向盘1转矩信号，设计对应应急转向助力补偿曲线。本发明将机电液耦合一体，提出了一种转向系统的应急转向控制方法，通过对相关车速信号、助力电机3电流信号、转向盘1转矩转角等信息的采集，控制器9ecu故障诊断模块检测系统是否启动应急转向模式，实现转向系统的安全应急转向，在应急转向模式下采用相应的补偿控制方法，完成应急转向功能，在改善车辆非应急转向模式下转向性能的同时，保证应急转向模式下仍然能够助力驾驶员完成转向动作，极大地提高使用安全性，符合相关安全法规。
23.实施例2结合附图1-4，本实施例的转向系统的应急转向控制方法，与实施例1的技术方案相比，所述传感器子系统包括扭矩转角传感器8、车速传感器和电流传感器，所述电流传感器用于采集助力电机电流信号，所述扭矩转角传感器8用于采集转向盘转矩信号，所述车速传感器用于采集车速信号。控制器9根据传感器子系统采集到的车速信号、转向盘1转矩信号设计对应应急转向助力补偿曲线，将应急转向补偿加到助力电机3基本助力扭矩上，使助力电机3输出补偿后的扭矩，达到应急转向功能。
24.实施例3结合附图1-4，本实施例的转向系统的应急转向控制方法，与实施例1或2的技术方案相比，可改进如下：所述应急转向助力补偿曲线的公式为：，式中，为应急转向补偿电流，为扭矩转角传感器测量值，为基本助力特性曲线在相应车速下的截止点的扭矩值，为扭矩转角传感器量程最大值，为电动助力所允许的最大电流，为基本助力特性曲线在相应车速下的截止点的电流值。应急电机助力曲线，即在原助力电机3基本助力的基础上，控制器9取消基本助力电流限制，按照助力电机3所能达到的最大电流，提供额外的应急转向补偿电流；应急电机助力曲线设计时，在原地或车速10km/h以下转向系统不提供应急转向功能，所以此时不设计应急助力补偿电流。图4中v0代表车速为0时，v1代表第一车速，v2代表第二车速，v3代表第三车速，这里v1应该大于等于10km/h。实线代表对应车速下常规助力转向的助力特性曲线，虚线代表叠加应急转向的助力补偿电流后的助力特性曲线。为基本助力特性曲线（即常规助力转向的助力特性曲线）在相应车速下的截止点
的扭矩值，最大的截止点扭矩值应小于等于10nm。为扭矩转角传感器量程最大值， 应大于等于15nm。
25.实施例4结合附图1-4，本实施例的转向系统的应急转向控制方法，与实施例1~3的技术方案相比，可改进如下：同时具备以下情况时，所述应急转向模式被激活，反之则不满足激活条件：电动助力子系统无异常；车速≥10km/h；扭矩转角传感器测得转向盘扭矩≥12nm；车辆转向速率≤200
°
/s；转向系统不处于极限位置；点火处于on状态。当这六个条件同时具备时，应急转向模式被激活，扭矩转角传感器测得转向盘扭矩≥12nm，说明液压转向助力失效了，正常有液压助力的时候，转向盘扭矩很小。车辆转向速率≤200
°
/s，说明慢打转向盘1，快打转向盘1时由于系统惯性影响，或者液压等跟随问题，扭矩会有超过上述12nm的情况，该条件用以排除。
26.实施例5结合附图1-4，本实施例的转向系统的应急转向控制方法，与实施例1-4任一项技术方案相比，可改进如下：当转向系统处于应急转向模式时，在以下的一种或多种情况下，所述应急转向模式关闭：车速＜8km/h；扭矩传感器测得扭矩＜10nm超过3s；转向速率＞200
°
/s超过3s；转向系统在极限位置超过3s。转向系统在极限位置是指距转向盘行程末端30
°
范围内。车速＜8km/h应急转向模式关闭，车速≥10km/h且满足其他条件时应急转向模式被激活，在开启和退出之间有个容忍速度，防止频繁进行状态切换。
27.实施例6结合附图1-4，本实施例的转向系统的应急转向控制方法，与实施例1-5任一项技术方案相比，可改进如下：所述控制子系统还包括报警模块，所述报警模块与控制器9连接。依照图2 的状态迁移图条件进行判断后，如果判断为应急转向激活状态，则通过can总线发送应急转向激活状态，通过报警模块进行报警，提示驾驶员车辆处于应急转向模式下，可能是液压或管路失效情况，尽快靠边停车，及时进行维修。
28.实施例7结合附图1-4，本实施例的转向系统的应急转向控制方法，与实施例1-6任一项技术方案相比，可改进如下：所述控制器9上设有电流限制模块、末端保护模块以及温度保护模块。为提高安全性在控制算法的输出端加入电流限制模块、末端保护模块以及温度保护模块。电流限制模块防止助力电机3过流，损坏控制器9，就是在得出的目标电流上，软件上作一个上限，即使应急转向控制方法上能够得出了一个超限的电流，因为饱和模块的限制，也仅仅允许在安全的电流下。工作步骤就是：给定电动部分的最大电流，如果目标电流大于这个电流，目标电流只能给出去这个最大电流的值，是一个饱和模块；末端保护模块是在常规转向下，是为了防止产生无用功，因为转向系统是有机械极限的，机械上转向极限会有限位，但是如果软件上不加保护，此极限时系统仍然施加助力情况下，系统在做无用功，会在液压作用下产生很大力，损坏转向器机械，也会使系统发热严重。应急转向时没有液压助力，机械末端阻力更大，随角度增大主动降低电流，也是基本上出于上边的考虑。工作步骤就是：在机械极限末端一定角度范围内（比方说距离机械末端90
°
开始）随转角增大主动降电流。
29.温度保护模块是防止电机控制器9过热，从而造成的元器件损坏。工作步骤是随着
控制器9内温度传感器的值增大到一定阈值（比方说85
°
）主动降低助力（目标电流打折），当温度进一步升高超过另一阈值（比方说125
°
），电动助力就要停止工作了。
30.实施例8结合附图1-4，本实施例的转向系统，基于实施例1~7任一项技术方案所述的转向系统的应急转向控制方法，所述转向系统包括机械传动子系统、电动助力子系统、液压助力子系统、传感器子系统、控制子系统，所述电动助力子系统和液压助力子系统分别与机械传动子系统连接，所述传感器子系统分别安装在机械传动子系统和电动助力子系统上。所述控制子系统接收传感器子系统的信息，并根据传感器子系统信息控制电动助力子系统实现常规助力转向模式和应急助力转向模式。
31.实施例9结合附图1-4，本实施例的转向系统的应急转向控制方法，与实施例1-8任一项技术方案相比，可改进如下：所述机械传动子系统包括转向盘1和与转向盘1连接的循环球转向器2；所述电动助力子系统包括助力电机3、蜗轮蜗杆减速器4，所述助力电机3的输出轴和蜗轮蜗杆减速器4的输入轴相连，所述蜗轮蜗杆减速器4与所述循环球转向器2连接；所述液压助力子系统包括液压油缸5、液压泵6、转阀7，所述转阀7的出油口和所述液压油缸5的回油管路通过管道相连，转阀7的高压出油口和所述循环球转向器2的进油口通过管道相连，转阀7的低压出油口和所述循环球转向器2的出油口通过管道相连，所述液压泵6与液压油缸5连接。扭矩转角传感器为复合式传感器，安装在蜗轮前端，电流传感器安装在助力电机3上，车速传感器安装在循环球转向器2的驱动桥上。
32.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。