[发明专利]一种变传动比循环球式电液转向系统及其控制方法

权利要求书

1.一种变传动比循环球式电液转向系统，其特征在于，包括：转向盘模块、变传动比液压助力模块(5)、机械传动模块、电机助力模块以及主控制器模块(33)；

所述转向盘模块包括：转向盘(1)、第一转向管柱(2)、转向盘转角传感器(3)、转向盘转矩传感器(4)；

所述转向盘(1)与第一转向管柱(2)固定连接；

所述转向盘转角传感器(3)、转向盘转矩传感器(4)均与第一转向管柱(2)固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给主控制器模块(33)；

所述变传动比液压助力模块(5)包括：变传动比模块(6)、第二转向管柱(10)、第二转向管柱转矩传感器(9)、循环球式液压助力转向器(13)以及液压助力模块(22)；

所述第二转向管柱转矩传感器(9)与第二转向管柱(10)固定连接，用于采集第二转向管柱(10)的转矩信号，并将采集到的信号发送给主控制器模块(33)；

所述变传动比模块(6)包括：转角电机(7)、转角电机转角控制器、转角电机转角传感器(61)、谐波齿轮机构(8)、锁止机构；

所述转角电机转角传感器(61)和转角电机(7)固定连接，用于采集转角电机(7)的转角信号；所述锁止机构安装在转角电机(7)上，用于在转角电机不工作或故障时锁止转角电机；所述转角电机转角控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接转角电机，用于通过对当前时刻的前轮转角进行换算，得出转角电机需要输出的实际转角，将转角电机理想转角与转角电机实际转角作差，得到实时的转角电机控制信号，对转角电机进行控制；

所述谐波齿轮机构(8)包括：波发生器(62)、柔轮(63)和刚轮(64)；所述柔轮(63)为外齿轮，刚轮(64)为内齿轮，刚轮(64)和柔轮(63)之间存在齿差；第一转向管柱(2)作为输入端与柔轮(63)通过花键(65)无间隙连接，带动柔轮(63)转动；波发生器(62)由回转部件和柔性轴承组成；波发生器(62)设置于柔轮(63)的内环中，其外侧面通过柔性轴承带动柔轮发生弹性形变，柔轮(63)变成椭圆形齿轮随回转部件旋转的相反方向转动；位于波发生器(62)中部的回转部件与转角电机的转子轴连接；柔轮外齿与刚轮的内齿相啮合；刚轮与第二转向管柱(10)的一端通过花键无间隙连接；第二转向管柱(10)的另一端与循环球式液压助力转向器(13)相连；

所述循环球式液压助力转向器(13)由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副(11)；第二级为齿条与齿扇传动副(12)；第二转向管柱通过螺杆与螺母传动副(11)与循环球式液压助力转向器(13)相连；

所述液压助力模块(22)包括：液压泵(31)、液压泵驱动电机(30)、液压泵驱动电机控制器、第一减速机构(36)、油箱(29)、伺服比例电磁阀(23)、油管、第一压力传感器(34)及第二压力传感器(35)；所述液压泵驱动电机控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接液压泵驱动电机(30)，用于接收主控制器模块(33)发出的液压泵驱动电机控制信号控制液压泵驱动电机(30)；所述液压泵驱动电机(30)通过第一减速机构(36)与液压泵(31)相连，将来自油箱(29)的液压油通过伺服比例电磁阀泵入循环球式液压助力转向器(13)，在循环球式液压助力转向器(13)中形成油压差，在油压差的作用下为转向系统提供助力；第一压力传感器和第二压力传感器安装在循环球式液压助力转向器进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，发送实际液压助力信号；

所述机械传动模块包括：转向摇臂(14)、转向直拉杆(19)、左转向车轮(15)、左转向节(16)、左转向节臂(17)、左转向梯形臂(18)、转向横拉杆(24)、右转向梯形臂(25)、右转向节臂(26)、右转向节(27)、右转向车轮(28)；

所述循环球式液压助力转向器(13)的输出端通过齿条与齿扇传动副(12)和转向摇臂(14)的一端连接，转向摇臂(14)的另一端通过转向直拉杆(19)与左转向节臂(17)相连，带动左转向节(16)和左转向车轮(15)偏转；左转向节臂(17)经左转向梯形臂(18)与转向横拉杆(24)的一端相连；转向横拉杆(24)的另一端与右转向梯形臂(25)相连，右转向梯形臂(25)经右转向节臂(26)与右转向节(27)相连，右转向节带动右转向车轮(28)转向；

所述电机助力模块包括：电动助力电机(20)、电动助力电机控制器及第二减速机构(21)；电动助力电机控制器输入端连接主控制器模块(33)，输出端连接电动助力电机(20)；电动助力电机(20)通过第二减速机构(21)将电动助力传递到第二转向管柱(10)，为转向系统提供助力；

所述主控制器模块(33)包括：信号处理单元、车辆其它状态单元(32)、理想传动比控制器、转角电机转角计算器、稳定性控制器、助力决策单元、诊断单元、故障报警单元、电机驱动单元；

信号处理单元与上述各传感器电气连接，获取各传感器实时采集的信号，接收转向盘转角信号A、转向盘转矩信号B、转角电机转角信号C、实际液压助力信号D、第二转向管柱转矩信号；同时信号处理单元与上述车辆其它状态单元电气连接，获取车辆的其它状态信号；

车辆其它状态单元用于采集当前车辆状态的车速信号I、横摆角速度信号J、质心侧偏角信号K、侧向加速度信号L；

理想传动比控制器用于根据信号处理单元获得的车速信号、转向盘转角信号，通过预先设定的车速-转向盘转角-理想传动比map图确定当前时刻传动比信号，并计算当前时刻期望的前轮转角信号；将传动比信号与转向盘转角信号一同输入转角电机转角计算器，以得到转角电机理想转角信号，通过转角电机提供的附加转角和第一转向管柱的转角进行叠加从而实现变传动比控制；

稳定性控制器用于根据信号处理单元获得的车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号，通过H₂/H_∞鲁棒控制方法得到车辆稳定性控制信号；再将获得的车辆稳定性控制信号与上述所得的转角电机理想转角信号、转角电机转角信号一同输入到转角电机转角控制器中，通过对前轮转角进行换算，得出转角电机实际转角，将转角电机理想转角与转角电机实际转角作差，经过PID整定得到实时的转角电机控制信号；

主控制器模块输出端分别与转角电机(7)、电动助力电机(20)、伺服比例电磁阀(23)、液压泵驱动电机(30)电气连接，输出转角电机控制信号F，控制转角电机输出转角；输出液压泵驱动电机控制信号G，控制液压泵驱动电机的转矩；输出伺服比例电磁阀控制信号H，控制伺服比例电磁阀的开度；输出电动助力电机控制信号M，控制电动助力电机输出转矩；

诊断单元检测在车辆行驶过程中电液转向系统是否正常工作，并根据主控制器模块接收的传动比信号与给定的传动比阈值进行比较，判断各电机的工作模式；

助力决策单元通过车载通讯线路接收信号处理单元和诊断单元的输入信号，并根据助力分配策略，经计算后通过车载通讯线路向电机驱动单元输出指令；在转向系统的转向盘回正过程中，助力决策单元根据转角电机控制信号以及转向盘转矩信号和传动比信号补偿因变传动比以及稳定性控制后转角电机产生的附加转角带来的路感变化，经计算后通过车载通讯线路向电机驱动单元输出指令；

所述电机驱动单元根据助力决策控制单元的输出指令，选择不同的工作模式，分别输出转角电机控制信号、电动助力电机控制信号和液压泵驱动电机控制信号；

所述故障报警单元用于提醒驾驶员故障信息。