一种蓄能式线控转向系统及容错控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种蓄能式线控转向系统及容错控制方法，包括转向盘、转向管柱、电子控制单元、第一角度传感器、第二角度传感器、位移传感器、扭簧、扭簧处锁止钳、第一电磁阀、第二电磁阀、大齿轮、第一液压管路、第二液压管路、转向电机、行星齿轮系、输出轴处锁止钳、齿轮齿条式转向器、转向横拉杆和转向车轮；该系统在汽车启动初期为扭簧蓄能；在汽车正常行驶时，扭簧被锁止，不会影响线控转向系统的运作；当系统出现故障时，根据故障类型不同，由转向电机或扭簧带动转向车轮回正，避免汽车因持续转向而失控。与现有的冗余线控转向系统相比，该系统仅依靠扭簧和齿轮就能应对线控转向系统常见故障，同时简化了系统结构。

A Energy Storage Steering System and Fault Tolerant Control Method

The invention discloses an energy-storage wire-controlled steering system and a fault-tolerant control method, including steering wheel, steering pipe string, electronic control unit, first angle sensor, second angle sensor, displacement sensor, torsion spring, lock clamp at torsion spring, first solenoid valve, second solenoid valve, big gear, first hydraulic pipeline, second hydraulic pipeline, steering motor, planetary gear system, etc. Lock clamp, rack-and-pinion steering gear, steering horizontal tie rod and steering wheel at the output axle; the system is a torsion spring energy storage system at the beginning of vehicle start-up; when the vehicle is running normally, the torsion spring is locked, which will not affect the operation of the steering system; when the system fails, according to the type of failure, the steering motor or torsion spring drives the steering wheel back to normal, avoiding the vehicle from continuous rotation. It's out of control. Compared with the existing Redundant Steering by wire system, the system can deal with the common faults of steering by wire system only by torsion spring and gear, and simplify the system structure.

【技术实现步骤摘要】
一种蓄能式线控转向系统及容错控制方法
本专利技术属于汽车线控转向系统
，具体涉及一种蓄能式线控转向系统及容错控制方法。
技术介绍
当前在汽车转向领域涌现了多种新型转向系统，包括主动转向、差动转向、线控转向、四轮转向等，其中线控转向是汽车智能化进程中的关键技术。与传统转向系统相比，线控转向取消了部分机械连接，这部分被电子控制单元ECU、传感器、信号线束等组成的电路代替。线控转向的优点是便于通过调节转角进行整车动力学控制，因为其包含了ECU和转向电机。但其缺点也很明显，为了维持驾驶员路感，线控转向系统还需要路感电机来模拟驾驶员路感；此外，线控转向对可靠性的要求非常高，因此系统必须有容错功能。以上种种使得线控转向系统的硬件和电路种类繁多、连接复杂，成本也较高。至今国内关于线控转向已有许多成果。中国专利技术专利申请号为CN201610389410.9名称为“一种汽车线控转向的双芯片冗余及容错控制系统”中采用双芯片技术，不仅减轻了芯片的工作负担，还具有自检错功能，从而在一个芯片报错时由另一个芯片发挥全部作用，极大地提高了系统的稳定性和可靠性。中国专利技术专利申请号为CN201110171716.4名称为“应用于双电机线控转向系统的冗余容错控制方法”中采用转角电机和辅助电机共同工作的方式来应对其中一个电机出现故障这种情况。以上关于线控转向容错功能的设计本质上均为采用双ECU或双电机，其缺点是增加了系统的成本及质量，且起保险作用的机构仍属于电子设备，与机械结构相比，其可靠性仍然较低。为了解决以上问题，需要认识到在行驶中，转向轮有一定的回正倾向。如果能在线控系统发生故障时额外为车轮提供一定大小的辅助动力，便可以使车轮保持精确转向或快速回正。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种蓄能式线控转向系统及容错控制方法，其可以在线控转向系统发生故障时自动采取相应措施，使车轮保持精确转向或迅速回正，避免汽车失控，能有效提高线控转向汽车的行驶安全性，以解决现有的技术问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的一种蓄能式线控转向系统，包括转向盘、转向管柱、电子控制单元、第一角度传感器、第二角度传感器、位移传感器、扭簧、扭簧处锁止钳、第一电磁阀、第二电磁阀、大齿轮、第一液压管路、第二液压管路、转向电机、行星齿轮系、输出轴处锁止钳、齿轮齿条式转向器、转向横拉杆和转向车轮；所述转向盘与转向管柱连接，转向管柱上装有第一角度传感器，用于将转向盘的转角信息通过CAN总线传给电子控制单元；扭簧和扭簧处锁止钳同轴安装，扭簧处锁止钳通过第一液压管路连接着第一电磁阀，该第一电磁阀还通过CAN总线与电子控制单元相连；大齿轮与扭簧联动，且与行星齿轮系的齿圈啮合；转向电机通过CAN总线与电子控制单元相连，其输出轴与行星齿轮系的太阳轮相连，且其输出轴上装有第二角度传感器，该第二角度传感器通过CAN总线与电子控制单元相连；行星齿轮系的下排齿圈固定不动，行星齿轮系输出轴与齿轮齿条式转向器的小齿轮相连，且其输出轴上装配有输出轴处锁止钳，该输出轴处锁止钳通过第二液压管路与第二电磁阀相连，第二电磁阀还通过CAN总线连接电子控制单元；齿轮齿条式转向器的齿条上装有位移传感器，该位移传感器通过CAN总线与电子控制单元相连，齿条的末端连接转向横拉杆的一端，转向横拉杆的另一端连接着转向车轮。本专利技术中的电子控制单元(ECU)通过第一角度传感器采集转向盘转角信号，以识别驾驶员的转向意图；通过第二角度传感器采集转向电机转角信号，以判断电机的工作状态；通过位移传感器采集齿轮齿轮式转向器的位移信号，以得到车轮转向反馈。本专利技术的一种蓄能式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)建立线控转向系统模型；2)设计线控转向系统故障阈值判定条件；3)划分线控转向系统状态，提出与故障对应的应对措施。优选地，所述步骤1)中的线控转向系统模型具体为：汽车启动初期，电子控制单元发出输出轴锁止指令e，输出轴锁止转矩To达到设定的最大值Tomax，转向电机开始为扭簧蓄能，该状态下扭簧的动力学模型为：θr2＝βθs式中，Js为扭簧转动惯量；θs为扭簧转角；α为行星齿轮系齿圈与行星齿轮系太阳轮的齿数比；θr2为行星齿轮系上排齿圈的转角；Ts1为行星齿轮系太阳轮的转矩；Ts为扭簧锁止转矩；β为扭簧齿轮与行星齿轮系上排齿轮的齿数之比；Ks为扭簧弹性系数；当扭簧转角达到最大值θsmax，电子控制单元一方面发出扭簧锁止指令，使扭簧锁止转矩达到设定最大值Tsmax，另一方面切断转向电机的转向指令，表示蓄能结束。优选地，所述步骤2)中的线控转向系统的故障分为转向电机精度故障、转向电机完全失效故障和电子控制单元故障。优选地，所述步骤2)中的转向电机精度故障阈值判定条件如下，式中，为t时刻齿条位移的测量值；t1为转向电机精度故障的时间区间上限；Th1为电机精度阈值。由于电子控制单元可以根据转向系统模型及前一时刻发出的转向指令Ua(t-1)计算出后一时刻齿条位移的理论值xr(t)，因此当计算结果满足上述条件时，电子控制单元判定出现电机精度故障。优选地，所述步骤2)中的转向电机完全失效故障阈值判定条件如下，式中，λi(i＝1,2,3,4)为权重系数；t2为转向电机失效的时间区间上限；为t时刻转向电机转角测量值；为t-1时刻转向电机转角测量值；为t-1时刻齿条位移的测量值；Th2为电机失效阈值。电子控制单元发出转向指令后t2时间内，当转向电机转角和齿条位移两种信号满足上述条件时，电子控制单元判定出现转向电机完全失效故障。优选地，所述步骤2)中的电子控制单元故障阈值判定条件如下，电子控制单元包含计算模块、寄存器模块和自诊断模块，其中计算模块用于分析各传感器信号、计算当前时刻的转向指令和当前状态下为使齿条回正所需的电机转角和相应的电机转向指令；寄存器模块用于保存转向系统模型及来自计算模块的两种锁止指令和转向指令，并且前一时刻的转向指令输出给转向电机后会被新的转向指令覆盖掉；自诊断模块用于检测并收集电子控制单元内部程序异常；当程序出现无法解决的异常时，代表电子控制单元产生故障，此时自诊断模块中断计算模块的运行，且确认寄存器模块内的两种锁止指令传给执行器。优选地，所述步骤3)中的线控转向系统状态包含：启动初期、正常行驶、转向电机精度故障、转向电机完全失效故障和电子控制单元故障。优选地，所述步骤3)中的故障对应的应对措施如下：出现转向电机精度故障后，在一定时间内由扭簧介入来保证转向精度，具体为电子控制单元调节扭簧锁止指令，使扭簧处锁止钳高频松开或紧闭，以此改变扭簧锁止转矩Ts，使扭簧转动并通过行星齿轮系将扭簧转角叠加到齿条的运动中，最终使齿条位移的误差降低到阈值以下；转向电机完全失效时，电子控制单元立即切断转向指令，以防扭簧介入时转向电机突然恢复运转；以及中断扭簧锁止指令，扭簧处锁止钳完全松开，扭簧以最大转矩Tsmax输出到行星齿轮系和齿条；当电子控制单元检测到时，表明齿条回到中间位置，此时电子控制单元立刻恢复扭簧锁止指令，使扭簧处锁止钳完全紧闭，扭簧瞬间锁止，转向电机无法运转，保证齿条和转向车轮在最短时间内回正；当电子控制单元发生故障时，寄存器模块里的故障回正指令持续发送给转向电机，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蓄能式线控转向系统，其特征在于，包括转向盘、转向管柱、电子控制单元、第一角度传感器、第二角度传感器、位移传感器、扭簧、扭簧处锁止钳、第一电磁阀、第二电磁阀、大齿轮、第一液压管路、第二液压管路、转向电机、行星齿轮系、输出轴处锁止钳、齿轮齿条式转向器、转向横拉杆和转向车轮；所述转向盘与转向管柱连接，转向管柱上装有第一角度传感器，用于将转向盘的转角信息通过CAN总线传给电子控制单元；扭簧和扭簧处锁止钳同轴安装，扭簧处锁止钳通过第一液压管路连接着第一电磁阀，该第一电磁阀还通过CAN总线与电子控制单元相连；大齿轮与扭簧联动，且与行星齿轮系的齿圈啮合；转向电机通过CAN总线与电子控制单元相连，其输出轴与行星齿轮系的太阳轮相连，且其输出轴上装有第二角度传感器，该第二角度传感器通过CAN总线与电子控制单元相连；行星齿轮系的下排齿圈固定不动，行星齿轮系输出轴与齿轮齿条式转向器的小齿轮相连，且其输出轴上装配有输出轴处锁止钳，该输出轴处锁止钳通过第二液压管路与第二电磁阀相连，第二电磁阀还通过CAN总线连接电子控制单元；齿轮齿条式转向器的齿条上装有位移传感器，该位移传感器通过CAN总线与电子控制单元相连，齿条的末端连接转向横拉杆的一端，转向横拉杆的另一端连接着转向车轮。...

【技术特征摘要】
1.一种蓄能式线控转向系统，其特征在于，包括转向盘、转向管柱、电子控制单元、第一角度传感器、第二角度传感器、位移传感器、扭簧、扭簧处锁止钳、第一电磁阀、第二电磁阀、大齿轮、第一液压管路、第二液压管路、转向电机、行星齿轮系、输出轴处锁止钳、齿轮齿条式转向器、转向横拉杆和转向车轮；所述转向盘与转向管柱连接，转向管柱上装有第一角度传感器，用于将转向盘的转角信息通过CAN总线传给电子控制单元；扭簧和扭簧处锁止钳同轴安装，扭簧处锁止钳通过第一液压管路连接着第一电磁阀，该第一电磁阀还通过CAN总线与电子控制单元相连；大齿轮与扭簧联动，且与行星齿轮系的齿圈啮合；转向电机通过CAN总线与电子控制单元相连，其输出轴与行星齿轮系的太阳轮相连，且其输出轴上装有第二角度传感器，该第二角度传感器通过CAN总线与电子控制单元相连；行星齿轮系的下排齿圈固定不动，行星齿轮系输出轴与齿轮齿条式转向器的小齿轮相连，且其输出轴上装配有输出轴处锁止钳，该输出轴处锁止钳通过第二液压管路与第二电磁阀相连，第二电磁阀还通过CAN总线连接电子控制单元；齿轮齿条式转向器的齿条上装有位移传感器，该位移传感器通过CAN总线与电子控制单元相连，齿条的末端连接转向横拉杆的一端，转向横拉杆的另一端连接着转向车轮。2.一种蓄能式线控转向系统的容错控制方法，基于上述权利要求1所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：1)建立线控转向系统模型；2)设计线控转向系统故障阈值判定条件；3)划分线控转向系统状态，提出与故障对应的应对措施。3.根据权利要求2所述的蓄能式线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤1)中的线控转向系统模型具体为：汽车启动初期，电子控制单元发出输出轴锁止指令e，输出轴锁止转矩To达到设定的最大值Tomax，转向电机开始为扭簧蓄能，该状态下扭簧的动力学模型为：θr2＝βθs式中，Js为扭簧转动惯量；θs为扭簧转角；α为行星齿轮系齿圈与行星齿轮系太阳轮的齿数比；θr2为行星齿轮系上排齿圈的转角；Ts1为行星齿轮系太阳轮的转矩；Ts为扭簧锁止转矩；β为扭簧齿轮与行星齿轮系上排齿轮的齿数之比；Ks为扭簧弹性系数；当扭簧转角达到最大值θsmax，电子控制单元一方面发出扭簧锁止指令，使扭簧锁止转矩达到设定最大值Tsmax，另一方面切断转向电机的转向指令，表示蓄能结束。4.根据权利要求2所述的蓄能式线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤2)中的线控转向系统的故障分为转向电机精度故障、转向电机完全失效故障和电子控制单元故障。5.根据权利要求2所述的蓄能式线控转向系统的容错控制方法，其特征在于，所述步骤2)中的转向电机精度故障阈值判定条件如下，式中，为t时刻齿条...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵万忠，张子俊，王春燕，章波，徐灿，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32