一種主動復合轉向系統、轉矩控制裝置及轉矩控制方法與流程

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本發明涉及汽車助力轉向系統控制技術領域，具體指代一種主動復合轉向系統、轉矩控制裝置及轉矩控制方法。

背景技術：

采用固定傳動比的傳統轉向系統，易出現低速下轉向盤沉重、高速下轉向過度等危險工況，極大的影響了汽車的操縱穩定性。近年來，主動前輪轉向(AFS)系統得到了國內外專家學者的廣泛關注，除了傳統的轉向助力功能外，主動前輪轉向系統能夠在駕駛員輸入的基礎上對轉向系統施加主動附加轉角，從而實現變傳動比和轉向干預穩定性控制等功能。

寶馬與ZF公司聯合開發了一種機械式的主動前輪轉向系統，并已成功裝備于寶馬3系和5系列車上。該系統在傳統電動液壓助力轉向系統的基礎上，在轉向盤和齒輪齒條轉向器之間的轉向柱上安裝了一套雙行星齒輪系機構，通過伺服電機驅動雙行星齒輪組實現轉向轉角疊加功能，

德國ZF公司和Bosch公司合作開發了一種主動轉向系統，它可以在轉向盤輸入的基礎上實現對汽車前輪轉角的主動控制。其主動轉向功能通過一套機電轉角執行機構來實現，該機構由諧波齒輪與伺服電機組成，可以被安裝在傳統電動助力或電動液壓助力轉向系統的轉向管柱上，也可以選擇安裝在齒輪齒條轉向器上。

現有采用的液壓助力轉向系統的汽車在低速工況下可提供較大的助力，減輕駕駛員轉向時負擔；但在高速工況下轉向路感較差，操縱穩定性存在問題；電動助力轉向系統由控制器、助力電機、減速機構、轉向盤、及傳感器模塊等組成，控制器接收傳感器模塊測得的轉向盤轉矩信號和車速信號并進行處理，控制電機根據事先確定的助力特性輸出助力轉矩。但受汽車本身蓄電池電壓等電氣特性影響，其輸出的最大助力矩較小，不滿足大型客車等車輛的需求。

因此，在液壓助力轉向系統中融合電動助力模塊，可實現車輛低速時的轉向輕便性和高速時良好的路感；實現可變傳動比功能，可進行主動轉向干預，實現了汽車的操縱穩定性與駕駛舒適性的有機融合，是一種理想轉向系統，具有廣闊的應用前景。

技術實現要素：

針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種主動復合轉向系統、轉矩控制裝置及轉矩控制方法，以解決現有技術中轉向系統傳動比固定、液壓助力轉向系統在高速工況下轉向路感、助力可調性較差等問題。

為達到上述目的，本發明的一種主動復合轉向系統，該系統包括：轉向盤、轉向軸、傳感器模塊、行星齒輪組、循環球式轉向器、轉向搖臂、轉向直拉桿、轉向節臂、轉向梯形臂、轉向橫拉桿、車輪、電子控制單元、轉角修正模塊、轉向助力模塊；

所述的轉向盤連接轉向軸的力矩輸入端，傳感器模塊置于轉向軸的力矩輸出端和行星齒輪組輸入端之間，并與電子控制單元相連接，轉角修正模塊向行星齒輪組提供修正力矩，合力矩經行星齒輪組輸出端、循環球式轉向器、轉向搖臂、轉向直拉桿、轉向節臂、轉向梯形臂、轉向橫拉桿輸出至車輪，轉向助力模塊向循環球轉向器提供轉向助力矩；

所述的轉角修正模塊包括：轉向電機、第一減速機構、電動推桿；電子控制單元通過電機控制信號b對轉向電機進行控制，助力矩經第一減速機構減速增矩后傳遞給電動推桿，到行星齒輪組下齒圈，實現變傳動比控制；

所述的轉向助力模塊包括：助力電機A、第二減速機構、助力電機B、助力油泵、儲油罐、轉閥、液壓助力缸、助力耦合器；其中，助力電機A、第二減速機構組成電動助力模塊，電子控制單元通過助力電機控制信號c對助力電機A進行控制，助力矩經第二減速機構減速增矩后傳遞給助力耦合器；助力電機B、助力油泵、儲油罐、轉閥、液壓助力缸組成液壓助力模塊，電子控制單元通過助力電機控制信號d對助力電機B進行控制，驅動助力油泵將助力油液從儲油罐經轉閥泵入液壓助力缸，助力油液通過轉閥開度不同流入液壓助力缸兩側，在液壓助力缸兩端形成壓差，從而產生助力，助力矩傳遞給助力耦合器，助力耦合器將合力矩傳遞至循環球式轉向器。

優選地，所述的行星齒輪組由雙行星齒輪系組成，其中轉向軸與輸入太陽輪相連，力矩經輸入太陽輪、行星輪、行星架、齒圈到輸出太陽輪，與下方的循環球轉向器相連。

優選地，所述的助力電機A、助力電機B及轉向電機采用無刷直流電機。

優選地，所述的第一、第二減速機構采用蝸輪蝸桿機構。

優選地，所述的助力油泵采用雙作用葉片泵。

優選地，上述傳感器模塊包括扭矩傳感器、車速傳感器。

本發明的一種主動復合轉向系統的轉矩控制裝置，其包括：控制器A、控制器B、信息處理模塊、信號比較模塊；

所述的控制器A為主動復合轉向系統的主控制器，基于魯棒混合靈敏度控制理論進行設計；經濾波處理的車輛工況信號b輸入控制器A中的目標信號計算模塊，計算控制器A的目標函數，魯棒混合靈敏度控制器與轉向系統模型G(S)構成閉環系統，目標信號計算模塊運算結果e、控制器A的輸出f作為閉環系統的輸入，所述信號c為控制器A的干擾輸入，經加權模塊W_W加權處理后傳遞到閉環系統，計算控制器A的應輸出的控制電流，并輸出結果至信號比較模塊；

所述的控制器B為余度控制器，基于模糊自適應PID控制器算法，包括PID調節器、模糊推理模塊、微分環節及轉向系統模型G構成閉環系統，通過微分環節得到輸入信號的變化率，模糊推理模塊通過輸入信號及其變化率對PID調節器的控制參數K_p、K_i、K_d進行自適應整定，控制器B的輸出作為主控制器的修正參考；依照信息處理模塊的輸入經濾波處理的車輛工況信號d和控制邏輯，向主控制器A提供修正參考；

所述的信息處理模塊接收傳感器模塊測得的車速信號、轉角信號、轉向盤轉矩信號，并對信號進行判斷，向控制器A、控制器B輸出控制信號；控制器A、控制器B依照輸入信號進行求解并輸出控制電流至信號比較模塊，信號比較模塊對控制器A、B輸出誤差進行分析，并向轉角修正模塊的轉向電機、轉向助力模塊的助力電機A、助力電機B輸出控制電流，驅動相應執行機構工作，并將執行機構助力輸出至助力耦合器，助力耦合器將經耦合的助力輸出至機械轉向結構，實現動力轉向。

本發明的一種主動復合轉向系統的轉矩控制方法，包括如下步驟：

1)通過轉向盤向主動復合轉向系統輸入轉向力矩，力矩通過轉向軸傳遞至行星齒輪組輸入太陽輪；

2)電子控制單元根據傳感器模塊測得的車速信號、轉角信號、轉向盤轉矩信號，計算得到主動復合轉向系統總助力電流大小；

3)電子控制單元將總助力電流大小和車輛當前工況參數輸入余度控制器模塊，對車輛當前所需轉向模式進行判斷，并輸出控制電流至轉向電機、助力電機A和助力電機B，控制轉角修正模塊、轉向助力模塊輸出相應助力，實現主動轉向控制和多模式動力轉向控制；

具體包括：

11)控制器A通過限制干擾輸入w＝[θ_s Q_s T_R]^T到控制輸出u＝[T_em]的傳遞函數的H₂范數，來限制控制器輸出能量的大小；通過限制干擾輸入到評價輸出e＝[z₁,z₂,z₃]^T傳遞函數的H_∞范數小于給定值，基于H_∞混合靈敏度中的S/T問題進行設計，其目標及約束條件為:

式中，K(s)為反饋控制器，W₁(s)，W₂(s)和W₃(s)分別表示系統三個評價輸出跟蹤性能、控制器輸出、魯棒性能的加權函數，通過W₁(s)，W₂(s)和W₃(s)三個性能加權函數分別調整系統相應的評價輸出的大小；

控制器A將控制結果y₁輸出信號至信號比較模塊；

12)控制器B，其輸入e、ec模糊論域為：[-1.5,1.5]，輸出變量K_p、K_d模糊論域為[-3.3,3.3]，K_i模糊論域為[-0.5,0.5]；

其中，K_p模糊規則表為：

K_p模糊規則表

控制器B將控制結果y₂輸出信號至信號比較模塊，與控制器A的結果進行比較；

13)定義誤差系數ε_e＝0.15T_d^*，其中，T_d^*為理想助力大小，若|y₁-T_d^*|＜ε_e，系統默認y₁為系統輸出；若|y₁-T_d^*|＞ε_e，則通過控制器B的輸出結果y₂對系統輸出進行修正，修正公式為：

y^*＝K₁y₁+K₂y₂

輸出公式為：

式中，K₁、K₂為修正系數。

本發明的有益效果：

通過轉向電機、行星齒輪機構對轉向系統進行變傳動比控制，從而在電-液復合助力轉向的基礎之上實現主動轉向的功能，通過主動轉向干預將汽車助力轉向的經濟性與靈活性相結合；

綜合考慮車速、轉向盤轉速等對電-液復合轉向系統的影響，在車輛處于不同狀態時，利用余度控制器對主控制器輸出結果進行自適應判斷并修正，兼顧系統的魯棒性能和系統的動態性能，有效抑制路面隨機激勵、傳感器模塊的測量噪聲、模型參數不確定所引起的各種干擾和噪聲，提高了轉向盤轉矩控制精度，提高了車輛駕駛的操縱穩定性，實現汽車轉向輕便性和轉向路感的完美融合，因此具有廣闊的市場應用前景。

附圖說明

圖1繪示本發明主動復合轉向系統的結構原理框圖；

圖2繪示本發明主動復合轉向系統的轉矩控制裝置原理框圖；

圖3繪示本發明轉矩控制方法的原理圖。

具體實施方式

為了便于本領域技術人員的理解，下面結合實施例與附圖對本發明作進一步的說明，實施方式提及的內容并非對本發明的限定。

參照圖1所示，本發明的本發明的一種主動復合轉向系統，該系統包括：轉向盤1、轉向軸2、傳感器模塊3、行星齒輪組4、循環球式轉向器5、轉向搖臂6、轉向直拉桿7、轉向節臂8、轉向梯形臂9、轉向橫拉桿10、車輪11、電子控制單元(ECU)12、轉角修正模塊、轉向助力模塊；

所述的轉向盤1連接轉向軸2的力矩輸入端，傳感器模塊3置于轉向盤1與轉向軸2之間，并與電子控制單元12相連接，轉向軸2的力矩輸出端與行星齒輪組4輸入端相連，轉角修正模塊向行星齒輪組4提供修正力矩，合力矩經行星齒輪組輸出端、循環球式轉向器5、轉向搖臂6、轉向直拉桿7、轉向節臂8、轉向梯形臂9、轉向橫拉桿10輸出至車輪11，轉向助力模塊向循環球轉向器5提供轉向助力矩；

所述的傳感器模塊3中的扭矩傳感器為基于無線供電、無線輸出的非接觸式軸式扭矩傳感器，與向位差式、滑環式相比，克服了不便于低速測量、體積龐大等問題，以及不能長時間連續測量的問題；傳感器模塊向電子控制單元12輸出測量信號a。

所述的行星齒輪組4由雙行星齒輪系組成，其中轉向軸與輸入太陽輪相連，力矩經輸入太陽輪、行星輪、行星架、齒圈到輸出太陽輪，將力矩傳遞到下方的循環球轉向器。

所述的轉角修正模塊包括：轉向電機13、第一減速機構14、電動推桿15；電子控制單元12通過電機控制信號b對轉向電機13進行控制，助力矩經第一減速機構14減速增矩后傳遞給電動推桿15，到行星齒輪組下齒圈，實現變傳動比控制。

所述的轉向助力模塊包括：助力電機A16、第二減速機構17、助力電機B18、助力油泵19、儲油罐20、轉閥21、液壓助力缸22、助力耦合器23；其中，助力電機A16、第二減速機構17組成電動助力模塊，電子控制單元12通過助力電機控制信號c對助力電機A進行控制，助力矩經第二減速機構減速增矩后傳遞給助力耦合器23；助力電機B18、助力油泵19、儲油罐20、流量控制閥、轉閥21、液壓助力缸22組成液壓助力模塊，電子控制單元12通過助力電機控制信號d對助力電機B進行控制，驅動助力油泵將助力油液從儲油罐20經轉閥21泵入液壓助力缸，助力油液通過轉閥21開度不同流入液壓助力缸兩側，在液壓助力缸兩端形成壓差，從而產生助力，助力矩傳遞給助力耦合器，助力耦合器將兩組助力執行機構輸入的合力進行耦合運算，助力耦合器將合力矩傳遞至循環球式轉向器，實現轉向助力。

其中，所述的助力電機A、助力電機B及轉向電機采用無刷直流電機。

其中，所述的第一、第二減速機構采用蝸輪蝸桿機構。

其中，所述的助力油泵采用雙作用葉片泵。

所述電子控制單元12由CPU、信號采集與處理電路、驅動電路、監測電路等部分組成，其中CPU為8位或16位單片機。

參照圖2所示，本發明的一種主動復合轉向系統的轉矩控制裝置，其包括：控制器A、控制器B、信息處理模塊、信號比較模塊；

所述的控制器A為主動復合轉向系統的主控制器，基于魯棒混合靈敏度控制理論進行設計，經濾波處理的車輛工況信號b輸入控制器A中的目標信號計算模塊，計算控制器A的目標函數，魯棒混合靈敏度控制器與轉向系統模型G(S)構成閉環系統，目標信號計算模塊運算結果e、控制器A的輸出f作為閉環系統的輸入，所述信號c為控制器A的干擾輸入，經加權模塊W_W加權處理后傳遞到閉環系統，計算控制器A的應輸出的控制電流，并輸出結果至信號比較模塊；

所述的信息處理模塊接收傳感器模塊測得的車速信號、轉角信號、轉向盤轉矩信號，并對信號進行判斷，依照傳感器模塊輸入的測量值a，分別向控制器A、控制器B輸出控制車輛工況信號b、干擾信號c、車輛工況信號d；控制器A、控制器B依照輸入信號進行求解并輸出控制電流至信號比較模塊，信號比較模塊對控制器A、B輸出誤差進行分析，并向轉角修正模塊的轉向電機、轉向助力模塊的助力電機A、助力電機B輸出控制電流，驅動相應執行機構工作，并將執行機構助力輸出至助力耦合器，助力耦合器將經耦合的助力輸出至機械轉向結構，實現動力轉向。

參照圖3所示，本發明的一種主動復合轉向系統的轉矩控制方法，包括如下步驟：

(1)通過轉向盤向主動復合轉向系統輸入轉向力矩，力矩通過轉向軸傳遞至行星齒輪組輸入太陽輪；

(2)電子控制單元根據傳感器模塊測得的車速信號、轉角信號、轉向盤轉矩信號，計算得到主動復合轉向系統總助力電流大小；

(3)電子控制單元將總助力電流大小和車輛當前工況參數輸入余度控制器模塊，對車輛當前所需轉向模式進行判斷，并輸出控制電流至轉向電機、助力電機A和助力電機B，控制轉角修正模塊、轉向助力模塊輸出相應助力，實現主動轉向控制和多模式動力轉向控制；

具體包括：

11)控制器A通過限制干擾輸入w＝[θ_s Q_s T_R]^T到控制輸出u＝[T_em]的傳遞函數的H₂范數，來限制控制器輸出能量的大小；通過限制干擾輸入到評價輸出e＝[z₁,z₂,z₃]^T傳遞函數的H_∞范數小于給定值，來實現系統良好的魯棒穩定性，基于H_∞混合靈敏度中的S/T問題進行設計，其目標及約束條件為: