一种用于线控转向系统的路感模拟装置及其控制方法

摘要

本申请公开了一种用于线控转向系统的路感模拟装置及其控制方法，所述装置包括顺次连接的转向管柱、力矩及角度传感器、减速机、以及电机及控制器；所述方法包括：基于齿轮齿条模型、车辆模型计算齿条力的两个分量；对两个分量进行加权计算得到估计齿条力；将估计齿条力与车辆行驶状态相结合计算出基础路感反馈；在基础路感反馈中加入补偿值，得到转向管柱的扭矩参考值；控制器将扭矩参考值，以及齿条末端保护扭矩、扰动估计扭矩进行求和计算，得到路感电机的目标扭矩；控制器控制路感电机输出目标扭矩，以实现车辆在行驶过程中的实时路感模拟。在使用线控转向系统时，本申请可以使驾驶员保持对车辆的路感，保证车辆的操控性及极端状况下的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及涉车辆的转向控制技术领域，尤其涉及一种用于线控转向系统的路感模拟装置及其控制方法。

背景技术

现有的汽车转向系统多为转向管柱与转向机之间由中间轴进行机械连接，方向盘转角与轮胎转角关系固定，无法解耦。从而影响操控的便利性以及在自动驾驶时方向盘静默的功能(车轮转向但方向盘不动)。

随着汽车电子技术的不断发展，在汽车控制领域，出现了不带中间轴的线控转向系统。线控转向打破了传统汽车机械结构的束缚，它断开转向管柱与转向机的机械连接，采用信号通讯的方式，实现管柱力矩和角度与转向器的“连接”，实现了方向盘转角与轮胎转角的解耦。而此时，由于轮胎处的受力无法通过机械连接传递到方向盘，仅凭管柱本身相对稳定的摩擦阻力，会使驾驶员失去对车辆转向状态的路感，从而影响车辆的操控性以及某些极端状况下的安全性。

现有技术中的线控转向存在一定的缺陷。例如，发明专利201510329873.l公开了一种基于参数估计的线控转向路感装置及其控制方法，包括方向盘，与方向盘相连的转角传感器、转矩传感器、转向管柱、路感电机及路感控制器等，其中包括一套离合器，由控制器检测到当前状态出现差错，通过控制离合器来切换到备用电机转向模式；所述规划方法由传感器测得信号，通过卡尔曼滤波估计得到当前汽车状态变量，计算得到汽车转向阻力矩，并通过车速、变传动比及侧向加速度对转向路感进行补偿修正，得到当前理想的转向盘力矩值。该发明可以通过加装离合器，切换工作模式，确保在线控模式出现故障时仍能保证正常的转向功能，提供可靠路感；同时，在正常行驶工况下，可以使得驾驶员获得良好的路面信息，提高汽车的操纵性和舒适性。在该专利中，为驾驶人员提供“路感”反馈的是由ECU控制的反馈电机，该方法解决了线控系统没有“路感”的问题，但是采用的反馈电机在控制系统不稳定的情况下会发生干扰驾驶人员转向操作等故障，影响车辆行驶安全。

再例如，发明专利202010069514.8公开了一种汽车线控转向路感模拟装置及其控制方法，涉及车辆转向实验技术领域，路感模拟装置包括机械传动机构和信息采集与控制机构，路感模拟装置包括路感模拟机构和方向盘回正机构。该发明为车辆线控转向系统提供了一种控制精确、反应迅速的“路感”反馈装置，采用的磁流变阻尼器在不同的励磁电流的激励下，可以实现针对不同路况和工况实时提供“路感”反馈力矩，为驾驶人员提供“路感”反馈信息；在为线控转向系统系统路感反馈力矩的同时，能够在自动回正时准确断开与磁流变阻尼器的连接，避免磁流变阻尼器自身摩擦和粘滞阻力矩对自动回正的影响；避免了控制系统故障时反馈电机驱动方向盘乱转导致的安全问题，保障驾乘人员的安全。在该专利中，为驾驶人员提供“路感”反馈的是由上位机控制的磁流变阻尼器，该方法解决了线控系统没有“路感”的问题，但是该套路感模拟装置在汽车上占用空间较大，在车辆上不宜安装。采用上位机控制虽然提高了计算能力，但是一定程度上增加了成本。

因此，现有技术的路感模拟装置及其控制方法还有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于路况及转向工况模拟驾驶手感的装置及其控制方法，以解决线控转向路感模拟的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本申请第一个方面公开了一种用于线控转向系统的路感模拟装置，包括：顺次连接的转向管柱、力矩及角度传感器、减速机、以及电机及控制器；其中，

所述转向管柱，其一端与方向盘螺栓连接，其另一端与减速机的一端螺栓连接；

所述力矩及角度传感器，其一端与转向管柱花键连接，其另一端与减速机花键连接；

所述减速机，其另一端与所述电机及控制器螺栓连接，所述电机及控制器的电机轴与所述减速机的输入端通过软性联轴器连接；

所述电机及控制器，包括路感电机和控制器，所述电机及控制器通过CAN总线接收所述力矩及角度传感器检测的方向盘的力矩信号和转角信号，确定驾驶方向和驾驶角度，并实时控制电机的制动力矩，制动力矩通过所述减速机减速增扭后经由所述力矩及角度传感器反馈至所述转向管柱，最终作用在方向盘上。

优选地，所述力矩及角度传感器，采用非接触式扭矩转角一体式传感器(TAS)，至少包括四路扭矩信号输出和两路绝对转角信号输出，扭矩及转角的输出等级为ASIL D，冗余设计。

优选地，所述减速机采用行星齿轮式减速机构。

优选地，所述路感电机采用冗余式双绕组六相无刷电机。

优选地，所述控制器采用冗余结构设计，包括：

两个供电电路，用于输出不同大小的电压为控制器内所有电路提供工作电源；

两个通信电路，分别通过CAN FD和CAN通信协议与外部系统进行通信；

MCU主控电路，包括两个主控芯片，用于对接收的信号进行处理、计算，以及对路感电机进行控制，其中，两个主控芯片之间采用串行外设接口SPI(Serial PeripheralInterface)通讯协议；

两个电机预驱动电路，分别设置于主控芯片与所述路感电机之间，用于驱动路感电机按照主控芯片的控制指令进行运转；其中，每个所述电机预驱动电路中设有电流传感器，所述电流传感实时对电机预驱动电路的MOSFET进行电流采样，帮助控制器实现电机反馈控制；

两个位置传感器，分别与所述路感电机和其中一个主控芯片连接，用于实时检测所述路感电机的转子位置。

更优选地，所述位置传感器采用高精度角度传感器。

本申请第二个方面公开了一种用于线控转向系统的路感模拟装置的控制方法，包括：

S1，基于齿轮齿条模型计算产生第一齿条力，基于车辆模型计算产生第二齿条力，所述第一齿条力和第二齿条力为齿条力的两个分量；

S2，按照不同的权重对第一齿条力和第二齿条力进行加权计算，得到估计齿条力；

S3，将估计齿条力与车辆实际行驶状态(例如，车速信号、转角信号等)相结合，计算出基础路感反馈；

S4，在基础路感反馈中加入阻尼补偿(Damping Compensation)、主动回正补偿(Active Return Compensation)、迟滞补偿(Hysteresis Compensation)，得到转向管柱的扭矩参考值；

S5，控制器将所述转向管柱的扭矩参考值，以及齿条末端保护扭矩(Rack EndStop Torque)的大小、扰动估计扭矩(Disturbance estimator Torque)的大小进行求和计算，得到路感电机的目标扭矩；

S6，控制器控制电机预驱动电路，使得路感电机输出所述目标扭矩，所述目标扭矩通过减速机减速增扭后经由力矩及角度传感器反馈至转向管柱，以实现车辆在行驶过程中的实时的路感模拟。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1)本申请提供了一种用于线控转向系统的路感模拟装置，通过对整车车速、转角信号、转向机电流等数据的动态监控，通过控制器控制路感电机的制动力矩，力矩通过减速机减速增扭后经由力矩及角度传感器反馈到转向管柱，最终反馈到方向盘上。本申请的路感模拟装置对结构进行了简化，克服了以往的路感模拟装置的空间限制，电机及控制器采用了冗余设计，提高了系统安全性，低故障率FIT<10。

2)本申请还提供了一种用于线控转向系统的路感模拟装置的控制方法，采用齿条力估计的方法，通过模型计算出路面的负载大小，从而模拟出接近传统机械转向汽车的路感，保证了路感的真实性。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种用于线控转向系统的路感模拟装置的结构爆炸图；

图2是本发明一种用于线控转向系统的路感模拟装置的总体结构示意图；

图3是本发明一种用于线控转向系统的路感模拟装置的组成架构图，其中，虚框中为电机及控制器；

图4是本发明一种用于线控转向系统的路感模拟装置的控制方法流程图。

图例说明：

1、转向管柱；2、力矩及角度传感器；3、行星齿轮减速机；4、电机及控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一：

参阅图1和图2所示，一种用于线控转向系统的路感模拟装置，包括四个部件，分别为顺次连接的转向管柱1、力矩及角度传感器2、行星齿轮减速机3、以及电机及控制器4。

其中，所述转向管柱1，其一端与方向盘螺栓连接，其另一端与行星齿轮减速机3的一端螺栓连接。所述力矩及角度传感器2，其一端与转向管柱1花键连接，其另一端与行星齿轮减速机3花键连接。所述行星齿轮减速机3，其另一端与所述电机及控制器4螺栓连接，所述电机及控制器4的电机轴与所述行星齿轮减速机3的输入端通过软性联轴器连接。所述电机及控制器4，包括路感电机和控制器，所述电机及控制器4通过CAN总线接收所述力矩及角度传感器2检测的方向盘的力矩信号和转角信号，确定驾驶方向和驾驶角度，并实时控制电机的制动力矩，制动力矩通过所述行星齿轮减速机3减速增扭后经由所述力矩及角度传感器2反馈至所述转向管柱1，最终作用在方向盘上。

上述的路感模拟装置的工作原理如下：

当驾驶员通过方向盘对转向管柱1施加转向力，进行转向操纵时，方向盘的转角/转矩信号通过所述力矩及角度传感器2实时采集并传递给所述电机及控制器4的控制器。结合当前的车速信息，控制器经过分析处理后将控制信号传递给路感电机，产生反馈力矩，并通过行星齿轮减速机3减速后作用在方向盘上，让驾驶员及时地感受到路面信息。

上述内容中，所述力矩及角度传感器2，采用非接触式扭矩转角一体式传感器(TAS)，至少包括四路扭矩信号输出和两路绝对转角信号输出，扭矩及转角的输出等级为ASIL D，冗余设计。

上述内容中，所述行星齿轮减速机3具有体积小、重量轻、速比大、效率高、承载能力大的特点。

上述内容中，所述电机及控制器4中的路感电机采用冗余式双绕组六相无刷电机，拥有两套UVW接线柱，用于输出扭矩，提高驾驶者车辆行驶“路感”。

图3给出了一种用于线控转向系统的路感模拟装置的组成架构图，其中，虚框中为电机及控制器4。

参阅图3所示，所述控制器采用冗余结构设计，包括：

1)两个供电电路，用于输出不同大小的电压为控制器内所有电路提供工作电源。

2)两个通信电路，用于分别通过CAN FD和CAN通信协议与外部系统进行通信。

3)MCU主控电路，包括两个主控芯片，分别为主控芯片A和主控芯片B，用于对接收的信号进行处理、计算，以及对路感电机进行控制，其中，主控芯片A和主控芯片B之间采用串行外设接口SPI(Serial Peripheral Interface)通讯协议。

4)两个电机预驱动电路，为驱动桥A和驱动桥B，驱动桥A设置于主控芯片A与所述路感电机(六相冗余电机)之间，用于驱动路感电机按照主控芯片A的控制指令进行运转，驱动桥B设置于主控芯片B与所述路感电机之间，用于驱动路感电机按照主控芯片B的控制指令进行运转。其中，驱动桥A和驱动桥B中均设有电流传感器，所述电流传感器实时对其对应的电机预驱动电路的MOSFET进行电流采样，帮助控制器实现电机反馈控制。

5)两个位置传感器，为位置传感器A和位置传感器B，采用高精度角度传感器，用于实时检测所述路感电机的转子位置。其中，位置传感器A与所述路感电机和主控芯片A连接，位置传感器B与所述路感电机和主控芯片B连接。

本实施例的路感模拟装置通过对整车车速、转角信号、转向机电流等数据的动态监控，通过控制器控制电机制动力矩，力矩通过行星齿轮减速机3减速增扭后经由力矩及角度传感器2反馈到转向管柱1，最终反馈到方向盘上。本实施例的路感模拟装置具有以下特点：

a.通过力矩及角度传感器2提供的力矩及角度信号来控制车辆轮胎转向角度；

b.使用行星齿轮减速机3可以达到减速增扭的效果；

c.通过控制器对电机的实时控制，模拟车辆驾驶时的路感；

d.使用行星齿轮减速机3获得高传动比的同时，降低了驾驶室方向盘的安装空间；

e.使用冗余式双绕组无刷电机，提高了系统的可靠性；

f.使用非接触式扭矩转角一体式传感器(TAS)，传感器至少四路扭矩+两路绝对转角，扭矩及转角输出等级为ASIL D，冗余传感器设计；

g.控制器采用两个主控芯片，实现了控制器的内部冗余；

h.控制器与外部通讯采用CAN FD和CAN通讯协议，两路通讯实现了通讯冗余。

实施例二：

本实施例基于实施例一中所述的用于线控转向系统的路感模拟装置，还提供了一种用于线控转向系统的路感模拟装置的控制方法，采用齿条力估计的方法，通过模型计算出路面的负载大小，从而模拟出接近传统机械转向汽车的路感，保证了路感的真实性。

参阅图4所示，基于实施例一中所述的用于线控转向系统的路感模拟装置，其控制方法，包括如下步骤：

步骤S1，基于齿轮齿条模型计算产生第一齿条力，基于车辆模型计算产生第二齿条力，所述第一齿条力和第二齿条力为齿条力的两个分量；

步骤S2，按照不同的权重对第一齿条力和第二齿条力进行加权计算，得到估计齿条力；

步骤S3，将估计齿条力与车辆实际行驶状态(例如，车速信号、转角信号等)相结合，计算出基础路感反馈；

步骤S4，在基础路感反馈中加入阻尼补偿、主动回正补偿、迟滞补偿，得到转向管柱的扭矩参考值；

步骤S5，控制器将所述转向管柱的扭矩参考值，以及齿条末端保护扭矩的大小、扰动估计扭矩的大小进行求和计算，得到路感电机的目标扭矩；

步骤S6，控制器控制驱动桥，使得路感电机输出所述目标扭矩，所述目标扭矩通过减速机减速增扭后经由力矩及角度传感器反馈至转向管柱，以实现车辆在行驶过程中的实时的路感模拟。

综上所述，在使用线控转向系统时，采用本申请技术方案可以使驾驶员能够保持对车辆的路感，保证车辆的操控性以及某些极端状况下的安全性，可以极大地改善用户体验。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。