CN110920747A - 一种主动转向***电机转向装置及转角助力扭矩估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人驾驶转向控制技术领域，且公开了一种主动转向***电机转向装置及转角助力扭矩估算方法，包括转向盘、转向管柱带中间轴、扭矩及转角传感器、减速机构、电控单元ECU、电机和电机位置传感器，所述转向盘固定连接在转向管柱带中间轴的顶部，所述扭矩及转角传感器和减速机构均设置在转向管柱带中间轴上，所述转向管柱带中间轴的底部设置有转向器，所述转向器的内部设置有小齿轮轴，所述小齿轮轴活动连接在转向管柱带中间轴的底部。该主动转向***基于电机转角的扭矩冗余设计方法通过设置电机位置传感器、电控单元ECU和减速机构，能够有效的控制车辆的转向，可以在保持现有***物理硬件不改变情况下实现扭矩传感器故障的冗余备份。

Description

一种主动转向***电机转向装置及转角助力扭矩估算方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶技术转向控制领域，具体为一种主动转向***基于电机转角进行助力扭矩需求估算的方法。

背景技术

在转向控制***中，扭矩传感器信号是一个关键的信号，只有正确的扭矩传感器信号输入才能让***提供正确的助力输出。从安全角度上讲当扭矩传感器故障，转向控制***将切断助力输出，便于车辆操控人员控制车辆。但是对于安全性要求高的无人驾驶车辆就不能采用这种方法了，其作为***的重要输入信号，一旦发生故障，将导致整个***不再提供助力，极大的影响行驶安全。目前主流技术是依靠扭矩传感器硬件冗余的方式来实现扭矩传感器单路故障不影响转向控制。

现有的方法大都是通过物理上增加扭矩传感器通道数，使其硬件冗余，此结构能实现主动转向控制***带故障运行，但是无疑会使得传感器体积变大，不便于实车安装匹配而且成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种主动转向***的基于电机位置转角的助力扭矩冗余设计估算方法，实现基于电机位置传感器的转向助力扭矩估算，作为扭矩传感器的故障备份，可以在保持现有***物理硬件不改变情况下实现扭矩信号的冗余备份，方便***装配布置和成本优化。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种主动转向***电机转向装置，包括转向盘、转向管柱带中间轴、扭矩及转角传感器、减速机构、电控单元ECU、电机和电机位置传感器，所述转向盘固定连接在转向管柱带中间轴的顶部，所述扭矩及转角传感器和减速机构均设置在转向管柱带中间轴上，所述转向管柱带中间轴的底部设置有转向器，所述转向器的内部设置有小齿轮轴，所述小齿轮轴活动连接在转向管柱带中间轴的底部，所述转向器的侧面分别固定连接有左拉杆和右拉杆，所述左拉杆的一端固定连接有左轮胎，所述右拉杆的一端固定连接有右轮胎。

所述扭矩及转角传感器的输出端与电控单元ECU的输入端电连接，所述电控单元ECU的输出端与电机的输入端电连接，所述ECU的输入端与电机位置传感器的输出端电连接。

优选的，所述电控单元ECU根据采集转向盘的方向盘扭矩信号、方向盘转角信号、整车输入信号和电机位置信号后进入计算***。

优选的，所述电机位置传感器为霍尔传感器和编码器。

一种主动转向***的电机转角助力扭矩估算方法，包括如下步骤：

S1计算方向盘中间位置绝对角度、标定绝对位置角度：

电机位置传感器由霍尔传感器和编码器构成，根据霍尔信号和编码器信号可以得到电机转子相对位置，通过电机位置传感器角度与绝对角度的偏差，存储到ECU中的EEPROM完成了电机位置传感器绝对中间位置的计算标定；

S2利用中间位置绝对角度计算***助力需求：

根据电机位置绝对角度进行基础助力扭矩计算，以及根据电机位置角速度即方向盘转速计算阻尼扭矩，在不同的工况中，分配2部分在总助力需求计算中的不同比重，其中基础助力扭矩计算包含了非线性计算助力和线性计算助力。

本发明具备以下有益效果：

本发明通过设置电机位置传感器、电控单元ECU和减速机构，能够有效的控制转向盘的转向，可以在保持现有***物理硬件不改变情况下实现扭矩传感器故障时利用绝对位置角度信号进行扭矩估算的冗余备份，方便***装配布置和成本优化，解决了现有的方法大都是通过物理上增加扭矩传感器通道数使其硬件冗余，会使得传感器体积变大，安装匹配受限且成本偏高的问题。

附图说明

图1为本发明一种主动转向***电机转向装置结构示意图。

图2为本发明基于绝对位置转角的助力扭矩需求计算控制模式流程图。

图3为本发明的绝对位置角度计算框图。

图4为本发明的基于绝对位置转角的助力扭矩需求计算框图。

图中：1转向盘、2转向管柱带中间轴、3扭矩及转角传感器、4减速机构、5电控单元ECU、6电机、7电机位置传感器、8小齿轮轴、9转向器、10左拉杆、11右拉杆、12左轮胎、13右轮胎、a方向盘扭矩信号、b方向盘转角信号、c整车输入信号、d电机位置信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种主动转向***电机转向装置，包括转向盘1、转向管柱带中间轴2、扭矩及转角传感器3、减速机构4、电控单元ECU5、电机6和电机位置传感器7，电机位置传感器7霍尔传感器和编码器，转向盘1固定连接在转向管柱带中间轴2的顶部，扭矩及转角传感器3和减速机构4均设置在转向管柱带中间轴2上，转向管柱带中间轴2的底部设置有转向器9，转向器9的内部设置有小齿轮轴8，小齿轮轴8活动连接在转向管柱带中间轴2的底部，转向器9的侧面分别固定连接有左拉杆10和右拉杆11，左拉杆10的一端固定连接有左轮胎12，右拉杆11的一端固定连接有右轮胎13，当电控单元ECU5采集扭矩及转角传感器3的扭矩信号和转角信号时，电控单元ECU5控制电机6输出相应力矩，并通过减速机构4减速增扭，传递至小齿轮轴8，由小齿轮轴8推动转向器9移动，并带动左拉杆10和右拉杆11右转，左轮胎12和右轮胎13分别被左拉杆10和右拉杆11拉动，转向指令完成。

扭矩及转角传感器3的输出端与电控单元ECU5的输入端电连接，电控单元ECU5的输出端与电机6的输入端电连接，ECU5的输出端与电机位置传感器7的输入端电连接，电控单元ECU5根据采集转向盘1的方向盘扭矩信号a、方向盘转角信号b、整车输入信号c和电机位置信号d后进入计算***。

如图2所示，***控制模式流程图。***上电初始化完成后，根据绝对位置角度偏差标定值和当前电机位置信号可得出绝对位置角度值，然后***对扭矩传感器信号进行检测，如果扭矩传感器信号正常则进入正常运行模式然后判断绝对位置角度信号是否正常，如果扭矩传感器信号异常然后接判断绝对位置角度信号是否异常，如果绝对位置角度信号正常则进入到扭矩冗余控制模式否则进入故障模式。此冗余设计，包括如下2个核心模块。

模块1如图3所示，首先通过利用电机位置传感器计算方向盘中间位置绝对角度，当转向盘1处于中间位置时，绝对角度可认为是0度，电机位置传感器7由霍尔传感器和编码器构成，根据霍尔信号和编码器信号可以得到电机6转子位置，也就得到了经过减速机构4也相应得到了转向盘1位置，然后根据存储在EEPROM中的偏差标定值，就可计算出绝对位置转角信号，信号的值是方向盘偏离直行位置的角度。若要得到正确的绝对位置角度信号，***需要首先完成绝对位置角度标定。标定过程如下：当转向盘1处于中间位置时，绝对角度可认为是0度，这时的电机位置传感器7角度可认为是与绝对角度的偏差，存储到电控单元ECU5中的EEPROM，即完成了电机位置传感器7绝对中间位置的计算标定，一旦***重新再车上安装后，需要重新标定绝对位置角度。

模块2如图4所示，利用电机位置绝对角度计算***总助力需求，此功能主要由两部分组成，一部分根据电机6位置绝对角度进行基础助力计算，一部分由电机6位置角速度即转向盘1转速进行阻尼扭矩计算，在不同的工况中，分配两部分在总助力需求计算中的不同比重，外部输入信号为方向盘转速信号，绝对位置角度信号和车速信号，首先进行信号完整性检查，分别检查3个信号是否都是合理有效值。如果是有效值，然后传递到基础助力计算模块和阻尼计算模块，利用3个信号输入值计算基础助力扭矩和阻尼扭矩。其中在阻尼计算模块中主要利用方向盘转速信号作为输入计算，方向盘转速值越大计算出的阻尼扭矩越大，防止在地抹茶路面过度转向。在电机6位置绝对角度基础助力计算部分，包括了非线性助力计算和线性助力计算2部分，非线性助力计算主要针对方向盘位置小角度范围(<100Deg)内包含了初始启动扭矩的计算，主要利用整车输入信号c车速和电机6位置绝对角度信号进行二维插值查表(如下表所示)，得出助力需求。线性助力计算部分主要针对方向盘角度大于100Deg工况中，针对低车速工况有一个自适配计算模块计算基础助力增益。

在一定的车速下，所述数据表为二维表，所述二维表的X轴坐标为等间隔预设的绝对位置角度值，Y轴坐标为基础助力扭矩值；其中，所述X轴坐标和所述Y轴坐标一一对应，满足递增关系。

所述插值算法处理包括：

所述绝对位置角度值为变量x，在所述数据表中找到第一个点(x0, y0)和第二个点(x1, y1)，x0和x1的大小与x的大小最接近，且x0<x1；

则x在所述数据表中对应Y轴坐标y为：

y = y0 - (y1 - y0)(x - x0) / (x1 – x0)，

其中，x0 表示第一个点预设的绝对位置角度值，y0表示第一个点的基础助力扭矩求值，x1 表示第二个点预设的绝对位置角度值，y1表示第二个点的基础助力扭矩需求值，y表示绝对位置角度值对应的基础助力扭矩需求值。

不同车速下，有不同的二维插值表：

当车速为0Km/h时；

绝对位置角度值（Deg）	100	200	300	400	500	600	700	800	900
										基础助力扭矩需求值（Nm）	25	28	30	30	31	32	33	35	40

当车速为1Km/h时；

绝对位置角度值（Deg）	100	200	300	400	500	600	700	800	900
										基础助力扭矩需求值（Nm）	15	18	19	20	20	22	23	24	28

当车速为5Km/h时；

绝对位置角度值（Deg）	100	200	300	400	500	600	700	800	900
										基础助力扭矩需求值（Nm）	4	5	5	6	6	6	6	7	7

同理，在其他车速比如10Km/h,15Km/h,20Km/h,25Km/h,35Km/h,45Km/h,55Km/h等不同车速工况下都有相对应的插值表，车速之间也是进行插值计算。

综上可得，本发明通过设置电机位置传感器7、电控单元ECU5和减速机构4，能够有效控制转向盘1的转向，可以在保持现有***物理硬件不改变情况下实现助力扭矩的冗余备份，方便***装配布置和成本优化，解决了现有的方法大都是通过物理上增加扭矩传感器通道数，使其硬件冗余，此结构能实现主动转向控制***带故障运行，但是无疑会使得传感器体积变大，不便于安装匹配而且成本偏高的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种主动转向***电机转向装置，包括转向盘、转向管柱带中间轴、扭矩及转角传感器、减速机构、电控单元ECU、电机和电机位置传感器，其特征在于，所述转向盘固定连接在转向管柱带中间轴的顶部，所述扭矩及转角传感器和减速机构均设置在转向管柱带中间轴上，所述转向管柱带中间轴的底部设置有转向器，所述转向器的内部设置有小齿轮轴，所述小齿轮轴活动连接在转向管柱带中间轴的底部，所述转向器的侧面分别固定连接有左拉杆和右拉杆，所述左拉杆的一端固定连接有左轮胎，所述右拉杆的一端固定连接有右轮胎。

2.根据权利要求1所述的一种主动转向***电机转向装置，其特征在于，所述扭矩及转角传感器的输出端与电控单元ECU的输入端电连接，所述电控单元ECU的输出端与电机的输入端电连接，所述ECU的输入端与电机位置传感器的输出端电连接，电机位置传感器的输入由电机的转子位置决定。

3.根据权利要求1所述的一种主动转向***电机转向装置，其特征在于，所述电控单元ECU根据采集转向盘的方向盘扭矩信号、方向盘转角信号、整车输入信号和电机位置信号后进入计算***。

4.根据权利要求1所述的一种主动转向***电机转向装置，其特征在于，所述电机位置传感器霍尔传感器和编码器。

5.一种主动转向***的电机转角助力扭矩估算方法，包括如下步骤：

S1计算方向盘中间位置绝对角度、标定绝对位置角度：

电机位置传感器由霍尔传感器和编码器构成，根据霍尔信号和编码器信号可以得到电机转子相对位置，通过电机位置传感器角度与绝对角度的偏差，完成了电机位置传感器绝对中间位置的计算标定；

S2利用中间位置绝对角度计算***助力需求：

根据电机位置绝对角度估算基础助力需求和电机位置角速度即方向盘转速估算阻尼扭矩需求，在不同的工况中，分配2部分在总助力需求计算中的不同比重，得出***总助力需求。

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