CN111824251B - 一种节能型智能电液转向***及控制方法 - Google Patents

一种节能型智能电液转向***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于车辆控制技术领域，涉及一种节能型智能电液转向***及其控制方法，包括转向部、电动助力部、液压部和控制部；转向部包括依次连接的方向盘、转向轴和转向器，转向轴上设有扭矩转角传感器，当方向盘带动转向轴转动时，扭矩转角传感器检测转向轴的转矩，并将其传输至控制部；控制部与电动助力部和液压部相连，根据转矩启动电动助力部和/或液压部；电动助力部和液压部与转向器连接，并用于对转向器提供能量。其通过引入电动助力部，可以满足不同强度的转向动作中对助力功率的不同需求,充分发挥了电动助力部效率高的优势，使得液压泵驱动电机能够间歇工作，从而降低***的总能耗。

Description

一种节能型智能电液转向***及控制方法
技术领域
本发明涉及一种节能型智能电液转向***及控制方法，属于车辆控制技术领域。
背景技术
新能源客车智能化技术的推广应用对汽车产业的变革具有重大的社会意义。客车特别是城市公交客车行驶路线相对固定、行驶车速较低的特点为客车自动驾驶的实现奠定了良好基础，更长的续航里程和更高的环保要求对客车的进一步节能提出了新的要求。转向***不仅是新能源客车实现智能驾驶的关键子***，同时也是其行驶过程中主要耗能部件之一。目前新能源客车普遍配备的电动泵式液压助力转向***(Electro-hydraulicPower Steering System，简称EHPS)不仅无法实现车辆的横向自动控制，同时由于该***自身设计要求的限制，导致能量利用率过低。因此，开发新一代节能型智能电液转向***是实现新能源客车智能化，以及进一步节能化的重要手段。
现有研究大多集中于电动泵式液压助力转向***节能性的研究，如公开号为CN206719320U的中国专利公开了一种商用车蓄能电动液压混合式助力转向***，该***包括高压蓄能器以及并联在转向器入口处的低功率电动泵，用于满足不同强度的转向动作中对助力流量的不同需求，从而降低蓄能器中高压液压油的损失，减少主泵油电机在高负荷段的工作时间，从而降低***的总能耗。但该发明仍然无法克服液压助力转向技术本身效率较低的缺点，且无法实现车辆的横向主动控制。公开号为CN207328584U的中国专利公开了一种基于蓄能器的客车主动转向***，通过蓄能器作为第二液压回路辅助动力源，减轻了***质量，同时避免了采用多个液压泵造成的能量浪费，并且可通过两个液压回路协调配合完成主动转向功能。但该***结构复杂，且仍然无法克服液压助力转向技术本身效率较低、***响应较差的缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种节能型智能电液转向***及控制方法，其通过引入电动助力部，可以满足不同强度的转向动作中对助力功率的不同需求,充分发挥了电动助力部效率高的优势，使得液压泵驱动电机能够间歇工作，从而降低***的总能耗。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种节能型智能电液转向***，包括转向部、电动助力部、液压部和控制部；转向部包括依次连接的方向盘、转向轴和转向器，转向轴上设有扭矩转角传感器，当方向盘带动转向轴转动时，扭矩转角传感器检测转向轴的转矩，并将其传输至控制部；控制部与电动助力部和液压部相连，根据转矩启动电动助力部和/或液压部；电动助力部和液压部与转向器连接，并用于对转向器提供能量。
进一步，启动电动助力部和/或液压部的标准为：当转向轴的转矩小于开始提供助力时的转矩，则无需启动电动助力部和液压部；当转向轴的转矩大于开始提供助力时的转矩并小于最大助力输入转矩时，启动电动助力部；当转向轴的转矩大于最大助力输入转矩时，关闭电动助力部，启动液压部；当车辆连续转向时，同时开启电动助力部和液压部。
进一步，电动助力部的输出转矩为：
Figure BDA0002609427810000021
其中，Tm为电动助力部的输出转矩；Td为转向轴的转矩；T0为开始提供助力时转矩；Tmax为最大电动助力输入转矩，Tt为电动助力部能提供的最大转矩，k为助力特性曲线斜率。
进一步，液压部包括储油罐、液压泵、蓄能器和流量控制单元，储油罐连接液压泵，液压泵连接转向器，在液压泵与转向器的油路上设有蓄能器，蓄能器与转向器之间设有流量控制单元，转向器的输出口与储油罐的回油口连接。
进一步，流量控制单元为集成于流量控制单元本体的多组常闭比例电磁球阀，控制部通过控制电磁球阀的开启个数控制液压部的输出转矩。
进一步，电磁球阀的开启个数采用下式计算：
Figure BDA0002609427810000022
u＝[u1]
其中，u1是公式的计算结果，u是电磁球阀的开启个数，取u1的整数部分，Taim是驾驶员输入力矩的目标值，kp、ki分别为PID控制的比例系数和积分系数。需要说明的是，转向器一侧活塞腔(助力腔)产生的空间需要液压油来补偿，否则就会产生真空度，使助力腔压力变小，因此应保证电磁阀开启个数至少为1。
进一步，流量控制单元的进油道上设置与控制器连接的第一压力传感器，以检测蓄能器的出口油压；转向器的进油道上设置与控制器连接的第二压力传感器，以检测转向器的工作压力。
进一步，蓄能器的工作方法为：当蓄能器的出口油压小于最低工作压力时，控制器控制与液压泵连接的液压泵驱动电机开始转动，从而驱动液压泵工作，对蓄能器进行加压；当蓄能器的出口油压达到充满压力时，控制器控制液压泵驱动电机停止。
进一步，液压部还包括第一液压油滤清器和第二液压油滤清器，第一液压油滤清器设于液压泵的进油口；第二液压油滤清器设于储油罐的回油口。
电动助力部的电动助力电机通过减速器与转向轴连接，转向轴连接转向器，转向器为常开式循环球转向器，转向器远离转向轴的一端连接转向摇臂，转向摇臂的另一端连接转向直拉杆。
本发明还公开了一种节能型智能电液转向控制方法，采用如上述任一种的节能型智能电液转向***，包括以下步骤：S1判断驾驶模式，若有人驾驶进入常规模式S2，若无人驾驶进入S3；S2常规模式为当转向轴的转矩小于开始提供助力时的转矩，则无需启动电动助力部和液压部；当转向轴的转矩大于开始提供助力时的转矩并小于最大助力输入转矩时，启动电动助力部；当转向轴的转矩大于最大助力输入转矩时，启动液压部；S3由轨迹规划器输出参考轨迹，并判断参考轨迹是否存在连续的转向和急转弯，若不存在则采用S2中常规模式进行处理，若是则进入下一步；S4开启液压泵驱动电机，并开启电动助力部进行主动循迹控制，若扭矩转角传感器检测到的转矩大于最大电动助力输入转矩Tmax时开启液压部，由液压泵与蓄能器共同提供液压助力，液压部与电动助力部协同工作，以满足转向助力功率需求。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明中转向***通过引入电动助力部，可以满足不同强度的转向动作中对助力功率的不同需求,充分发挥了电动助力部效率高的优势，使得液压泵驱动电机能够间歇工作，从而降低***的总能耗。该***还可以通过电动助力电机的智能闭环调控，实现车辆的多目标横向自动控制。
2、本发明中转向***能够根据转向动作中不同阶段的功率需求进行助力源选择，由于电动助力***效率高但助力功率小，对低强度、小转角转向动作和大转角转向动作的初期阶段采用电动助力；对大转角转向动作的后期阶段，电动助力无法满足助力功率需求，则采用电动***和蓄能器液压***耦合助力，同时可用流量控制单元动态调节液压***流量，从而减小蓄能器中高压液压油在低流量需求阶段的大量损失。
3、本发明的蓄能器能够根据蓄能器出口油压控制液压泵驱动电机的启停，蓄能器压力保持在最低工作压力和充满压力之间，使液压泵驱动电机间歇工作。
附图说明
图1为本发明一实施例中提供的节能型智能电液转向***的结构示意图；
图2为本发明一实施例中提供的蓄能器工作方法的流程图；
图3为本发明一实施例中提供的节能型智能电液转向控制方法的流程图。
附图标记：
1-方向盘，2-转向轴，3-电动助力电机，4-转向器，5-减速器，6-转向摇臂，7-转向直拉杆，8-扭矩转角传感器；9-控制器，10-第一压力传感器，11-第二压力传感器，12-储油罐，13-液压泵，14-蓄能器，15-流量控制单元，16-单向阀，17-液压泵驱动电机，18-第一液压油滤清器，19-第二液压油滤清器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
一种节能型智能电液转向***，如图1所示，包括转向部、电动助力部、液压部和控制部；转向部包括依次连接的方向盘1、转向轴2和转向器4，转向器4优选为常开式循环球转向器4，转向器4与转向轴2之间设置减速器5，电动助力部的电动助力电机通过减速器5与转向轴2连接。转向器4远离转向轴2的一端连接转向摇臂6，转向摇臂6的另一端连接转向直拉杆7。转向轴2上设有扭矩转角传感器8，当方向盘1带动转向轴2转动时，扭矩转角传感器8检测转向轴2的转矩，并将其传输至控制部；控制部与电动助力部和液压部相连，根据转矩启动电动助力部和/或液压部；电动助力部和液压部与转向器4连接，并用于对转向器4提供能量。其中，扭矩转角传感器8优选为集成一体式结构。减速器5优选为蜗轮蜗杆减速。
启动电动助力部和/或液压部的标准为：当转向轴的转矩小于开始提供助力时的转矩，则无需启动电动助力部和液压部；当转向轴的转矩大于开始提供助力时的转矩并小于最大助力输入转矩时，启动电动助力部；当转向轴的转矩大于最大助力输入转矩时，关闭电动助力部，启动液压部；当车辆连续转向时，同时开启电动助力部和液压部。
控制部包括控制器9，以及与控制器9连接的扭矩转角传感器8、第一压力传感器10和第二压力传感器11；其中，该控制器9种包括液压泵驱动电机控制模块、电动助力部控制模块、流量控制单元控制模块等，其通过处理扭矩转角传感器8检测、第一压力传感器10和第二压力传感器11的检测数据，实时监控整个***的工作情况，并对***的工作情况进行调整。
电动助力部包括电动助力电机，该电动助力电机的输出转矩为：
Figure BDA0002609427810000051
其中，Tm为电动助力部的输出转矩；Td为转向轴的转矩；T0为开始提供助力时转矩；Tmax为最大电动助力输入转矩，Tt为电动助力部能提供的最大转矩，k为理想助力转矩模块算出的助力特性曲线斜率。本实施例中电动助力电机优选为永磁同步电机。
液压部包括储油罐12、液压泵13、蓄能器14和流量控制单元15，储油罐12连接液压泵13，液压泵13连接转向器4，在液压泵13与转向器4的油路上设有蓄能器14，蓄能器14与转向器4之间设有流量控制单元15，流量控制单元15为集成于流量控制单元15本体的十二组常闭比例电磁球阀，控制部通过控制电磁球阀的开启个数控制液压部的输出转矩。转向器4的输出口与储油罐12的回油口连接。液压泵13与蓄能器14之间设有一单向阀16。其中，本实施例中液压泵13优选为齿轮泵；蓄能器14优选为囊式蓄能器。
电磁球阀的开启个数采用下式计算：
Figure BDA0002609427810000052
u＝[u1]
其中，u1是公式的计算结果，u是电磁球阀的开启个数，取u1的整数部分，Taim是驾驶员输入力矩的目标值，kp、ki分别为PID控制的比例系数和积分系数。
流量控制单元15的进油道上设置与控制器9连接的第一压力传感器10，以检测蓄能器14的出口油压；转向器4的进油道上设置与控制器9连接的第二压力传感器11以检测转向器4的工作压力。如图2所示，蓄能器14的工作方法为：当蓄能器14的出口油压小于最低工作压力时，控制器9控制与液压泵13连接的液压泵驱动电机17开始转动，从而驱动液压泵13工作，对蓄能器14进行加压；当蓄能器14的出口油压达到充满压力时，控制器9控制液压泵驱动电机17停止。液压泵驱动电机17的输出轴与液压泵13的输入轴在同一直线上，液压泵驱动电机17优选为永磁同步电机。
液压部还包括第一液压油滤清器18和第二液压油滤清器19，第一液压油滤清器18设于液压泵13的进油口；第二液压油滤清器19设于储油罐12的回油口。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种节能型智能电液转向控制方法，采用如实施例一中的任一种节能型智能电液转向***，包括以下步骤：
S1判断驾驶模式，若有人驾驶进入常规模式S2，若无人驾驶进入S3；
S2常规模式为当转向轴的转矩小于开始提供助力时的转矩，则无需启动电动助力部和液压部；当转向轴的转矩大于开始提供助力时的转矩并小于最大助力输入转矩时，启动电动助力部；当转向轴的转矩大于最大助力输入转矩时，启动液压部；
S3在无人驾驶模式时,首先考虑自车与他车、自车与环境道路之间的交互，兼顾自车运动学响应特性及执行***控制输入进行轨迹规划。根据规划出的轨迹控制液压部和电动助力部的输出。由轨迹规划器输出参考轨迹，并判断参考轨迹是否存在连续的转向和急转弯，即高强度、大幅度的转向，本实施例中，将急转弯定义为横向力系数大于0.2的转弯，若不存在则采用S2中常规模式进行处理，若是则进入下一步；
S4开启液压泵驱动电机17，并开启电动助力部进行主动循迹控制，若扭矩转角传感器8检测到的转矩Tmotor大于最大电动助力输入转矩Tmax时开启液压部，由液压泵与蓄能器14共同提供液压助力，液压部与电动助力部协同工作，以满足转向助力功率需求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种节能型智能电液转向***，其特征在于，包括转向部、电动助力部、液压部和控制部；
所述转向部包括依次连接的方向盘、转向轴和转向器，所述转向轴上设有扭矩转角传感器，当所述方向盘带动所述转向轴转动时，所述扭矩转角传感器检测所述转向轴的转矩，并将其传输至所述控制部；
所述控制部与所述电动助力部和液压部相连，根据所述转矩启动所述电动助力部和/或液压部；
所述电动助力部和液压部与所述转向器连接，并用于对所述转向器提供能量；
所述液压部包括储油罐、液压泵、蓄能器和流量控制单元，所述储油罐连接所述液压泵，所述液压泵连接所述转向器，在所述液压泵与所述转向器的油路上设有蓄能器，所述蓄能器与所述转向器之间设有流量控制单元，所述转向器的输出口与储油罐的回油口连接；
所述流量控制单元为集成于流量控制单元本体的多组常闭比例电磁球阀，所述控制部通过控制电磁球阀的开启个数控制所述液压部的输出转矩；
所述电磁球阀的开启个数采用下式计算：
Figure FDA0003459669560000011
u＝[u1]
其中，u1是公式的计算结果，u是电磁球阀的开启个数，取u1的整数部分，Taim是驾驶员输入力矩的目标值，kp、ki分别为PID控制的比例系数和积分系数，Td为转向轴的转矩；Tmax为最大电动助力输入转矩。
2.如权利要求1所述的节能型智能电液转向***，其特征在于，启动所述电动助力部和/或液压部的标准为：
当所述转向轴的转矩小于开始提供助力时的转矩，则无需启动所述电动助力部和液压部；
当所述转向轴的转矩大于开始提供助力时的转矩并小于最大助力输入转矩时，启动所述电动助力部；
当所述转向轴的转矩大于最大助力输入转矩时，启动液压部。
3.如权利要求2所述的节能型智能电液转向***，其特征在于，所述电动助力部的输出转矩为：
Figure FDA0003459669560000021
其中，Tm为电动助力部的输出转矩；Td为转向轴的转矩；T0为开始提供助力时转矩；Tmax为最大电动助力输入转矩，Tt为电动助力部能提供的最大转矩，k为助力特性曲线斜率。
4.如权利要求1所述的节能型智能电液转向***，其特征在于，所述控制部包括控制器，所述流量控制单元的进油道上设置与所述控制器连接的第一压力传感器，以检测蓄能器的出口油压；所述转向器的进油道上设置与所述控制器连接的第二压力传感器，以检测所述转向器的工作压力。
5.如权利要求4所述的节能型智能电液转向***，其特征在于，所述蓄能器的工作方法为：当蓄能器的出口油压小于最低工作压力时，所述控制部控制与液压泵连接的液压泵驱动电机开始转动，从而驱动液压泵工作，对蓄能器进行加压；当蓄能器的出口油压达到充满压力时，所述控制部控制液压泵驱动电机停止。
6.如权利要求5所述的节能型智能电液转向***，其特征在于，所述液压部还包括第一液压油滤清器和第二液压油滤清器，所述第一液压油滤清器设于所述液压泵的进油口；所述第二液压油滤清器设于所述储油罐的回油口。
7.一种节能型智能电液转向控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的节能型智能电液转向***，包括以下步骤：
S1判断驾驶模式，若有人驾驶进入常规模式S2，若无人驾驶进入S3；
S2所述常规模式为当所述转向轴的转矩小于开始提供助力时的转矩，则无需启动所述电动助力部和液压部；当所述转向轴的转矩大于开始提供助力时的转矩并小于最大助力输入转矩时，启动所述电动助力部；当所述转向轴的转矩大于最大助力输入转矩时，启动液压部；
S3由轨迹规划器输出参考轨迹，并判断所述参考轨迹是否存在连续的转向和急转弯，若不存在则采用S2中所述常规模式进行处理，若是则进入下一步；
S4开启液压泵驱动电机，并开启电动助力部进行主动循迹控制，若扭矩转角传感器检测到的转矩大于最大电动助力输入转矩Tmax时开启液压部，由液压泵与蓄能器共同提供液压助力，液压部与电动助力部协同工作，以满足转向助力功率需求。
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