融合电动助力转向功能的主动转向系统及控制方法 【技术领域】
本发明涉及汽车转向系统领域，特别是涉及一种汽车使用的主动转向系统。
背景技术
汽车动力转向系统包括电控液压动力转向系统、电动助力转向系统和主动转向系统。
申荣卫博士论文《电动客车电动助力转向系统开发与试验技术研究》介绍了一种典型电控液压动力转向系统，它将车速信号引入液压转向系统，得到车速感应型助力特性，并增加了控制器和执行机构。控制器根据车速信号，改变电液转换装置的助力特性，达到在低速或急转弯行驶时助力较大，以满足转向轻便性的要求；高速时助力较小，以满足路感和操纵稳定性的要求。但由于电控液压动力转向系统仍然采用液压系统，液压系统的缺点依然难以克服，同时在液压系统的基础上增加了传感器和控制器，使整个系统成本增加。
电动助力转向系统是在电控液压动力转向系统基础上发展起来的一种新型的、很有发展前途的动力转向系统。施国标博士论文《电动助力转向助力特性仿真与控制策略研究》介绍了一种典型的电动助力转向系统，它在原有的机械转向系统的基础上，根据车速传感器和转矩传感器检测的信号，由电子控制单元(ECU)计算所需要的转向助力大小，并通过驱动电路控制电动机，使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，获得理想转向特性。该系统主要由机械转向装置、转矩传感器、车速传感器、助力电动机、减速机构、电子控制单元(ECU)等构成。电动助力转向系统解决了转向轻便性的问题，保证驾驶员具有良好的路感；同时，电动助力转向系统还可进行回正控制，提高汽车的回正性能。但是，电动助力转向系统由于传动比固定，不能根据车辆运行工况改善整车的操纵稳定性，因而汽车的安全性存在隐患。
主动前轮转向(AFS.Active front steering)通过电机根据车速和行驶工况改变转向传动比。低速时，转向传动比较小，以减少转向盘的转动圈数，提高汽车的机动性和灵活性；高速时，转向传动比较大，以降低转向灵敏性，提高汽车的稳定性和安全性。同时，系统中的机械连接使得驾驶员直接感受到真实的路面反馈信息。因此，主动前轮转向为车辆行驶的灵敏性、舒适性和安全性设定了新标准，代表着转向技术的发展趋势。
目前，现有的宝马等主动转向系统仍然都采用电控液压动力转向系统实现车速型助力，因此无法克服传统电控液压动力转向系统控制的不足，存在转向系统助力大小不能随路面状况及转向盘转矩变化、无转向盘回正控制、液压系统泄露及低温工作性能不良等弊端。
【发明内容】
本发明提供一种能够根据车辆运行工况改善整车操纵稳定性，改善驾驶员路感、汽车回正性能更强的融合电动助力转向功能的主动转向系统及控制方法。
一种融合电动助力转向功能的主动转向系统，依次包括转向盘、转向输入轴、行星齿轮机构、转向输出轴、转向机、转向横拉杆，还包括安装于行星齿轮机构上的转向电机；还包括转向盘转角传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器，以及以转向盘转角传感器信号、横摆角速度传感器信号、侧向加速度传感器信号为基础，根据整车的操纵稳定性计算出转向系统的理想传动比和转向角修正量，向上述转向电机发出控制信号驱动上述行星齿轮机构实施变传动比控制和主动转向干预控制的ECU；特征在于：
该系统还包括：安装于上述转向输入轴上的转向盘转矩传感器、与转向机小齿轮相连的涡轮蜗杆减速机构、与该涡轮蜗杆减速机构相连的助力电机；上述ECU还接收转向盘转矩传感器测得转向盘转矩信号，还向所述助力电机发出控制信号。
利用上述融合电动助力转向功能的主动转向系统的控制方法，其特征在于包括以下过程：
(a)、ECU以转向盘转角传感器、横摆角速度传感器信号、侧向加速度传感器信号为基础，根据整车的操纵稳定性计算出转向系统的理想传动比和转向角修正量，向转向电机发出控制信号，驱动行星齿轮机构实施变传动比控制和主动转向控制；
(b)、ECU接收转向盘转矩传感器信号，向助力电机发出控制信号，驱动助力电机通过涡轮蜗杆减速机构进行转向系统助力控制和回正控制，实施电动助力转向功能，所述涡轮蜗杆减速机构将助力电机输出的力矩实施减速增扭，在转向机齿条上与转向盘力矩进行叠加，通过转向横拉杆共同驱动车轮转向；
(c)、上述助力电机的助力力矩大小的产生是先由助力特性曲线根据汽车CAN总线车速信号和转向盘转矩传感器信号得到助力电机理想电流，助力电机理想电流与助力电机实际电流相减得到输出响应偏差量，再由所述输出响应偏差量经助力特性控制器产生助力电机助力控制电压，然后输出助力力矩；
(d)、上述助力电机的回正力矩大小的产生是先把转向盘转角传感器信号和由助力电机转角变换得到的转向盘理想转角信号发送给ECU，ECU根据转向盘转角传感器信号和转向盘理想转角信号得到转向盘转角偏差和转向盘转角偏差率，经回正控制器(30)决定助力电机回正控制电压大小，然后由助力电机输出回正力矩。
本发明和现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明是在传统的主动转向系统中增加转向盘转矩传感器、助力电机及涡轮蜗杆减速机构，转向盘转矩传感器测得转向盘转矩信号，发送给ECU，主动转向电机根据ECU信号，与行星齿轮机构实施变传动比控制和主动转向干预控制，然后经助力电机根据ECU信号，与涡轮蜗杆减速机构实施电动助力转向控制，使得主动转向系统同时具有主动转向功能和电动助力转向功能。
(2)本发明用助力电机及涡轮蜗杆减速机构代替原有的液压助力控制系统，可避免液压油泄露造成的环境污染；同时当系统不需要助力时，助力电机不工作，因此更加节能。
(3)本发明可实施转向系统助力控制，使汽车在不同工况下能够根据路面状况和驾驶员输入转矩大小提供合理的助力力矩，保证驾驶员获得更好的路感。
(4)本发明可实施转向系统回正控制，使转向盘能够迅速回到原位，避免传统主动转向系统在低速时出现回正不足和在高速时出现回正超调现象，提高转向系统的性能。
【附图说明】
图1是本发明实施例的融合电动助力转向功能的主动转向系统的原理框图。
图2是本发明实施例的主动转向系统实施助力控制原理框图。
图3是本发明实施例的主动转向系统实施回正控制原理框图。
图中标号名称：1.转向盘，2.转向输入轴，3.转向盘转矩传感器，4.转向电机，5.行星齿轮机构，6.转向输出轴，7.助力电机，8.涡轮蜗杆减速机构，9.转向机，10.转向横拉杆，11.车轮，12.助力电机控制信号，13.助力电机反馈信号，14.转向电机控制信号，15.转向电机反馈信号，16.转矩传感器信号，17.ECU，18.CAN总线车速信号，19.转向盘转矩传感器信号，20.助力电机理想电流，21.助力电机实际电流，22.输出响应偏差量，23.助力特性控制器，24.助力电机助力控制电压，25.助力力矩，26.转向盘转角传感器信号，27.转向盘理想转角信号，28.转向盘转角偏差，29.转向盘转角偏差率，30.回正控制器，31.助力电机回正控制电压，32.回正力矩。
【具体实施方式】
为了更好地理解本发明的技术特点，下面结合附图对本发明作进一步地说明。
参见图1所示，本发明融合电动助力转向功能的主动转向系统及控制方法包括一助力电机及涡轮蜗杆减速机构，助力电机7和涡轮蜗杆减速机构8相连，涡轮蜗杆减速机构8与转向机9相连。当驾驶员转动转向盘1时，装在转向输入轴2上的转向盘转矩传感器3获得的转向盘转矩传感器信号16以及转角传感器、侧向加速度传感器和横摆角速度传感器获得的信号，传递给ECU17，ECU17根据这些信号给转向电机4发送一个转向电机控制信号14，即通过行星齿轮机构5来提供附加转角，实施变传动比控制和主动转向干预控制；然后，ECU17根据转向电机4发回的转向电机反馈信号15，给助力电机7发送一个助力电机控制信号12，确定助力电机7助力力矩和回正控制力矩大小，助力电机7力矩经涡轮蜗杆减速机构8减速增扭之后，在转向机9齿条上与转向盘力矩进行叠加，通过转向横拉杆10共同驱动前轮11转向，实施电动助力转向助力控制、回正控制。
主动转向系统实施助力控制原理框图如图2所示，由汽车CAN总线车速信号18和转向盘转矩传感器信号19发送给ECU17，ECU17由助力特性曲线根据汽车CAN总线车速信号18和转向盘转矩传感器信号19得到的助力电机理想电流20，并与助力电机实际电流21相减得到输出响应偏差量22，再由所述输出响应偏差量22经助力特性控制器23决定助力电机助力控制电压24大小，然后输出助力力矩25，实施电动助力转向助力控制。
主动转向系统实施回正控制原理框图如图3所示，由转向盘转角传感器信号26和由助力电机7转角变换得到的转向盘理想转角信号27发送给ECU17，ECU17根据转向盘转角传感器信号26和转向盘理想转角信号27得到转向盘转角偏差28和转向盘转角偏差率29，经回正控制器30决定助力电机回正控制电压31大小，然后由助力电机7输出回正力矩32，实施电动助力转向回正控制。