基于直线电动机控制转向力的汽车转向系统 【技术领域】
本发明涉及一种汽车转向控制系统，其转向力控制又涉及到直线电动机控制技术。
背景技术
为提高对汽车转向盘操纵的轻便性和灵敏性，现代汽车转向系均要求通过动力来助力。常规的动力转向助力有采用液压、气压和电动三种方式，前两种存在能耗大、响应慢等缺点。随着电动汽车的发展，并按电动汽车各相关控制特点，要求采用电子控制电动助力转向系统最为合适。而现有的电动助力转向系统是采用旋转电动机，并需经电磁离合器、齿轮减速传动等机械机构，存在机构庞杂，占用空间大，响应速度较慢等缺点。
【发明内容】
为了克服已有的汽车转向控制系统的机构庞杂，占用空间大，响应较慢的不足，本发明提供一种简化传动机构、占用体积小、控制直接、响应速度快的基于直线电动机控制转向力的汽车转向系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于直线电动机控制转向力的汽车转向系统，包括电子控制器、电动机驱动器、转向盘以及左、右转向轮，所述转向盘下端连接转向轴，所述转向轴上安装转向盘转角传感器，所述转向盘转角传感器与所述电子控制器连接，左转向轮连接左转向节臂，所述左转向节臂与左横拉杆铰接，右转向轮连接右转向节臂，所述右转向节臂与右横拉杆铰接，所述电子控制器连接电动机驱动器，所述汽车转向控制系统还包括直线电动机，所述电动机驱动器连接所述直线电动机，所述直线电动机包括定件和动件，所述动件可往复平移地贯穿于所述定件的中空空腔，所述定件上绕有电磁绕组，所述动件的左端与所述左横拉杆连接，所述动件的右端与所述右横拉杆连接，所述动件上安装转向轮转角传感器，所述转向轮转角传感器与所述电子控制器连接。
进一步，所述转向轴与齿轮输入轴连接，所述齿轮输入轴的末端安装小齿轮，所述动件一端呈齿条形，所述小齿轮与所述齿条形啮合。
再进一步，所述直线电动机为直线步进电动机。
或者是：所述直线电动机为三相直线步进电动机。
本发明的技术构思为：它是在原有最简单的机械转向系基础上增加了一套由直线电动机助力的控制装置。由于采用了电动助力，原机械转向系的转向器内的减速增扭机构可以省去，保留必需的转向盘、转向轴、齿轮齿条付、横拉杆、转向节臂及其转向轮。也就是采用直线电动机来替代目前最为先进的电子控制电动助力转向系统EPS所用旋转电动机对转向器中齿条的助力，省去了电磁离合器、减速机构及其传动件，使其结构更紧凑、控制更直接、响应更快。由直线电动机助力的控制装置除了直线电动机及其驱动器外，所需的电子控制器、转向盘转角(或扭矩)传感器、转向轮转角传感器和车速传感器等也是现有采用旋转电动机助力的转向系统中已有的，可予以套用。
直线电动机采用直线步进电动机，其结构组成如附图2所示。直线步进电动机的动件直接与转向器齿条相连，整个直线步进电动机套装在转向器齿条机构上，几乎不占用空间。由于对转向器的助力并不很大，其齿条的直线位移量也不长，用一台小型直线步进电动机足以驱动。其控制方式、原理特点与现有的电子控制电动助力转向系统EPS基本类同，只不过对电动机的驱动需改用步进电动机脉冲分配的方式。对于采用轮毂电机驱动的电动汽车，其车速传感器信号即可借用轮毂电机本身具有的转角传感器信号，经微机运算处理后得到相应的车速信号；或兼用电子差速转向所需的车速信号。作为采用直线步进电动机助力的转向系统，由于步进电动机本身即可方便地实现开环位置控制，所以如精度要求不太高时，其转向轮转角传感器在此也可省去。由于该发明的优选实施例其最大的不同点是采用了直线步进电动机，为清楚起见，在此说明一下直线电动机特点和一种可供选用的三相直线步进电动机的工作原理，该电动机的结构原理如附图3所示。
所谓直线电动机是把旋转电动机沿径向剖开拉直演变而成，它是由电能直接转换成直线机械运动的一种推力装置。就控制理论来说直线电动机用于直线位移机构，将使其控制变得更直接，动态响应更快，并且由于省去一些机械传动件，将使其机械结构更简捷，消除了其机械间隙，有利于提高精度、传动刚度、能量转换效率以及降低噪声等。从直线电动机的工作原理来讲，它与旋转电动机一样，同样也有直流、交流、步进、永磁等类型。而从其结构来讲，它又有动圈式、动铁式、平板型、圆筒型等多种形式，即直线电动机可演变生化出比旋转电动机更多的种类。使得电动机的结构形式可按其应用机构的需要来选择更适应的方案。随着现代电动机直接转矩控制技术、机电一体化及相关技术的不断发展完善，将使直线电动机的应用领域越来越广泛。
直线电动机的动件、定件相当于旋转电动机的转子、定子。三相直线步进电动机的动、定件上均开有如附图3所示的齿槽，并用硅钢片冲制叠压而成。动件、定件的齿距须为一定的关系式，设电动机相数为m，动件齿距为b，则定件的齿距p＝(k+1/m)b，k为任意正整数。为电动机绕组引线方便，通常做成动铁式，即带绕组线圈的为定件，它固定在电动机外壳上，而动件可采用直线滚动导轨来上下固定，使其能左右移动，也可直接与被驱动进行直线位移的机械部件相连。电动机的外形根据需要可做成长矩形或圆筒形等多种形式。步进电动机是按变磁阻原理运行，即遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合。如在图中所示动件相对定件的位置时，给A相绕组通电励磁，则A相磁极所产生的磁场力就会力求使磁路磁阻减少，即对动件产生向右移地磁拉力，使得动件的凸极齿尽可能多地与A相磁极的凸齿对齐，于是动件在其磁拉力的作用下向右移动了1/3动件齿距b(即图示C相与动件齿对齐的位置)。如果依次轮流对A→B→C→A三相绕组通电，则动件向右位移；而通电顺序为B→A→C→B时，动件就向左位移。按制造工艺及精度使动件的齿距做得越小，则每一脉冲的位移量(脉冲当量)就越小。以上描述的是三相单三拍通电方式，实际使用时一般采用三相六拍或三相双三拍通电方式，三相六拍通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A；三相双三拍通电顺序为：AB→BC→CA→AB。三相六拍的脉冲当量比三相三拍小一半，即三相六拍的脉冲当量为1/6动件齿距b；而三相三拍的脉冲当量为1/3动件齿距b。
从上述直线步进电动机的工作原理可知，系统每发一个脉冲，电动机动件位移一个脉冲当量，控制系统所发脉冲数即可控制电动机的位移量，因此可方便地实现开环位置控制。并且控制脉冲频率即可控制其位移速度；控制各相通电顺序即可控制位移方向；保持电动机通电状态即可使电动机自锁不动；在磁路非饱和状态下，改变通电电流大小即可改变驱动位移的磁拉力。在此作为转向机构助力应用时，即可很方便地按车速来控制其助力的大小。
为进一步说明该转向控制系统的工作过程，还需先表明其电子控制器的控制策略。由于车轮转向时，轮胎与地面的摩擦阻尼随车速的增大而减小，因此对转向控制系统的助力要求随汽车车速减小而增大。如在汽车进行低速选位停车时，对无助力的传统机械转向系方向盘的转向操作会十分费力。而在车速很高时其方向盘的转动会轻得发“飘”，对转向盘微小的作用力就会使汽车偏离行驶方向，并且由于路面不平撞击转向轮时极易产生反向冲击传到转向盘，造成“打手”现象。为对转向盘有良好的稳定操作感受，使驾驶员通过转向盘对转向过程中车轮与地面之间的运动状况能始终保持适当的“路感”，在汽车高速行驶时又希望的对转向系统有一种“反向”助力，即适当增加转向系的阻尼。这一点对于现有的转向系较难做到，而对于本发明用直线步进电动机助力就很容易实现，根据前述直线步进电动机的工作原理可知，只要保持电动机的通电状态即可使电动机具有一定自锁力，控制其通电电流大小即可改变定、动件之间的磁拉力大小。从而即可按车速信号根据要求来控制其转向助力的大小，随着车速的提高即减小绕组通电电流，其转向助力也随之减小；当车速高于相应速度(一般为30km/h)时就取消给转向系助力，即停止给直线步进电动机供电；而当车速高到一定程度，希望能给转向系逐渐增加其阻尼时，可使直线步进电动机绕组保持通电状态而产生自锁力，控制其电流大小即能改变对转向系的阻尼大小。达到了对转向盘的操纵即轻便灵敏又稳定可靠。
现参照附图2再来说明该电子控制直线步进电动机助力的转向系统的结构组成和工作过程。所述转向盘中心与转向轴连接，所述转向轴上安装转向盘转角传感器，所述转向盘转角传感器与电子控制器连接，即转向盘转角传感器信号输入电子控制器内，所述转向轴与齿轮输入轴连接，所述齿轮输入轴的末端与齿轮齿条付的小齿轮中心轴连接，所述齿轮齿条付的齿条与直线步进电动机的动件固定连接，两头端部又分别与左右横拉杆一端连接，所述左右横拉杆的另一端分别与左右转向节臂的一端铰接，所述左右转向节臂的另一端分别与左右转向轮连接，所述电子控制器连接电动机驱动器，所述电动机驱动器输出控制直线步进电动机的定件绕组。所述齿轮齿条付的齿条上安装转向轮转向角传感器，所述转向轮转向角传感器与所述电子控制器连接，车速传感器与所述电子控制器连接。转向系统的工作过程如下：
驾驶员操纵转向盘时，转向盘经转向轴、齿轮输入轴带动齿轮齿条付的小齿轮，小齿轮与齿条形啮合，由齿条形带动左、右横拉杆，左、右横拉杆分别带动左、右转向节臂，左、右转向节臂再带动左、右转向轮，由于左、右转向节臂成相应梯形角度，使得内、外侧转向轮的偏转角不等，并符合相应的要求，这些与常规转向系的工作过程都一致。而转向助力是由电子控制器根据转向轮转角传感器、车速传感器以及转向盘转角传感器的信号，按前述控制策略经分析判断输出控制信号至电动机驱动器，控制直线步进电动机运行。根据转向盘转角传感器信号(转向盘转动量)控制直线步进电动机位移量；利用转向轮转向角传感器信号实现闭环控制，精确控制其位移量；根据车速进行相应的助力，如前述控制策略要求所述，即在低速时给予较大助力，随车速提高而减小助力，车速高到一定范围时停止助力，而当车速很高时又利用其自锁力来适当增加其转向系阻尼。
为进一步简化转向系的机构，去掉转向盘至横拉杆中间的一切传动链，包括齿轮输入轴及齿轮齿条付。转向盘经转向轴安装有转向盘转向角传感器，并适当增加其转动阻尼，独立安置于驾驶室内，如图1所示。由直线步进电动机的动件两端直接与左右横拉杆相连，电子控制器根据转向盘的转向角度信号及车速信号，来控制直线步进电动机动件进行左右位移，经横拉杆、转向节臂传动，进而控制车轮转向。在确保系统可靠性的前提下，该方案的优点是结构更简单、所占体积更小、成本低、控制更直接、响应速度更快。但一旦系统发生故障，汽车就没法转向了。而用在汽车四轮转向4WS系统的后轮转向机构中却是优选的方案。
本发明的有益效果为：简化传动机构、占用体积小、控制直接、响应速度快。
【附图说明】
图1是实施例1的直线电动机控制转向系统的结构原理图。
图2是实施例2的直线电动机控制转向系统的结构原理图。
图3是三相直线步进电动机的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做详细的说明
实施例1
参照图1和图3，一种基于直线电动机控制转向力的汽车转向系统，包括电子控制器3、电动机驱动器4、转向盘11以及左转向轮9、右转向轮10，所述转向盘11下端连接转向轴14，所述转向轴14上安装转向盘转角传感器13，所述转向盘转角传感器13与所述电子控制器3连接，左转向轮9连接左转向节臂7，所述左转向节臂7与左横拉杆5铰接，右转向轮10连接右转向节臂8，所述右转向节臂8与右横拉杆6铰接，所述电子控制器3连接电动机驱动器4，所述汽车转向控制系统还包括直线电动机，所述电动机驱动器连接所述直线电动机，所述直线电动机包括定件1和动件2，所述动件2可往复平移地贯穿于所述定件1的中空空腔，所述定件1上绕有电磁绕组，所述动件2的左端与所述左横拉杆5连接，所述动件2的右端与所述右横拉杆6连接，所述动件2上安装转向轮转角传感器12，所述转向轮转角传感器12与所述电子控制器3连接。
所述直线电动机为直线步进电动机。或者是：所述直线电动机为三相直线步进电动机。
本实施例大大简化了转向系的机构，去掉转向盘至横拉杆中间的一切传动链，包括齿轮输入轴及齿轮齿条付。转向盘内安装有转向盘转向角传感器，并适当增加其转动阻尼，独立安置于驾驶室内，如图1所示。由直线步进电动机的动件两端直接与左右横拉杆相连，电子控制器根据转向盘的转向角度信号及车速信号，来控制直线步进电动机动件进行左右位移，经横拉杆、转向节臂传动，进而控制车轮转向。在确保系统可靠性的前提下，该方案的优点是结构更简单、所占体积更小、成本低、控制更直接、响应速度更快。但一旦系统发生故障，汽车就没法转向了。而用在汽车四轮转向4WS系统的后轮转向机构中却是优选的方案。
实施例2
参照图2和图3，本实施例的转向轴14与齿轮输入轴15连接，所述齿轮输入轴15的末端安装小齿轮16，所述动件一端呈齿条形17，所述小齿轮16与所述齿条形17啮合。
参照附图2再来说明该电子控制直线步进电动机助力的转向系统的结构组成和工作过程。所述转向盘11通过转向轴14与齿轮输入轴15连接，所述转向轴14上安装转向盘转角传感器13，所述转向盘转角传感器13与电子控制器3连接，即转向盘转角传感器13信号输入电子控制器3内，所述齿轮输入轴15下端与齿轮齿条付的齿轮中心轴连接，所述齿轮齿条付的齿条形17与直线步进电动机的动件固定连接或者呈一体，两头端部又分别与左、右横拉杆一端连接，所述左、右横拉杆的另一端分别与左、右转向节臂的一端铰接，所述左、右转向节臂的另一端分别与左、右转向轮连接，所述电子控制器3连接电动机驱动器4，所述电动机驱动器4输出控制直线步进电动机的定件绕组。所述齿轮齿条付的齿条形17上安装转向轮转向角传感器12，所述转向轮转向角传感器12与所述电子控制器3连接，车速传感器与所述电子控制器3连接。转向系统的工作过程如下：
驾驶员操纵转向盘时，转向盘11经转向轴14、齿轮输入轴15带动齿轮齿条付的小齿轮16，小齿轮16与齿条形17啮合，由齿条形17带动左、右横拉杆，左、右横拉杆分别带动左、右转向节臂，左、右转向节臂再带动左、右转向轮，由于左、右转向节臂成相应梯形角度，使得内、外侧转向轮的偏转角不等，并符合相应的要求，这些与常规转向系的工作过程都一致。而转向助力是由电子控制器根据转向盘转角传感器、车速传感器以及转向轮转角传感器的信号，按前述控制策略经分析判断输出控制信号至电动机驱动器，控制直线步进电动机运行。根据转向盘转角传感器信号(转向盘转动量)控制直线步进电动机位移量；利用转向轮转向角传感器信号实现闭环控制，精确控制其位移量；根据车速进行相应的助力，如前述控制策略要求所述，即在低速时给予较大助力，随车速提高而减小助力，车速高到一定范围时停止助力，而当车速很高时又利用其自锁力来适当增加其转向系阻尼。