车辆半主动转向控制装置
技术领域
本发明涉及一种车辆转向装置，尤其是能改变转向传动比、提高车辆行驶稳定性的转向装置。
背景技术
目前，已经在轿车中安装使用的电子转向系统可分为两大类：电动助力转向系统(英文简写为EPS)和主动前轮叠加转向系统(英文简写为AFS)。而线控转向系统(英文简写为SBW)由于技术不成熟，成本高和安全系数低等原因未能在汽车上广泛应用。
传统的EPS电动助力转向系统虽然能够起到很好的助力效果，但是该电动助力转向系统传动比固定，组成转向系统的各零件之间刚性连接，因此，一方面只能实现助力的目的，让驾驶员感到轻便，而没有主动转向的优点，无法实现转向系统传动比可变，则在高速行驶时稳定性不好；另一方面，各机械零件间的刚性连接在汽车碰撞时会对驾驶员造成一定伤害，存在安全隐患。
主动前轮转向叠加系统虽然可以实现变传动比，但需要行星齿轮组，结构复杂，而且该转向系统的各零件也都以刚性连接，则与EPS电动助力转向系统一样，存在安全隐患。
主动线控转向去除了转向柱等中间部分元件，使得转向机构大大简便，有利于车辆前部的空间布置且碰撞时安全性提高。但是线控系统一旦出现电子故障，转向就会失效，可靠性低，所以目前在汽车上还未使用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种车辆半主动转向控制装置，其在转向输入轴和转向输出轴之间连接柔性扭杆，同时采用转向控制装置控制助力电机对转向输出轴提供助力，控制反馈电机对转向输出轴提供动力，实现该转向控制装置的可变传动比，同时吸收车辆碰撞时的碰撞能量，提高驾驶员驾驶的舒适度，另外，本发明可靠性高。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种车辆半主动转向控制装置，包括与方向盘连接的转向输入轴、转向输出轴以及转向控制装置，其特征在于，所述转向输入轴和转向输出轴通过柔性扭杆连接，同时转向输出轴与助力电机的动力输出端连接，而转向输入轴则与反馈电机的动力输出端连接，另柔性扭杆与转向输出轴的连接部位安装扭矩传感器，而反馈电机则设置有角度传感器，所述转向控制装置包括助力转向模块、助力修正模块以及力矩反馈模块，所述助力转向模块根据扭矩传感器、车速传感器的反馈信息对助力电机运转进行控制，助力修正模块根据角度传感器以及车速传感器的反馈信息对助力电机运转进行控制，而力矩反馈模块根据角度传感器的反馈信息对反馈电机运转进行控制。
进一步地，所述柔性扭杆的扭转刚度为10～15N·m/rad。
进一步地，所述转向输出轴与转向输入轴之间设置有限制两者相对扭转角度的限位装置。
进一步地，所述限位装置为分别设置于所述转向输入轴和转向输出轴相对端面上的两个限位块。
进一步地，所述助力电机与转向输入轴之间通过涡轮蜗杆传动机构连接，且反馈电机与转向输出轴之间也通过涡轮蜗杆传动机构连接。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
1、本发明在转向输入轴和转向输出轴之间连接柔性扭杆，以替代传统技术中转向输入轴和转向输出轴的刚性连接，柔性扭杆刚度较小，行驶过程中，车轮通过柔性扭杆传递到方向盘的冲击力较小，减低了驾驶员驾驶过程中，由于车辆振动所造成的手臂疲劳程度；另外，与刚性连接相比，柔性扭杆的存在，使得驾驶员在旋转方向盘同样的角度时，所施加的力矩较小，转向驾驶更为轻便。
2、本发明采用助力转向模块控制助力电机对转向输出轴提供助力，即助力转向模块根据车辆传感器所检测到的车速V和扭矩传感器所反馈的扭矩信号T，通过查找助力曲线图，得到目标电流Ip；同时通过检测电机实际电流It，把实测电流It对目标电流Ip进行差值跟踪的PID控制，以输出电压信号对助力电机进行控制，使得驾驶员握住方向盘转向时较为轻便；
3、本发明采用助力修正模块控制助力电机对转向输出轴的动力提供，即助力修正模块根据角度传感器检测到的方向盘转角信号W以及车速传感器反馈的车速V，经整车动力学模型model计算，判断车辆的行驶状况，若判断结果为正常的车辆行驶状况，不对助力电机进行电压修正，但判断结果为非正常的车辆行驶状况，将进行进一步的计算，以对助力电机修正所需的电压值，最后送入执行器进行助力电机控制。同时，反馈电机提供了可变的扭矩，以使得驾驶员驾驶过程中，转向时具有一定的阻力；另外，对于反馈电机来说，驾驶员感受到的转向力矩来自助力电机反馈以及路面车轮行驶力通过柔性扭杆传到方向盘的总和，然而，车轮行驶力传到方向盘要经过柔性扭杆，柔性扭杆刚性较小，而具有一定弹性，因此，不仅可以起到降低振动的目的，同时真正传到方向盘的力(一些微小的路面噪声)几乎可以忽略不计。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述车辆半主动转向控制装置的立体结构示意图；
图2是本发明所述车辆半主动转向控制装置的限位块设置示意图；
图3是本发明转向控制装置的程序流程图；
图4是本发明转向控制装置的工作原理图；
图5是本发明转向控制装置的助力转向模块程序图；
图6是本发明转向控制装置的助力曲线图；
图7是本发明转向控制装置的总体程序原理图；
图中，1.方向盘，2.转向输入轴，3.反馈电机，4.助力电机，5.转向输出轴，6.柔性扭杆，7.角度传感器，8.扭矩传感器，9.转向控制装置，10.蓄电池。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，本发明所述的车辆半主动转向控制装置，包括与方向盘1连接的转向输入轴2、转向输出轴5以及转向控制装置9，所述转向输入轴2和转向输出轴5通过柔性扭杆6连接，所述柔性扭杆6置于转向管柱的内部，且该柔性扭杆6的一头以花键形式与转向输出轴5连接，另外一头以铰制孔与转向输入轴2连接，材料选用柔韧性好、疲劳强度高的聚合物或高分子材料，柔性扭杆6的扭转刚度为10～15N·m/rad。同时转向输出轴5与助力电机4的动力输出端通过涡轮蜗杆传动机构连接，而转向输入轴2则与反馈电机3的动力输出端通过涡轮蜗杆传动机构连接，由于反馈电机3提供的力矩较小，采用小型直流电机即可满足，另柔性扭杆6与转向输出轴5的连接部位安装扭矩传感器8，而反馈电机3则设置有角度传感器7，即可以将反馈电机3与角度传感器7集成一体，扭矩传感器8以及角度传感器7将检测到的扭矩信号、方向盘1转角信号以及角加速度信号反馈给转向控制装置9，所述转向输出轴5与转向输入轴2之间设置有限制相对扭转角度的装置，如图2所示，所述转向控制装置9包括助力转向模块、助力修正模块以及力矩反馈模块，所述助力转向模块根据扭矩传感器8、车速传感器的反馈信息对助力电机4运转进行控制，而助力修正模块根据角度传感器7以及车速传感器的反馈信息对助力电机4运转进行控制。在车辆正常工况下，系统实现转向轻便，在车辆危险工况下，助力电机4会提供较小助力，减小输出轴转角，从而防止车轮转向过度，防止车辆侧翻。
所述转向输入轴2和转向输出轴5的相对端面上分别设置有两个用于限制转向输入轴2与转向输出轴5之间旋转角度的限位块。如图2所示，转向输入轴2和转向输出轴5的相对面上分别焊接两个限制运动的限位块，在转向输入轴2和转向输出轴5没有相对转动时，限位块成十字分布(限制相对转角最大90度)，在相对旋转角度达到90度后，限位块分别两两接触，转向输入轴2和转向输出轴5相当于一同旋转。这样做的目的是为了保证驾驶的安全性。当电子系统出现故障时，需要仍能实现转向，如果刚度较小，随着转向盘的转角加大，车轮转角仍很小，不利于在短时间内达到所需转向的角度。所以需要在达到一定角度时，刚度又能够变得足够大，这时相当于刚性很高的连杆，车轮在短时间内可以实现大角度的旋转。所以我们需要的柔性扭杆6刚度符合这样的要求：在扭转角90度(即1.57rad)前，刚度保持不变，为10Nm/rad，大于90度时，刚度变得非常大。
如图3至6所示，本发明采用助力转向模块控制助力电机4对转向输出轴5提供助力，即助力转向模块根据车辆传感器所检测到的车速V和扭矩传感器8所反馈的扭矩信号T，通过查找如图6所示的助力曲线图，得到目标电流Ip；同时通过检测电机实际电流It，把实测电流It对目标电流Ip进行差值跟踪的PID控制，以输出电压信号对助力电机4进行控制，使得驾驶员握住方向盘1转向时较为轻便。同时，本发明采用助力修正模块控制助力电机4对转向输出轴5的动力提供，即助力修正模块根据角度传感器7检测到的方向盘1转角信号W以及车速传感器反馈的车速V，经整车动力学模型model计算，判断车辆的行驶状况，若判断结果为正常的车辆行驶状况，不对助力电机4进行电压修正，但判断结果为非正常的车辆行驶状况，将进行进一步的计算，以对助力电机4修正所需的电压值，最后送入执行器进行助力电机4控制，由此可知，助力电机4还能通过调整转向输出轴5的运转控制转向输出轴5，达到调整车轮转角的目的，保证车辆行驶的平稳性。反馈电机3提供了可变的扭矩，以使得驾驶员驾驶过程中，转向时具有一定的阻力；另外，对于反馈电机3来说，驾驶员感受到的转向力矩来自助力电机4反馈以及路面车轮行驶力通过柔性扭杆6传到方向盘1的总和，然而，车轮行驶力传到方向盘1要经过柔性扭杆6，柔性扭杆6刚性较小，而具有一定弹性，因此，不仅可以起到降低振动的目的，同时真正传到方向盘1的力(一些微小的路面噪声)几乎可以忽略不计。
车辆在正常工况时，如行驶中缓慢转弯、原地转向等，转向控制装置9对助力电机4的控制原理是根据扭杆扭矩和车速，通过查助力曲线表得到一定的电流值，对电机执行控制。与传统转向系统不同的是，柔性扭杆6刚度比较小，所以驾驶员在旋转方向盘1同样的角度时，施加的力矩比较小，这样就感觉更轻便了，但是过度的轻便会使得车辆稳定性下降，所以反馈电机3对方向盘1进行反向力矩的补偿，补偿的电流是根据方向盘1的角度和角加速度来决定的。
第二种非正常工况下，车辆在一定的速度时，出现转向过度，车辆容易失去平衡，出现侧滑或甩尾，严重时发生侧翻现象，或者车辆在保持一定半径转弯时车速逐渐增大(如车辆高速路驶下圆弧匝道时)，若不及时采取刹车或减小转向角，车辆将出现较大侧倾，最后导致侧翻。这种情况下，半主动转向解决的内容就是修正(减小)转向角，增大转向传动比，提高车辆的操控性和平稳性。
半主动转向安全性高的原因关键是它具有机械的连接，连接转向输出轴5和方向盘1(1)之间的柔性扭杆6。即使控制系统出了故障，该转向功能还能实现。所以比起线控转向，这种转向系统具有很好的安全性能，是非常先进的设计。
在图4中，显示了本发明机械结构部分与电路控制部分的线路连接，转向控制装置9主要由一系列控制算法组成。
在图5中，助力转向模块的算法程序采用了PID控制方式，有利于通过调整PID参数，获得所需的控制效果。
在图6中，公开了助力特性曲线图，其主要根据车速V与扭杆扭矩来选取，它由一系列特征点组成三维图表，系统实际工作时，不在特征车速和扭矩上的数值是根据这些特征点通过线性差值获得最终的电流值。
在图7中，公开了本发明半主动转向控制装置的总体控制程序原理图，它是由三部分组成的：助力转向模块、助力修正模块、力矩反馈模块。