CN1931649A - 车辆线传转向系统及转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆线传转向控制方法，用于对前轮和后轮都作为转向轮的车辆进行转向控制，该车辆的每一个转向轮对应一组车轮转向电机和车轮转向传动机构，包括正常转向步骤和原地打转步骤，原地打转步骤包括以下步骤：转向ECU控制各车轮转向电机转动，使作为转向轮的前轮和后轮偏转到其中心面与同一个圆相切的位置；行走电机控制器控制行走电机转动，使转向轮转动，以使车辆原地打转。本发明可使车辆原地打转，使车辆的转向直径减小到最小，方便在狭窄路段转向或调头，并且使车辆在正常行驶状态下能够正常转向。

Description

车辆线传转向系统及转向控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种应用于汽车上的线传转向系统，尤其涉及在四个车轮都是转向轮、转向系统对四个车轮进行独立转向控制的汽车线传转向系统。

【背景技术】

线传转向是近年来世界各国汽车厂家争相研发的一种新型的汽车转向电控系统。汽车线传转向技术是将从方向盘到转向车轮的机械连接断开，由转向控制ECU(电控单元)接收来自方向盘的转向信息，并将转向指令发送给电机，再由电机驱动执行机构(通常是齿轮齿条)动作拖动车轮转动，从而实现转向功能。

线传转向技术去掉了传统汽车转向系统的大部分机械结构，使转向系统总重量减小，驾驶空间加大，使驾驶员感到更舒适，而且去掉了液压转向助力，减少了环境污染。

然而，线传转向系统只是改变了实现转向的方法，对于驾驶员来说，其操纵方法与普通汽车基本类似。通常是车辆的两个后轮在向前直线行驶的位置保持锁定状态，两个前轮实时跟随方向盘转动而偏转来实现转向功能。传统的线传转向技术包括方向盘，方向盘位置传感器、方向盘扭矩传感器、方向盘回馈电机、转向轮驱动电机、转向轮扭矩传感器、转向轮位置传感器、转向轮、转向轮传动装置、转向电子控制单元(即转向ECU)。ECU根据方向盘位置信号及车速信号，ECU可计算出期望的转向轮位置信号，通过输出转向轮电机驱动信号驱动转向轮驱动电机，通过转向传动装置可实现转向轮的转动。利用转向轮位置信号可对转向轮驱动电机进行反馈控制，实现转向轮按照一定的传动比关系跟随方向盘转动，即转向。这种转向系统，两个前轮由一个步进电机和一套传动系统带动作同向通角度的转动，当行进电机驱动前轮时，两个前轮围绕两个后轮连线的中心旋转，旋转直径是两个后轮连线的中心到车头的距离，旋转直径大，当转向角度不大时，旋转直径对驾驶没有影响，但当转向角度较大时，例如调头时，由于旋转直径大，需要将车辆进行多次转向、前进和反向转向、后退操作，给驾驶者带来不方便，并且带来不安全因素。

专利申请文件为“汽车电子转向装置”(申请号为“CN02148895.9”，公开日为2003年6月11日)中公开的一种全部车轮都是转向轮的汽车，有利于减少旋转直径，遇到在狭窄的路面需要进行较大角度转向或调头时，仍然存在不方便和不安全因素。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种车辆线传转向系统，使车辆能够原地打转，将转向直径减小到最小，方便在狭窄路段转向或调头，并且使车辆在正常行驶状态下能够正常转向。

本发明的另一目的就是提供一种线传转向车辆的转向控制方法，使车辆能够原地打转，将转向直径减小到最小，方便在狭窄路段转向或调头，并且使车辆在正常行驶状态下能够正常转向。

为实现上述目的，本发明提出的一种车辆线传转向系统，用于对前轮和后轮都作为转向轮的车辆进行转向控制，包括转向ECU(即转向电控单元)、用于检测方向盘转角的方向盘转角传感器、用于控制转向轮转角的车轮转向电机和车轮转向传动机构，所述方向盘转角传感器的输出端耦合到转向ECU，所述转向ECU控制车轮转向电机转动，所述车轮转向传动机构将车轮转向电机的力矩传动到转向轮，所述每一个转向轮均独立控制转向。

所述车轮转向传动机构包括齿轮齿条机构和减速器，所述齿轮齿条机构与转向轮的梯形臂相连，所述减速器连接在齿轮齿条机构和车轮转向电机之间。

本发明的进一步改进是：还包括模式切换装置，所述模式切换装置的输出端耦合到转向ECU。

本发明的更进一步改进是：还包括角位移传感器，所述角位移传感器用于检测各转向轮的角位移信号，其输出端耦合到转向ECU；所述转向ECU还包括用于与行走电机控制器相连的端口。

所述转向ECU还包括用于与ABS控制器相连的端口和用于与故障诊断仪相连的端口。

为实现上述目的，本发明提出的一种车辆线传转向控制方法，用于对前轮和后轮都作为转向轮的车辆进行转向控制，该车辆的每一个转向轮均独立控制转向，包括正常转向步骤和原地打转步骤，所述原地打转步骤包括以下步骤：

A1、转向ECU控制各车轮转向电机转动，使作为转向轮的前轮和后轮偏转到其中心面与同一个圆相切的位置；

B1、行走电机控制器控制行走电机转动，使转向轮转动，以使车辆原地打转。

本发明的进一步改进是：还包括控制系统处于正常转向模式和原地打转转向模式的模式切换步骤。

本发明的更进一步改进是：在步骤A1中还包括以下步骤：

A2、角位移传感器检测转向轮的角位移信号并输出到转向ECU；

B2、转向ECU根据所设定的各转向轮位于所述圆切线位置，判断各转向轮是否偏转到位，如果没有，则控制车轮转向电机使转向轮继续偏转，如果偏转到位，则执行步骤C2；

C2、将转向轮锁定，且转向ECU向行走电机发送转向轮偏转到位信号。

本发明的更进一步改进是：在步骤A1之前还包括以下步骤：检测各转向轮的转速是否为零，如果为零，则执行步骤A1，如果不为零，则等待。

在步骤C2之后还包括以下步骤：转向ECU响应来自方向盘转角传感器的信号，并传输到行走电机控制器，行走电机控制器根据方向盘转角传感器的信号控制转向轮同时正转或反转。

其特征在于所述正常转向步骤包括以下步骤：

A3、检测各转向轮的转速是否为零，如果为零，则执行步骤B2，如果不为零，则等待；

B3、控制方向盘回到中位；

C3、控制各转向轮回到中位；

D3、将后轮锁定在中位；

E3、向行走电机控制器发送车轮回位完成信号；

F3、进入前轮跟随方向盘运动模式。

还包括以下步骤：

A4、角位移传感器检测转向轮的角位移信号并输出到转向ECU；

B4、转向ECU根据系统所处的转向模式，判断转向轮是否偏离锁设定的锁定位置，如果偏离，则控制车轮转向电机将转向轮拉回到锁定位置。

本发明的有益效果是：1)将车辆的前轮和后轮都设置为转向轮，并且每个转向轮由一组车轮转向电机和车轮转向传动机构控制，通过转向ECU，可对转向轮独立控制，使前轮和后轮可偏转到其中心面与同一个圆相切的位置，在行走电机的驱动下，前轮和后轮同时转动，即车轮沿切线行走，从而使整个车辆可绕前轮和后轮中心面所围成的圆的圆心转动，也就是原地打转，使车辆的转向直径减小到最小，方便在狭窄路段转向或调头，并且使车辆在正常行驶状态下能够正常转向。2)设置模式切换装置，使车辆可以在正常转向模式和原地打转转向模式之间切换，方便控制。3)不管正常转向还是原地打转，在转向前都先保证车轮的转速为零，保证转向时的控制准确和安全。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是是本发明的线传转向系统；

图2是本发明的一种实施例的线传转向系统的控制图；

图3是本发明的一种实施例的线传转向系统的控制流程图；

图4是向左原地打转时转向轮的偏转和转动示意图；

图5是向右原地打转时转向轮的偏转和转动示意图。

【具体实施方式】

具体实施例一、对于有两个左右前轮和两个左右后轮的车辆，设定四个车轮都是转向轮，车轮转向电机和车轮转向传动机构也有四组，每一组车轮转向电机和车轮转向传动机构对应一个转向轮，如图1、2所示，方向盘转角、扭矩传感器2设置在方向盘12的下方，感知方向盘12的转动方向、角度和扭矩，方向盘转角、扭矩传感器2的输出端还与转向ECU 10电连接，力矩电机3也安装在方向盘12的下方。前轮13所对应的车轮转向电机包括步进电机驱动器及步进电机4，车轮转向传动机构包括减速器5和传动机构6，减速器5连接在步进电机和传动机构6之间，减速器5使在车轮的转动扭矩不变的情况下，减少步进电机的转动扭矩，从而减少电机的体积。减速器5通常使用行星齿轮减速器，传动机构6通常使用齿轮齿条传动机构，齿轮齿条传动机构与前轮的梯形臂相连。步进电机的输出轴与齿轮齿条传动幅中的齿轮同轴，齿条直接拖动前轮偏转。角位移传感器9与车轮转向电机和车轮转向传动机构相连，感知前轮的转动位置，角位移传感器9还与转向ECU 10电连接。另一个前轮也具有上述相同的线传转向机构，两个后轮14也具有与前轮相同的线传转向机构。即车轮转向电机和车轮转向传动机构的数量与转向轮的数量相等，且每一组车轮转向电机和车轮转向传动机构用于控制一个转向轮的转动。转向ECU 10还与行走电机驱动器11电连接。模式切换装置1设置在便于驾驶员操作的位置，例如方向盘上，模式切换装置1的输出端与转向ECU 10电连接。

车轮转向传动机构还可以是循环球式、蜗杆曲柄指销式的传动机构。

如图2所示，角位移传感器9(即图2中的转角传感器)还可以将检测到的每个前轮的转角信息，通过电流变送器8输出到转向ECU 10，角位移传感器9输出的是电压信号，经过一个电流变送器转化为电流信号后再送入转向ECU 10进行采样。因为角位移传感器9的安装位置与行走电机驱动器11比较近，行走电机驱动整车行进，是大功率大电流设备，如果角位移传感器9是电压信号，可能会受到行走电机驱动器的干扰，所以将电压信号转换为电流信号。

还进一步包括一前轮扭矩传感器7，前轮扭矩传感器7检测一个前轮的扭矩，并输出到转向ECU。

如图2所示为线传转向系统的控制示意图，通过模式切换装置可设置正常转向模式和原地打转转向模式。转向ECU接受来自模式切换装置的开关信号，决定车辆运行于正常行驶状态下的正常偏转模式还是原地打转模式。在正常偏转模式，汽车的后轮在向前直线行驶的位置保持锁定状态，两个前轮实时跟随方向盘转动而偏转来实现转向功能。方向盘偏转一定角度给出两个前轮偏转角度的目标值，通过方向盘转角、扭矩传感器输出到转向ECU，转向ECU将两个前轮偏转角度的目标值和角位移传感器及电流变送器反馈回的两个前轮转角的位置信息进行比较，形成一个闭环位置控制系统。而车轮扭矩传感器感知方向盘的操作力矩，将方向盘操作力矩的目标值输出到转向ECU，通过转向ECU输出不同占空比的PWM信号来控制力矩电机的力矩，用方向盘转角、扭矩传感器检测力矩电机的输出力矩，再与力矩目标值进行比较，形成一个闭环力矩控制系统。转向ECU主要通过向比较电机驱动器输出脉冲信号和方向信号来控制步进电机的转速和转向，从而控制车轮的偏转速度和偏转方向。

在原地打转模式下，转向ECU控制四个车轮的中心面处在与同一个圆相切的位置，相对车轮的中心轴线相交于该圆的圆心，车轮的中心面是指垂直于车轮中心轴线的纵切面，车轮的位置如附图4、5所示。角位移传感器(即图2中的四个转角传感器)检测到各转向轮是否偏转到位时，将所有转向轮偏转到位的信号输出到转向ECU，转向ECU控制步进电机将所有转向车轮在此位置保持锁定状态，转向ECU将所有转向轮偏转到位的信号输出到行走电机控制器(即图2中的行走电机驱动ECU)，控制权交给行走电机控制器。另外，转向ECU还具有CAN总线通讯模块，来与其它部分进行数据交换。转向ECU接受来自方向盘转角扭矩传感器的方向盘转角和扭矩信号，并将该信号通过CAN总线传输给行走电机控制器，由行走电机控制器根据方向盘的转向控制车轮的转动方向。为检测车轮的转速，转向ECU还具有与ABS控制器连接的端口，该端口通过CAN总线与ABS控制器连接，从而得到四个车轮的轮速信息。ABS控制器是汽车上通用的一种防止车轮抱死的电液控制装置，以保证汽车在制动时的操纵稳定性，避免出现失去转向能力或甩尾等现象。ABS控制器会检测每个车轮的转速，同时调节各个车轮的制动力大小。四个轮速信号对于原地打转系统非常重要，因为，进行模式切换时，无论是从正常偏转模式切换到原地打转模式，还是从原地打转模式切换到正常偏转模式，都必须保证四个车轮的转速为零，否则进入等待状态。行走电机控制器通CAN总线从转向ECU处获得车辆转向的状态信息：是原地打转状态、正常偏转状态还是两种状态切换过程中的过渡状态。在过渡状态时，行走电机控制器必须控制各行走电机处于停止状态。只有等车轮偏转到位后，行走电机控制器才能控制各行走电机转动。在原地打转状态，四个车轮的角度已经偏转到位，而汽车是原地左转还是原地右转则与转向ECU无关，完全由行走电机控制器决定。转向ECU还具有与故障诊断仪连接的端口，该端口通过CAN总线与故障诊断仪连接，通过在CAN总线上接故障诊断仪，来对系统的传感器进行分析，判断其工作是否正常。

在正常行驶时只需锁定后轮，在原地打转模式需将四轮全部锁定。车轮可以通过一种机构来锁定，也可以通过步进电机自身的保持转矩来锁定，即通过角位移传感器检测到车轮离开锁定位置时，将车轮离开锁定位置的信号输出到转向ECU，转向ECU便会控制步进电机将车轮拉回锁定位置。

本实施例的控制流程图如图3所示，包括以下步骤：

在步骤100，驾驶者通过模式切换装置的切换开关可设定需要的转向模式，检测模式切换装置所处的转向模式，如果是原地打转转向模式，则执行步骤101，如果是正常转向模式，则执行步骤110；

在步骤101，检测四个车轮的转速是否为零，如果为零，则执行步骤102，如果不为零，则继续等待并不断检测四个车轮的转速是否为零；

在步骤102，转向ECU控制方向盘回到中间位置，然后执行步骤103；

在步骤103，转向ECU控制步进电机转动使两前轮恢复到中间位置，然后执行步骤104；

在步骤104，转向ECU控制四个步进电机同时转动，使四个转向轮转动到所设定的原地打转时的车轮位置，即四个车轮的中心面处在与同一个圆相切的位置，相对车轮的中心轴线相交于该圆的圆心，然后执行步骤105；

在步骤105，利用角位移传感器检测所有转向轮是否偏转到位，如果偏转到位，则执行步骤106，如果没有，则继续执行步骤104，控制转向轮偏转；

在步骤106，转向ECU控制各转向轮的步进电机将四个转向轮锁定在原地打转位置，然后执行步骤107；

在步骤107，转向ECU向行走电机控制器发送车轮偏转到位信号，并执行步骤108，将控制权交给行走电机控制器，然后转向步骤100，继续检测模式切换装置的状态。

在行走电机控制车轮时，转向ECU响应来自方向盘转角传感器的信号，并通过CAN总线传输到行走电机控制器，行走电机控制器根据方向盘转角传感器的信号控制行走电机正转或反转，从而控制转向轮正转或反转，如图4、5中所示，箭头表示车轮的转动方向。

当车辆处于正常转向模式下，在步骤110，检测四个车轮的转速是否为零，如果为零，则执行步骤111，如果不为零，则继续等待并不断检测四个车轮的转速是否为零；

在步骤111，转向ECU控制方向盘回到中间位置，然后执行步骤112；

在步骤112，转向ECU控制步进电机转动使四个转向轮恢复到中间位置，然后执行步骤113；

在步骤113，转向ECU控制两个后轮的步进电机将两个后轮锁定在车辆向前直线行驶的位置，然后执行步骤114；

在步骤114，转向ECU向行走电机控制器发送车轮回位完成信号，然后执行步骤115，进入两前轮跟随方向盘运动的子程序，即现有技术中的正常偏转模式，然后转向步骤100，继续检测模式切换装置的状态。

本实施例不论在哪种偏转模式下，都利用角位移传感器检测转向轮的角位移信号并输出到转向ECU；转向ECU根据线传转向系统所处的转向模式，判断转向轮是否偏离所设定的锁定位置，如果偏离，则控制车轮转向电机将转向轮拉回到锁定位置。

具体实施例二、与具体实施例一不同的是：对于车辆具有一个中间前轮和左右两个后轮的情况，设定转向前轮为一个，转向后轮为两个，每个转向轮也对应一组车轮转向电机和车轮转向传动机构。在原地打转模式下，三个车轮的中心面处在与同一个圆相切的位置，三个车轮的中心轴线相交于该圆的圆心。

本发明与现有技术相比安全性、可靠性大为提高，驾驶的稳定性、平顺性以及驾驶员操纵的路感也有较大的改善。

Claims (12)

1.一种车辆线传转向系统，用于对前轮和后轮都作为转向轮的车辆进行转向控制，包括转向ECU、用于检测方向盘转角的方向盘转角传感器、用于控制转向轮转角的车轮转向电机和车轮转向传动机构，所述方向盘转角传感器的输出端耦合到转向ECU，所述转向ECU控制车轮转向电机转动，所述车轮转向传动机构用于将车轮转向电机的力矩传动到转向轮，其特征在于：所述每一个转向轮均独立控制转向。

2.如权利要求1所述的车辆线传转向系统，其特征在于：所述车轮转向传动机构包括齿轮齿条机构和减速器，所述齿轮齿条机构与转向轮的梯形臂相连，所述减速器连接在齿轮齿条机构和车轮转向电机之间。

3.如权利要求1所述的车辆线传转向系统，其特征在于：还包括模式切换装置，所述模式切换装置的输出端耦合到转向ECU。

4.如权利要求3所述的车辆线传转向系统，其特征在于：还包括角位移传感器，所述角位移传感器用于检测各转向轮的角位移信号，其输出端耦合到转向ECU；所述转向ECU还包括用于与行走电机控制器相连的端口。

5.如权利要求4所述的车辆线传转向系统，其特征在于：所述转向ECU还包括用于与ABS控制器相连的端口，和用于与故障诊断仪相连的端口。

6.一种车辆线传转向控制方法，用于对前轮和后轮都作为转向轮的车辆进行转向控制，该车辆的每一个转向轮均独立控制转向，包括正常转向步骤，其特征在于还包括原地打转步骤，所述原地打转步骤包括以下步骤：

A1、转向ECU控制各车轮转向电机转动，使作为转向轮的前轮和后轮偏转到其中心面与同一个圆相切的位置；

B1、行走电机控制器控制行走电机转动，使转向轮转动，以使车辆原地打转。

7.如权利要求6所述的车辆线传转向控制方法，其特征在于：还包括控制系统处于正常转向模式和原地打转转向模式的模式切换步骤。

8.如权利要求7所述的车辆线传转向控制方法，其特征在于：在步骤A1中还包括以下步骤：

A2、角位移传感器检测转向轮的角位移信号并输出到转向ECU；

B2、转向ECU根据所设定的各转向轮位于所述圆切线位置，判断各转向轮是否偏转到位，如果没有，则控制车轮转向电机使转向轮继续偏转，如果偏转到位，则执行步骤C2；

C2、将转向轮锁定，且转向ECU向行走电机发送转向轮偏转到位信号。

9.如权利要求8所述的车辆线传转向控制方法，其特征在于：在步骤A1之前还包括以下步骤：检测各转向轮的转速是否为零，如果为零，则执行步骤A1，如果不为零，则等待。

10.如权利要求8或9所述的车辆线传转向控制方法，其特征在于：在步骤C2之后还包括以下步骤：转向ECU响应来自方向盘转角传感器的信号，并传输到行走电机控制器，行走电机控制器根据方向盘转角传感器的信号控制转向轮同时正转或反转。

11.如权利要求10所述的车辆线传转向控制方法，其特征在于所述正常转向步骤包括以下步骤：

A3、检测各转向轮的转速是否为零，如果为零，则执行步骤B2，如果不为零，则等待；

B3、控制方向盘回到中位；

C3、控制各转向轮回到中位；

D3、将后轮锁定在中位；

E3、向行走电机控制器发送车轮回位完成信号；

F3、进入前轮跟随方向盘运动模式。

12.如权利要求11所述的车辆线传转向控制方法，其特征在于还包括以下步骤：

A4、角位移传感器检测转向轮的角位移信号并输出到转向ECU；

B4、转向ECU根据系统所处的转向模式，判断转向轮是否偏离锁设定的锁定位置，如果偏离，则控制车轮转向电机将转向轮拉回到锁定位置。

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