專利名稱：車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
自1953年通用汽車公司在凱迪拉克和別克轎車上首次批量使用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)省力、易操縱的優(yōu)點(diǎn)受到人們越來越多的歡迎?，F(xiàn)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾乎成為發(fā)達(dá)國家所銷售轎車的標(biāo)準(zhǔn)裝備。雖然液壓助力轉(zhuǎn)向被認(rèn)為是一個(gè)近乎完善的技術(shù)，但是，由于它固有的缺陷使得該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在以下幾個(gè)無法克服的缺點(diǎn)液壓系統(tǒng)的管路過多，使得沿程損失、彎頭損失較大，從而使系統(tǒng)效率低，能耗大；液壓系統(tǒng)具有滯后性，系統(tǒng)路感差，回正性差；液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力能源是由發(fā)動機(jī)通過油泵提供的，當(dāng)發(fā)動機(jī)熄火或者轉(zhuǎn)速較低時(shí)，不能充分帶動油泵輸出足夠的能量，使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法提供足夠的動力，因而轉(zhuǎn)向發(fā)生困難；操縱力特性單一。
隨后出現(xiàn)的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將近些年發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)和電子控制技術(shù)與液壓助力系統(tǒng)相結(jié)合，對汽車轉(zhuǎn)向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。采用這種方案，只需在原有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增設(shè)方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器和控制裝置就可以得到較佳的操縱力特性。但是由于該系統(tǒng)的技術(shù)革新是在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，無法根除液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損等方面的固有缺點(diǎn)，尤其在節(jié)能、環(huán)保等方面存在很大的不足，因此只是使液壓助力轉(zhuǎn)向的性能得到局部的改善。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種系統(tǒng)效率高、能耗低、路感好的車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的車輛的電動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括與車輪輪軸連接的轉(zhuǎn)向器及與之連接的轉(zhuǎn)向軸，還包括一電機(jī)；一轉(zhuǎn)矩傳感器，用以檢測施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩；及一控制器，采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、車速信號和轉(zhuǎn)矩微分信號，并根據(jù)這些信號進(jìn)行運(yùn)算分析后輸出輔助電流，其中，所述電機(jī)，通過減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向輔助轉(zhuǎn)矩施加到轉(zhuǎn)向軸上；所述轉(zhuǎn)矩傳感器，連接于轉(zhuǎn)向軸，并將溫度檢測信號、主信號、安全信號送到控制器。
所述轉(zhuǎn)矩傳感器為光電非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器。
所述電機(jī)為直流有刷電機(jī)，通過蝸輪-蝸桿減速增扭后將轉(zhuǎn)向輔助轉(zhuǎn)矩施加到轉(zhuǎn)向軸。
所述控制器包括一動力模塊和一驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊包括大功率場效應(yīng)晶體管組成的H橋回路及其驅(qū)動電路、安全繼電器及其驅(qū)動電路及電流傳感器，可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)來自單片機(jī)系統(tǒng)的信號，對電機(jī)進(jìn)行線性的PWM控制。
本實(shí)用新型的車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過永磁直流電機(jī)提供助力，輔助駕駛員完成轉(zhuǎn)向過程，具有以下有益效果(1)系統(tǒng)效率高，由于采用機(jī)械和電氣連接方式，系統(tǒng)效率可高達(dá)80％；(2)能量消耗少，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)隨時(shí)需要向助力泵輸出動力使發(fā)動機(jī)附加燃油消耗增加3％，而本實(shí)用新型僅在方向盤轉(zhuǎn)動的時(shí)候才啟動電機(jī)產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，使附加燃油消耗量僅增加0.5％；(3)系統(tǒng)“路感”好，由于本實(shí)用新型內(nèi)部采用剛性連接，系統(tǒng)剛度高，且系統(tǒng)特性可以通過軟件加以控制，轉(zhuǎn)向時(shí)容易獲得更好的路感；(4)系統(tǒng)回正性好，本實(shí)用新型比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)阻小，回正性好；(5)系統(tǒng)以電池為能源，以電機(jī)為動力元件，只要電池電量充足，無論發(fā)動處于何種工作狀態(tài)，都可產(chǎn)生助力，發(fā)動機(jī)在熄火或低速情況下也不會造成轉(zhuǎn)向困難；(6)安全可靠，電機(jī)助力裝置失效時(shí)，能立即轉(zhuǎn)為機(jī)械式轉(zhuǎn)向，具有較好的安全性；(7)環(huán)保，本實(shí)用新型中沒有不可回收的油管、液壓油和橡膠，也沒有油液泄漏問題，對環(huán)境污染??；(8)本實(shí)用新型使用元器件少，布置方便，重量輕。


圖1是本實(shí)用新型車輛的電動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型光電非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器部件連接示意圖。
圖3是本實(shí)用新型光電非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實(shí)用新型光電非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器輸出特性圖。
圖5是本實(shí)用新型控制器原理簡圖。
圖6是本實(shí)用新型控制器驅(qū)動單元示意圖。
圖7是本實(shí)用新型控制器流程圖。
圖8是本實(shí)用新型進(jìn)行軟件轉(zhuǎn)矩故障限制特性圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示的電動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)配備有一個(gè)固定在轉(zhuǎn)向軸上的電動機(jī)1，通過蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向輔助轉(zhuǎn)矩施加到轉(zhuǎn)向軸8上，轉(zhuǎn)向軸8再通過機(jī)械齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器5把轉(zhuǎn)動操作傳給左右前輪，實(shí)施輔助轉(zhuǎn)向。電動機(jī)1為永磁直流有刷電機(jī)，其外形尺寸與殼體外形尺寸配合安裝。轉(zhuǎn)矩傳感器3安裝在轉(zhuǎn)向軸上，檢測到轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號并通過電線傳輸?shù)娇刂破?，車速信號可從儀表上的車速傳感器4直接采得?？刂破骺筛鶕?jù)不同車型固定在不同的位置，通過線束與其他各機(jī)構(gòu)相連。
如圖2所示，所述轉(zhuǎn)矩傳感器通過光電發(fā)射裝置34及接收裝置31，將扭桿36兩端的變形角度轉(zhuǎn)換成符合要求的電流信號，經(jīng)過差動放大后，轉(zhuǎn)換成可采集的電壓信號。本實(shí)用新型采用單孔型光電非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，導(dǎo)光盤32和透光盤33分別固定于扭桿兩端，其兩側(cè)分別裝有發(fā)射裝置34和兩個(gè)并排著的接收裝置31(光電池)。扭桿變形引起導(dǎo)光盤32和透光盤33之間的相對轉(zhuǎn)動造成兩個(gè)光電池各自的受光面積發(fā)生變化，利用光電池輸出電壓、電流隨其受光面積變化的特性，將扭桿的形變轉(zhuǎn)換為電信號。由于光電池輸出電壓的非線性特性，因此采用其輸出電流作為信號源。通過轉(zhuǎn)矩傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，得到如圖4所示的方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性。轉(zhuǎn)向盤在中間位置時(shí)，輸出為2.5V，向右轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器可增大到4V(扭桿扭轉(zhuǎn)變形的極限位置)，向左轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出減小到1V。
車輛電動助力系統(tǒng)控制器分為兩部分，其中一部分為控制模塊，另一部分為驅(qū)動模塊如圖5所示，控制器的功能是采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、反饋電流傳感器和車速傳感器的信號，并根據(jù)這些信號通過邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令到驅(qū)動模塊中以控制電機(jī)工作。此外，它還具有安全保護(hù)功能，能對系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，以保證在意外情況下，不使控制器發(fā)出錯(cuò)誤指令。單片機(jī)通過采集方向盤轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電流、蓄電池電壓、散熱器溫度等信號來判斷其系統(tǒng)的工作狀況是否正常，一旦系統(tǒng)異常，主、副安全繼電器將斷開，助力立即被取消；同時(shí)，單片機(jī)故障指示燈閃爍提出警告。
驅(qū)動模塊的核心部分是一個(gè)H型PWM功率轉(zhuǎn)換電路，采用四個(gè)大功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)組成，如圖6所示。功率轉(zhuǎn)換電路接受由控制單元控制的驅(qū)動電路信號進(jìn)行導(dǎo)通或關(guān)斷的動作。功率轉(zhuǎn)換電路由兩個(gè)繼電器控制其與電源、電機(jī)的連通，保證系統(tǒng)在不工作時(shí)切斷電源以及在故障保護(hù)時(shí)切斷電機(jī)與電源直接的聯(lián)系，以及提供給動力單元各種轉(zhuǎn)換電路用的電源。繼電器的控制信號也是通過驅(qū)動電路由控制單元提供的。電機(jī)通過減速器將助力轉(zhuǎn)矩施加于轉(zhuǎn)向管柱上。電流傳感器檢測流過電機(jī)電樞的電流并將檢測信號反饋給控制單元進(jìn)行電流閉環(huán)控制。
控制器驅(qū)動模塊可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)來自單片機(jī)系統(tǒng)的信號，可以對電機(jī)進(jìn)行線性的PWM控制。驅(qū)動模塊主要由4個(gè)N型MOSFET管組成的H橋回路及其驅(qū)動電路、主副安全繼電器及其驅(qū)動電路、故障指示燈及其驅(qū)動電路以及電流傳感器等組成，如圖6所示。當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器告訴EPS控制器需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力時(shí)，控制器就發(fā)信號給動力模塊里的MOSFET管驅(qū)動電路，驅(qū)動電路就會向電機(jī)提供一系列脈寬調(diào)制電壓信號，其中包括需要多大的助力和助力方向的信息。所謂電壓的脈寬調(diào)制就是指一串具有固定頻率的脈沖信號，它們的占空比是一個(gè)變量，對每一個(gè)周期而言，都有一段時(shí)間有信號，一段時(shí)間沒有信號。舉個(gè)例子，如果有信號的時(shí)間占40％，沒有信號的時(shí)間占60％，流經(jīng)電機(jī)的電流就較小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生的助力也較?。划?dāng)有信號的時(shí)間占60％，沒有信號的時(shí)間占40％，流經(jīng)電機(jī)的電流就較大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生的助力就會增大。我們用場效應(yīng)換向驅(qū)動電路來控制4個(gè)場效應(yīng)管組成的電橋，向助力電機(jī)提供相應(yīng)的助力電流和方向以產(chǎn)生合適的助力，見下表正常助力控制下H橋路中各MOSFET管的狀態(tài)。

在電動方式下，如圖6所示，a管(或b管)始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)d管(c管)由PWM信號控制工作在開關(guān)狀態(tài)。在PWM信號指示晶體管導(dǎo)通時(shí)，電流從蓄電池正極經(jīng)a管(或b管)流經(jīng)電機(jī)，再由d管(c管)流回蓄電池負(fù)極。在PWM信號指示晶體管判斷時(shí)，電流從a管(或b管)經(jīng)由電機(jī)，通過b管(或a管)的反接二極管開成閉合回路進(jìn)行續(xù)流。在制動方式下，a、b兩管始終處于關(guān)斷狀態(tài)，c、d兩管由同一PWM信號控制工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)c、d管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)電樞兩端短路。
在驅(qū)動模塊中，用一個(gè)霍爾電流傳感器來測量流過電機(jī)電流的大小和方向，參與助力控制運(yùn)算。當(dāng)助力電機(jī)工作時(shí)，電流也流經(jīng)電流傳感器，電流傳感器輸出一個(gè)反饋電壓信號給EPS控制器。如果電機(jī)電流超出了電機(jī)正常工作的預(yù)定值，控制器就會發(fā)信號給動力模塊的驅(qū)動電路，降低電流防止電機(jī)過載損壞。如果方向盤朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)到了頭，并保持這一位置，助力電機(jī)的電流就會大幅增加，這時(shí)電流傳感器就會發(fā)信號給EPS控制器來降低電流以保護(hù)電機(jī)。
本實(shí)用新型采用閉環(huán)電流反饋控制方法，利用目標(biāo)電流和反饋電流的差值進(jìn)行PID運(yùn)算后，送到控制器驅(qū)動單元進(jìn)行電機(jī)的電流和方向的控制。轉(zhuǎn)矩傳感器采用的是光電非接觸式傳感器，電流傳感器采用的是霍爾型電流傳感器，目標(biāo)電流是根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器和車速差助力表格得到。
轉(zhuǎn)向過程中，車輛的車速和方向盤轉(zhuǎn)矩變化范圍很大，在控制算法上根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，制定了不同的控制模式和控制方法?？刂扑惴焖贉?zhǔn)確，滿足實(shí)時(shí)控制的要求，能夠有效地實(shí)現(xiàn)理想的助力特性和控制規(guī)律?？刂破鞯男酒捎?位Motorola單片機(jī)，運(yùn)算速度能滿足控制程序快速響應(yīng)的要求，能做到在2毫秒內(nèi)完成完整的程序循環(huán)。
當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)將脈沖信號送到單片機(jī)輸入端口時(shí)，控制程序開始自檢，檢查轉(zhuǎn)矩傳感器輸出信號、車速信號以及蓄電池電壓信號是否在正常范圍內(nèi)。如果上述信號正常，控制程序開始運(yùn)行，安全繼電器閉合，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號、車速信號和反饋電流信號，進(jìn)行控制算法運(yùn)算，給出合理的電機(jī)控制方向和電流，如程序流程圖7所示。為限制電機(jī)電流超出運(yùn)行的范圍，在控制軟件上進(jìn)行相應(yīng)的限制算法，以限制電流超出預(yù)定的范圍。轉(zhuǎn)矩信號作為主要的控制源信號，必須要對其進(jìn)行必要的故障保護(hù)，在轉(zhuǎn)矩傳感器硬件電路上的安全保護(hù)措施，能保證傳感器信號發(fā)射和檢測部分出現(xiàn)故障時(shí)其輸出值在轉(zhuǎn)向盤的中間位置，在軟件中同時(shí)對其進(jìn)行保護(hù)，如圖8所示，以保證在連接線路上出現(xiàn)故障時(shí)，不至于使軟件進(jìn)行錯(cuò)誤運(yùn)算，輸出錯(cuò)誤的結(jié)果，造成車輛行車過程中的危險(xiǎn)。
控制軟件根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器信號和反饋電流信號和反饋電流信號推算判斷出是進(jìn)行助力還是制動模式。采用四象限法進(jìn)行判定，如果推算出的電機(jī)電壓和電流的值在第一象限或第三象限是為助力模式，在第二象限或第四象限時(shí)為制動模式。
權(quán)利要求1.一種車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，包括與車輪輪軸連接的轉(zhuǎn)向器(5)及與轉(zhuǎn)向器(5)連接的轉(zhuǎn)向軸(8)，其特征在于還包括一電機(jī)(1)；一轉(zhuǎn)矩傳感器(3)，用以檢測施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩；及一控制器(2)，采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、車速信號和轉(zhuǎn)矩微分信號，并根據(jù)這些信號進(jìn)行運(yùn)算分析后輸出輔助電流以控制電機(jī)工作，其中，所述電機(jī)(1)通過減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向輔助轉(zhuǎn)矩施加到轉(zhuǎn)向軸(8)上；所述轉(zhuǎn)矩傳感器(3)，連接于轉(zhuǎn)向軸(8)，并將溫度檢測信號、主信號、安全信號送到控制器(2)。
2.權(quán)利要求1所述的車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其特征在于所述轉(zhuǎn)矩傳感器(3)為光電非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器。
3.權(quán)利要求1所述的車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其特征在于所述電機(jī)為直流電機(jī)，通過蝸輪-蝸桿減速機(jī)構(gòu)(7)減速增扭后將轉(zhuǎn)向輔助轉(zhuǎn)矩施加到轉(zhuǎn)向軸(8)。
4.權(quán)利要求1所述的車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其特征在于所述控制器(2)包括一控制模塊和一驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊包括大功率場效應(yīng)晶體管組成的H橋回路及其驅(qū)動電路、安全繼電器及其驅(qū)動電路及電流傳感器，可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)來自單片機(jī)系統(tǒng)的信號，對電機(jī)進(jìn)行線性的PWM控制。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種車輛的電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，包括與車輪輪軸連接的轉(zhuǎn)向器及與轉(zhuǎn)向器連接的轉(zhuǎn)向軸，還包括一電機(jī)，一轉(zhuǎn)矩傳感器，及一控制器，所述電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向輔助轉(zhuǎn)矩施加到轉(zhuǎn)向軸上，所述轉(zhuǎn)矩傳感器，連接于轉(zhuǎn)向軸，并將溫度檢測信號、主信號、安全信號送到控制器。本實(shí)用新型系統(tǒng)效率高，能量消耗少，系統(tǒng)路感好，回正性好，且安全可靠又環(huán)保。
文檔編號B62D5/04GK2633702SQ03247079
公開日2004年8月18日 申請日期2003年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者李振全 申請人:李振全