基于c-eps結構的力感模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基于C-EPS結構的力感模擬機械系統(tǒng)和力感模擬控制系統(tǒng)；力感模擬機械系統(tǒng)包括方向盤、轉向柱管、伺服電機、轉角限位裝置、扭矩傳感器、方向盤轉角傳感器；力感模擬控制系統(tǒng)包括控制器、控制模型；通過轉角限位裝置可實現(xiàn)不同轉角范圍的轉向，通過包括摩擦補償、力矩微分、慣量補償、阻尼補償、剛度補償?shù)难a償模型克服C-EPS系統(tǒng)機械結構慣量大、摩擦大等弊端；本發(fā)明基于量產C-EPS系統(tǒng)的硬件結構，有效利用其結構簡單緊湊、機械系統(tǒng)精度高、成本低等特點，設計出具有回正力矩和極佳力感的力感模擬系統(tǒng)。
【專利說明】基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車領域，具體涉及汽車線控轉向技術中方向盤的路感模擬，是一個 阻力加載模擬器。

【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的汽車轉向系統(tǒng)經歷了傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系統(tǒng)、電液助力轉 向系統(tǒng)、電動助力轉向系統(tǒng)4個發(fā)展階段，這個4個階段共有的特點是都是機械連接，只是 應用不同的方式來提高機械轉向系統(tǒng)的性能，這就無法克服不平路面的沖擊所造成的方向 盤抖動和助力轉向系統(tǒng)造成的噪聲和振動問題，同時系統(tǒng)的機械連接不利于提高汽車碰撞 安全性，由于機械系統(tǒng)的諸多弊病和汽車電子技術的發(fā)展，線控技術將是未來汽車發(fā)展的 方向。
[0003] 隨著汽車電子技術的發(fā)展，線控技術成為汽車研究的熱點，而線控轉向又相對復 雜、要求極高，成為各汽車廠商、高校和研究機構研究的熱點。線控轉向是通過采集駕駛員 對方向盤的操縱信號作為控制單元的控制指令，再結合當前車輛狀態(tài)、路面狀況，通過控制 單元中控制算法產生控制指令，作用于轉向執(zhí)行機構控制器，使車輪實現(xiàn)所需要的任意轉 角，克服傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)的不足，是未來汽車智能化發(fā)展的前提。
[0004] 線控轉向取消了轉向盤和執(zhí)行機構之間的機械連接部分，這使得駕駛員喪失了從 輪胎反饋給方向盤的路感，但是在駕駛過程中路感是駕駛員掌握汽車運動狀態(tài)和路面狀況 的重要途徑，是保證汽車能夠安全和穩(wěn)定行駛的不可或缺的部分。因此，線控轉向系統(tǒng)中必 須有能夠根據車輛狀態(tài)、路面狀況等信息來模擬路感，并將其傳遞給駕駛員的一種阻力加 載模擬器，進而保證駕駛員具有傳統(tǒng)汽車股的駕駛感覺，確保汽車有足夠的操縱穩(wěn)定性和 行車安全性。
[0005] 目前，一部分力感模擬系統(tǒng)都是通過彈簧或者卷簧來模擬阻力和回正力，例如申 請?zhí)枮?01010504604. 1和201110185749. 0的專利，但是彈簧是線性元件與汽車運動過程 中輪胎所受到的阻力的非線性不符合，無法提供準確的阻力和回正力，造成駕駛員力感失 真，進而影響操縱穩(wěn)定性。一部分駕駛員模擬器是通過電機加載來模擬力感，但是大部分 都是自行設計加工，結構復雜、體積龐大、安裝復雜，而量產C-EPS具有結構緊湊、機械精度 高、成本低等優(yōu)點，本發(fā)明在原有的C-EPS機械結構上稍作改進，在控制算法上通過摩擦補 償、阻尼補償、力矩微分、剛度補償、慣量補償克服機械系統(tǒng)固有的缺陷，使駕駛員模擬器具 有極佳的力感特性。


【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明針對目前駕駛員模擬器依靠彈簧或卷簧等線性元件進行阻力加載或者回 正，導致力感部分失真；用力矩電機、電磁制動器、阻尼電機搭建的駕駛員模擬器體積龐大， 結構復雜，無法裝車等問題。利用量產C-EPS結構緊湊、成本低、裝車方便、機械精度高等優(yōu) 點，結合算法進行摩擦補償、阻尼補償、力矩微分、剛度補償、慣量補償搭建極具力感真實性 的力感模擬系統(tǒng)。
[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0008] -種基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，其包括基于C-EPS結構的力感模擬機械系 統(tǒng)和力感模擬控制系統(tǒng)，其中力感模擬控制系統(tǒng)又包括力感模擬控制模型和控制系統(tǒng)硬件 平臺。
[0009] 其中基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)的機械系統(tǒng)包括：方向盤、轉向柱管、伺服電 機、蝸輪蝸桿減速機構、轉角限位裝置、扭矩傳感器、方向盤轉角傳感器。方向盤轉角傳感器 是通過連接軸與C-EPS的轉向柱管末端連接，并通過傳感器支座固定在C-EPS的殼體上；方 向盤轉角限位裝置通過限位裝置支座與C-EPS殼體連接固定。
[0010] 其中方向盤轉角限位裝置是通過主動齒輪軸和從動齒輪軸進行減速，傳動比 為4 : 1，通過位置可調整限位螺栓和限位擋塊進行變轉角范圍限位，實現(xiàn)方向盤在 ±360°?±720°范圍內轉動，以滿足不同車型的轉向需求，主動齒輪軸和從動齒輪軸是 通過軸承固定于限位裝置支座和限位裝置殼體上，其中主動齒輪軸和連接軸是一體的。 [0011] 其中方向盤轉角傳感器的內鍵槽通過平鍵與連接軸外鍵槽連接，連接軸的另一端 為內花鍵與轉向柱管末端外花鍵連接，使得方向盤轉角傳感器與轉向柱管保持精準的同軸 度。
[0012] 其中方向盤轉角傳感器的軸向固定是通過傳感器支座固定，方向盤轉角傳感器的 線束輸出口的矩形外殼與傳感器支座所設計的矩形口相配合，并通過張緊螺釘預緊，傳感 器支座底部通過螺釘與C-EPS的殼體連接固定。
[0013] 其中力感模擬控制模型是由電機控制模型和電機控制器中的補償模型組成，同時 通過對機械系統(tǒng)進行摩擦補償、阻尼補償、力矩微分、剛度補償、慣量補償來修正輸入控制 器的目標電流指令，克服機械系統(tǒng)固有的缺陷，修正后的電流指令輸入給永磁同步電機的 電流矢量控制策略。
[0014] 其中控制系統(tǒng)硬件平臺包括：TMS320F2812最小電路，供電電路，電源保護電路， 轉矩轉角信號采集電路，母線電壓監(jiān)測電路，相電流采集電路，HALL信號整形電路，鐵電存 儲芯片，CAN收發(fā)器，主繼電器驅動電路，大功率平波電感，三相全橋驅動電路，三相全橋 功率電路。轉矩信號和轉角信號經過轉矩轉角信號采集電路進行阻抗匹配后直接輸入給 TMS320F2812芯片，作為補償模型的輸入量參與計算補償電流。車輛模型計算的轉向阻力矩 進行阻抗匹配后輸入給主控芯片，其與補償電流共同作用獲得電機的目標電流。相電流采 集電路和HALL信號整形電路分別對電機相電流和電機轉子位置信號進行處理后輸入給主 控單元，以進行電流矢量閉環(huán)控制策略。
[0015] 本發(fā)明的有益效果：
[0016] 1.基于C-EPS結構進行部分改進，用簡單易加工的齒輪副對方向盤進行 ±360°?±720°范圍內變角度機械限位，適用于不同的車型的轉向需求。
[0017] 2.通過對機械系統(tǒng)進行摩擦補償、阻尼補償、力矩微分、剛度補償、慣量補償，克服 C-EPS系統(tǒng)的固有缺陷，使得駕駛員模擬器具有極佳的力感真實性和恰到好處的回正力。
[0018] 3.采用量產C-EPS結構、結構緊湊簡單、機械精度高、成本低、易于實現(xiàn)裝車。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1.本發(fā)明的總體結構原理示意圖。
[0020] 圖2.限位機構原理圖。
[0021] 圖3限位機構D方向局部剖視圖。
[0022] 圖4.方向盤轉角傳感器軸向連接局部剖視圖。
[0023] 圖5.方向盤轉角傳感器固定局部剖視圖。
[0024] 圖6.本發(fā)明控制模型原理圖。
[0025] 圖7.控制器硬件架構圖。
[0026] 圖中：1、方向盤，2、轉向柱管，3、力矩傳感器，4、限位裝置支座，5、連接軸，6、傳感 器支座，7、方向盤轉角傳感器，8、控制器，9、方向盤轉角限位裝置，10、主動齒輪軸，11、從動 齒輪軸，12、限位擋塊，13、軸承，14、位置可調整限位螺栓，15、限位裝置殼體，16、伺服電機， 17、蝸輪蝸桿減速機構，18、卡簧，19、轉向柱管末端，20、平鍵，21、螺釘，22、23、24是限位螺 栓的不同工作位置。

【具體實施方式】
[0027] 以下結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步描述。
[0028] 如圖1、圖4、圖5所示，本發(fā)明包括方向盤1、伺服電機16、蝸輪蝸桿減速機構17、 限位裝置9、扭矩傳感器3、方向盤轉角傳感器7。方向盤轉角傳感器7是通過連接軸5的內 花鍵和轉向柱管末端19的外花鍵連接，方向盤轉角傳感器7的軸向固定是通過傳感器支座 6固定，方向盤轉角傳感器7的線束方形出口和傳感器支座6配合，并用螺釘21進行張緊， 同時用螺釘21固定在C-EPS殼體上，通過連接軸5和傳感器支座6使得傳感與轉向柱管保 持高精度的同軸度。
[0029] 如圖2、圖3所示，方向盤轉角限位裝置9主要由主動齒輪軸10、從動齒輪軸11、位 置可調整限位螺栓11、限位擋塊12、軸承13組成。限位裝置支座4通過螺栓固定在C-EPS 殼體上，限位裝置內部零件以限位裝置支座4為基礎進行安裝，限位裝置殼體15也通過螺 栓與限位裝置支座4連接形成密封箱體。主動齒輪軸10和轉向柱管末端19連接，通過主動 齒輪軸10和從動齒輪軸11進行減速，傳動比為4 : 1，通過位置可調整限位螺栓14和限位 擋塊12進行變轉角范圍限位，實現(xiàn)方向盤在±360°?±720°范圍內轉動，當用一個位置 可調限位螺栓14且位于圖3所示的24位置時，可實現(xiàn)最大范圍±720°轉向；當用兩個位 置可調限位螺栓14且分別為位于圖3所示的22、23位置時，可實現(xiàn)最小范圍±360°轉向； 當位置可調限位螺栓14位于圖3所示的23與24之間的位置可以實現(xiàn)±360°?±720° 任意范圍內的轉動，以滿足不同車型對轉向角度的需求。
[0030] 本發(fā)明的工作方式如下：
[0031] 給基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)通電后，如果方向盤不是正中位置，通過控制 系統(tǒng)內部的剛度補償和阻尼補償使方向盤自動回正。整個力感模擬系統(tǒng)預留有輸入接口， 便于與車輛動力學模型結合構成完整的駕駛模擬環(huán)境。電機控制器8同時米集方向盤轉角 傳感器、力矩傳感器信號作為補償模型的輸入，再通過控制器內部的補償模型對輸入的電 流指令進行修正，將修正電流作為電機矢量控制的目標輸入。
[0032] 控制模型如圖6所示，控制器中的補償模型包括：摩擦補償、阻尼補償、力矩微分、 剛度補償、慣量補償，通過補償模型克服C-EPS的在機械結構上的弊端，能提供極佳的路 感，其中摩擦補償采用能夠實現(xiàn)動-靜摩擦轉矩共同控制的方法，函數(shù)關系如下：
[0033] Tt = Ts+Tc
[0034]

【權利要求】
1. 基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，其包括基于C-EPS結構的力感模擬機械系統(tǒng)和力 感模擬控制系統(tǒng)，其中力感模擬控制系統(tǒng)又包括力感模擬控制模型和控制系統(tǒng)硬件平臺。
2. 根據權利要求1所述的基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的基于 C-EPS結構的力感模擬機械系統(tǒng)包括：方向盤（1)、轉向柱管（2)、伺服電機（16)、蝸輪蝸桿 減速機構（17)、轉角限位裝置（9)、扭矩傳感器（3)、方向盤轉角傳感器（7);方向盤轉角傳 感器（7)是通過連接軸（5)與C-EPS的轉向柱管末端連接，并通過傳感器支座（6)固定在 C-EPS的殼體上；方向盤轉角限位裝置（9)通過限位裝置支座（4)與C-EPS殼體固連。
3. 根據權利要求2所述的基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的方向 盤轉角限位裝置是通過主動齒輪軸（10)和從動齒輪軸（11)進行減速，傳動比為4 : 1， 通過位置可調整限位螺栓（14)和限位擋塊（12)進行變轉角范圍限位，實現(xiàn)方向盤在 ±360°?±720°范圍內轉動，以滿足不同車型的轉向需求，主動齒輪軸（10)和從動齒輪 軸（11)是通過軸承（13)固定于限位裝置支座（4)和限位裝置殼體（15)上，其中主動齒輪 軸（10)和連接軸（5)設計為一個整體。
4. 根據權利要求2所述的基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的方向 盤轉角傳感器的內鍵槽通過平鍵與連接軸（5)外鍵槽連接，連接軸（5)的另一端為內花鍵 與轉向柱管末端外花鍵連接，使得方向盤轉角傳感器與轉向柱管保持精準的同軸度。
5. 根據權利要求2所述的基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的方向 盤轉角傳感器的軸向固定是通過傳感器支座（6)固定，方向盤轉角傳感器（7)的線束輸出 口的矩形外殼與傳感器支座所設計的矩形口相配合，并通過張緊螺釘預緊，傳感器支座（6) 的底部通過螺釘與C-EPS的殼體連接固定。
6. 根據權利要求1所述的基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的力感 模擬控制模型是由電機控制模型和電機控制器中的補償模型組成，通過對機械系統(tǒng)進行摩 擦補償、阻尼補償、力矩微分、剛度補償、慣量補償來修正輸入控制器的目標電流指令，克服 機械系統(tǒng)固有的缺陷，修正后的電流指令輸入給永磁同步電機的電流矢量控制策略。
7. 根據權利要求1所述的基于C-EPS結構的力感模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的控制 系統(tǒng)硬件平臺包括：TMS320F2812最小電路、供電電路、電源保護電路、轉矩轉角信號采集 電路、母線電壓監(jiān)測電路、相電流采集電路、HALL信號整形電路、鐵電存儲芯片、CAN收發(fā) 器、主繼電器驅動電路、大功率平波電感、三相全橋驅動電路、三相全橋功率電路；轉矩信號 和轉角信號經過轉矩轉角信號采集電路進行阻抗匹配后直接輸入給TMS320F2812芯片，作 為補償模型的輸入量參與計算補償電流；車輛模型計算的轉向阻力矩進行阻抗匹配后輸入 給主控芯片，其與補償電流共同作用獲得電機的目標電流；相電流采集電路和HALL信號整 形電路分別對電機相電流和電機轉子位置信號進行處理后輸入給主控單元，以進行電流矢 量閉環(huán)控制策略。
【文檔編號】G09B9/05GK104157179SQ201410419066
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2014年8月22日
【發(fā)明者】陳國迎, 宗長富, 麥莉, 顧興劍, 張東, 何磊, 鄭宏宇 申請人:吉林大學