基于c-eps結(jié)構(gòu)的力感模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于C-EPS結(jié)構(gòu)的力感模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基于C-EPS結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向柱管、伺服電機、轉(zhuǎn)角限位裝置、扭矩傳感器、方向盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角限位裝置可實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)角范圍的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)慣量大、摩擦大等弊端；本實用新型基于量產(chǎn)C-EPS系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，有效利用其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、機械系統(tǒng)精度高、成本低等特點，設(shè)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(jié)構(gòu)的力感模擬系統(tǒng)

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

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)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(yīng)用不同的方式來提高機械轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，線控技術(shù)將是未來汽車發(fā)展的 方向。
[0003] 隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，線控技術(shù)成為汽車研宄的熱點，而線控轉(zhuǎn)向又相對復 雜、要求極高，成為各汽車廠商、高校和研宄機構(gòu)研宄的熱點。線控轉(zhuǎn)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(jié)合當前車輛狀態(tài)、路面狀況，通過控制 單元中控制算法產(chǎn)生控制指令，作用于轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)控制器，使車輪實現(xiàn)所需要的任意轉(zhuǎn) 角，克服傳統(tǒng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向取消了轉(zhuǎn)向盤和執(zhí)行機構(gòu)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(zhuǎn)向系統(tǒng)中必 須有能夠根據(jù)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)汽車般的駕駛感覺，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(shè)計加工，結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、安裝復雜，而量產(chǎn)C-EPS具有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)復雜，無法裝車等問題。利用量產(chǎn)C-EPS結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、裝車方便、機械精度高等優(yōu) 點，結(jié)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(shù)方案是：
[0008] -種基于C-EPS結(jié)構(gòu)的力感模擬系統(tǒng)，其包括基于C-EPS結(jié)構(gòu)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?；贑-EPS結(jié)構(gòu)的力感模擬系統(tǒng)的機械系統(tǒng)包括：方向盤、轉(zhuǎn)向柱管、伺服電機、蝸輪 蝸桿減速機構(gòu)、轉(zhuǎn)角限位裝置、扭矩傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器是通過 連接軸與C-EPS的轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 角限位裝置通過限位裝置支座與C-EPS殼體連接固定。
[0009] 其中方向盤轉(zhuǎn)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(diào)整限位螺栓和限位擋塊進行變轉(zhuǎn)角范圍限位，實現(xiàn)方向盤在±360°? ±720°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，以滿足不同車型的轉(zhuǎn)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。
[0010] 其中方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的內(nèi)鍵槽通過平鍵與連接軸外鍵槽連接，連接軸的另一端 為內(nèi)花鍵與轉(zhuǎn)向柱管末端外花鍵連接，使得方向盤轉(zhuǎn)角傳感器與轉(zhuǎn)向柱管保持精準的同軸 度。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的軸向固定是通過傳感器支座固定，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的線束輸出 口的矩形外殼與傳感器支座所設(shè)計的矩形口相配合，并通過張緊螺釘預(yù)緊，傳感器支座底 部通過螺釘與C-EPS的殼體連接固定。
[0011] 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。
[0012] 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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(qū)動電路，大功率平波電感，三相全橋驅(qū)動電路，三相全橋 功率電路。轉(zhuǎn)矩信號和轉(zhuǎn)角信號經(jīng)過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：
[0014] 1.基于C-EPS結(jié)構(gòu)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(nèi)變角度機械限位，適用于不同的車型的轉(zhuǎn)向需求。
[0015] 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。
[0016] 3.采用量產(chǎn)C-EPS結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)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】
[0017] 圖1.本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0018] 圖2.限位機構(gòu)原理圖。
[0019] 圖3限位機構(gòu)D方向局部剖視圖。
[0020] 圖4.方向盤轉(zhuǎn)角傳感器軸向連接局部剖視圖。
[0021] 圖5.方向盤轉(zhuǎn)角傳感器固定局部剖視圖。
[0022] 圖6.本發(fā)明控制模型原理圖。
[0023] 圖7.控制器硬件架構(gòu)圖。
[0024] 圖中：1、方向盤，2、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角傳感器，8、控制器，9、方向盤轉(zhuǎn)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(diào)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(gòu)，18、卡簧，19、轉(zhuǎn)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】
[0025] 以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步描述。
[0026] 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(gòu)17、 限位裝置9、扭矩傳感器3、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器7。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器7是通過連接軸5的內(nèi) 花鍵和轉(zhuǎn)向柱管末端19的外花鍵連接，方向盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向柱管保 持高精度的同軸度。
[0027] 如圖2、圖3所示，方向盤轉(zhuǎn)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(diào)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(nèi)部零件以限位裝置支座4為基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(diào)整限位螺栓14和限位 擋塊12進行變轉(zhuǎn)角范圍限位，實現(xiàn)方向盤在±360°?±720°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，當用一個位置 可調(diào)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(zhuǎn)向；當用兩個位 置可調(diào)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(zhuǎn)向； 當位置可調(diào)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(nèi)的轉(zhuǎn)動，以滿足不同車型對轉(zhuǎn)向角度的需求。
[0028] 本發(fā)明的工作方式如下：
[0029] 給基于C-EPS結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yù)留有輸入接口， 便于與車輛動力學模型結(jié)合構(gòu)成完整的駕駛模擬環(huán)境。電機控制器8同時采集方向盤轉(zhuǎn)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(nèi)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。
[0030] 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(jié)構(gòu)上的弊端，能提供極佳的路 感，其中摩擦補償采用能夠?qū)崿F(xiàn)動-靜摩擦轉(zhuǎn)矩共同控制的方法，函數(shù)關(guān)系如下：
[0031]Tt=Ts+Tc
[0032] Vgt =Iflf(Ific)
[0033] …=so*[FeeIKl-PtffDrjT1
[0034] 其中，Tt為轉(zhuǎn)向柱總成所受的合力矩；TS為方向盤的手力；T。為伺服電機的模擬力 矩；匕為轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)速的飽和函數(shù)；λ為飽和函數(shù)的轉(zhuǎn)速系數(shù)；4為轉(zhuǎn)速信號；sat()函數(shù) 的輸出限制為±1Jfrietim為摩擦補償；γ為調(diào)整系數(shù)；T 系統(tǒng)的靜摩擦。可以看到：當 之較大使達到飽和時，補償轉(zhuǎn)向柱總成的轉(zhuǎn)動摩擦；當& =〇時，補償轉(zhuǎn)向柱總成的靜摩 擦；當未飽和時，為兩種摩擦補償?shù)倪^渡過程。
[0035] 阻尼補償、力矩微分、剛度補償、慣量補償?shù)暮瘮?shù)關(guān)系分別如下：

【權(quán)利要求】
1?基于C-EPS結(jié)構(gòu)的力感模擬系統(tǒng)，其包括基于C-EPS結(jié)構(gòu)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； 其特征在于：所述的基于C-EPS結(jié)構(gòu)的力感模擬機械系統(tǒng)包括：方向盤（1)、轉(zhuǎn)向柱管（2)、 伺服電機（16)、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)（17)、轉(zhuǎn)角限位裝置（9)、扭矩傳感器（3)、方向盤轉(zhuǎn)角傳 感器（7);方向盤轉(zhuǎn)角傳感器（7)是通過連接軸（5)與C-EPS的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角限位裝置（9)通過限位裝置支座（4) 與C-EPS殼體固連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C-EPS結(jié)構(gòu)的力感模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的方向 盤轉(zhuǎn)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(diào)整限位螺栓（14)和限位擋塊（12)進行變轉(zhuǎn)角范圍限位，實現(xiàn)方向盤在±360°? ±720°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，以滿足不同車型的轉(zhuǎn)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(shè)計為一個整體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C-EPS結(jié)構(gòu)的力感模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的方向 盤轉(zhuǎn)角傳感器的內(nèi)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(nèi)花鍵 與轉(zhuǎn)向柱管末端外花鍵連接，使得方向盤轉(zhuǎn)角傳感器與轉(zhuǎn)向柱管保持精準的同軸度；方向 盤轉(zhuǎn)角傳感器的軸向固定是通過傳感器支座（6)固定，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器（7)的線束輸出 口的矩形外殼與傳感器支座所設(shè)計的矩形口相配合，并通過張緊螺釘預(yù)緊，傳感器支座（6) 的底部通過螺釘與C-EPS的殼體連接固定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C-EPS結(jié)構(gòu)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。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C-EPS結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(qū)動電路、大功率平波電感、三相全橋驅(qū)動電路、三相全橋功率電路；轉(zhuǎn)矩信號 和轉(zhuǎn)角信號經(jīng)過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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】G09B9/05GK204178582SQ201420478919
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】顧興劍, 張東, 陳國迎, 宗長富, 麥莉, 何磊, 鄭宏宇 申請人:吉林大學