專利名稱：電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及到一種電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的控制裝置，屬于 汽車技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)液壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括液壓泵、方向盤輸入軸、貯油罐、助力油 缸等，采用發(fā)動機作為動力源，利用液壓泵建立一定的壓力，再經(jīng)過控制閥來調(diào) 整壓力流的流量，根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)，控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在車輛轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn) 向動作仍然由駕駛員完成，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油壓只對轉(zhuǎn)向起輔助作用，即利用油 的壓力幫助駕駛員完成轉(zhuǎn)向動作，使之輕便、省力。但傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 在車輛行駛時不論是否轉(zhuǎn)向，液壓泵都在工作，能量消耗比較大，其助力特性不 能隨車速的變化而自由調(diào)節(jié)，無法兼顧車輛低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時良好的 轉(zhuǎn)向路感。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的上述的缺點，提 供一種既輕便、省力，節(jié)約能耗，能隨車速的變化而自由調(diào)節(jié)的在一些大中型車 輛上實現(xiàn)電控液壓動力轉(zhuǎn)向功能的電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置， 包括液壓泵、方向盤輸入軸、貯油罐、助力油缸，其特征是設(shè)有直流電機、方向 盤轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制單元，直流電機通過聯(lián)軸機構(gòu)直接驅(qū)動連接液 壓泵，方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器分別安裝在方向盤輸入軸和車輪處與控制÷單元連接。
所述的控制單元設(shè)有由一個場效應(yīng)晶體管(M0SFET)作為開關(guān)元件構(gòu)成的驅(qū) 動直流電機的驅(qū)動電路。
本實用新型結(jié)構(gòu)新穎簡單合理，生產(chǎn)制造容易，使用操作輕便、省力，節(jié)約 能耗。主要采用直流電機作為動力源直接驅(qū)動液壓泵，借助方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢 測方向盤轉(zhuǎn)矩的大小，借助車速傳感器檢測車輛的行駛速度，將其信號送入控制 單元分析并控制動力源的電源電壓和電流的大小，從而間接控制液壓泵流量和壓 力，液壓泵可根據(jù)需要通過轉(zhuǎn)向閥提供給轉(zhuǎn)向助力油缸相應(yīng)流量和壓力的液壓油， 從而推動轉(zhuǎn)向機構(gòu)實施轉(zhuǎn)向。本實用新型采用電流控制方式來控制液壓泵流量和 壓力屬閉環(huán)控制，在車輛轉(zhuǎn)向過程中，電控單元將根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器 的輸入信號來確定直流電機的目標控制電流，由電流傳感器實測的電樞電流信號 構(gòu)成反饋通道，使電流傳感器反饋電流與目標電流的誤差為零。這種控制方式的 優(yōu)點是控制精度高，抗干擾能力強。該電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)保持了 傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)技術(shù)成熟和產(chǎn)品可靠的優(yōu)越性，便于推廣應(yīng)用；而且，通過調(diào)節(jié) 直流電機電流可以控制液壓泵流量和壓力，能夠避免傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)動機 高速運行時液壓泵流量過大導致的油液溢流現(xiàn)象，從而提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能量效率 和可靠性。此外，由直流電機控制和驅(qū)動的特點還便于實現(xiàn)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的線傳控 第U(Steering-By-Wire)，結(jié)合車速信號可以進一歩實現(xiàn)轉(zhuǎn)向力矩的非線性控制，在 電動車輛領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2A是電動液壓泵特性圖2B是直流電機速度特性圖3是直流電機電流控制系統(tǒng)框圖4A是直流電機等效結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4B是PWM輸出電壓波形圖； 圖5是電控單元的主程序控制框圖； 圖6是直流電機電流控制模塊示意圖。
圖中l(wèi)方向盤、2方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、3轉(zhuǎn)向閥、4止回閥、5小齒輪、6 齒條、7貯油罐、8溢油閥、9液壓泵、IO控制單元、ll直流電機、12車速 傳感器、13車輪、14助力油缸、15方向盤輸入軸。
具體實施方式
方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器2、轉(zhuǎn)向閥3安裝在方向盤1的方向盤輸入軸15上，直流 電機11通過聯(lián)軸機構(gòu)直接驅(qū)動連接液壓泵9，車速傳感器12安裝車輪13處。液 壓泵9、溢油閥8連接貯油罐7，在液壓泵9與助力油14缸的回路中設(shè)置溢油閥8、 止回閥4，控制單元10設(shè)置一個場效應(yīng)晶體管(M0SFET)作為開關(guān)元件構(gòu)成的驅(qū) 動直流電機的驅(qū)動電路。方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器2和車速傳感器12分別與控制單元10 連接。方向盤輸入軸15通過小齒輪5 、齒條6連接車輪軸。
圖l示意地表示，采用直流電機11作為動力源直接驅(qū)動液壓泵9，借助一個 方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器2檢測方向盤轉(zhuǎn)矩的大小，借助車速傳感器12檢測車輛的行駛 速度，將其信號送入控制單元10分析并控制動力源的電源電壓和電流的大小，間 接控制液壓泵9輸出的流量和壓力，從而可以根據(jù)車輛的實際工況來控制由液壓泵 9通過轉(zhuǎn)向閥3進入轉(zhuǎn)向助力油缸M油液的流量和壓力，給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供一個符 合實際需要的助推力，滿足車輛轉(zhuǎn)向需要的同時又可以節(jié)能和提高效率。
圖2A示意地表示了液壓泵的輸出壓力是和直流電機的電流的近似正比關(guān)系， 同時液壓泵的輸出壓力又與其流量在某一范圍內(nèi)成一定的比例關(guān)系，這是由液壓 泵特性決定的。所以可以通過控制直流電機的電流來達到控制輸出壓力和輸出流 量的目的。
圖2B示意地表示了直流電機電流與車速的之間變化關(guān)系的速度特性。理想的 速度特性曲線呈現(xiàn)非線性特性，這將使整個系統(tǒng)的控制變得復雜，而且需要大量 的試驗數(shù)據(jù)予以修正，為簡化系統(tǒng)，我們采用直線代替曲線，即直線型的速度特 性曲線。當車速較低時，直流電機電流值設(shè)定為L，以保證液壓泵輸出足夠的壓 力，當車速大于某一設(shè)計值V,時，，為了使司機在駕駛過程中保持一定的路感，應(yīng) 該適當降低轉(zhuǎn)向過程中的助力效果，通過對車速信號的獲取，利用車速的負反饋 作用使得控制電流隨車速的增加而降低，直到車速^對應(yīng)的電流值12，當車速繼 續(xù)增加時，直流電機電流便穩(wěn)定在L附近，并略有下降，以保持高速時直流電機 電流維持在一個較小的值。這種基于車速反饋的液壓泵變流量設(shè)計方法能夠兼顧 車輛低速運行的轉(zhuǎn)向動力性和高速運行的穩(wěn)定性。
速度特性曲線對電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有非常重要的意義，速度特 性曲線選取的好壞將直接影響到車輛的轉(zhuǎn)向特性，轉(zhuǎn)向的輕便性。理想的特性應(yīng) 能充分協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)系，具體來講就是
(1) 在輸入轉(zhuǎn)矩很小的區(qū)域，希望液壓泵輸出壓力越小越好，保持較好路感；
(2) 在常用的快速轉(zhuǎn)向行駛區(qū)間，為使轉(zhuǎn)向輕便,助力效果要明顯；
(3) 當轉(zhuǎn)向阻力矩相當大時，如原地轉(zhuǎn)向或掉頭，應(yīng)盡可能發(fā)揮較大的助力 轉(zhuǎn)向效果,輸出壓力增幅大；
(4) 隨著車速的增高，輸入轉(zhuǎn)矩很小時不助力的區(qū)域應(yīng)增大；
(5) 各區(qū)段過渡要平滑。 對于電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制模塊設(shè)計當轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的
轉(zhuǎn)矩小于T。時，直流電機不工作，只有當直流電機轉(zhuǎn)矩達到T。時才開始助力；其 次是飽和環(huán)節(jié)，當傳感器輸出轉(zhuǎn)矩超過一定值時，直流電機電流將保持不變，這 兩個模塊的引入不僅保護了液壓泵和直流電機，同時也有利于獲得理想的助力特 性。
電子控制單元(ECU)根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測的轉(zhuǎn)矩和車速信號確定直流電機的 目標電流值(大小和方向)，即^ =A(K)/(rv J,式中A(F)是一個和車速信號相
關(guān)的參數(shù)，車速越低，；i(r)值越大，此時提供的電動機電流就越大，相應(yīng)的助力
也越大，反之亦然。式(1)即為直線型速度特性曲線所對應(yīng)的數(shù)學表達式。 ' I ( L《 )
對于實際的義(O可以如下確定把車速分成多個區(qū)域進行控制。車速越低， /1(F)越大，反之，車速越高，義(K)越小，當車速超過一定范圍，取義(K)為一恒 定值，確保行車安全。
圖3示意地表示了液壓泵驅(qū)動直流電機的電流閉環(huán)控制方式。上面已經(jīng)提到， 液壓泵驅(qū)動直流電機采用電流控制的方式來實現(xiàn)，具體而言就是直流電機采用電 流pi反饋和前饋補償相結(jié)合的控制方式，其中Pi反饋部分用于消除靜態(tài)偏差，保 證系統(tǒng)良好的跟蹤性能，前饋補償部分提高了直流電機的響應(yīng)速度。
直流電機目標電流與電流傳感器檢測的實際電流值作為負反饋信號，比較這 兩個電流，同時考慮電流前饋補償，確定系統(tǒng)的控制信號",，設(shè)計控制器如下<formula>formula see original document page 7</formula>
(2)
式中i^一一控制器前饋系數(shù)；
——控制器比例系數(shù)；
7;—一控制器積分時間系數(shù)；
一常規(guī)助力控制時直流電機的控制信號。
/ -一直流電機目標電流；
一直流電機檢測電流。
式中的比例控制用于提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，即提高
系統(tǒng)的控制精度；但比例控制系數(shù)/^取值太大將使系統(tǒng)響應(yīng)趨于不穩(wěn)定。積分控制通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降(如超調(diào)量、振蕩次數(shù)增加和調(diào)整時間延 長)以換取消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；但7;取值太小將使系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，反之將減 小對系統(tǒng)控制性能的影響。直流電機控制量的輸出值要在此范圍內(nèi) An ^",^",,, 一旦超出上述范圍，那么實際執(zhí)行的控制量就不再是計算值， 產(chǎn)生的結(jié)果與預期的不相符。圖4A示意地表示了本實用新型所采用的液壓泵直流電機為永磁直流電動機 結(jié)構(gòu)，直流電機的運行方程式可以寫成式中 ——直流電機平均端電壓；乙——通過直流電機的電流； 圖4B示意地表示了直流電機的脈寬調(diào)制(PWM)方式。PWM控制技術(shù)是利用半 導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷控制電壓脈沖寬度或周期，達到變壓的目的，由于P謂 可以有效的進行諧波抑制，而且動態(tài)響應(yīng)好，因此可以利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對 液壓泵直流電機的控制。本文中直流電機由于單向運轉(zhuǎn)，故釆用不可逆PWM電路， 圖4B為直流電機運轉(zhuǎn)時的PWM波形圖。該控制模塊中包括一個驅(qū)動直流電機的驅(qū)動電路，它由一個場效應(yīng)晶體管 (M0SFET)作為開關(guān)元件構(gòu)成，根據(jù)直流電機驅(qū)動信號控制MOSFET的占空比來控 制液壓泵直流電機的電流大小。直流電機電樞端電壓的平均值為式中a二^《為一個周期r中，晶體管導通時間與周期的比率，稱為占空比。"的變化范圍為0^aSl， R.為施加在直流電機兩端的電源電壓。由式(4)可知， 當電源電壓[/、.=12￥不變的情況下，電樞的端電壓的平均值t^取決于占空比a的
大小，改變a值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)節(jié)直流電機電流的目的。 脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)根據(jù)其工作原理，當控制電壓^改變時， PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期才會改變，因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器 合起來可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，它的延時最大不超過一個開關(guān)周期T，當系統(tǒng)的 開環(huán)頻率特性截止頻率滿足化^1式時，可以將滯后環(huán)節(jié)看成一階慣性環(huán)節(jié)。因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)可以近似看成式中《P = ^一脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)；K——PWM變換器的輸出電壓； f/a——脈寬調(diào)制器的控制電壓；r——開關(guān)周期。這樣就可以得到整個直流電機電流控制模塊，主要輸入為車輛車速傳感器和 方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器信號，直流電機轉(zhuǎn)速輸入信號是系統(tǒng)內(nèi)部輸入信號，由直流電 機自身的結(jié)構(gòu)所決定，輸出為直流電機目標電流、檢測電流、電磁轉(zhuǎn)矩和反電動勢，其控制子模塊如圖6所示。
權(quán)利要求1、一種電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，包括液壓泵、方向盤輸入軸、貯油罐、助力油缸，其特征是設(shè)有直流電機、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制單元，直流電機通過聯(lián)軸機構(gòu)直接驅(qū)動連接液壓泵，方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器分別安裝在方向盤輸入軸和車輪處與控制單元連接。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝 置，其特征是所述的控制單元設(shè)有由一個場效應(yīng)晶體管(M0SFET)作 為開關(guān)元件構(gòu)成的驅(qū)動直流電機的驅(qū)動電路。
專利摘要電機驅(qū)動式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制裝置，屬于汽車技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括液壓泵、方向盤輸入軸、貯油罐、助力油缸，其特征是設(shè)有直流電機、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制單元，控制單元設(shè)有由一個場效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為開關(guān)元件構(gòu)成的驅(qū)動直流電機的驅(qū)動電路。直流電機通過聯(lián)軸機構(gòu)直接驅(qū)動連接液壓泵，方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器分別安裝在方向盤輸入軸和車輪處與控制單元連接。采用直流電機作為動力源直接驅(qū)動液壓泵，借助一個方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測方向盤轉(zhuǎn)矩的大小，借助車速傳感器檢測車輛的行駛速度，將其信號送入控制單元分析并控制動力源的電源電壓和電流的大小，從而間接控制液壓泵流量和壓力。本實用新型結(jié)構(gòu)新穎簡單合理，生產(chǎn)制造容易，使用操作輕便、省力，節(jié)約能耗。
文檔編號B62D5/10GK201033585SQ20072003459
公開日2008年3月12日 申請日期2007年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月26日
發(fā)明者伏小明, 仁 何, 孫樹民, 錢貴波, 勇 陳 申請人:揚州揚子江柴油機配件廠