技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即SBW試驗(yàn)臺(tái)架，屬于汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年由于市場(chǎng)的需求和電子技術(shù)的發(fā)展，汽車開(kāi)始趨向智能化，在轉(zhuǎn)向領(lǐng)域，已經(jīng)由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱HPS）、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱EHPS)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱EPS)向線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer-By-Wire，簡(jiǎn)稱SBW）發(fā)展。EPS系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向柱助力式（C-EPS）、轉(zhuǎn)向小齒輪助力式（P-EPS）、齒條助力式（R-EPS）。直流電機(jī)式EPS技術(shù)已趨于成熟，并廣泛應(yīng)用于實(shí)車，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)由于成本、穩(wěn)定性等因素還沒(méi)有在價(jià)格低廉的家用轎車中普及。

目前，公知的SBW系統(tǒng)基本是單獨(dú)選用電機(jī)、減速器、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器等部件裝配組成轉(zhuǎn)向操縱結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行結(jié)構(gòu)，裝配誤差難以控制；大都采用CAN總線實(shí)現(xiàn)單片機(jī)通訊，最高性能極限為1Mbps,傳輸速度慢，實(shí)時(shí)控制效果一般，SBW系統(tǒng)的控制的快速性、準(zhǔn)確性對(duì)總線系統(tǒng)提出了更高的要求；目前的阻力加載機(jī)構(gòu)大多采用彈簧、磁粉制動(dòng)器，彈簧加載的阻力變化規(guī)律恒定，磁粉制動(dòng)器則易控制失誤且受潮性能不穩(wěn)定。

湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文《基于汽車線控轉(zhuǎn)向系試驗(yàn)臺(tái)的在環(huán)系統(tǒng)仿真》一文中提出的SBW系統(tǒng)采用伺服電機(jī)阻力加載機(jī)構(gòu)，并通過(guò)滾珠絲杠與電機(jī)減速器連接向SBW系統(tǒng)輸出阻力矩，滾珠絲杠承載能力較低，緩沖性能低且有磨損，會(huì)因摩擦影響定位精度和剛性，摩擦力矩也會(huì)引起換向時(shí)的跳動(dòng)突變。

目前相關(guān)文獻(xiàn)中很少提到直接利用EPS方向機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)作為SBW系統(tǒng)轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及阻力加載機(jī)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足提供一種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即SBW試驗(yàn)臺(tái)架，采用直流電機(jī)式EPS方向機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了裝配精度。采用電機(jī)阻力加載機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)不同工況下的阻力模擬并且易于控制。通過(guò)Flexray總線通訊，加快傳輸速度，降低危險(xiǎn)工況的系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)包括上下兩層，上層為主控模塊由ECU構(gòu)成，下層為轉(zhuǎn)向操縱模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊、阻力加載模塊和容錯(cuò)模塊；轉(zhuǎn)向操縱模塊由方向盤(pán)、路感電機(jī)、電機(jī)控制器、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和電流傳感器構(gòu)成；轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、電機(jī)控制器、電流傳感器、線位移傳感器和拉壓力傳感器構(gòu)成；阻力加載模塊由阻力模擬電機(jī)、電機(jī)控制器和電流傳感器構(gòu)成；容錯(cuò)模塊由RECU構(gòu)成，所述試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)采用12V的電源，包含為傳感器和控制芯片供電的12V轉(zhuǎn)5V的電源電路接口，車速信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器提供。

所述SBW系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的上層主控模塊ECU和容錯(cuò)模塊RECU，包括一個(gè)16位微控制器、Flexray驅(qū)動(dòng)電路；

所述ECU和RECU采用嵌入式微控制器——飛思卡爾的16位單片機(jī)MC9S12XF512，該芯片增加了X-GATE協(xié)處理器，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和控制功能；Flexray驅(qū)動(dòng)電路以TJA1080為收發(fā)器；MC9S12XF512內(nèi)部集成2路Flexray控制器，F(xiàn)lexRay總線兩個(gè)信道上的數(shù)據(jù)速率最大可達(dá)到10Mbps,總數(shù)據(jù)速率可達(dá)到20Mbit/秒，具有使用靈活、功耗低、低噪聲、傳輸快等優(yōu)點(diǎn)；S12 MCU 總線頻率為25MHz，方便實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的均衡控制算法和多總線通訊控制。在MCU外圍還通過(guò)IIC總線接入實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片和EEPROM存儲(chǔ)芯片，2路Flexray的RX和TX腳分別接TJA1080收發(fā)器構(gòu)成內(nèi)部和外部雙Flexray通訊網(wǎng)絡(luò)。

所述下層轉(zhuǎn)向操縱模塊路感電機(jī)采用C-EPS方向機(jī)，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩沒(méi)有超過(guò)5N?m，選用功率為150W—350W直流電機(jī)式C-EPS方向機(jī)，采用MC9S12XF512作為電機(jī)控制板并設(shè)計(jì)以DRV8301為驅(qū)動(dòng)芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及以TJA1080為收發(fā)器的Flexray驅(qū)動(dòng)電路；轉(zhuǎn)角傳感器采用光電編碼器，精度為0.5度左右；轉(zhuǎn)矩傳感器采用非接觸扭矩傳感器；電流傳感器采用霍爾式電流傳感器，轉(zhuǎn)向操縱模塊單獨(dú)使用鋁型材臺(tái)架搭建，下層設(shè)立隔板用來(lái)放置控制板及電源。

所述下層轉(zhuǎn)向操縱模塊轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)采用R-EPS（或P-EPS）方向機(jī)，由于汽車的轉(zhuǎn)向動(dòng)作全部直接由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)來(lái)提供，所以對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)的功率要求比較高，本發(fā)明采用功率600W—900W直流電機(jī)式R-EPS（或P-EPS）方向機(jī)；以MC9S12XF512作為電機(jī)控制板并設(shè)計(jì)以DRV8301為驅(qū)動(dòng)芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及以TJA1080為收發(fā)器的Flexray驅(qū)動(dòng)電路。線位移傳感器采用拉桿式直線位移傳感器，拉壓力傳感器采用S型拉壓力傳感器。

所述下層阻力加載模塊由阻力模擬電機(jī)、電機(jī)控制器和電流傳感器構(gòu)成；阻力模擬電機(jī)也采用R-EPS（或P-EPS）方向機(jī)，選用功率為150W—350W直流電機(jī)式R-EPS（或P-EPS）方向機(jī)。以MC9S12XF512作為電機(jī)控制板并設(shè)計(jì)以DRV8301為驅(qū)動(dòng)芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及以TJA1080為收發(fā)器的Flexray驅(qū)動(dòng)電路。

所述下層轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊與阻力加載模塊的連接方式為：將轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊中的拉壓力傳感器和阻力加載模塊中的阻力模擬電機(jī)的兩端用下述零件連接，該零件為一個(gè)套筒和一個(gè)雙頭螺柱，套筒左側(cè)為右旋螺紋，右側(cè)為左旋螺紋；雙頭螺柱左側(cè)為左旋螺紋，右側(cè)為右旋螺紋，套筒和雙頭螺柱中間留有凹槽，方便使用扳手等拆卸工具；該零件通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)保證轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊與阻力加載模塊的連接可靠性與水平度，同時(shí)可方便拆卸拉壓力傳感器和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)。

所述轉(zhuǎn)向操縱模塊中方向盤(pán)、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器的安裝位置均為圓柱孔結(jié)構(gòu)，直接安裝在C-EPS方向機(jī)柱管上，柱管頭部自帶有右旋螺紋，依次安裝轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤(pán)在C-EPS方向機(jī)柱管上并用螺母緊固，通過(guò)螺栓結(jié)構(gòu)將C-EPS方向機(jī)固定在鋁型材臺(tái)架上，轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和阻力模擬模塊中R-EPS（或P-EPS）方向機(jī)兩端均為右旋螺紋結(jié)構(gòu)，R-EPS（或P-EPS）方向機(jī)通過(guò)螺栓結(jié)構(gòu)安裝在厚度適中的鐵板上并保證在一條直線上，阻力模擬模塊的R-EPS（或P-EPS）方向機(jī)右側(cè)右旋螺紋與連接零件套筒左側(cè)右旋螺紋連接，套筒右側(cè)左旋螺紋與雙頭螺柱左側(cè)左旋螺紋相連，雙頭螺柱右側(cè)右旋螺紋連接拉壓力傳感器，拉壓力傳感器再與轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)螺紋結(jié)構(gòu)相連。線位移傳感器通過(guò)螺栓結(jié)構(gòu)安裝在平行于R-EPS（或P-EPS）方向機(jī)的位置，其拉桿使用螺栓結(jié)構(gòu)緊固在一塊鐵片上，鐵片通過(guò)螺母固定在拉壓力傳感器和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)之間，各個(gè)電機(jī)的電機(jī)控制板的兩路PWM信號(hào)輸出端用電線與電機(jī)正負(fù)極相連，F(xiàn)lexray驅(qū)動(dòng)板的BP和BM端與主控模塊ECU的BP和BM端用電線相連，并接通12V電源，電流傳感器均接在電機(jī)正極。主控模塊的ECU的ECT模塊采集轉(zhuǎn)角傳感器的信號(hào)，A/D模塊采集轉(zhuǎn)矩傳感器、拉壓力傳感器、線位移傳感器、電流傳感器信號(hào)，各個(gè)傳感器和微控制器均需接5V的電源。

本發(fā)明所述線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即SBW試驗(yàn)臺(tái)架工作過(guò)程如下：

試驗(yàn)人員通過(guò)給定方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角，ECU采集轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)以及信號(hào)發(fā)生器的隨機(jī)車速信號(hào)，通過(guò)ECU內(nèi)部的算法運(yùn)算，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)路感電機(jī)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、阻力模擬電機(jī)的PWM控制信號(hào)，通過(guò)Flexray總線傳輸?shù)较聦痈麟姍C(jī)控制板，路感電機(jī)控制板接收路感電機(jī)PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)路感模擬，轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊接收轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)PWM控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，反饋線位移信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向執(zhí)行閉環(huán)控制及反饋拉壓力信號(hào)用于主控模塊阻力及路感計(jì)算，阻力加載模塊接收阻力模擬電機(jī)PWM控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻力模擬。各電流傳感器反饋給ECU電流信號(hào)，用于電機(jī)閉環(huán)控制。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明所述SBW試驗(yàn)臺(tái)架搭建方法簡(jiǎn)單有效，可用于SBW系統(tǒng)控制算法、容錯(cuò)算法、總線技術(shù)的試驗(yàn)研究。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制示意圖；

圖3為本發(fā)明中轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊與阻力加載模塊之間的連接零件示意圖；

圖中1.方向盤(pán)，2.轉(zhuǎn)角傳感器，3.轉(zhuǎn)矩傳感器，4. 路感電機(jī)，5. 路感電機(jī)控制板，6.主控模塊，7.容錯(cuò)模塊，8.阻力模擬電機(jī)控制板，9.轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制板，10.阻力模擬電機(jī)，11.連接零件，12.線位移傳感器，13. 拉壓力傳感器，14. 轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)，15.Flexray總線 ；圖3箭頭所指位置采用的是左旋螺紋。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

在轉(zhuǎn)向拉桿上裝有拉壓力傳感器13和線位移傳感器12，通過(guò)這兩個(gè)傳感器實(shí)時(shí)地反映出路面狀況，即可得出路感信息，再將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給主控模塊6中ECU，ECU依據(jù)車速發(fā)生器傳來(lái)的車速信號(hào)以及路感電機(jī)4上反饋來(lái)的電流信號(hào)，通過(guò)算法計(jì)算出路感電機(jī)PWM信號(hào)，利用Flexray總線15傳輸PWM信號(hào)來(lái)控制路感電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和輸出扭矩大小，從而完成對(duì)路感電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

扭矩傳感器3、轉(zhuǎn)角傳感器2是裝在轉(zhuǎn)向軸上的，轉(zhuǎn)向電機(jī)14與阻力模擬電機(jī)10通過(guò)連接零件11相連。當(dāng)方向盤(pán)1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器開(kāi)始工作，將在轉(zhuǎn)向軸上產(chǎn)生的扭矩信號(hào)和角度轉(zhuǎn)向信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給ECU；同時(shí)ECU再依據(jù)車速傳感器傳來(lái)的電信號(hào)、拉桿上兩傳感器的路感信號(hào)、轉(zhuǎn)向電機(jī)上反饋來(lái)的電流信號(hào)以及阻力模擬電機(jī)上反饋的電流信號(hào),通過(guò)算法計(jì)算出轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)和阻力模擬電機(jī)的PWM信號(hào)，利用Flexray總線傳輸PWM信號(hào)來(lái)決定轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)向方向和扭矩大小以及阻力模擬電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和阻力大小，從而完成對(duì)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)和阻力模擬電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

在對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)、路感電機(jī)和阻力模擬電機(jī)控制的同時(shí)，容錯(cuò)模塊7中RECU又對(duì)ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以在ECU發(fā)生故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行彌補(bǔ)控制。