技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)：

近年由于市場的需求和電子技術(shù)的發(fā)展，汽車開始趨向智能化，在轉(zhuǎn)向領(lǐng)域，已經(jīng)由機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡稱HPS）、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(簡稱EHPS)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(簡稱EPS)向線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer-By-Wire，簡稱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）。直流電機式EPS技術(shù)已趨于成熟，并廣泛應用于實車，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)由于成本、穩(wěn)定性等因素還沒有在價格低廉的家用轎車中普及。

目前，公知的SBW系統(tǒng)基本是單獨選用電機、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總線實現(xiàn)單片機通訊，最高性能極限為1Mbps,傳輸速度慢，實時控制效果一般，SBW系統(tǒng)的控制的快速性、準確性對總線系統(tǒng)提出了更高的要求；目前的阻力加載機構(gòu)大多采用彈簧、磁粉制動器，彈簧加載的阻力變化規(guī)律恒定，磁粉制動器則易控制失誤且受潮性能不穩(wěn)定。

湖南大學碩士學位論文《基于汽車線控轉(zhuǎn)向系試驗臺的在環(huán)系統(tǒng)仿真》一文中提出的SBW系統(tǒng)采用伺服電機阻力加載機構(gòu)，并通過滾珠絲杠與電機減速器連接向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，會因摩擦影響定位精度和剛性，摩擦力矩也會引起換向時的跳動突變。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)不足提供一種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即SBW試驗臺架，采用直流電機式EPS方向機機械結(jié)構(gòu)節(jié)省了設(shè)計時間，提高了裝配精度。采用電機阻力加載機構(gòu)，可實現(xiàn)不同工況下的阻力模擬并且易于控制。通過Flexray總線通訊，加快傳輸速度，降低危險工況的系統(tǒng)的反應時間，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)明所述試驗臺架結(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模塊；轉(zhuǎn)向操縱模塊由方向盤、路感電機、電機控制器、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、電機控制器、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、電機控制器和電流傳感器構(gòu)成；容錯模塊由RECU構(gòu)成，所述試驗臺架系統(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，車速信號由信號發(fā)生器提供。

所述SBW系統(tǒng)試驗臺架的上層主控模塊ECU和容錯模塊RECU，包括一個16位微控制器、Flexray驅(qū)動電路；

所述ECU和RECU采用嵌入式微控制器——飛思卡爾的16位單片機MC9S12XF512，該芯片增加了X-GATE協(xié)處理器，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和控制功能；Flexray驅(qū)動電路以TJA1080為收發(fā)器；MC9S12XF512內(nèi)部集成2路Flexray控制器，F(xiàn)lexRay總線兩個信道上的數(shù)據(jù)速率最大可達到10Mbps,總數(shù)據(jù)速率可達到20Mbit/秒，具有使用靈活、功耗低、低噪聲、傳輸快等優(yōu)點；S12 MCU 總線頻率為25MHz，方便實現(xiàn)一些復雜的均衡控制算法和多總線通訊控制。在MCU外圍還通過IIC總線接入實時時鐘芯片和EEPROM存儲芯片，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采用C-EPS方向機，由于實驗數(shù)據(jù)表明，方向盤轉(zhuǎn)矩沒有超過5N?m，選用功率為150W—350W直流電機式C-EPS方向機，采用MC9S12XF512作為電機控制板并設(shè)計以DRV8301為驅(qū)動芯片的電機驅(qū)動電路及以TJA1080為收發(fā)器的Flexray驅(qū)動電路；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)向操縱模塊單獨使用鋁型材臺架搭建，下層設(shè)立隔板用來放置控制板及電源。

所述下層轉(zhuǎn)向操縱模塊轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機采用R-EPS（或P-EPS）方向機，由于汽車的轉(zhuǎn)向動作全部直接由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機來提供，所以對轉(zhuǎn)向電機的功率要求比較高，本發(fā)明采用功率600W—900W直流電機式R-EPS（或P-EPS）方向機；以MC9S12XF512作為電機控制板并設(shè)計以DRV8301為驅(qū)動芯片的電機驅(qū)動電路及以TJA1080為收發(fā)器的Flexray驅(qū)動電路。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、電機控制器和電流傳感器構(gòu)成；阻力模擬電機也采用R-EPS（或P-EPS）方向機，選用功率為150W—350W直流電機式R-EPS（或P-EPS）方向機。以MC9S12XF512作為電機控制板并設(shè)計以DRV8301為驅(qū)動芯片的電機驅(qū)動電路及以TJA1080為收發(fā)器的Flexray驅(qū)動電路。

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的兩端用下述零件連接，該零件為一個套筒和一個雙頭螺柱，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，同時可方便拆卸拉壓力傳感器和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機。

所述轉(zhuǎn)向操縱模塊中方向盤、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、方向盤在C-EPS方向機柱管上并用螺母緊固，通過螺栓結(jié)構(gòu)將C-EPS方向機固定在鋁型材臺架上，轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和阻力模擬模塊中R-EPS（或P-EPS）方向機兩端均為右旋螺紋結(jié)構(gòu)，R-EPS（或P-EPS）方向機通過螺栓結(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)行電機螺紋結(jié)構(gòu)相連。線位移傳感器通過螺栓結(jié)構(gòu)安裝在平行于R-EPS（或P-EPS）方向機的位置，其拉桿使用螺栓結(jié)構(gòu)緊固在一塊鐵片上，鐵片通過螺母固定在拉壓力傳感器和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機之間，各個電機的電機控制板的兩路PWM信號輸出端用電線與電機正負極相連，F(xiàn)lexray驅(qū)動板的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正極。主控模塊的ECU的ECT模塊采集轉(zhuǎn)角傳感器的信號，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，各個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試驗臺架工作過程如下：

試驗人員通過給定方向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角，ECU采集轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)角傳感器信號以及信號發(fā)生器的隨機車速信號，通過ECU內(nèi)部的算法運算，計算出驅(qū)動路感電機、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、阻力模擬電機的PWM控制信號，通過Flexray總線傳輸?shù)较聦痈麟姍C控制板，路感電機控制板接收路感電機PWM控制信號實現(xiàn)路感模擬，轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊接收轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機PWM控制信號來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，反饋線位移信號實現(xiàn)轉(zhuǎn)向執(zhí)行閉環(huán)控制及反饋拉壓力信號用于主控模塊阻力及路感計算，阻力加載模塊接收阻力模擬電機PWM控制信號來實現(xiàn)阻力模擬。各電流傳感器反饋給ECU電流信號，用于電機閉環(huán)控制。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明所述SBW試驗臺架搭建方法簡單有效，可用于SBW系統(tǒng)控制算法、容錯算法、總線技術(shù)的試驗研究。

附圖說明

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，2.轉(zhuǎn)角傳感器，3.轉(zhuǎn)矩傳感器，4. 路感電機，5. 路感電機控制板，6.主控模塊，7.容錯模塊，8.阻力模擬電機控制板，9.轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機控制板，10.阻力模擬電機，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，15.Flexray總線 ；圖3箭頭所指位置采用的是左旋螺紋。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和對本發(fā)明進一步說明。

在轉(zhuǎn)向拉桿上裝有拉壓力傳感器13和線位移傳感器12，通過這兩個傳感器實時地反映出路面狀況，即可得出路感信息，再將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號傳給主控模塊6中ECU，ECU依據(jù)車速發(fā)生器傳來的車速信號以及路感電機4上反饋來的電流信號，通過算法計算出路感電機PWM信號，利用Flexray總線15傳輸PWM信號來控制路感電機的轉(zhuǎn)動方向和輸出扭矩大小，從而完成對路感電機的實時控制。

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14與阻力模擬電機10通過連接零件11相連。當方向盤1轉(zhuǎn)動時，傳感器開始工作，將在轉(zhuǎn)向軸上產(chǎn)生的扭矩信號和角度轉(zhuǎn)向信號轉(zhuǎn)換為電信號傳給ECU；同時ECU再依據(jù)車速傳感器傳來的電信號、拉桿上兩傳感器的路感信號、轉(zhuǎn)向電機上反饋來的電流信號以及阻力模擬電機上反饋的電流信號,通過算法計算出轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機和阻力模擬電機的PWM信號，利用Flexray總線傳輸PWM信號來決定轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機的轉(zhuǎn)向方向和扭矩大小以及阻力模擬電機的轉(zhuǎn)動方向和阻力大小，從而完成對轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機和阻力模擬電機的實時控制。

在對轉(zhuǎn)向電機、路感電機和阻力模擬電機控制的同時，容錯模塊7中RECU又對ECU進行實時監(jiān)控，以在ECU發(fā)生故障時對系統(tǒng)進行彌補控制。