阅读说明：本技术 一种用于线控转向车辆上的转向结构及其控制方法 (Steering structure for steer-by-wire vehicle and control method thereof ) 是由 靳立强 任思佳 张志阳 张骁 牟希东 靳博豪 郭垠锴 刘志伟 屈信益 郭德胜 尹 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于线控转向车辆上的转向结构,包括：转向节,其两端向所述转向节一侧延伸,分别形成第一延伸部和第二延伸部；电机座,其固定设置在所述第一延伸部上,所述电机座上开设有凹槽；转向轴承,其设置在所述凹槽内,并且所述转向轴承外圈与所述凹槽过盈配合,所述转向轴承的内圈抵靠在所述第一延伸部上；其中,所述转向轴承为圆锥滚子轴承；转向电机,其固定设置在所述电机座上,所述转向电机的动力输出端依次穿过所述轴承内圈和所述第一延伸部后与所述第一延伸部固定连接；下横臂,其固定设置在所述电机座一侧。本结构具有无需万向节传动轴等传统机械结构,所占空间小。本发明还提供一种用于线控转向车辆上的转向结构的控制方法。(The invention discloses a steering structure for a steer-by-wire vehicle, comprising: the two ends of the steering knuckle extend towards one side of the steering knuckle to form a first extending part and a second extending part respectively; the motor base is fixedly arranged on the first extending part, and a groove is formed in the motor base; the steering bearing is arranged in the groove, the outer ring of the steering bearing is in interference fit with the groove, and the inner ring of the steering bearing is abutted against the first extension part; wherein the steering bearing is a tapered roller bearing; the power output end of the steering motor sequentially penetrates through the bearing inner ring and the first extension part and then is fixedly connected with the first extension part; and the lower cross arm is fixedly arranged on one side of the motor base. The structure has the advantages of no need of traditional mechanical structures such as a universal joint transmission shaft and the like, and small occupied space. The invention also provides a control method for a steering structure on a steer-by-wire vehicle.)

一种用于线控转向车辆上的转向结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于线控转向车辆上的转向结构及其控制方法，属于汽车线控转向领域。

背景技术

线控转向即“Seer-By-Wire”，属于线控技术“X-By-wire”的一种。线控转向最早源于航天科技，源自航空驾驶的“Fly-By-Wire”，随后随着电子技术及控制技术的发展越来越多的人们开始研究线控转向在汽车领域的应用。

早在20世纪60年代，德国Kasselmann就尝试将机械转向系统用电子控制系统来替代，但受限于当时的科技水平未能成功。1990年，德国奔驰公司开始了线控转向的研究，并基于对线控转向的研究推出了一款F400Carving概念车。2000年，宝马公司推出了一款Z22概念车，通过适当的控制策略缩小了转向盘的转向角度，减少了驾驶员的操作难度。2010年，丰田公司推出了一款FT-EVⅡ概念车，通过旋钮和按键实现了车辆的加速、制动等功能。2015年英菲尼迪推出了全球首款应用了线控转向的量产车型Q50。

线控转向最早源于航天科技，近年来随着电子控制技术的突破越来越多的人们开始着手研究线控转向在汽车上的应用并取得了一系列的成果。

线控转向技术采用信号控制汽车转向，在方向盘及转向轮之间通过电子信号连接，无需万向节，传动轴等传统机械结构，通过对相应传感器数据的采集及对转向电机、路感电机的控制可以轻松实现对驾驶员意图的分析及路感的反馈。与传统机械结构相比转向更加轻便灵活，反应更加迅捷，所需空间更小，提高了车辆的碰撞安全性，可以通过改变传动比适应不同驾驶员对于不同转向手感及反馈路感的要求，为驾驶员带来更为舒适的驾驶体验

发明内容

本发明设计开发了一种用于线控转向车辆上的转向结构，能够在汽车转向时通过转向电机直接带动转向节和车轮转动，转动灵活，转向角度大。

本发明还设计开发了一种用于线控转向车辆上的转向结构的控制方法，通过监测转向过程中行驶参数，并通过控制系统对车轮的实际转角进行控制，提高转向过程中车轮转向角度和的控制精度。

本发明提供的技术方案为：

一种用于线控转向车辆上的转向结构，包括：

转向节，其两端分别向外形成第一延伸部和第二延伸部；

电机座，其设置在所述第一延伸部上，所述电机座底部开设有凹槽；

转向轴承，其设置在所述凹槽内，并且所述转向轴承外圈与所述凹槽过盈配合，所述转向轴承的内圈抵靠在所述第一延伸部上；

其中，所述转向轴承为圆锥滚子轴承；

转向电机，其固定设置在所述电机座上，所述转向电机的动力输出端依次穿过所述轴承内圈和所述第一延伸部后与所述第一延伸部固定连接；

下横臂，其固定设置在所述电机座一侧。

优选的是，所述转向节另一侧固定连接有轮毂电机。

优选的是，还包括：减速箱，其连接所述转向电机的动力输出端。

优选的是，所述减速箱的输出端上设置有花键，所述第一延伸部上匹配设置有键槽，所述花键匹配设置在所述键槽处。

优选的是，所述下横臂与所述电机座之间通过球头销进行固定连接。

优选的是，所述第二延伸部上固定连接有上横臂。

优选的是，所述下横臂上设置有弹簧减震器。

优选的是，还包括：

方向盘转角传感器；

车速传感器；

转向电机控制器；

轮毂电机控制器；

控制系统，其分别电连接所述方向盘传感器、所述车速传感器、所述转向电机控制器、所述轮毂电机控制器，用于控制车轮转角。

一种用于线控转向车辆上的转向结构的控制方法，其特征在于，车轮转角的控制过程具体包括：

车辆转向时，将方向盘转角α、车速v输入到模糊控制器中，输出车轮的理论转角

将第i个控制过程中车轮的理论转角和车轮的实际转角θ的偏差e、偏差变化率ec输入到PID控制器中，对车轮的实际转角θ进行误差补偿控制；

其中，所述方向盘转角α、所述车速v、所述车轮的理论转角

分为7个等级，所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；

所述理论转角

和车轮的实际转角θ的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为1；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，定量化因子为1。

优选的是，所述转向电机在控制过程中工作电流的经验公式为：

其中，I_e为设定的工作电流，i为转向传动比，β为方向盘转角，θ为汽车质心偏角，L为减速箱输出轴长度，r为减速箱输出轴半径，m为汽车质量，v为汽车速度，t汽车行驶时间，C为补偿常数。

本发明所述的有益效果：本发明涉及的用于线控转向车辆上的转向结构，具有无需万向节、传动轴等传统机械结构，所占空间小，反应灵敏等优点，本发明提出的结构与传统结构相比减少了传统车辆上的半轴等机械结构可以实现在车轮的最大90度转向，为车辆横行等功能提供结构基础。

采用两处球头销连接转向电机底座及下横臂可以增加各部件之间的紧密程度，增加车辆操纵稳定性，提高了车辆行驶安全性。

附图说明

图1为本发明所述的用于线控转向车辆上的转向结构的结构示意图。

图2为本发明所述的电机座与转向节连接处的结构示意图。

图3为本发明所述的电机座与下横臂连接处的结构示意图。

图4为本发明所述的转向电机控制流程图。

图5为本发明所述的车轮转角控制流程图。

图6为本发明所述的转向时车轮控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-6所示，本发明提供一种用于线控转向车辆上的转向结构，包括：转向节100、转向电机底座200、轮毂电机300、减速箱400、转向电机500、上横臂600、弹簧减震器700以及下横臂800。

如图1所示，转向节100的两端向转向节100的一侧延伸，分别形成第一延伸部110和第二延伸部120，转向节100的另一侧固定连接有轮毂电机300和制动钳310，转向电机座200设置在第一延伸部110上，转向电机500的动力输出端与减速箱400相连接，减速箱400固定设置在转向电机座200上，第二延伸120上固定连接有上横臂800，电机座200一侧固定连接有下横臂800，弹簧减震器700设置在下横臂上。

如图3所示，上横臂600与第二延伸部之间通过上球头销进行固定连接，下横臂800与转向电机座200的一侧通过两个下球头销510进行固定连接，通过两处下球头销510连接电机座20和下横臂800，可以增加各部件之间的紧密程度，增加车辆操纵稳定性，提高了车辆行驶的安全性。

轮毂电机300与制动盘固定连接，轮毂电机300与车轮固定连接，轮毂电机的电机轴穿过转向节100后与转向节100固定连接，在轮毂电机300与转向节100之间通过花键进行固定连接，轮毂电机300的电机轴穿过转向节100后，末端通过压紧螺母进行轴向固定。制动钳310通过螺栓与转向节100固定连接。

转向电机500与减速箱400通过固定连接，减速箱400与转向电机底座200固定连接，在转向电机底座200和转向节100的第一延伸部110上分别开设有同轴设置的第一通孔和第二通孔，用于减速箱400输出轴410的穿过，并在第一通孔内设置有凹槽210，在凹槽210内部设置有轴承220。

在本发明中，作为一种优选，轴承220与凹槽210为过盈配合。

在本发明中，作为一种优选，轴承220选用圆锥滚子轴承。

轴承220的外圈221与第一通孔内的凹槽210过盈配合，同时轴承220的内圈222紧紧抵靠在转向节100的第一延伸部110顶端面上，使转向电机底座200与转向节100能够相对转动。减速箱400的输出轴依次穿过轴承内圈222以及第二通孔后，与转向节之间固定连接。

在减速箱400的输出轴410末端，设置有键槽411，在第一延伸部110上设置有花键，通过花键限制输出轴410与转向节100之间的转动自由度，通过末端压紧螺母420限制轴向自由度。当驾驶员转动方向盘时，转向电机500接收到方向盘转角传感器传来的信号后转向轴开始转动，带动减速箱400输出轴411转动，由于输出轴411与转向电机底座200之间有轴承220，并且输出轴411与转向节第一延伸部110通过键连接，故减速箱400输出轴411的转动会带动转向节100转动，从而带动轮胎转过相应角度，实现线控转向的目的。

由于取消了传统车辆上的半轴等机械结构，本结构车轮转角最大可以达到90度，为车辆的一些特殊转向模式如横行等提供了机械结构基础。

汽车行驶时，在方向盘上设置有转角传感器，驱动桥壳内设置有车速传感器，转向电机控制器设置在转向电机500上，轮毂电机控制器设置在轮毂电机300上，控制系统(ECU)分别于转角传感器、车速传感器、转向电机控制器以及轮毂电机控制器电连接，用于控制车辆转向和车轮转角。

本发明还提供一种用于线控转向车辆上的转向结构的控制方法，通过监测转向过程中行驶参数，并通过控制系统对车轮的实际转角进行控制，提高转向过程中车轮转角的控制精度和效率。

如图4所示，转向电机500主要通过位置、速度以及电流三种控制方法之一来控制其转动，根据不同的需求选择不同的控制模式，在车辆正常行驶时一般选用电流环控制，在车轮准备90度转向时进入位置环控制。

如图5所示，当驾驶员转动方向盘时，转角传感器测得驾驶员转过方向盘的角度，并传递相应转角信号到控制系统。控制系统根据车速信号等信息处理输入的方向盘转角信号后得出车轮应当转过的角度，并将相应信号传递到转向电机控制器。转向电机控制器采用模糊PID控制，具体如下：

车辆转向时，将方向盘转角α、车速v输入到模糊控制器中，输出车轮的理论转角

将第i个控制过程中车轮的理论转角

和车轮的实际转角θ的偏差e、偏差变化率ec输入到PID控制器中，通过PID控制器对车轮的实际转角θ进行误差补偿控制。

其中，方向盘转角α、车速v、车轮的理论转角

分为7个等级，偏差e和偏差变化率ec分为7个等级：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，ZR(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)。

理论转角

和车轮的实际转角θ的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为1；偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为1；

车轮的实际转角θ通过PID控制器进行控制，在第i个控制过程时，根据轮的理论转角

和车轮的实际转角θ的偏差e、偏差变化率ec，与控制器中的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D进行线性组合构成控制量，对车轮的实际转角进行校正，PID的控制算式为

比例环节K_P的作用是提高系统响应速度，积分环节K_I的作用为消除系统的静态误差，微分环节K_D的作用为改善系统的动态特性。通过转向电机位置传感器测得车轮转过的角度后与控制系统计算的理论值进行反馈对比，保证车轮转角适当。

在控制过程中，通过控制转向电机500的电流控制转向电机500转动的角度，转向电机500在控制过程中工作电流的经验公式为：

其中，I_e为设定的工作电流，单位为A，i为转向传动比，β为方向盘转角，单位为°，θ为汽车质心偏角，单位为°，L为减速箱输出轴长度，单位为mm，r为减速箱输出轴半径，单位为mm，m为汽车质量，单位为kg，v为汽车速度，单位为m/s，t汽车行驶时间，单位为s，C为补偿常数。

如图6所示，在车轮进行90度转向时需要转向电机500与轮毂300电机的协调处理，ECU接受到方向盘大角度转向的信号后向转向电机控制器及轮毂电机控制器发送指令使其协调运行，匹配各部件对应转矩，避免在转向的过程中轮毂电机与转向电机发生干涉影响车轮转动。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。