一种线控转向容错装置及其控制方法

摘要

本发明提供了一种线控转向容错装置及其控制方法，该容错装置包括信号采集单元、电子控制单元和执行机构，信号采集单元采集方向盘和第二转向柱管转角的传感器，并发送给电子控制单元，电子控制单元根据转角信号控制转向电机、路感电机和电磁锁止器的锁止和断开，实现正常转向和故障时的机械连接，保证车辆在任何情况下都不丧失转向能力。本发明装置结构紧凑，所占空间小，在电机发生故障时，能够转变为电机助力转向模式或者纯机械转向模式，对转向系统没有影响。

权利要求

1.一种线控转向容错装置，其特征在于：包括同轴设置的第一转向柱管(11)和第二转向柱管(15)，第一转向柱管(11)内设有衔接柱(6)，衔接柱(6)通过螺旋弹簧(2)与第一转向柱管(11)顶端固定连接，衔接柱(6)上端套接第一电磁锁止器(3)，第一电磁锁止器(3)与第一转向柱管(11)固定；第一转向柱管(11)外部设有第一转向柱管转角传感器(4)、第二电磁锁止器(5)；第二转向柱管(15)顶端焊接有衔接套(7)；第二转向柱管(15)外部设有第二转向柱管转角传感器(9)、第三电磁锁止器(8)；第一转向柱管转角传感器(4)、第二转向柱管转角传感器(9)、第一电磁锁止器(3)、第二电磁锁止器(5)、第三电磁锁止器(8)均与ECU(13)连接，ECU(13)还与路感电机(12)和转向电机(14)连接，第二电磁锁止器(5)、第三电磁锁止器(8)分别通过外部焊接的齿轮与路感电机(12)、转向电机(14)啮合。

2.根据权利要求1所述的线控转向容错装置，其特征在于：所述第一转向柱管(11)内壁上的凸起与衔接柱(6)上的凹槽相配合，实现衔接柱(6)与第一转向柱管(11)同步转动。

3.根据权利要求1所述的线控转向容错装置，其特征在于：所述衔接套(7)上端设置收口，衔接柱(6)下落后与衔接套(7)通过花键衔接，花键孔最上端设置倒角。

4.根据权利要求1所述的线控转向容错装置，其特征在于：所述第一转向柱管(11)与方向盘(1)固定连接。

5.根据权利要求1所述的线控转向容错装置，其特征在于：所述第二转向柱管(15)与转向器(10)固定连接。

6.一种根据权利要求1‑5任一项所述的线控转向容错装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)，ECU(13)判断转向电机(14)是否发生故障，当转向电机(14)发生故障时，执行步骤(2)；若转向电机(14)未发生故障时，执行步骤(3)；

步骤(2)，ECU(13)判断路感电机(12)是否发生故障，当路感电机(12)发生故障时，ECU(13)控制第一电磁锁止器(3)、第二电磁锁止器(5)和第三电磁锁止器(8)断开，进入纯机械模式；若路感电机(12)未发生故障，ECU(13)控制第三电磁锁止器(8)和第一电磁锁止器(3)断开，衔接柱(6)和衔接套(7)结合，进入电机助力模式；

步骤(3)，ECU(13)判断路感电机(12)是否发生故障，当路感电机(12)未发生故障时，进入线控转向模式；当路感电机(12)发生故障时，ECU(13)控制第二电磁锁止器(5)和第一电磁锁止器(3)断开，衔接柱(6)和衔接套(7)结合，进入电机助力模式。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中第一电磁锁止器(3)断开前，ECU(13)由调节的角度Δα判定衔接柱(6)和衔接套(7)是否需要角度校准，若Δα<2或Δα>8，则不需要进行角度校准，ECU(13)控制第一电磁锁止器(3)断开，衔接柱(6)和衔接套(7)结合，进入路感电机助力模式；若2≤Δα≤8，ECU(13)控制路感电机(12)转动Δα，ECU(13)控制第一电磁锁止器(3)断开，衔接柱(6)和衔接套(7)结合，进入路感电机助力模式；

所述角度Δα＝mod(|α1‑α2|,10)，其中α1为第一转向柱管转角传感器(4)采集的信号，α2为第二转向柱管转角传感器(9)采集的信号，mod表示取余数。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中第一电磁锁止器(3)断开前，ECU(13)由调节的角度Δα判定衔接柱(6)和衔接套(7)是否需要角度校准，若Δα<2或Δα>8，则不需要进行角度校准，ECU(13)控制第一电磁锁止器(3)断开，衔接柱(6)和衔接套(7)结合，进入转向电机助力模式；若2≤Δα≤8，ECU(13)控制转向电机(14)转动Δα，ECU(13)控制第一电磁锁止器(3)断开，衔接柱(6)和衔接套(7)结合，进入转向电机助力模式；

所述角度Δα＝mod(|α1‑α2|,10)，其中α1为第一转向柱管转角传感器(4)采集的信号，α2为第二转向柱管转角传感器(9)采集的信号，mod表示取余数。

说明书

一种线控转向容错装置及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于转向系统技术领域，具体涉及一种线控转向容错装置及其控制方法。

背景技术

[0002] 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，传统汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵转向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮
而实现的。线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆
脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计
汽车转向的角传递特性，从而改善了汽车的操纵性，并且提高了乘坐的舒适性。

[0003] 线控转向系统的工作原理：用传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线将转向信号传递给整车的电子控制单元，电子转向装置再通过总线将转向信息传递给转向
执行装置；转向执行装置通过转向器从而带动车轮转动一定的角度，最终实现整个转向系
统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到转向操
纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由电子控制单元调整。

[0004] 随着对线控转向的研究深入发现了系统发生电气故障时所带来的安全性问题。作为应用最广泛的交通工具之一，汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，
因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成部分之一。现有的线控转向
失效保护主要有硬件冗余、软件容错以及机械保护三种，而已有的技术中大多是对三种方
法的融合。其中，对于机械保护所提出的结构大多采用离合器结构进行电气失效保护，但是
这种结构只是断开了传动轴的连接，并未减小安装空间，并且在车辆撞击过程中还是有可
能造成转向盘对驾驶员的冲击；另外，电机失效后还可能会发生电机转子的机械卡死或电
气卡死现象，大多数结构都未作出相应的处理。

发明内容

[0005] 为此，本发明提出一种线控转向容错装置及其控制方法，本发明在电机发生故障后能够转变为电机助力转向模式或者纯机械转向模式，保证驾驶员任何情况下对于汽车的
转向操纵能力，减小容错装置所占空间以及机械连接的时间。

[0006] 本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种线控转向容错装置，包括同轴设置的第一转向柱管和第二转向柱管，第一转向柱管内设有衔接柱，衔接柱通过螺旋弹簧与第一转向柱管顶端固定连接，衔接柱上端套
接第一电磁锁止器，第一电磁锁止器与第一转向柱管固定；第一转向柱管外部设有第一转
向柱管转角传感器、第二电磁锁止器；第二转向柱管顶端焊接有衔接套；第二转向柱管外部
设有第二转向柱管转角传感器、第三电磁锁止器；第一转向柱管转角传感器、第二转向柱管
转角传感器、第一电磁锁止器、第二电磁锁止器、第三电磁锁止器均与ECU连接，ECU还与路
感电机和转向电机连接，第二电磁锁止器、第三电磁锁止器分别通过外部焊接的齿轮与路
感电机、转向电机啮合。

[0008] 上述技术方案，所述第一转向柱管内壁上的凸起与衔接柱上的凹槽相配合，实现衔接柱与第一转向柱管同步转动。

[0009] 上述技术方案，所述衔接套上端设置收口，衔接柱下落后与衔接套通过花键衔接，花键孔最上端设置倒角衔接柱下落后与衔接套通过花键衔接。

[0010] 上述技术方案，所述第一转向柱管与方向盘固定连接。

[0011] 上述技术方案，所述第二转向柱管与转向器固定连接。

[0012] 一种线控转向容错装置的控制方法，包括如下步骤：

[0013] 步骤(1)，ECU判断转向电机是否发生故障，当转向电机发生故障时，执行步骤(2)；若转向电机未发生故障时，执行步骤(3)；

[0014] 步骤(2)，ECU判断路感电机是否发生故障，当路感电机发生故障时，ECU控制第一电磁锁止器、第二电磁锁止器和第三电磁锁止器断开，进入纯机械模式；若路感电机未发生
故障，ECU控制第三电磁锁止器和第一电磁锁止器断开，衔接柱和衔接套结合，进入电机助
力模式；

[0015] 步骤(3)，ECU判断路感电机是否发生故障，当路感电机未发生故障时，进入线控转向模式；当路感电机发生故障时，ECU控制第二电磁锁止器和第一电磁锁止器断开，衔接柱
和衔接套结合，进入电机助力模式。

[0016] 进一步，所述步骤(2)中第一电磁锁止器断开前，ECU由调节的角度Δα判定衔接柱和衔接套是否需要角度校准，若Δα<2或Δα>8，则不需要进行角度校准，ECU控制第一电磁
锁止器断开，衔接柱和衔接套结合，进入路感电机助力模式；若2≤Δα≤8，ECU控制路感电
机转动Δα，ECU控制第一电磁锁止器断开，衔接柱和衔接套结合，进入路感电机助力模式。

[0017] 进一步，所述步骤(3)中第一电磁锁止器断开前，ECU由调节的角度Δα判定衔接柱和衔接套是否需要角度校准，若Δα<2或Δα>8，则不需要进行角度校准，ECU控制第一电磁
锁止器断开，衔接柱和衔接套结合，进入转向电机助力模式；若2≤Δα≤8，ECU控制转向电
机转动Δα，ECU控制第一电磁锁止器断开，衔接柱和衔接套结合，进入转向电机助力模式。

[0018] 更进一步，所述角度Δα＝mod(|α1‑α2|,10)，其中α1为第一转向柱管转角传感器采集的信号，α2为第二转向柱管转角传感器采集的信号，mod表示取余数。

[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0020] 本发明在电机发生故障时，根据判断故障电机位置进入相应的模式进行故障处理，从而保证汽车的安全性能。当进行机械连接时，首先断开与故障电机对应的电磁锁止
器，然后判断是否需要进行角度校准，若需要则由未发生故障的电机对容错装置进行角度
校准，否则直接断开容错装置的电磁锁止器，从而快速实现机械连接。若此时有未发生故障
的电机，该电机则可以进行转向助力。因此，本发明具有的优点包括：

[0021] 1.结构紧凑，所占空间小：本发明的执行机构主要在第一转向柱管部分，第一转向柱管集成螺旋弹簧、第一电磁锁止器、衔接柱等多个部分；在电机未发生故障时，衔接柱与
衔接套之间的间距较大，减小了转向系统的布置空间和安装的难易程度。

[0022] 2.系统的反应速度快：本发明在电机发生故障时能够实现第一转向柱管和第二转向柱管的机械连接；角度误差较小时，容错装置直接结合，角度误差较大时，未故障电机微
调转向柱管角度后容错装置再结合，均能快速实现转向系统的机械连接。

[0023] 3.本发明在电机发生故障时，能够直接断开电机与转向柱管之间的连接，保证故障电机对转向系统无影响。

[0024] 4.本发明在汽车发生撞击时，由于第一、第二转向柱管之间具有较大间距，能够减小转向系变形对驾驶员造成的影响，从而提供一级缓冲。

附图说明

[0025] 图1为本发明一种线控转向容错装置的结构示意图；

[0026] 图2为本发明中第一转向柱管约束衔接柱的示意图；

[0027] 图3为本发明中衔接套的主视图；

[0028] 图4为本发明中衔接套的俯视图；

[0029] 图5为本发明电子控制流程图；

[0030] 图6为本发明角度校准判断的流程图；

[0031] 图7为本发明故障发生后实现机械连接的示意图。

[0032] 图中，1、方向盘；2、螺旋弹簧；3、第一电磁锁止器；4第一转向柱管转角传感器；5、第二电磁锁止器；6、衔接柱；7、衔接套；8、第三电磁锁止器；9、第二转向柱管转角传感器；
10、转向器；11、第一转向柱管；12、路感电机；13、ECU；14、转向电机；15、第二转向柱管。

具体实施方式

[0033] 下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

[0034] 如图1所示，一种线控转向容错装置，包括信号采集单元、电子控制单元和执行机构。所述信号采集单元包括第一转向柱管转角传感器4和第二转向柱管转角传感器9，用于
检测方向盘1的转角和第二转向柱管15的转角。所述电子控制单元ECU13用于接收第一转向
柱管转角传感器4采集的转角信号，控制转向电机14转向，转向电机14将电机电流反馈给
ECU13，ECU13处理后，得到控制路感电机的转矩值，发送给路感电机12。所述执行机构包括
螺旋弹簧2、第一电磁锁止器3、第二电磁锁止器5、第三电磁锁止器8、衔接柱6、路感电机12
和转向电机14，用于实现正常转向和故障时的机械连接，保证车辆在任何情况下都不丧失
转向能力。

[0035] 方向盘1与第一转向柱管11机械连接，第一转向柱管11内设有衔接柱6，图2所示为第一转向柱管11约束衔接柱6的示意图，第一转向柱管11内壁上的凸起与衔接柱6上的凹槽
相配合，从而实现衔接柱6与第一转向柱管11同步转动；衔接柱6上端套接第一电磁锁止器
3，第一电磁锁止器3的外圈与第一转向柱管11内壁固定，衔接柱6与螺旋弹簧2一端连接，螺
旋弹簧2另一端与第一转向柱管11顶端固定连接。

[0036] 转向器10上固定有第二转向柱管15，且第二转向柱管15与第一转向柱管11同轴设置，第二转向柱管15顶端焊接有衔接套7。图3、图4所示的分别为衔接套7的侧视图与俯视
图，衔接套7上端的收口用于消除衔接柱6在下落过程中垂直于轴向的偏差；衔接柱6与衔接
套7采用花键衔接，在衔接套7花键孔(图4)的最上端采用倒角(图4)设计，使得衔接柱6与衔
接套7在偏差角较小时能够直接在倒角的引导下结合。

[0037] 第一转向柱管11外部设有第一转向柱管转角传感器4，且第一转向柱管11外部套接第二电磁锁止器5；第二转向柱管15外部设有第二转向柱管转角传感器9，且第二转向柱
管转角传感器9外部套接第三电磁锁止器8；第一转向柱管转角传感器4、第二转向柱管转角
传感器9、第一电磁锁止器3、第二电磁锁止器5、第三电磁锁止器8均与电子控制单元ECU13
连接，电子控制单元ECU13还与路感电机12和转向电机14电气连接，第二电磁锁止器5通过
外部焊接的齿轮与路感电机12啮合，第三电磁锁止器8通过外部焊接的齿轮与转向电机14
啮合。

[0038] ECU13接收电机电流信号，若电机电流不在理想区间内，判定电机发生故障。

[0039] 在两电机未发生故障时，第一电磁锁止器3锁止于衔接柱6的上端外圈；在两电机发生故障时，第一电磁锁止器3松开衔接柱6，衔接柱6会沿着第一转向柱管11内壁的凸起伸
出与衔接套7结合，实现机械保护。

[0040] 在路感电机12未发生故障时，第二电磁锁止器5处于锁止状态，路感电机12直接将转矩作用于第一转向柱管11；在路感电机12发生故障时，第二电磁锁止器5处于断开状态，
路感电机12对第一转向柱管11无转矩作用。

[0041] 在转向电机14在未发生故障时，第三电磁锁止器8处于锁止状态，转向电机14直接将转矩作用于第二转向柱管15；在转向电机14发生故障时，第三电磁锁止器8处于断开状
态，转向电机14对第二转向柱管15无转矩作用。

[0042] 所述第一电磁锁止器3、第二电磁锁止器5和第三电磁锁止器8均采用同一结构、同以一原理，即在未通电的状态下处于锁止状态，在通电的状态下处于非锁止状态。

[0043] 图5、图6所示为一种线控转向容错装置的控制方法，具体步骤如下：

[0044] 步骤(1)，ECU13读取转向电机14的电机电流信号，判断转向电机14是否发生故障；当转向电机14发生故障时，执行步骤(2)；若转向电机14未发生故障时，执行步骤(3)。

[0045] 步骤(2)，ECU13读取路感电机12的电机电流信号，判断路感电机12是否发生故障；当路感电机12发生故障时，ECU13控制第一电磁锁止器3、第二电磁锁止器5和第三电磁锁止
器8断开，进入纯机械模式。如图6所示，若路感电机12未发生故障，ECU13控制第三电磁锁止
器8断开；同时，ECU13由第一转向柱管转角传感器4采集的信号α1和第二转向柱管转角传感
器9采集的信号α2，得到需要调节的角度Δα＝mod(|α1‑α2|,10)，其中mod表示取余数；若Δα
<2或Δα>8(数值2、8为经验值)，则不需要进行角度校准，ECU13直接控制第一电磁锁止器3
断开，衔接柱6和衔接套7结合，实现第一转向柱管11和第二转向柱管15的机械连接，同时路
感电机12提供转向助力，进入电机助力模式；若2≤Δα≤8，则需要由路感电机12进行角度
校准，ECU13控制路感电机12转动Δα，ECU13控制第一电磁锁止器3断开，衔接柱6和衔接套7
结合，实现第一转向柱管11和第二转向柱管15的机械连接，同时路感电机12提供转向助力，
进入电机助力模式。

[0046] 步骤(3)，ECU13读取路感电机12的电机电流信号，判断路感电机12是否发生故障；当路感电机12未发生故障时，进入线控转向模式，不作任何处理。如图6所示，当路感电机12
发生故障时，ECU13控制第二电磁锁止器5断开；同时，ECU13由第一转向柱管转角传感器4采
集的信号α1和第二转向柱管转角传感器9采集的信号α2，得到需要调节的角度Δα＝mod(|
α1‑α2|,10)，其中mod表示取余数；若Δα<2或Δα>8，则不需要进行角度校准，ECU13直接控制
第一电磁锁止器3断开，衔接柱6和衔接套7结合，实现第一转向柱管11和第二转向柱管15的
机械连接，同时转向电机14提供转向助力，进入电机助力模式；若2≤Δα≤8，则需要由转向
电机14进行角度校准，ECU13控制转向电机14转动Δα，ECU13控制第一电磁锁止器3断开，衔
接柱6和衔接套7结合，实现第一转向柱管11和第二转向柱管15的机械连接，同时转向电机
14提供转向助力，进入电机助力模式。

[0047] 图7所示为第一转向柱管11与第二转向柱管15实现机械连接的状态，此时第一电磁锁止器3断开，衔接柱6在螺旋弹簧2弹力的作用下伸出并与衔接套7结合，使得转向系统
实现纯机械连接，保证电机故障后汽车仍具有转向能力。

[0048] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的
示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特
点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0049] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。