一种线控转向路感力矩的模拟系统的制作方法

本发明属于机动车线控技术领域，尤其涉及一种线控转向路感力矩的模拟系统。

背景技术：

传统的汽车是由方向盘以一定传动比控制前轮转向，保持后轮不动，根据前轮的转动带动整车转弯或四轮转向，但都属于定比传动，不能有效的结合车辆工况信息，无法调和“轻”与“灵”之间的矛盾，方向盘转角与车辆横摆之间的非线性关系，带来了很大的驾驶补偿行为，增加驾驶负担。

现有技术中，为了解决转向沉重等影响驾驶舒适性等问题，往往引入转向助力装置。无论是电动助力机构，还是液压助力机构，都较大程度的复杂了转向装置，带来了转向系统成本及可靠性问题；同时复杂的转向杆件使底盘布置工作面临较大的困难，转向横拉杆易与悬架叉臂发生运动不协调而产生干涉现象，影响轮胎定位参数稳定性，从而危机汽车操控稳定性；同样受制于转向梯形的几何约束，车轮只能同侧同角度偏转，从而使汽车失去更多运动可能性，制约了汽车的最小转弯半径的减小，限制了汽车的通过性；转向中后轮不发生偏转，只起到随动作用，无法实现理想的阿克曼转向模型，不可避免的滑移，会加速轮胎的磨损。

在线控汽车转向中，路感力矩的反馈模拟非常重要。但是传统汽车转向系统不论是采用电动助力还是液压助力，都会影响整车性能，用时现有技术中提供的线控转向系统结构复杂，布局困难，并制约车辆的各方面性能的提升。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种线控转向路感力矩的模拟系统，旨在解决现有技术中的线控转向系统结构复杂，布局困难的问题。

本发明是这样实现的，一种线控转向路感力矩的模拟系统，包括传感检测单元、信号处理单元、信号转换单元、电机控制单元和路感电机；

所述传感检测单元，用于检测方向盘的转动角度，并根据检测到的转动角度生成数字信号发送所述信号处理单元；

所述信号处理单元，用于对所述数字信号进行解析，根据解析结果生成双极性电压数字信号并发送给所述信号转换单元；

所述信号转换单元，用于将所述双极性电压数字信号转换为双极性电压模拟信号后发送给所述电机控制单元；

所述电机控制单元，用于对所述双极性电压模拟信号进行放大和滤波处理，生成双极性电流信号并发送给所述路感电机，所述双极性电流信号的电流大小用于控制所述路感电机的力矩大小，所述双极性电流信号的方向用于控制控制所述路感电机的转动方向；

所述路感电机，用于根据所述双极性电流信号运行。

进一步地，所述电机控制单元包括电源模块、运算放大电路和推挽放大电路；

所述电源模块，用于接收外部电源电压，并将所述外部电源电压转换成正负24v的空载电压后发送给所述路感电机，以使所述路感电机根据所述空载电压运转，还用于将所述外部电源电压转换成正负15v的稳压电源，并将所述稳压电源发送给所述推挽放大电路；

所述运算放大电路，与所述信号转换单元相连接，用于对所述双极性电压模拟信号进行运算放大和滤波处理，并将处理后的双极性电压模拟信号发送给所述推挽放大电路；

所述推挽放大电路，与所述路感电机相连接，用于在双极性电压模拟信号的控制下，输出具有正负方向的双极性电流信号。

进一步地，所述电源模块包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一稳压管和第二稳压管；

所述第一稳压管的第一端连接外接电源的第一输入端，所述第一稳压管的第二端接地，所述第一稳压管的第三端连接所述电源模块的第三输出端；所述第一电容的第一端连接所述第一稳压管的第一端，所述第一电容的第二端接地；所述第二电容的第一端连接所述第一稳压管的第三端，所述第二电容的第二端接地；所述电源模块的第一输出端连接所述第一稳压管的第一端；

所述第二稳压管的第一端连接外接电源的第二输入端，所述第二稳压管的第二端接地，所述第二稳压管的第三端连接第四输出端；所述第三电容的第一端连接所述第二稳压管的第一端，所述第三电容的第二端接地；所述第四电容的第一端连接所述第二稳压管的第三端，所述第四电容的第二端接地；所述电源模块的第二输出端连接所述第二稳压管的第一端。

进一步地，所述第一稳压管是型号为lm7815的三端固定正稳压管，所述第二稳压管是型号为lm7915的三端固定负稳压管。

进一步地，所述运算放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第五电容和第六电容；

所述运算放大器的第一端通过所述第五电阻连接至所述运算放大器的第八端，所述运算放大器的第二端依次通过所述第一电阻和第五电容后接地，所述运算放大器的第三端通过所述第二电阻后接地，所述运算放大器的第四端连接所述电源模块的第四输出端，所述运算放大器的第五端为空脚，所述运算放大器的第六端连接所述运算放大电路的输出端，所述运算放大器的第七端连接所述电源模块的第三输出端；所述第四电阻的第一端连接所述运算放大器的第二端，所述第四电阻的第三端依次通过所述第三电阻和所述第六电容连接所述运算放大器的第六端。

进一步地，所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻为定值电阻，所述第四电阻和所述第五电阻为可变电阻。

进一步地，所述第一电阻的阻值为10kω，所述第二电阻的阻值为4.7kω，所述第三电阻的阻值为100kω，所述第四电阻的阻值范围为0到51kω，所述第五电阻的阻值范围为0到20kω。

进一步地，所述运算放大器是型号为op07的双极性运算放大器。

进一步地，所述推挽放大电路包括第一三极管、第二三极管、第一场效应管、第二场效应管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻；

所述第一三极管的基极连接所述运算放大电路的输出端，所述第一三极管的集电极依次通过所述第六电阻和所述第七电阻后连接至所述第一稳压二极管的正极；所述第一三极管的发射极通过所述第十二电阻连接至所述推挽放大电路的输出端；所述第一稳压二极管的负极连接所述电源模块的第一输出端；所述第二三极管的基极连接所述运算放大电路的输出端，所述第二三极管的集电极连接所述第一三极管的发射极；所述第二三极管的发射极依次通过所述第八电阻和所述第九电阻后连接至所述第二稳压二极管的负极；所述第二稳压二极管的正极连接所述电源模块的第二输出端；所述第十电阻的第一端连接所述第一三极管的发射级，所述第十电阻的第二端接地；

所示第十一电阻的第一端连接于所述第六电阻和所述第七电阻之间，所述第十一电阻的第二端连接所述第一场效应管的栅极；所述第十四电阻和所述第十五电阻并联后，连接于所述第一场效应管的漏极和所述电源模块的第一输出端之间；所述第一场效应管的源极连接所述推挽放大电路的输出端；

所示第十三电阻的第一端连接于所述第八电阻和所述第九电阻之间，所述第十三电阻的第二端连接所述第二场效应管的栅极；所述第十六电阻和所述第十七电阻并联后，连接于所述第二场效应管的源极和所述电源模块的第二输出端之间；所述第二场效应管的漏极连接所述推挽放大电路的输出端。

进一步地，所述第一三极管和所述第二三极管均为npn型三极管，所述第一场效应管为p沟道场效应管，所述第二场效应管为n沟道场效应管。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例提供的模拟系统通过检测方向盘的转动角度，并根据该转向角度生成数字信号后，对该数字信号进行解析得到双极性电压数字信号，对该双极性电压数字信号进行数模转换及放大滤波后，得到双极性电流信号，以该双极性电流信号控制路感电机的运转。本发明实施例通过检测方向盘的转动角度，并根据该方向盘的转动角度最终生成对应的双极性电流信号，该电流信号用以控制路感电机的转动方向和力矩大小，驾驶员通过路感电机反馈的力矩感知路面情况再结合交通状况和车速对整车的速度和运行方向进行调整，本发明实施例结构简单，不需要进行特殊布局就能够对路感电机进行控制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种线控转向路感力矩的模拟系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的方向盘转角传感器的连接示意图；

图3是本发明实施例提供的增量型光电编码器的脉冲示意图；

图4是本发明实施例提供的路感电机模拟控制的示意图；

图5是本发明实施例提供的电源模块的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的运算放大电路的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的推挽放大电路的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的电源模块和信号处理单元的连接示意图；

图9是本发明实施例提供的电机控制单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了如图1所示的一种线控转向路感力矩的模拟系统，包括传感检测单元101、信号处理单元102、信号转换单元103、电机控制单元104和路感电机105；

传感检测单元101，用于检测方向盘的转动角度，并根据检测到的转动角度生成数字信号发送信号处理单元102；

信号处理单元102，用于对所述数字信号进行解析，根据解析结果生成双极性电压数字信号并发送给信号转换单元103。为加快处理过程，在本实施例中，信号处理单元102内置有对比列表，该对比列表中包含有数字信号对应的双极性电压数字信号，当接收到传感检测单元101发送的数字信号后，信号处理单元102将在该对比列表查找到该数字信号对应的双极性电压数字信号，并发送给信号转换单元103。

信号转换单元103，用于将所述双极性电压数字信号转换为双极性电压模拟信号后发送给电机控制单元104；

电机控制单元104，用于对所述双极性电压模拟信号进行放大和滤波处理，生成双极性电流信号并发送给路感电机105，所述双极性电流信号的电流大小用于控制路感电机105的力矩大小，所述双极性电流信号的方向用于控制控制路感电机105的转动方向；

路感电机105，用于根据所述双极性电流信号运行。

在实际应用中，传感检测单元101可以采用方向盘转角传感器实现上述功能，更具体地，上述中的方向盘为传统车辆所用的方向盘，方向盘转角传感器采用600线的欧姆龙增量型光电编码器。图2示出了本发明实施例提供的方向盘的转角传感器的连接示意图，其中，增量型光电编码器的工作原理是利用光电转换的方法将轴的机械转角转换为数字信号输出的精密传感器。方向盘转动带动转向轴转动，随转轴一起转动的脉冲码盘上有均匀刻制的光栅，在码盘上均匀地分布着若干个透光区段和遮光区段。增量式编码器没有固定的起始零点，输出的是与转角的增量成正比的脉冲，需要用计数器来计脉冲数。每转过一个透光区时，就发出一个脉冲信号，计数器当前值加1，计数结果对应于转角的增量，增量型光电编码器的脉冲如图3所示。信号转换单元103采用型号为dac0832的d/a转换集成芯片，但是在具体应用中，信号转换单元103也可以采用其他具备数模转换功能的元器件，同时数模转换元器件的位数越大，分辨率和输出电流的精度越高。

图4示出了本发明实施例提供的路感电机105的模拟控制过程，在实际应用中，由于方向盘转动分为回正过程和扭矩反馈过程，路感电机105在运转过程中至少包括2个运转模式。在回正的过程中，方向盘的转动方向与路感电机105的转动方向一致，在扭矩反馈的过程，方向盘的转动方向与路感电机105的转动的方向相反，即路感电机处于连续堵转状态。信号处理单元102控制输入双极性电压数字信号，经信号转换单元103进行模数转换后，有电机控制单元104用运算放大器对该信号进行放大和滤波，再经过推挽放大电路，输出双极性的大电流，电流大小控制路感电机105的力矩，电流的方向控制路感电机105的转动方向，输出电流要足够大且要与输入电压保持良好的线性度，以满足路感的模拟的要求。

下面通过图5至图9对本发明实施例提供的电机控制单元104进行进一步地阐述：

在本实施例中，电机控制单元103包括电源模块、运算放大电路和推挽放大电路；

所述电源模块，用于接收外部电源电压，并将所述外部电源电压转换成正负24v的空载电压后发送给所述路感电机，以使所述路感电机根据所述空载电压运转，还用于将所述外部电源电压转换成正负15v的稳压电源，并将所述稳压电源发送给所述推挽放大电路；

所述运算放大电路，与所述信号转换单元相连接，用于对所述双极性电压模拟信号进行运算放大和滤波处理，并将处理后的双极性电压模拟信号发送给所述推挽放大电路；

所述推挽放大电路，与所述路感电机相连接，用于在双极性电压模拟信号的控制下，输出具有正负方向的双极性电流信号。

具体地，如图5所示，电源模块包括第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一稳压管reg1和第二稳压管reg2；

第一稳压管reg1的第一端in连接外接电源的第一输入端，第一稳压管reg1的第二端gnd接地，第一稳压管reg1的第三端out连接所述电源模块的第三输出端；第一电容c1的第一端连接第一稳压管reg1的第一端in，第一电容c1的第二端接地；第二电容c2的第一端连接第一稳压管reg1的第三端out，第二电容c2的第二端接地；所述电源模块的第一输出端连接第一稳压管reg1的第一端in；

第一稳压管reg2的第一端in连接外接电源的第二输入端，第一稳压管reg2的第二端gnd接地，第一稳压管reg2的第三端out连接第四输出端；第三电容c3的第一端连接第一稳压管reg2的第一端in，第三电容c3的第二端接地；第四电容c4的第一端连接第一稳压管reg2的第三端out，第四电容c4的第二端接地；所述电源模块的第二输出端连接第二稳压管reg2的第一端in。

在上述电源模块中，第一稳压管reg1是型号为lm7815的三端固定正稳压管，第二稳压管reg2是型号为lm7915的三端固定负稳压管,电源模块的第一输出端输出+24v的电压，电源模块的第二输出端输出-24v，电源模块的第三输出端输出+15v的电压，电源模块的第四输出端输出-15v的电压。本实施例提供的上述电源模块的主要功能为将汽车电源电压转换成直流±24v的空载电压，该空载电压应用于路感电机的主回路电源，以及转换成±15v稳压电源用于为电机控制单元103上的其他元器件供电。外接电源输入±24v电压，加在推挽放大电路上和对路感电机的运转进行供电。该外接电源没有连续可调的功能，给使用带来一定程度上的不便，因此在本实施例中用一块lm7815和一块lm7915三端固定稳压器对称连接，可获得一组正负对称的正负15v稳压电源，用于电机控制电路上的元器件供电。电源模块得到±15v电压后，经lm7812稳压得到12v稳压电源后，给继电器和led灯供电。电源模块得到12v电压后，经lm7805得到正5v稳压源后，给散热风扇供电。

如图6所示，运算放大电路包括运算放大器op、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第五电容c5和第六电容c6；

运算放大器op的第一端通过第五电阻r5连接至运算放大器op的第八端，运算放大器op的第二端依次通过第一电阻r1和第五电容c5后接地，运算放大器op的第三端通过第二电阻r2后接地，运算放大器op的第四端连接所述电源模块的第四输出端，运算放大器op的第五端为空脚，运算放大器op的第六端连接所述运算放大电路的输出端，运算放大器op的第七端连接所述电源模块的第三输出端；第四电阻r4的第一端连接运算放大器op的第二端，第四电阻r4的第三端依次通过第三电阻r3和第六电容c6连接运算放大器op的第六端。

在具体应用中，第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3均为定值电阻，第四电阻r4和第五电阻r5为可变电阻,其中,第一电阻r1的阻值为10kω,第二电阻r2的阻值为4.7kω，第三电阻r3的阻值为100kω，第四电阻r4的阻值范围为0到51kω，第五电阻r5的阻值范围为0到20kω，运算放大器opop是型号为op07的双极性运算放大器。本实施例中，采用的op07的双极性运算放大器是一款低噪声的双极性运算放大器，它具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，适合高增益的信号放大，采用反相比例放大，在反馈回路上串联电容，对低频信号进行滤波，放大倍数等于反馈回路电阻比上输入阻抗,可以在调试的过程中调整r4的阻值，来获得理想的放大倍数，使输出电流达到要求。

如图7所示，所述推挽放大电路包括第一三极管t1、第二三极管t2、第一场效应管mos1、第二场效应管mos2、第一稳压二极管z1、第二稳压二极管z2、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16和第十七电阻r17；

第一三极管t1的基极连接所述运算放大电路的输出端，第一三极管t1的集电极依次通过第六电阻r6和第七电阻r7后连接至第一稳压二极管z1的正极；第一三极管t1的发射极通过第十二电阻r12连接至所述推挽放大电路的输出端；第一稳压二极管z1的负极连接所述电源模块的第一输出端；第二三极管t2的基极连接所述运算放大电路的输出端，第二三极管t2的集电极连接第一三极管t1的发射极；第二三极管t2的发射极依次通过第八二电阻r8和第九电阻r9后连接至第二稳压二极管z2的负极；第二稳压二极管z2的正极连接所述电源模块的第二输出端；第十电阻r10的第一端连接第一三极管t1的发射级，第十电阻r10的第二端接地；

第十一电阻r11的第一端连接于第六电阻r6和第七电阻r7之间，第十一电阻r11的第二端连接第一场效应管mos1的栅极；第十四电阻r14和第十五电阻r15并联后，连接于述第一场效应管mos1的漏极和所述电源模块的第一输出端之间；第一场效应管mos1的源极连接所述推挽放大电路的输出端；

第十三电阻r13的第一端连接于第八电阻r8和第九电阻r9之间，第十三电阻r13的第二端连接第二场效应管mos2的栅极；第十六电阻r16和第十七电阻r17并联后，连接于第二场效应管mos2的源极和所述电源模块的第二输出端之间；第二场效应管mos2的漏极连接所述推挽放大电路的输出端。所述推挽放大电路的输出端连接路感电机105，具体的连接示意图如图9所示。

在本实施例中，第一三极管t1和第二三极管t2均为npn型三极管，第一场效应管mos1为p沟道场效应管，具体采用的型号为irf9640，第二场效应管mos2为n沟道场效应管，具体采用的型号为irf640。双极性电压模拟信号接在由三极管t1和二极管t2串联在一起的电路上，根据输入的双极性电压模拟信号信号极性的不同使相应的三极管处于工作状态，而另一个三极管处于截止状态，而这两个三极管又分别与场效应管irf640和场效应管irf9640相接后并联在路感电机的两端，三极管t2导通时，稳压二极管z1反向导通，使场效应管irf9640栅极正偏，从而使irf9640导通且处于放大工作状态。同理，实施反向电流控制时，则三极管t1和场效应管irf640处于导通放大状态，经过三极管和mos管的二次放大，获得足够大的电流驱动路感电机。

在本实施例中，推挽放大电路采用双直流电源供电，由场效应管irf640和场效应管irf9640分别实施正反向电流的控制，在某一个时刻只有一只场效应管工作，并且可以保持有较低的管温。在具体应用中，场效应管irf640和场效应管irf9640哪一个处于工作状态是由双极性电压模拟信号来控制，将这个双极性电压模拟信号接入由三极管t1和t2串联在一起的电路上，根据输入信号极性的不同使相应的三极管处于工作状态，而另一个三极管处于截止状态，而这两个三极管又分别与场效应管irf640和irf9640相接后并联在路感电机的两端，在图9所示的原理图上可以看出，本实施例可以实现电机按需要的方向进行运行。本发明实施例提供的电机控制单元解决了一般电机运行需要使用驱动器和控制器，占用空间位置大、布局复杂、成本高的问题。

如图8所示，采用型号为双极性dac0832模块的信号转换单元103，采用cmos工艺制程的单片直流输出型8位数/模转换器，与单片机的8位i/o接口相连，8位数字量控制信号转换单元103输出-5v至+5v的电压值。

本发明提供的上述实施例提供的模拟系统取消了方向盘和转向机构的机械连接，力矩的反馈以及方向盘的回正都由路感电机控制，使得模拟系统得到了简化从而减少故障，利于维护。其次，该系统为驾驶员提供车辆运行状况信息，最大程度保证了与传统驾驶系统地一致性，减少了驾驶员地操作负担，有利于sbw(steeringbywire，线控转向系统)地推广应用。采用增量型光电编码器采集方向盘转角的实时数字信号，无需进行滤波。再次，利用稀土型力矩电机的输入电流和电磁力矩线性度较好的关系，控制和实现更加简单，直接通过控制电流的大小和正负就能控制力矩电机输出力矩的大小和方向。最后，采样的实时性较好，只需计算模型中的少量参数就可适应于各种车型，应用范围广，可推广应用到所有的线控转向汽车，并且，可以在不改变车辆硬件地前提下，通过改变参数，轻松实现反馈地改变，从而实现汽车驾驶地个性化设计。

在线控汽车转向中，路感力矩的反馈模拟是非常重要的。由于传统汽车转向系统不论是采用电动助力还是液压助力，都会影响整车性能并且结构复杂，布局困难。本实施例提供的线控转向将线控技术应用到转向系统中，由电子信息代替转向盘和转向盘的机械连接，采用传感器测量方向盘的转动角度和方向，将采集到的方向盘信息传输给信号处理单元，由信号处理单元对方向盘的转向角度等信息进行解析后，根据最终得到的结果对汽车的转向进行控制，实现转向控制的自由设计，可用于改良车辆的转向特性。

本发明实施例提供模拟系统的控制部分实质是电压--电流变换电路。在实际应用中，检测到方向盘的转动角度后，对该转动角度进行处理后最终得到双极性电压模拟信号，该双极性电压模拟信号也可以由仿真控制计算机中动力学模型计算给定，其符号及绝对值，分别表征了路感电机产生扭矩的方向和力的大小，这个双极性电压模拟信号的幅值为±10v。经过电压-电流变换电路后，将输出的电流送往直流力矩电机，来控制路感电机旋转的方向，以及扭矩的大小。实际模拟时，来自实时仿真控制计算机模拟输出通道的电压信号，经传输传送到力矩电机控制电路的输入端，该信号经电压--电流变换，产生电流信号，直接输出到力矩电机，使其产生模拟的力矩。因此，控制该电流的方向和大小，使之与输入电压具有良好线性关系，即实现了回正力矩的生成。本实施例中设定为双极性电压模拟信号为±10v时，0～+10v对应的力矩为0～正最大力矩，0～-10v对应的力矩为0～负最大力矩。路感电机输出力矩为±11.76nm，如需要，可调至±15.68nm。

本发明实施例目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种线控转向路感力矩的模拟系统。该系统充分利用角度传感器采集的方向盘转动的角度和车速传感器汽车的运行速度，并根据采集到的信息进行运算，得到转向电机应该转动的角度、方向以及路感电机应输出的力矩大小和方向。根据这些参数对转向电机、路感电机、轮速驱动电机进行控制，驾驶员通过路感电机反馈的力矩感知路面情况再结合交通状况和车速对整车的速度和运行方向进行调整。由此构成了人--车--人的一个手动闭环控制系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。