CN104554431B - 液压助力转向系统的能量回收系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液压助力转向系统的能量回收系统及控制方法。能量回收系统由绕线式电磁转差离合器、能量回收装置、励磁电路和控制器组成，控制方法是以协调电磁转差离合器的调速性能和回收性能为目标控制PWM1、PWM2、PWM3和K1。能量回收装置可以为整车电气系统提供电源，增强整车带负载的能力，提出的控制方法可以提高能量回收效率，增强电磁转差离合器的输出特性。液压助力转向系统的能量回收系统消除了液压助力转向系统转向泵的流量损耗和液压管路中的能量损耗，提高了液压助力转向系统的节能性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车转向系统领域，具体是液压助力转向系统的能量回收系统及控制方法。
背景技术
重型车辆由于转向阻力大往往采用液压助力转向系统，液压助力转向系统中的转向泵由发动机直接驱动，这样导致转向泵的输出流量不能随着工况的变化而变化，造成助力特性单一、无功损耗高的问题。无功损耗主要表现在两方面：一般转向泵由液压泵、流量控制阀和溢流阀组成，当发动机转速高于怠速时液压泵输出的油液一部分从泵出口流出，一部分从流量控制阀流回油罐，转速越高直接流回油泵的流量越大，能量损耗越大，最终的能量损耗造成转向泵温度的升高，并通过热量的形式散失；另外，汽车直行时不需要转向系统对外做功，然而转向泵输出的油液一直在液压管路里循环，由于液压管路及转阀中有液阻，造成管路中的压力升高，液阻越大，压力越高，最终损耗在管路和转阀中的能量越大，由于汽车直行工况占大部分比例，因此由液压管路及转阀造成的能量损耗也不容小视。
电磁转差离合器，以其结构紧凑、无机械磨损、控制方便、电流小、可实现无级变速等优点仍得到广泛使用，尤其在有些电力源无法应用的场合，如工程机械、汽车、船舶等领域。电磁转差离合器由于内外转子之间有转速差，因此存在转差损耗，转速差越大，损耗越大，通过能量回收装置可以回收转差损耗。如果把具有能量回收装置的电磁转差离合器安装在发动机和转向泵之间调节转向泵的转速，就可以大大降低转向泵和管路中的能量损耗。
发明内容
本发明的目的在于发明一种液压助力转向系统的能量回收系统及控制方法，用于消除液压助力转向系统转向泵和液压管路中的能量损耗。
一种液压助力转向系统的能量回收系统，包括电磁转差离合器、能量回收装置、励磁电路和控制器；所述电磁转差离合器包括外转子、内转子、三相绕组电刷、励磁绕组电刷；所述外转子上绕有三相绕组，所述内转子上绕有励磁绕组；所述励磁绕组与所述励磁绕组电刷连接，所述三相绕组与所述三相绕组电刷连接，所述三相绕组电刷与所述能量回收装置连接，所述三相绕组与所述能量回收装置形成闭合回路，所述能量回收装置分别与整车蓄电池和所述控制器连接，所述控制器与所述励磁绕组电刷连接；所述外转子与发动机驱动连接，所述内转子与转向泵驱动连接。
上述方案中，所述能量回收装置包括三相整流桥、滤波电容C1、能量旁通电路、电压调节电路和超级电容SC；能量旁通电路由旁通电阻R1和旁通MOS管T1串联而成，能量旁通电路并联于滤波电容C1的两端；电压调节电路包括MOS管T2、二极管D7、电感L1、MOS管T3、二极管D8；MOS管T2的漏极与直流输出端相连，源极与电感L1的一端相连，二极管D7反向并联与地和MOS管T2的源极之间，电感L1的另一端与二极管D8的正极相连，MOS管T3的漏极与二极管D8的正极相连，源极连接于地；二极管D8的阴极为能量回收装置的电源输出端；超级电容SC并联于电源输出端与地之间，电源输出端为励磁电路和控制器供电，另外电源输出端通过二极管D9与车上蓄电池相连。
上述方案中，所述励磁电路包括MOS管T4、MOS管栅极电阻、续流二极管D10；能量回收装置的电源输出端与地之间依次串接励磁绕组、电流传感器、MOS管T4，续流二极管D10并联于励磁绕组和电流传感器两端，栅极电阻R2与MOS管T4的栅极相连，R3并联于MOS管T4的栅极和源极。
上述方案中，所述控制器包括电源电路、信号调理模块、单片机、驱动模块；所述信号调理模块与所述单片机连接，所述单片机与所述驱动模块连接，所述电源电路为所述信号调理模块、单片机和驱动模块提供所需电源；信号调理模块接收励磁绕组中的励磁电流if，三相整流桥输出的直流电压Udc，电磁转差离合器的输出转速n和车速v，对信号进行滤波和电平转换；单片机根据调理后的输入信号及设定的控制方法运算出输出信号*PWM1、*PWM2、*PWM3和*K1；驱动模块是各MOS管的栅极驱动电路，驱动模块输出各MOS管的栅极驱动信号PWM1、PWM2、PWM3和K1。
一种液压助力转向系统能量回收系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：单片机实时检测车速，当车速v≤10Km/h时，输出*K1信号为高电平，当车速v＞10Km/h时，输出*K1信号为低电平；
步骤二：当三相整流桥输出的直流电压Udc＜30V时，*PWM1信号的占空比恒为1，*PWM2信号的占空比D2＝1-Udc/29.5，当Udc≥30V时，*PWM2信号的占空比恒为0，*PWM1信号的占空比D1＝29.5/Udc；
步骤三：转差离合器的输出转速的期望值n*和实际值n的差值经过PID运算后得到励磁电流的期望值if*，期望值与实际值if经过PID运算后得到*PWM3信号。
本发明的有益效果是：液压助力转向系统的能量回收系统消除了液压助力转向系统转向泵的流量损耗和液压管路中的能量损耗；转差离合器的励磁功率由回收装置提供，不需要额外的电源；提出的控制方法可以提高能量回收效率，增强电磁转差离合器的输出转速特性，并协调控制电磁转差离合器的调速性能和回收性能；能量回收装置可以为整车电气系统提供电源，增强整车带负载的能力。
附图说明
图1为液压助力转向系统能量回收系统的示意图；
图2为液压助力转向系统的能量回收电路图；
图3为电磁转差离合器的励磁电路图；
图4为液压助力转向系统能量回收系统的控制器框图；
图5为*K1信号的控制方法示意图；
图6为*PWM1和*PWM2信号的占空比的控制方法示意图；
图7为*PWM3信号的占空比的控制方法示意图。
图中：1、外转子 2、三相绕组 3、励磁绕组 4、内转子 5、励磁绕组电刷 6、控制器7、能量回收装置 8、三相绕组电刷。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1为液压助力转向系统能量回收系统的示意图。液压助力转向系统的能量回收系统包括绕线式电磁转差离合器、能量回收装置7、励磁电路和控制器6组成。电磁转差离合器布置于发动机与转向泵之间，发动机与电磁转差离合器的外转子1驱动连接，内转子4与转向泵驱动连接。电磁转差离合器包括外转子1、内转子4、三相绕组电刷8、励磁绕组电刷5。外转子1上的三相绕组2与三相绕组电刷8相连，内转子4上的励磁绕组3与励磁绕组电刷5相连，能量回收装置7与三相绕组电刷8连接，控制器6分别与能量回收装置7以及励磁绕组电刷5相连，能量回收装置7还与其他用电器相连。
液压助力转向系统中转向泵一般由定量泵和流量控制阀组成，当转向泵的转速高于溢流转速时，由于流量控制阀的存在，转向泵的输出流量基本保持不变，那么从定量泵中泵出的多余油液从流量控制阀直接流回油罐，造成大量的溢流损耗。液压助力转向系统的能量回收系统通过ESC调节转向泵的转速，使转向泵的转速不会高于溢流转速，那么就消除了溢流损耗。然而由于ESC的外转子的转速始终高于内转子的转速，存在着转差损耗，转差损耗通过能量回收装置进行回收，三相绕组中感应出的电动势在三相绕组和能量回收装置形成的回路中产生感应电流，感应电流一方面为励磁绕组提供励磁电流，另一方面对超级电容进行充电，对转差损耗进行回收，另外当超级电容充满电时，感应电流为整车蓄电池供电。
图2为液压助力转向系统的能量回收电路图。能量回收装置主要包括三相整流桥、滤波电容C1、能量旁通电路、电压调节电路和超级电容。电磁转差离合器的三相绕组连接由6个二极管D1～D6组成的三相整流桥；滤波电容并联于三相整流桥的直流输出端和地之间；能量旁通电路由旁通电阻R1和旁通MOS管T1串联而成，能量旁通电路并联于滤波电容C1的两端，能量旁通电路在三相绕组需要大电流时起作用，以提高转差离合器传递的扭矩；滤波电容C1和能量旁通电路之间接有电压传感器，用于测量三相整流桥输出的直流电压Udc；电压调节电路包括MOS管T2、二极管D7、电感L1、MOS管T3、二极管D8，MOS管T2的漏极与直流输出端相连，源极与电感L1的一端相连，二极管D7反向并联与地和MOS管T2的源极之间，电感L1的另一端与二极管D8的正极相连，MOS管T3的漏极与二极管D8的正极相连，源极连接于地；二极管D8的阴极为能量回收装置的电源输出端；超级电容SC并联于电源输出端与地之间，电源输出端为励磁电路和控制器供电，另外电源输出端通过二极管D9与车上蓄电池相连。
图3为电磁转差离合器的励磁电路图。励磁电路包括MOS管T4、MOS管栅极电阻R2和R3、续流二极管D10，能量回收装置的电源输出端与地之间顺序串接励磁绕组、电流传感器、MOS管T4，续流二极管D10并联与励磁绕组和电流传感器两端，栅极电阻R2与MOS管的栅极相连，对栅极驱动电流进行限流，R3并联于MOS管的栅极和源极，提供栅极、源极间电容电压的卸荷路径。
图4为液压助力转向系统能量回收系统的控制器框图。控制器6主要包括电源电路、信号调理模块、单片机、驱动模块，电源电路产生各模块所需的电压，信号调理模块接收励磁绕组中的励磁电流if，三相整流桥输出的直流电压Udc，电磁转差离合器的输出转速n和车速v，对信号进行滤波和电平转换；单片机根据调理后的输入信号及设定的控制方法运算出输出信号*PWM1、*PWM2、*PWM3和*K1；驱动模块是各MOS管的栅极驱动电路，驱动模块输出各MOS管的栅极驱动信号PWM1、PWM2、PWM3和K1。
图5至图7为液压助力转向系统能量回收系统的控制方法示意图。液压助力转向系统能量回收系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：单片机实时检测车速，当车速v≤10Km/h时，输出*K1信号为高电平，当车速v＞10Km/h时，输出*K1信号为低电平；
步骤二：当三相整流桥输出的直流电压Udc＜30V时，*PWM1信号的占空比恒为1，*PWM2信号的占空比D2＝1-Udc/29.5，当Udc≥30V时，*PWM2信号的占空比恒为0，*PWM1信号的占空比D1＝29.5/Udc；
步骤三：转差离合器的输出转速的期望值n*和实际值n的差值经过PID运算后得到励磁电流的期望值if*，期望值与实际值if经过PID运算后得到*PWM3信号。
液压助力转向系统的能量回收系统避免了液压助力转向系统转向泵的溢流损耗和液压管路中的能量损耗；转差离合器的励磁功率由回收装置提供，不需要额外的电源；提出的控制方法可以提高能量回收效率，增强电磁转差离合器的输出转速特性，并协调控制电磁转差离合器的调速性能和回收性能；能量回收装置可以为整车电气系统提供电源，增强整车带负载的能力。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种液压助力转向系统的能量回收系统，其特征在于，包括电磁转差离合器、能量回收装置(7)、励磁电路和控制器(6)；所述电磁转差离合器包括外转子(1)、内转子(4)、三相绕组电刷(8)、励磁绕组电刷(5)；所述外转子(1)上绕有三相绕组(2)，所述内转子(4)上绕有励磁绕组(3)；所述励磁绕组(3)与所述励磁绕组电刷(5)连接，所述三相绕组(2)与所述三相绕组电刷(8)连接，所述三相绕组电刷(8)与所述能量回收装置(7)连接，所述能量回收装置(7)分别与整车蓄电池和所述控制器(6)连接，所述控制器(6)与所述励磁绕组电刷(5)连接；所述外转子(1)与发动机驱动连接，所述内转子(4)与转向泵驱动连接；所述三相绕组(2)与所述能量回收装置(7)形成闭合回路，所述三相绕组(2)中感应出的电动势在三相绕组(2)和能量回收装置(7)形成的回路中产生感应电流，感应电流为励磁绕组(3)提供励磁电流；所述能量回收装置(7)包括三相整流桥、滤波电容C1、能量旁通电路、电压调节电路和超级电容SC；三相绕组(2)通过所述三相绕组电刷(8)连接由六个二极管D1～D6组成的三相整流桥；滤波电容C1并联于三相整流桥的直流输出端和地端之间；能量旁通电路由旁通电阻R1和旁通MOS管T1串联而成，能量旁通电路并联于滤波电容C1的两端；电压调节电路包括MOS管T2、二极管D7、电感L1、MOS管T3、二极管D8；MOS管T2的漏极与直流输出端相连，MOS管T2的源极与电感L1的一端相连，二极管D7反向并联于地端和MOS管T2的源极之间，电感L1的另一端与二极管D8的正极相连，MOS管T3的漏极与二极管D8的正极相连，源极连接于地；二极管D8的阴极为能量回收装置的电源输出端；超级电容SC并联于电源输出端与地之间，电源输出端为励磁电路和控制器(6)供电，另外电源输出端通过二极管D9与车上蓄电池相连；所述三相绕组(2)中感应出的电动势在三相绕组(2)和能量回收装置(7)形成的回路中产生的感应电流对超级电容SC进行充电，对转差损耗进行回收，当超级电容充满电时，感应电流为整车蓄电池供电。
2.根据权利要求1所述的一种液压助力转向系统的能量回收系统，其特征在于：所述励磁电路包括MOS管T4、MOS管栅极电阻、续流二极管D10；能量回收装置的电源输出端与地之间依次串接励磁绕组、电流传感器、MOS管T4，续流二极管D10并联于励磁绕组和电流传感器两端，栅极电阻R2与MOS管T4的栅极相连，R3并联于MOS管T4的栅极和源极之间。
3.根据权利要求1所述的一种液压助力转向系统的能量回收系统，其特征在于：所述控制器(6)包括电源电路、信号调理模块、单片机、驱动模块；所述信号调理模块与所述单片机连接，所述单片机与所述驱动模块连接，所述电源电路为所述信号调理模块、单片机和驱动模块提供所需电源；信号调理模块接收励磁绕组中的励磁电流if，三相整流桥输出的直流电压Udc，电磁转差离合器的输出转速n和车速v，对信号进行滤波和电平转换；单片机根据调理后的输入信号及设定的控制方法运算出输出信号*PWM1、*PWM2、*PWM3和*K1；驱动模块是各MOS管的栅极驱动电路，驱动模块输出各MOS管的栅极驱动信号PWM1、PWM2、PWM3和K1。
4.一种液压助力转向系统能量回收系统的控制方法，其特征在于，控制器(6)的信号调理模块接收励磁绕组中的励磁电流if，能量回收装置(7)中三相整流桥输出的直流电压Udc，电磁转差离合器的输出转速n和车速v，对信号进行滤波和电平转换；单片机输出信号*PWM1、*PWM2、*PWM3和*K1；驱动模块输出各MOS管的栅极驱动信号PWM1、PWM2、PWM3和K1；
包括以下步骤：步骤一：单片机实时检测车速，当车速v≤10Km/h时，输出*K1信号为高电平，当车速v＞10Km/h时，输出*K1信号为低电平；步骤二：当能量回收装置(7)的三相整流桥输出的直流电压Udc＜30V时，*PWM1信号的占空比恒为1，*PWM2信号的占空比D2＝1-Udc/29.5，当Udc≥30V时，*PWM2信号的占空比恒为0，*PWM1信号的占空比D1＝29.5/Udc；步骤三：转差离合器的输出转速的期望值n*和实际值n的差值经过PID运算后得到励磁电流的期望值if*，期望值与实际值if经过PID运算后得到*PWM3信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |