技术领域
[0001] 本实用新型涉及汽车转向系统，尤其是一种用于驾驶模拟器的转向装置。
相关背景技术
[0002] 随着互联网、人工智能等技术的快速发展，自动驾驶技术已经成为当前汽车发展的最热趋势之一。但是，由于测试成本、法律法规、测试场地、非正常测试工况和测试时长等问题，部分自动驾驶算法的开发和测试验证需要在虚拟环境中完成。因此，驾驶模拟器的研究在自动驾驶技术的开发和测试过程中具有重要意义。其中，驾驶模拟器提供给驾驶员的方向盘力感反馈是决定驾驶模拟器模拟效果逼真度的重要部分。
[0003] 驾驶模拟器中的方向盘反馈力矩大多是由电机直接连接方向盘实现，这种电机直连方式具有结构简单，控制方便，可靠性强等优点，但由于没有机械阻尼等装置，方向盘与电机直接连接会使电机的抖动传递至方向盘，影响驾驶员的驾驶体验。
具体实施方式
[0020] 为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型，下面将结合实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所做的等效变化与修饰前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0021] 参阅图1，本实施例提供一种用于驾驶模拟器的转向装置，主要包括：方向盘1、方向盘连接轴2、输入联轴器7、输入轴9、扭杆15、输出轴21、电机联轴器25、电机13、扭矩转角传感器20、控制器30和电源40。
[0022] 本实施例中，方向盘1连接方向盘连接轴2的一端，方向盘连接轴2另一端通过所述输入联轴器7与输入轴9相连。方向盘连接轴2通过深沟球轴承4和卡簧3固定支撑在管柱上套筒5中。输入轴9通过扭杆15与输出轴21连接，输出轴21通过电机联轴器7与电机13的转轴相连。输入轴9通过深沟球轴承17和卡簧16固定在传感器上壳体10中，输出轴21通过深沟球轴承22固定在传感器下壳体11中。扭矩转角传感器20设置在输入轴9和输出轴21之间，并且扭矩转角传感器9位于传感器下壳体1内，用于获取所述方向盘1的转角和扭矩信号，并发送给控制器40。本实施例中，管柱上套筒5、传感器上壳体10、传感器下壳体11和电机连接法兰12依次固定连接在一起，电机连接法兰12与电机13固定连接。管柱锁6用于对方向盘转向的锁定和解锁。
[0023] 扭杆15同轴设置在输入轴9和输出轴21的内孔中，并且扭杆15的一端与输入轴9通过圆柱销8固定连接，另一端与输出轴21的内孔过盈配合。输入轴9朝向输出轴21的开口内设有台阶槽，输出轴21朝向输入轴9的端部穿入台阶槽中并与台阶槽间隙配合；台阶槽内还设有衬套19。本实施例中衬套19为金属套，优选为铜套。输出轴21在与电机13相连的一端设有管柱联轴器23，管柱联轴器23与电机联轴器25连接，输出轴21通过管柱联轴器23、电机联轴器25与电机13的转轴相连。本实施例中，管柱联轴器23套设在输出轴21的端部。电机联轴器25朝向输出轴21的一端开口内还设有联轴器弹性块24。
[0024] 控制器30分别与电源40、电机13及扭矩转角传感器20电连接，用于接收扭矩转角传感器获取的转角和扭矩信号，并控电机13输出目标扭矩。电源40用于给所述控制器40供电。本实施例中，控制器采用飞思卡尔MC9S12G，扭矩转角传感器采用精量Meas FGP FCA7300。
[0025] 采用上述结构的转向装置，当电机13根据控制器的控制输出扭矩时，扭矩经过电机联轴器25、管柱联轴器23集输出轴21传递给扭杆5的一端，然后通过扭杆5，将扭矩通过另一端传递给输入轴9，经过输入联轴器7和方向盘连接轴2将扭矩传递给方向盘，从而使驾驶员得到方向盘反馈力感。由于中间部件起到了一定的阻尼效果，所以电机产生的抖动被传递到方向盘时大大降低，从而可以有效地提升驾驶员的驾驶体验。
[0026] 请参阅图2，为了使驾驶员获得更加逼真的方向盘反馈力感，本实用新型用于驾驶模拟器的转向装置，可采用以下控制方法进行控制：
[0027] 步骤一、获取方向盘的转角和扭矩信号；
[0028] 主要通过扭矩转角传感器实时获得方向盘的转角和扭矩信号，并发送给控制器。在电机13的转轴旋转输出扭矩至方向盘1的过程中，扭杆5传递扭矩，因输出轴21与输入轴9之间相对旋转，从而扭矩转角传感器可以获取得到方向盘的实际扭矩。可以利用电机的目标扭矩与实际扭矩的差值对电机进行控制。
[0029] 步骤二、控制器根据方向盘的实际扭矩，通过用于控制电流的内环控制回路和用于控制扭矩的外环控制回路，对电机目标扭矩进行控制。
[0030] 其中，控制器接收扭矩转角传感器获取的方向盘的转角和扭矩信号，并主要通过控制电机的电流和扭矩来控制电机的目标扭矩，从而使方向盘能够获得经过控制器和模拟的更加逼真的反馈力感。
[0031] 在步骤二中，所述内环控制回路包括内环前馈控制与内环反馈控制两部分；其中内环前馈控制部分的输入为所述外环控制回路控制得到的目标电流Ireq，然后通过查询预先标定的“电流‑PWM”表得到目标电流Ireq对应的PWM前馈控制量PWMFF；所述PWM前馈控制量PWMFF与PWM反馈控制量PWMFB求和，得到PWM总控制量PWMreq；该PWM总控制量PWMreq经过移动平均滤波后得到输入给电机的电机PWM值；该电机PWM值对应的电机电流为电机实际电流Ia；
[0032] 内环反馈控制部分的输入为反馈输入电流，即目标电流Ireq与移动平均滤波后的电机实际电流Ia的差值；该反馈输入电流经过PID控制器转换后得到所述PWM反馈控制量PWMFB。
[0033] 其中，“电流‑PWM”表为通过标定试验得到；在标定试验中，控制电机输入电流缓慢线性变化，读取相应的PWM值，从而得到该电机的“电流‑PWM”表。
[0034] 本实施例中，所述外环控制回路包括外环前馈、外环反馈和阻尼补偿三部分；外环前馈部分的输入为目标扭矩Tt；目标扭矩Tt经过查询预先标定的“扭矩‑电流”表后得到外环前馈电流控制量IFF；
[0035] 外环反馈部分的输入为目标扭矩Tt与实际扭矩Ta的差值，差值经过卡尔曼滤波后输入PID控制器，从而得到外环反馈电流控制量IFB。
[0036] 阻尼补偿部分的输入为求导后的实际扭矩信号与阻尼系数的乘积，从而得到外环阻尼补偿电流控制量Idamp；
[0037] 所述外环前馈电流控制量IFF、外环反馈电流控制量IFB、外环阻尼补偿电流控制量Idamp求和后得到输入给内环控制回路的目标电流Ireq。
[0038] 其中，“扭矩‑电流”表为通过标定试验得到；在标定试验中，控制电机输入电流缓慢线性变化，读取相应的实际扭矩值，从而得到电机的“扭矩‑电流”表。
[0039] 根据上述控制方法，本实用新型的转向装置在进行方向盘反馈力感实时仿真时的具体实施过程主要包括以下步骤：
[0040] S1. 标定得到“电流‑PWM”表：
[0041] 控制电机输入电流在0A 12A缓慢线性变化，记录相应的PWM值和实际电流值，从而~得到该电机的“电流‑PWM”表。
[0042] S2. 标定得到“扭矩‑电流”表：
[0043] 控制电机输入电流在0A 12A缓慢线性变化，记录相应的实际扭矩值和实际电流~值，从而得到该电机的“扭矩‑电流”表。
[0044] S3. 编写控制程序：
[0045] 使用C语言实现上述用于驾驶模拟器的转向装置的控制方法，并写入控制器中。该程序中包含有S1中的“电流‑PWM”表和S2中的“扭矩‑电流”表。
[0046] S4. 整定PID参数：
[0047] 根据工程师经验，整定得到内环控制回路的电流控制PID参数和外环控制回路的扭矩控制PID参数。本实施例中，经过整定，电流控制PID参数为：P值为30；I值为12；D值为0；扭矩控制PID参数为：P值为15；I值为8；D值为14。
[0048] S5. 性能测试
[0049] 使用上位机向控制器发送幅值为5Nm的正弦目标扭矩信号，信号周期为5s、10s、15s，计算实际扭矩与目标扭矩的均方误差值MSE，若三次试验所得MSE值均小于0.2，则本实用新型所涉及的用于驾驶模拟器的转向装置及其控制方法有效。经过测试，本实施例三次试验所得MSE值分别为0.0152，0.143，0.101，均小于预设阈值0.2。
[0050] 请参阅图3和图4，其表示采用上述转向装置与控制方法实现方向盘实时仿真的结果，分别采用扭矩（Nm）‑时间（s）曲线图和电流（A）‑时间（s）表示，图中目标电流与实际电流曲线基本重合，而实际扭矩曲线在10‑20s时间段中比目标扭矩曲线更加平滑，波动幅度更小。说明本实施例的用于驾驶模拟器的转向装置可以更逼真地方向盘反馈力感，而且有效地改善了方向盘抖动，使驾驶员的驾驶体验更舒适。
[0051] 以上所述仅为本实用新型较佳的实施方式，并非用以限定本实用新型的保护范围；同时以上的描述，对于相关技术领域中具有通常知识者应可明了并据以实施，因此其他未脱离本实用新型所揭露概念下所完成之等效改变或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
