CN114524019A - 一种商用车双绕组双电机线控转向系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种商用车双绕组双电机线控转向系统及其控制方法，包括：转向盘模块、双绕组双电机助力模块、循环球液压助力模块、机械传动模块及转向控制单元；本发明具有电机、绕组双重硬件冗余功能，避免了任何一个单转向电机或者单个绕组故障而造成转向指令执行的失效，进一步提高了线控转向系统的可靠性，增强了车辆安全性；此外，融合了双绕组电机的优点，相比单绕组电机能够输出更大的转矩，保证了现有商用车线控转向系统所需的转矩要求，解决了能耗较大且响应速度慢的问题。

Description

一种商用车双绕组双电机线控转向系统及其控制方法

技术领域

本发明属于汽车转向系统技术领域，具体涉及一种商用车双绕组双电机线控转向系统及其控制方法。

背景技术

随着汽车智能化程度越来越高，汽车上的各个执行模块都趋于线控化。其中线控转向系统能够提高汽车安全性能，改善驾驶特性，增强操纵性，成为当前人们研究的热点。

目前，现有线控转向系统大多数是基于电动助力转向发展而来，由于安装空间和车载电源功率的限制，电机功率较小，提供的转向助力转矩较小，因此现有的线控转向大多数应用于质量较轻的乘用车；而针对质量较重需要较大转向助力力矩的商用车线控转向系统还未成熟应用；并且转向系统的性能直接关系着车辆的行驶安全，一旦转向系统的执行电机出现故障将导致车辆失去转向能力，从而造成严重的后果，商用车更是如此；

针对上述问题，中国发明专利申请号为CN201811112412.9中公开了一种将电动液压助力力矩和线控电机助力力矩融合在一起的双助力转向系统，从而能提供较大的转向力矩，同时保证了转向系统在高速工况下的操纵稳定性；但是上述双助力转向系统中，线控电机只有一组绕组，当线控电机出现故障，转向系统的综合性能大大下降，仍存在可靠性较低的问题。中国发明专利申请号CN202010004686.7中公开了一种双电机智能线控转向系统及同步控制方法，从硬件上实现了转向系统的冗余；但是对于商用车线控转向系统而言，在某些特殊工况，单个电机工作时并不能提供所需的转向力矩，不利于低速驾驶的轻便性，并且对于商用车稳定性控制的研究较少。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种商用车双绕组双电机线控转向系统及其控制方法，以实现将线控转向应用于商用车等大型车辆，解决现有商用车采用液压转向系统存在能耗较大且响应速度慢的问题；并可以使商用车在不同工况下切换不同工作模式以及稳定性控制保证转向时的安全性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种商用车双绕组双电机线控转向系统，包括：转向盘模块、双绕组双电机助力模块、循环球液压助力模块、机械传动模块以及转向控制单元；其中，

所述转向盘模块包括：转向盘、第一转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、电磁离合器、路感电机、第一减速机构；

所述第一转向管柱一端与转向盘连接，另一端与电磁离合器连接；路感电机输出端通过第一减速机构与第一转向管柱连接；第一减速机构固定在第一转向管柱上，路感电机输出的反馈力矩依次经过减速机构、第一转向管柱，传递至转向盘；所述转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器均与第一转向管柱固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给转向控制单元；

所述双绕组双电机助力模块包括：第一双绕组电机、第二双绕组电机、第一继电器控制单元、第二继电器控制单元、第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器、第二减速机构；

第一继电器控制单元包括：第一继电器控制器及第一继电器；第一继电器控制器的输入端连接转向控制单元中的助力电机驱动单元，第一继电器控制器的输出端连接第一继电器；第二继电器控制单元包括：第二继电器控制器及第二继电器；第二继电器控制器的输入端连接转向控制单元中的助力电机驱动单元，第二继电器控制器的输出端连接第二继电器；

第一双绕组电机包括：第一定子铁芯、第一转子组件、第一机座、第一套绕组、第二套绕组、第一双绕组电机输出轴；第二双绕组电机包括：第二定子铁芯、第二转子组件、第二机座、第三套绕组、第四套绕组、第二双绕组电机输出轴；

所述第一继电器控制单元根据第一双绕组电机控制信号判断第一套绕组和第二套绕组工作状态，进而控制第一继电器内部触点的连接方式；所述第二继电器控制单元根据第二双绕组电机控制信号判断第三套绕组和第四套绕组工作状态，进而控制第二继电器内部触点的连接方式；

第一套绕组包括：相绕组A1、相绕组B1、相绕组C1；第二套绕组包括：相绕组a1、相绕组b1、相绕组c1；第一套绕组输入端分为三条支路，分别连接相绕组A1输入端、相绕组B1输入端、相绕组C1输入端；第二套绕组输入端分为三条支路，分别连接相绕组a1输入端，相绕组b1输入端、相绕组c1输入端；第三套绕组包括：相绕组A2、相绕组B2、相绕组C2；第四套绕组包括：相绕组a2、相绕组b2、相绕组c2；第三套绕组输入端分为三条支路，分别连接相绕组A2输入端、相绕组B2输入端、相绕组C2输入端；第四套绕组输入端分为三条支路，分别连接相绕组a2输入端，相绕组b2输入端、相绕组c2输入端；

第一定子铁芯、第二定子铁芯上均分布有定子槽，第一套绕组和第二套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，第三套绕组和第四套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，第一定子铁芯、第二定子铁芯分别固定在第一机座、第二机座上；第一套绕组的输入端与第一电流传感器连接，第二套绕组的输入端与第二电流传感器连接；第三套绕组的输入端与第三电流传感器连接，第四套绕组的输入端与第四电流传感器连接：

第一转子组件、第二转子组件均包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯分别固定在第一双绕组电机和第二双绕组电机输出轴上；第一套绕组和第二套绕组同时进行工作，第三套绕组和第四套绕组同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过第一双绕组电机和第二双绕组电机输出轴将转矩输出；

所述第二减速机构为涡轮蜗杆减速机构，第一双绕组电机和第二双绕组电机输出端通过第二减速机构与第二转向管柱连接；第二减速机构固定在第二转向管柱上，第一双绕组电机和第二双绕组电机输出的反馈力矩依次经过减速机构、第二转向管柱，传递至循环球转向器；

所述循环球液压助力模块包括：第二转向管柱、循环球式液压助力转向器以及液压助力模块；

所述循环球式液压助力转向器由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副，第二级为齿条与齿扇传动副；第二转向管柱与循环球式液压助力转向器相连；

所述机械传动模块包括：转向摇臂、转向直拉杆、左转向车轮、左转向节、左转向节臂、左转向梯形臂、转向横拉杆、右转向梯形臂、右转向节臂、右转向节、右转向车轮；

所述循环球式液压助力转向器的输出端通过齿扇与转向摇臂的一端连接，转向摇臂的另一端通过转向直拉杆和左转向节臂相连，所述左转向节臂通过左转向节与左转向车轮相连；左转向节臂经左转向梯形臂与转向横拉杆的一端相连；转向横拉杆的另一端与右梯形臂相连，右转向梯形臂经右转向节臂与右转向节相连，右转向节带动右侧车轮转向；

所述液压助力模块包括：液压泵、液压泵助力电机、第三减速机构、油箱、电磁换向阀、油管、第一压力传感器及第二压力传感器；液压泵助力电机通过第三减速机构与液压泵相连，将来自油箱的液压油通过电磁换向阀泵入循环球式液压助力转向器，在助力油缸中形成压差，为转向系统提供助力；第一压力传感器和第二压力传感器安装在循环球式液压助力转向器进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，并发送液压助力信号；

所述转向控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与各传感器电气连接，并获取转向盘转角信号、转向盘转矩信号、第一电流传感器的第一电流信号、第二电流传感器的第二电流信号、第三电流传感器的第三电流信号、第四电流传感器的第四电流信号、液压助力信号；车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号和侧向加速度信号；主控制器的输出端连接路感电机、电磁离合器、液压泵助力电机、电磁换向阀、第一继电器控制单元、第二继电器控制单元；

所述主控制器包括：信号处理单元、决策控制单元、诊断单元、故障报警单元、助力电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、路感电机驱动单元；

信号处理单元分别与各传感器、车辆其他状态单元电气连接，实时获取各传感器信号和车辆其他状态信号；

决策控制单元通过车载通讯线路接收信号处理单元的输入信号；

路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元和电磁离合器驱动单元均通过车载通讯线路接收决策控制单元的输入信号，并分别输出路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号以及电磁离合器的控制信号；

助力电机驱动单元通过车载通讯线路接收决策控制单元的输入信号，分别输出第一双绕组电机控制信号、第二双绕组电机控制信号和液压泵助力电机控制信号，完成转向动作的控制；

诊断单元，用于诊断路感电机、液压泵助力电机、第一双绕组电机、第二双绕组电机是否发生故障，若出现故障发送信号给故障报警单元，所述故障报警单元用于提醒驾驶员故障信息。

进一步地，所述决策控制单元包括：切换控制器及稳定性控制器；切换控制器根据信号处理单元的输入信号，对双绕组双电机助力模块的工作模式进行切换；稳定性控制器中储存不同工作模式对应的稳定性鲁棒控制算法，根据切换控制器的工作模式选择对应的稳定性鲁棒控制算法，输出稳定性信号。

进一步地，所述不同工作模式包括：单电机单绕组模式、单电机双绕组模式、双电机双绕组模式三种工作模式。

进一步地，所述稳定性鲁棒控制算法具体为：

车辆处于高速工况时，转向系统传动大，所需转向助力小，采用单电机单绕组模式，且此时速度高，输出能量大，需要对输出能量进行限制，采用H2/H∞控制算法；

车辆处于中速工况时，转向系统传动小，所需转向助力大，采用单电机双绕组模式，且此时车辆受交通工况的影响大，对转向控制精度要求高，轮胎侧偏刚度非线性特性显著，需要对车辆参数不确定性进行优化，采用μ控制算法；

车辆处于低速工况时，转向系统传动小，所需转向助力大，采用双电机双绕组模式进行助力，此时采用PID控制算法。

进一步地，所述第一双绕组电机和第二双绕组电机采用相同型号和结构的电机，均为无刷直流电机。

进一步地，所述第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器均为霍尔电流传感器。

进一步地，所述电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁、摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱上，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱上，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离。

进一步地，所述电磁铁包括线圈、磁辄；线控转向正常时，电磁离合器的线圈不通电，磁辄与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器分离；线控转向失效时，电磁离合器的线圈通电，磁辄吸合衔铁，将摩擦片组压紧，摩擦片组通过摩擦力传递转矩，电磁离合器结合；方向盘的转矩通过第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、循环球式液压助力转向器传递给转向横拉杆和左转向车轮，完成转向动作。

本发明的一种商用车双绕组双电机线控转向系统的控制方法，基于上述系统，包含以下步骤：

1)根据车辆当前行驶的工况，执行转向操作，输入转向盘转角；

2)信号处理单元实时接收转向盘转角信号A，转向盘转矩信号B，液压助力信号C，第一电流信号D，第二电流信号E，第三电流信号F，第四电流信号G以及车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号，通过计算得到当前车速下车辆理想横摆角速度信号、理想质心侧偏角信号以及所需助力信号，并传输给决策控制控制单元；

3)决策控制单元接收信息处理单元的输入信号，根据车辆当前车速和双绕组电机助力模块的工作状态，通过切换控制器对双绕组电机助力模块的工作模式进行切换，同时根据当前的车速通过稳定性控制器选择对应的工作模式以及稳定性控制算法，从而对转向系统进行稳定性控制和助力控制；决策控制单元将当前转向系统所处工作模式传输给助力电机驱动单元，向助力电机驱动单元输出指令；

4)助力电机驱动单元根据决策控制单元输出的指令，根据当前车辆状态所需的转向助力信号以及稳定性控制信号，进而计算得到液压泵助力电机的驱动电流以及第一、第二双绕组电机的驱动电流，输出液压泵助力电机的控制信号和第一、第二双绕组电机的控制信号，驱动其进行工作；电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元根据决策控制单元的输出指令，输出电磁离合器控制信号和电磁换向阀控制信号，控制电磁离合器和电磁换向阀的工作状态；

5)诊断单元在车辆行驶过程中，对各电机进行故障诊断，诊断路感电机、液压泵助力电机、第一双绕组电机、第二双绕组电机是否发生故障，若出现故障发送信号给故障报警单元，同时决策控制单元进行相应的容错控制，控制发生故障的绕组或电机停止工作，通过正常的绕组或电机进行稳定性控制及助力控制。

进一步地，所述步骤3)稳定性控制具体如下：

将信号处理单元计算得到的理想横摆角速度与实际的横摆角速度信号的差值，作为稳定性控制器的输入，通过当前工作模式下对应的鲁棒控制算法，计算车辆前轮转向的稳定性控制信号；然后控制当前工作的双绕组电机输出补偿转矩，进而通过循环球式液压助力转向器带动前轮进行相应的转矩补偿，从而实现车辆转向稳定性控制。

进一步地，所述不同工作模式包括：单电机单绕组模式、单电机双绕组模式、双电机双绕组模式三种工作模式。

进一步地，所述步骤3)中各工作模式所对应的工况以及稳定性控制算法具体包括：

31)车辆处于高速工况时，控制转向系统的传动比大于25.2，此时所需转向助力小，采用单电机单绕组模式，且此时速度高，输出能量大，需要对输出能量进行限制，采用H2/H∞控制算法；

32)车辆处于中速工况时，控制转向系统的传动比大于7.8小于25.2，采用单电机双绕组模式，且此时车辆受交通工况的影响大，对转向控制精度要求高，轮胎侧偏刚度非线性特性显著，需要对车辆参数不确定性进行优化，采用μ控制算法；

33)车辆处于低速工况时，控制转向系统的传动比小于7.8，此时所需转向助力大，采用双电机双绕组模式进行助力，此时采用PID控制算法。

进一步地，所述切换控制器对双绕组电机助力模块工作模式的切换具体包括：

34)单电机单绕组模式：当车辆处于高速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机单绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1，触点b1连接触点d1，液压助力模块和第一双绕组电机的第一套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力；

35)单电机双绕组模式：当车辆处于中速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机双绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1、e1，触点b1连接触点d1、f1；液压助力模块和第一双绕组电机的两套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力；

36)双电机双绕组模式：当车辆处于低速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机双绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1、e1，触点b1连接触点d1、f1；第二继电器触点a2连接触点c2、e2，触点b2连接触点d2、f2；液压助力模块和两个双绕组电机的两套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力。

进一步地，所述转向系统工作模式的切换中采用20Km/h作为中低速切换点，60Km/h作为中高速切换点，车辆速度在0-20Km/h之间为低速工况，车辆速度在20-60Km/h之间为中速工况，车辆速度在20-60Km/h之间为高速工况。

进一步地，所述步骤5)具体包括：

若某个双绕组电机的其中一套绕组出现故障，决策控制单元控制该双绕组电机的另外一套绕组进行工作；若其中一个双绕组电机发生故障，决策控制单元则控制另一双绕组电机进行工作；

若循环球液压助力模块发生故障，决策控制单元控制两个双绕组电机同时进行工作；若路感电机出现故障，决策控制单元控制电磁离合器闭合，将转向系统的工作模式切换为机械复合助力模式。

本发明的有益效果：

本发明具有电机、绕组双重硬件冗余功能，避免了任何一个单转向电机或者单个绕组故障而造成转向指令执行的失效，进一步提高了线控转向系统的可靠性，增强了车辆安全性；此外，融合了双绕组电机的优点，相比单绕组电机能够输出更大的转矩，保证了现有商用车线控转向系统所需的转矩要求，解决了能耗较大且响应速度慢的问题；

本发明可根据车辆所处工况，选择不同的工作模式以及稳定性控制算法，可以更好地保证车辆转向时的稳定性，增强了车辆行驶的安全性。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图；

图2为本发明双绕组双电机原理结构图；

图3为本发明转向系统的控制方法流程图；

图4为本发明决策单元控制流程图；

图中，1-转向盘，2-转向盘转角传感器，3-第一转向管柱，4-转向盘转矩传感器，5-第一减速机构，6-电磁离合器，7-双绕组双电机助力模块，8-第二转向管柱，9-螺杆与螺母传动副，10-齿条与齿扇传动副，11-循环球式液压助力转向器，12-转向摇臂，17-转向直拉杆，13-左转向车轮，14-左转向节，15-左转向节臂，16-左转向梯形臂，18-液压助力模块，19-电磁换向阀，20-转向横拉杆，21-右转向梯形臂，22-右转向节臂，23-右转向节，24-右转向车轮，25-油箱，26-液压泵助力电机，27-液压泵，28-车辆其它状态单元，29-主控制器模块，30-路感电机，52-第二减速机构，71-第一继电器控制单元，72-第一电流传感器，73-第一套绕组，74-第二套绕组，75-第二电流传感器，76-第三套绕组，77-第三电流传感器，78-第二继电器控制单元，79-第四电流传感，80-第四套绕组，81-第一压力传感器，82-第二压力传感器；

A-转向盘转角信号，B-转向盘转矩信号，C-液压助力信号，D-第一电流信号，E-第二电流信号，F-第三电流信号，G-第四电流信号，H-第一继电器控制信号，I-第二继电器控制信号，J-液压泵助力电机控制信号，K-电磁换向阀控制信号，L-电磁离合器控制信号，M-车速信号，N-横摆角速度信号，O-质心侧偏角信号，P-侧向加速度信号。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1、图2所示，本发明的一种商用车双绕组双电机线控转向系统，包括：转向盘模块、双绕组双电机助力模块7、循环球液压助力模块、机械传动模块以及转向控制单元；其中，

所述转向盘模块包括：转向盘1、第一转向管柱3、转向盘转角传感器2、转向盘转矩传感器4、电磁离合器6、路感电机30、第一减速机构5；

所述第一转向管柱3一端与转向盘1连接，另一端与电磁离合器6连接；路感电机30输出端通过第一减速机构5与第一转向管柱3连接；第一减速机构5固定在第一转向管柱上，路感电机输出的反馈力矩依次经过减速机构、第一转向管柱，传递至转向盘；所述转向盘转角传感器2、转向盘转矩传感器4均与第一转向管柱3固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给转向控制单元；

所述电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁、摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱上，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱上，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离；

所述电磁铁包括线圈、磁辄；线控转向正常时，电磁离合器的线圈不通电，磁辄与衔铁分离，摩擦片组不传递转矩，电磁离合器分离；线控转向失效时，电磁离合器的线圈通电，磁辄吸合衔铁，将摩擦片组压紧，摩擦片组通过摩擦力传递转矩，电磁离合器结合；方向盘的转矩通过第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、循环球式液压助力转向器传递给转向横拉杆和左转向车轮，完成转向动作。

所述双绕组双电机助力模块7包括：第一双绕组电机、第二双绕组电机、第一继电器控制单元71、第二继电器控制单元78、第一电流传感器72、第二电流传感器75、第三电流传感器77、第四电流传感器79、第二减速机构52；

第一继电器控制单元71包括：第一继电器控制器及第一继电器；第一继电器控制器的输入端连接转向控制单元中的助力电机驱动单元，第一继电器控制器的输出端连接第一继电器；第二继电器控制单元包括：第二继电器控制器及第二继电器；第二继电器控制器的输入端连接转向控制单元中的助力电机驱动单元，第二继电器控制器的输出端连接第二继电器；

第一双绕组电机包括：第一定子铁芯、第一转子组件、第一机座、第一套绕组73、第二套绕组74、第一双绕组电机输出轴；第二双绕组电机包括：第二定子铁芯、第二转子组件、第二机座、第三套绕组76、第四套绕组80、第二双绕组电机输出轴；

所述第一继电器控制单元根据第一双绕组电机控制信号判断第一套绕组和第二套绕组工作状态，进而控制第一继电器内部触点的连接方式；所述第二继电器控制单元根据第二双绕组电机控制信号判断第三套绕组和第四套绕组工作状态，进而控制第二继电器内部触点的连接方式；

第一套绕组73包括：相绕组A1、相绕组B1、相绕组C1；第二套绕组74包括：相绕组a1、相绕组b1、相绕组c1；第一套绕组73输入端分为三条支路，分别连接相绕组A1输入端、相绕组B1输入端、相绕组C1输入端；第二套绕组74输入端分为三条支路，分别连接相绕组a1输入端，相绕组b1输入端、相绕组c1输入端；第三套绕组76包括：相绕组A2、相绕组B2、相绕组C2；第四套绕组80包括：相绕组a2、相绕组b2、相绕组c2；第三套绕组76输入端分为三条支路，分别连接相绕组A2输入端、相绕组B2输入端、相绕组C2输入端；第四套绕组80输入端分为三条支路，分别连接相绕组a2输入端，相绕组b2输入端、相绕组c2输入端；

第一定子铁芯、第二定子铁芯上均分布有定子槽，第一套绕组73和第二套绕组74的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，第三套绕组76和第四套绕组80的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，第一定子铁芯、第二定子铁芯分别固定在第一机座、第二机座上；第一套绕组73的输入端与第一电流传感器72连接，第二套绕组74的输入端与第二电流传感器75连接；第三套绕组76的输入端与第三电流传感器77连接，第四套绕组80的输入端与第四电流传感器79连接：

第一转子组件、第二转子组件均包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯分别固定在第一双绕组电机和第二双绕组电机输出轴上；第一套绕组73和第二套绕组74同时进行工作，第三套绕组76和第四套绕组80同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过第一双绕组电机和第二双绕组电机输出轴将转矩输出；

所述第二减速机构52为涡轮蜗杆减速机构，第一双绕组电机和第二双绕组电机输出端通过第二减速机构与第二转向管柱连接；第二减速机构固定在第二转向管柱上，第一双绕组电机和第二双绕组电机输出的反馈力矩依次经过减速机构、第二转向管柱，传递至循环球转向器；

所述循环球液压助力模块包括：第二转向管柱8、循环球式液压助力转向器11以及液压助力模块18；

所述循环球式液压助力转向器11由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副9，第二级为齿条与齿扇传动副10；第二转向管柱8与循环球式液压助力转向器11相连；

所述机械传动模块包括：转向摇臂12、转向直拉杆17、左转向车轮13、左转向节14、左转向节臂15、左转向梯形臂16、转向横拉杆20、右转向梯形臂21、右转向节臂22、右转向节23、右转向车轮24；

所述循环球式液压助力转向器11的输出端通过齿扇与转向摇臂12的一端连接，转向摇臂12的另一端通过转向直拉杆17和左转向节臂15相连，所述左转向节臂15通过左转向节14与左转向车轮13相连；左转向节臂15经左转向梯形臂16与转向横拉杆20的一端相连；转向横拉杆20的另一端与右梯形臂21相连，右转向梯形臂21经右转向节臂22与右转向节23相连，右转向节23带动右侧车轮24转向；

所述液压助力模块18包括：液压泵27、液压泵助力电机26、第三减速机构、油箱25、电磁换向阀19、油管、第一压力传感器81及第二压力传感器82；液压泵助力电机26通过第三减速机构与液压泵27相连，将来自油箱的液压油通过电磁换向阀19泵入循环球式液压助力转向器11，在助力油缸中形成压差，为转向系统提供助力；第一压力传感器81和第二压力传感器82安装在循环球式液压助力转向器11进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，并发送液压助力信号；

所述转向控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与各传感器电气连接，并获取转向盘转角信号、转向盘转矩信号、第一电流传感器72的第一电流信号、第二电流传感器75的第二电流信号、第三电流传感器77的第三电流信号、第四电流传感器79的第四电流信号、液压助力信号；车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号和侧向加速度信号；主控制器的输出端连接路感电机、电磁离合器、液压泵助力电机、电磁换向阀、第一继电器控制单元、第二继电器控制单元；

所述主控制器包括：信号处理单元、决策控制单元、诊断单元、故障报警单元、助力电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、路感电机驱动单元；

信号处理单元分别与各传感器、车辆其他状态单元电气连接，实时获取各传感器信号和车辆其他状态信号；

决策控制单元通过车载通讯线路接收信号处理单元的输入信号；

路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元和电磁离合器驱动单元均通过车载通讯线路接收决策控制单元的输入信号，并分别输出路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号以及电磁离合器的控制信号；

助力电机驱动单元通过车载通讯线路接收决策控制单元的输入信号，分别输出第一双绕组电机控制信号、第二双绕组电机控制信号和液压泵助力电机控制信号，完成转向动作的控制；

诊断单元，用于诊断路感电机、液压泵助力电机、第一双绕组电机、第二双绕组电机是否发生故障，若出现故障发送信号给故障报警单元，所述故障报警单元用于提醒驾驶员故障信息。

其中，所述决策控制单元包括：切换控制器及稳定性控制器；切换控制器根据信号处理单元的输入信号，对双绕组双电机助力模块的工作模式进行切换；稳定性控制器中储存不同工作模式对应的稳定性鲁棒控制算法，根据切换控制器的工作模式选择对应的稳定性鲁棒控制算法，输出稳定性信号。

所述不同工作模式包括：单电机单绕组模式、单电机双绕组模式、双电机双绕组模式三种工作模式。

具体地，所述稳定性鲁棒控制算法具体为：

车辆处于高速工况时，转向系统传动大，所需转向助力小，采用单电机单绕组模式，且此时速度高，输出能量大，需要对输出能量进行限制，采用H2/H∞控制算法；

车辆处于中速工况时，转向系统传动小，所需转向助力大，采用单电机双绕组模式，且此时车辆受交通工况的影响大，对转向控制精度要求高，轮胎侧偏刚度非线性特性显著，需要对车辆参数不确定性进行优化，采用μ控制算法；

车辆处于低速工况时，转向系统传动小，所需转向助力大，采用双电机双绕组模式进行助力，此时采用PID控制算法。

示例中，所述第一双绕组电机和第二双绕组电机采用相同型号和结构的电机，均为无刷直流电机。

示例中，所述第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器均为霍尔电流传感器。

参照图3所示，本发明的一种商用车双绕组双电机线控转向系统的控制方法，基于上述系统，包含以下步骤：

1)根据车辆当前行驶的工况，执行转向操作，输入转向盘转角；

2)信号处理单元实时接收转向盘转角信号A，转向盘转矩信号B，液压助力信号C，第一电流信号D，第二电流信号E，第三电流信号F，第四电流信号G以及车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号，通过计算得到当前车速下车辆理想横摆角速度信号、理想质心侧偏角信号以及所需助力信号，并传输给决策控制控制单元；

3)决策控制单元接收信息处理单元的输入信号，根据车辆当前车速和双绕组电机助力模块的工作状态，通过切换控制器对双绕组电机助力模块的工作模式进行切换，同时根据当前的车速通过稳定性控制器选择对应的工作模式以及稳定性控制算法，从而对转向系统进行稳定性控制和助力控制；决策控制单元将当前转向系统所处工作模式传输给助力电机驱动单元，向助力电机驱动单元输出指令；

4)助力电机驱动单元根据决策控制单元输出的指令，根据当前车辆状态所需的转向助力信号以及稳定性控制信号，进而计算得到液压泵助力电机的驱动电流以及第一、第二双绕组电机的驱动电流，输出液压泵助力电机的控制信号和第一、第二双绕组电机的控制信号，驱动其进行工作；电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元根据决策控制单元的输出指令，输出电磁离合器控制信号和电磁换向阀控制信号，控制电磁离合器和电磁换向阀的工作状态；

5)诊断单元在车辆行驶过程中，对各电机进行故障诊断，诊断路感电机、液压泵助力电机、第一双绕组电机、第二双绕组电机是否发生故障，若出现故障发送信号给故障报警单元，同时决策控制单元进行相应的容错控制，控制发生故障的绕组或电机停止工作，通过正常的绕组或电机进行稳定性控制及助力控制。

其中，所述步骤3)稳定性控制具体如下：

将信号处理单元计算得到的理想横摆角速度与实际的横摆角速度信号的差值，作为稳定性控制器的输入，通过当前工作模式下对应的鲁棒控制算法，计算车辆前轮转向的稳定性控制信号；然后控制当前工作的双绕组电机输出补偿转矩，进而通过循环球式液压助力转向器带动前轮进行相应的转矩补偿，从而实现车辆转向稳定性控制。

参照图4所示，所述不同工作模式包括：单电机单绕组模式、单电机双绕组模式、双电机双绕组模式三种工作模式。

具体地，所述步骤3)中各工作模式所对应的工况以及稳定性控制算法具体包括：

31)车辆处于高速工况时，控制转向系统的传动比大于25.2，此时所需转向助力小，采用单电机单绕组模式，且此时速度高，输出能量大，需要对输出能量进行限制，采用H2/H∞控制算法；

32)车辆处于中速工况时，控制转向系统的传动比大于7.8小于25.2，采用单电机双绕组模式，且此时车辆受交通工况的影响大，对转向控制精度要求高，轮胎侧偏刚度非线性特性显著，需要对车辆参数不确定性进行优化，采用μ控制算法；

33)车辆处于低速工况时，控制转向系统的传动比小于7.8，此时所需转向助力大，采用双电机双绕组模式进行助力，此时采用PID控制算法。

所述切换控制器对双绕组电机助力模块工作模式的切换具体包括：

34)单电机单绕组模式：当车辆处于高速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机单绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1，触点b1连接触点d1，液压助力模块和第一双绕组电机的第一套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力；

35)单电机双绕组模式：当车辆处于中速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机双绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1、e1，触点b1连接触点d1、f1；液压助力模块和第一双绕组电机的两套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力；

36)双电机双绕组模式：当车辆处于低速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机双绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1、e1，触点b1连接触点d1、f1；第二继电器触点a2连接触点c2、e2，触点b2连接触点d2、f2；液压助力模块和两个双绕组电机的两套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力。

示例中，所述转向系统工作模式的切换中采用20Km/h作为中低速切换点，60Km/h作为中高速切换点，车辆速度在0-20Km/h之间为低速工况，车辆速度在20-60Km/h之间为中速工况，车辆速度在20-60Km/h之间为高速工况。

具体地，所述步骤5)具体包括：

若某个双绕组电机的其中一套绕组出现故障，决策控制单元控制该双绕组电机的另外一套绕组进行工作；若其中一个双绕组电机发生故障，决策控制单元则控制另一双绕组电机进行工作；

若循环球液压助力模块发生故障，决策控制单元控制两个双绕组电机同时进行工作；若路感电机出现故障，决策控制单元控制电磁离合器闭合，将转向系统的工作模式切换为机械复合助力模式。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种商用车双绕组双电机线控转向系统，其特征在于，包括：转向盘模块、双绕组双电机助力模块、循环球液压助力模块、机械传动模块及转向控制单元；

所述转向盘模块包括：转向盘、第一转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、电磁离合器、路感电机、第一减速机构；

所述第一转向管柱一端与转向盘连接，另一端与电磁离合器连接；路感电机输出端通过第一减速机构与第一转向管柱连接；第一减速机构固定在第一转向管柱上，路感电机输出的反馈力矩依次经过减速机构、第一转向管柱，传递至转向盘；所述转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器均与第一转向管柱固定连接，分别采集转向盘的转角和转矩信号，并将采集到的信号发送给转向控制单元；

所述双绕组双电机助力模块包括：第一双绕组电机、第二双绕组电机、第一继电器控制单元、第二继电器控制单元、第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器、第二减速机构；

第一继电器控制单元包括：第一继电器控制器及第一继电器；第一继电器控制器的输入端连接转向控制单元中的助力电机驱动单元，第一继电器控制器的输出端连接第一继电器；第二继电器控制单元包括：第二继电器控制器及第二继电器；第二继电器控制器的输入端连接转向控制单元中的助力电机驱动单元，第二继电器控制器的输出端连接第二继电器；

第一双绕组电机包括：第一定子铁芯、第一转子组件、第一机座、第一套绕组、第二套绕组、第一双绕组电机输出轴；第二双绕组电机包括：第二定子铁芯、第二转子组件、第二机座、第三套绕组、第四套绕组、第二双绕组电机输出轴；

所述第一继电器控制单元根据第一双绕组电机控制信号判断第一套绕组和第二套绕组工作状态，进而控制第一继电器内部触点的连接方式；所述第二继电器控制单元根据第二双绕组电机控制信号判断第三套绕组和第四套绕组工作状态，进而控制第二继电器内部触点的连接方式；

第一套绕组包括：相绕组A1、相绕组B1、相绕组C1；第二套绕组包括：相绕组a1、相绕组b1、相绕组c1；第一套绕组输入端分为三条支路，分别连接相绕组A1输入端、相绕组B1输入端、相绕组C1输入端；第二套绕组输入端分为三条支路，分别连接相绕组a1输入端，相绕组b1输入端、相绕组c1输入端；第三套绕组包括：相绕组A2、相绕组B2、相绕组C2；第四套绕组包括：相绕组a2、相绕组b2、相绕组c2；第三套绕组输入端分为三条支路，分别连接相绕组A2输入端、相绕组B2输入端、相绕组C2输入端；第四套绕组输入端分为三条支路，分别连接相绕组a2输入端，相绕组b2输入端、相绕组c2输入端；

第一定子铁芯、第二定子铁芯上均分布有定子槽，第一套绕组和第二套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，第三套绕组和第四套绕组的同一相绕组之间错开电角度30°嵌放在不同的定子槽中，第一定子铁芯、第二定子铁芯分别固定在第一机座、第二机座上；第一套绕组的输入端与第一电流传感器连接，第二套绕组的输入端与第二电流传感器连接；第三套绕组的输入端与第三电流传感器连接，第四套绕组的输入端与第四电流传感器连接：

第一转子组件、第二转子组件均包括：转子铁芯、转子绕组；转子绕组绕在转子铁芯上，转子铁芯分别固定在第一双绕组电机和第二双绕组电机输出轴上；第一套绕组和第二套绕组同时进行工作，第三套绕组和第四套绕组同时进行工作，产生合成磁场，在转子绕组中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下带动转子铁芯旋转，转子铁芯通过第一双绕组电机和第二双绕组电机输出轴将转矩输出；

所述第二减速机构为涡轮蜗杆减速机构，第一双绕组电机和第二双绕组电机输出端通过第二减速机构与第二转向管柱连接；第二减速机构固定在第二转向管柱上，第一双绕组电机和第二双绕组电机输出的反馈力矩依次经过减速机构、第二转向管柱，传递至循环球转向器；

所述循环球液压助力模块包括：第二转向管柱、循环球式液压助力转向器以及液压助力模块；

所述循环球式液压助力转向器由两级传动副组成：第一级为螺杆与螺母传动副，第二级为齿条与齿扇传动副；第二转向管柱与循环球式液压助力转向器相连；

所述机械传动模块包括：转向摇臂、转向直拉杆、左转向车轮、左转向节、左转向节臂、左转向梯形臂、转向横拉杆、右转向梯形臂、右转向节臂、右转向节、右转向车轮；

所述循环球式液压助力转向器的输出端通过齿扇与转向摇臂的一端连接，转向摇臂的另一端通过转向直拉杆和左转向节臂相连，所述左转向节臂通过左转向节与左转向车轮相连；左转向节臂经左转向梯形臂与转向横拉杆的一端相连；转向横拉杆的另一端与右梯形臂相连，右转向梯形臂经右转向节臂与右转向节相连，右转向节带动右侧车轮转向；

所述液压助力模块包括：液压泵、液压泵助力电机、第三减速机构、油箱、电磁换向阀、油管、第一压力传感器及第二压力传感器；液压泵助力电机通过第三减速机构与液压泵相连，将来自油箱的液压油通过电磁换向阀泵入循环球式液压助力转向器，在助力油缸中形成压差，为转向系统提供助力；第一压力传感器和第二压力传感器安装在循环球式液压助力转向器进出油路的油管上，用于检测循环球式液压助力转向器两侧的液压助力，并发送液压助力信号；

所述转向控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与各传感器电气连接，并获取转向盘转角信号、转向盘转矩信号、第一电流传感器的第一电流信号、第二电流传感器的第二电流信号、第三电流传感器的第三电流信号、第四电流传感器的第四电流信号、液压助力信号；车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号、横摆角速度信号、质心侧偏角信号和侧向加速度信号；主控制器的输出端连接路感电机、电磁离合器、液压泵助力电机、电磁换向阀、第一继电器控制单元、第二继电器控制单元；

所述主控制器包括：信号处理单元、决策控制单元、诊断单元、故障报警单元、助力电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、路感电机驱动单元；

信号处理单元分别与各传感器、车辆其他状态单元电气连接，实时获取各传感器信号和车辆其他状态信号；

决策控制单元通过车载通讯线路接收信号处理单元的输入信号；

路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元和电磁离合器驱动单元均通过车载通讯线路接收决策控制单元的输入信号，并分别输出路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号以及电磁离合器的控制信号；

助力电机驱动单元通过车载通讯线路接收决策控制单元的输入信号，分别输出第一双绕组电机控制信号、第二双绕组电机控制信号和液压泵助力电机控制信号，完成转向动作的控制；

诊断单元，用于诊断路感电机、液压泵助力电机、第一双绕组电机、第二双绕组电机是否发生故障，若出现故障发送信号给故障报警单元，所述故障报警单元用于提醒驾驶员故障信息。

2.根据权利要求1所述的商用车双绕组双电机线控转向系统，其特征在于，所述决策控制单元包括：切换控制器及稳定性控制器；切换控制器根据信号处理单元的输入信号，对双绕组双电机助力模块的工作模式进行切换；稳定性控制器中储存不同工作模式对应的稳定性鲁棒控制算法，根据切换控制器的工作模式选择对应的稳定性鲁棒控制算法，输出稳定性信号。

3.根据权利要求1所述的商用车双绕组双电机线控转向系统，其特征在于，所述不同工作模式包括：单电机单绕组模式、单电机双绕组模式、双电机双绕组模式三种工作模式。

4.根据权利要求1所述的商用车双绕组双电机线控转向系统，其特征在于，所述稳定性鲁棒控制算法具体为：

车辆处于高速工况时，转向系统传动大，所需转向助力小，采用单电机单绕组模式，且此时速度高，输出能量大，需要对输出能量进行限制，采用H2/H∞控制算法；

车辆处于中速工况时，转向系统传动小，所需转向助力大，采用单电机双绕组模式，且此时车辆受交通工况的影响大，对转向控制精度要求高，轮胎侧偏刚度非线性特性显著，需要对车辆参数不确定性进行优化，采用μ控制算法；

车辆处于低速工况时，转向系统传动小，所需转向助力大，采用双电机双绕组模式进行助力，采用PID控制算法。

5.根据权利要求1所述的商用车双绕组双电机线控转向系统，其特征在于，所述电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁、摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱上，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱上，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号控制线圈的通断电，进而控制电磁离合器的结合与分离。

6.一种商用车双绕组双电机线控转向系统的控制方法，基于权利要求1-5中任意一项所述系统，其特征在于，包含以下步骤：

1)根据车辆当前行驶的工况，执行转向操作，输入转向盘转角；

2)信号处理单元实时接收转向盘转角信号A，转向盘转矩信号B，液压助力信号C，第一电流信号D，第二电流信号E，第三电流信号F，第四电流信号G以及车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号，通过计算得到当前车速下车辆理想横摆角速度信号、理想质心侧偏角信号以及所需助力信号，并传输给决策控制控制单元；

3)决策控制单元接收信息处理单元的输入信号，根据车辆当前车速和双绕组电机助力模块的工作状态，通过切换控制器对双绕组电机助力模块的工作模式进行切换，同时根据当前的车速通过稳定性控制器选择对应的工作模式以及稳定性控制算法，从而对转向系统进行稳定性控制和助力控制；决策控制单元将当前转向系统所处工作模式传输给助力电机驱动单元，向助力电机驱动单元输出指令；

4)助力电机驱动单元根据决策控制单元输出的指令，根据当前车辆状态所需的转向助力信号以及稳定性控制信号，进而计算得到液压泵助力电机的驱动电流以及第一、第二双绕组电机的驱动电流，输出液压泵助力电机的控制信号和第一、第二双绕组电机的控制信号，驱动其进行工作；电磁离合器驱动单元和电磁换向阀驱动单元根据决策控制单元的输出指令，输出电磁离合器控制信号和电磁换向阀控制信号，控制电磁离合器和电磁换向阀的工作状态；

5)诊断单元在车辆行驶过程中，对各电机进行故障诊断，诊断路感电机、液压泵助力电机、第一双绕组电机、第二双绕组电机是否发生故障，若出现故障发送信号给故障报警单元，同时决策控制单元进行相应的容错控制，控制发生故障的绕组或电机停止工作，通过正常的绕组或电机进行稳定性控制及助力控制。

7.根据权利要求6所述的商用车双绕组双电机线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)稳定性控制具体如下：

将信号处理单元计算得到的理想横摆角速度与实际的横摆角速度信号的差值，作为稳定性控制器的输入，通过当前工作模式下对应的鲁棒控制算法，计算车辆前轮转向的稳定性控制信号；然后控制当前工作的双绕组电机输出补偿转矩，进而通过循环球式液压助力转向器带动前轮进行相应的转矩补偿，从而实现车辆转向稳定性控制。

8.根据权利要求6所述的商用车双绕组双电机线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中各工作模式所对应的工况以及稳定性控制算法具体包括：

31)车辆处于高速工况时，控制转向系统的传动比大于25.2，此时所需转向助力小，采用单电机单绕组模式，且此时速度高，输出能量大，需要对输出能量进行限制，采用H2/H∞控制算法；

32)车辆处于中速工况时，控制转向系统的传动比大于7.8小于25.2，采用单电机双绕组模式，且此时车辆受交通工况的影响大，对转向控制精度要求高，轮胎侧偏刚度非线性特性显著，需要对车辆参数不确定性进行优化，采用μ控制算法；

33)车辆处于低速工况时，控制转向系统的传动比小于7.8，此时所需转向助力大，采用双电机双绕组模式进行助力，采用PID控制算法。

9.根据权利要求6所述的商用车双绕组双电机线控转向系统的控制方法，其特征在于，所述切换控制器对双绕组电机助力模块工作模式的切换具体包括：

34)单电机单绕组模式：当车辆处于高速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机单绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1，触点b1连接触点d1，液压助力模块和第一双绕组电机的第一套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力；

35)单电机双绕组模式：当车辆处于中速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机双绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1、e1，触点b1连接触点d1、f1；液压助力模块和第一双绕组电机的两套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力；

36)双电机双绕组模式：当车辆处于低速工况下，决策控制单元将双绕组电机助力模块的工作模式切换为单电机双绕组模式；此时电磁换向阀处于正向负荷或反向负荷，第一继电器触点a1连接触点c1、e1，触点b1连接触点d1、f1；第二继电器触点a2连接触点c2、e2，触点b2连接触点d2、f2；液压助力模块和两个双绕组电机的两套绕组同时进行工作，为线控转向系统提供助力。

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