汽車(chē)電子控制轉向技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在汽車(chē)上的應用范圍不斷擴大。汽車(chē)轉向系統已從簡(jiǎn)單的純機械式轉向系統、液壓動(dòng)力轉向系統（HydraulicPowerSteering，簡(jiǎn)稱(chēng)HPS）、電動(dòng)液壓助力轉向系統（ElectricHydraulicPowerSteering，簡(jiǎn)稱(chēng)EHPS）發(fā)展到如今的更為節能及操縱性能更為優(yōu)越的電動(dòng)助力轉向系統（ElectricalPowerSteering，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS）。EHPS和EPS等助力系統在汽車(chē)上的采用，改善了汽車(chē)轉向力的控制特性，降低了駕駛員的轉向負擔，然而汽車(chē)轉向系統始終處于機械傳動(dòng)階段，由于轉向傳動(dòng)比固定，汽車(chē)轉向特性隨車(chē)速變化進(jìn)行一定的操作補償，從而控制汽車(chē)按其意愿行駛。如果轉向盤(pán)與轉向輪通過(guò)控制信號連接，即采用電子轉向系統（Steering-By-WireSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)SBWS），轉向盤(pán)轉角和汽車(chē)前輪轉角之間關(guān)系（汽車(chē)轉向的角傳遞特性）的設計就可以得到改善，從而降低駕駛員的操縱負擔，改善人—車(chē)閉環(huán)系統性能。本文綜述了電子控制轉向技術(shù)的發(fā)展、原理，并探討了該項技術(shù)的發(fā)展趨勢。

一、電子控制轉向系統的發(fā)展概況

自1953年通用汽車(chē)公司在凱迪拉克和別克轎車(chē)上首次批量使用液壓動(dòng)力轉向系統以來(lái)，液壓動(dòng)力轉向系統給汽車(chē)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的變化，使駕駛員的轉向操縱力大大降低，轉向的靈敏性得到了提高。隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力轉向系統在體積、價(jià)格和所消耗的功率等方面都取得了驚人的進(jìn)步。在20世紀80年代后期，又開(kāi)發(fā)了變減速比、電控液壓動(dòng)力轉向系統。但是動(dòng)力轉向系統的技術(shù)革新都是基于液壓動(dòng)力轉向系統的，無(wú)法消除HPS系統在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷。直到1988年日本鈴木公司首次開(kāi)發(fā)出一種全新的電子控制式電動(dòng)助力轉向系統，才真正擺脫了液壓動(dòng)力轉向系統的束縛[1]。

此后，電動(dòng)助力轉向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應用范圍已經(jīng)從微型轎車(chē)向大型轎車(chē)和客車(chē)方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車(chē)公司、三菱汽車(chē)公司、本田汽車(chē)公司，美國的Delphi公司，英國的Lueas公司，德國的ZF公司，都研制出了各自的EPS。如大發(fā)汽車(chē)公司在其Mira車(chē)上裝備了EPS，三菱汽車(chē)公司在其Minica車(chē)上裝備了EPS，本田汽車(chē)公司在A(yíng)ccord車(chē)上裝備了EPS。Delphi公司已經(jīng)為大眾的Polo、菲亞特Punto開(kāi)發(fā)出EPS[2]。本田還在其AcuraNXS賽車(chē)上裝備了EPS[3]。

EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強。日本早期開(kāi)發(fā)的EPS僅僅在低速和停車(chē)時(shí)提供助力，高速時(shí)EPS將停止工作。新一代的EPS則不僅在低速和停車(chē)時(shí)提供助力，而且還能在高速時(shí)提高汽車(chē)的操縱穩定性。如日本鈴木公司裝備在WagonR+車(chē)上的EPS是一個(gè)負載-路面-車(chē)速感應型助力轉向系統[4]。由Delphi公司為Funte車(chē)開(kāi)發(fā)的EPS為全范圍助力型，并且設置了兩個(gè)開(kāi)關(guān)，其中一個(gè)用于郊區，另一個(gè)用于市區和停車(chē)。當車(chē)速大于70km/h后，這兩種開(kāi)關(guān)設置的程序則是一樣的，以保證汽車(chē)在高速時(shí)有合適的路感，這樣即使汽車(chē)行駛到高速公路時(shí)駕駛員忘記切換開(kāi)關(guān)也不會(huì )發(fā)生危險。市區型開(kāi)關(guān)還與油門(mén)有關(guān)，使得在踩油門(mén)加速和松油門(mén)減速時(shí)，轉向更平滑。

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應用范圍將越來(lái)越大。

早在20世紀60年代末，德國Kasselmann等試圖將轉向盤(pán)與轉向車(chē)輪之間通過(guò)導線(xiàn)連接（即電子轉向系統），但由于當時(shí)電子和控制技術(shù)的制約，電子轉向系統一直無(wú)法在實(shí)車(chē)上實(shí)現。奔馳公司于1990年開(kāi)始了前輪電子轉向系統的深入研發(fā)，并將其開(kāi)發(fā)的電子轉向系統應用于概念車(chē)F400Carving上。世界其他各大汽車(chē)廠(chǎng)家、研發(fā)機構（包括Daimler-Chrysler、寶馬、ZF、DELPHI、TRW等）以及日本的光洋（Koyo）精工技術(shù)研究所、日本國立大學(xué)、本田汽車(chē)公司等也先后對汽車(chē)電子轉向系統做了深入研究。目前許多汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)了自己的電子轉向系統，一些國際著(zhù)名汽車(chē)生產(chǎn)商已在其概念車(chē)上安裝了該系統。

日本Koyo技術(shù)研究所根據他們自己的研究試驗結果，利用電子轉向系統進(jìn)行主動(dòng)控制的汽車(chē)，在摩擦系數很小的堅實(shí)雪地上進(jìn)行蛇行、移線(xiàn)、側向風(fēng)試驗中基本按照預定的軌跡行駛，比傳統轉向系統在路線(xiàn)跟蹤性能上有較大的提高。在對開(kāi)路面上進(jìn)行制動(dòng)試驗也能基本保證汽車(chē)的直線(xiàn)行駛，制動(dòng)距離也大大縮短。

日本大學(xué)和本田汽車(chē)公司在汽車(chē)電子轉向系統方面也做了一些理論工作和模擬器試驗研究。他們從人—車(chē)閉環(huán)系統特性出發(fā)，設計了理想的轉向系統傳動(dòng)比，使汽車(chē)的穩態(tài)增益不隨車(chē)速變化，并重點(diǎn)研究了駕駛員角控制特性和力控制特性對汽車(chē)主動(dòng)安全性的影響。

寶馬汽車(chē)公司的概念車(chē)BMWZ22，應用了SBWS和BBW（Brake-By-Wire）技術(shù)，轉向盤(pán)的轉動(dòng)范圍減少到了160°，使緊急轉向時(shí)駕駛員的忙碌程度得到了很大程度的降低。

目前由于汽車(chē)供電系統的因素，轉向電動(dòng)機難以提供較大功率，現階段電子轉向系統的研究以及近期的應用對象主要針對轎車(chē)。要在重型載貨汽車(chē)上應用，還必須采用液壓執行機構。隨著(zhù)蓄電池技術(shù)的發(fā)展和42V電子設備在汽車(chē)上的應用，全電子轉向系統將應用到中型和重型車(chē)上。目前，42V電源已經(jīng)在一些概念車(chē)上得到應用，通用的“自主魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42V電源。

國內動(dòng)力轉向器目前還處于機械—液壓動(dòng)力轉向階段，對于電動(dòng)助力轉向系統，清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校開(kāi)展了系統結構方案設計和系統建模及動(dòng)力分析等研究，但目前還沒(méi)有實(shí)用的電動(dòng)助力轉向系統和電子轉向系統。

二、EPS的組成原理和分類(lèi)

（一）EPS的組成

電動(dòng)助力轉向系統是在傳統機械轉向機構的基礎上發(fā)展起來(lái)的。系統通常由轉矩傳感器、車(chē)速傳感器、電子控制器、電動(dòng)機、電磁離合器和減速機構等組成[5]。Alto汽車(chē)電子控制動(dòng)力轉向系統的組成如圖1所示。

（二）EPS的原理

電子控制動(dòng)力轉向系統是利用電動(dòng)機作為助力源，根據轉向參數和車(chē)速等，由微機完成助力工作的，其原理可概述如下。

不轉向時(shí)，電動(dòng)機不工作；當操縱轉向盤(pán)時(shí)，裝在轉向盤(pán)軸上的轉矩傳感器不斷檢測轉向軸上的轉矩，并由此產(chǎn)生一個(gè)電壓信號，該信號與車(chē)速信號同時(shí)輸入電子控制器，由控制器中的微機根據這些輸入信號進(jìn)行運算處理，確定助力轉矩的大小和方向，即選定電動(dòng)機的電流和轉向，調整轉向的輔助動(dòng)力。電動(dòng)機的轉矩由電磁離合器通過(guò)減速機構減速增矩后，加在汽車(chē)的轉向機構上，使之得到一個(gè)與工況相適應的轉向作用力。

電子控制電動(dòng)助力轉向控制系統的核心是一個(gè)4kBROM和256kBRAM的8位微機。

轉向盤(pán)轉矩信號和車(chē)速信號經(jīng)過(guò)輸入接口送入微機，隨著(zhù)車(chē)速的提高，通過(guò)微機控制相應地降低助力電動(dòng)機電流，以減少助力轉矩。發(fā)動(dòng)機轉速信號也被送入微機，當發(fā)動(dòng)機處于怠速時(shí)，由于供電不足，助力電動(dòng)機和離合器不工作。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的通斷（on/off）信號經(jīng)A/D轉換接口送入微機，當點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機和離合器不能工作。微機控制指令經(jīng)D/A轉換后送入電動(dòng)機和離合器的驅動(dòng)放大電路中，控制電動(dòng)機的旋轉方向和離合器的結合。電動(dòng)機的電流經(jīng)驅動(dòng)放大回路、電流表A、A/D轉換接口反饋給微機，將電動(dòng)機的實(shí)際電流與按微機指令應給的電流相比較，調節電動(dòng)機的實(shí)際電流，使兩者接近一致。

（三）EPS分類(lèi)

根據電動(dòng)機驅動(dòng)部位的不同，將電動(dòng)助力轉向系統分為3類(lèi)：轉向軸助力式、轉向器小齒輪助力式和齒條助力式[6-10]。

圖1為轉向軸助力式轉向系統。其轉矩傳感器、電動(dòng)機、離合器和轉向助力機構組成一體，安裝在轉向柱上。其特點(diǎn)是結構緊湊，所測取的轉矩信號與控制直流電動(dòng)機助力的響應性較好。這種類(lèi)型一般在轎車(chē)上使用。

小齒輪助力式轉向系統的轉矩傳感器、電動(dòng)機、離合器和轉向助力機構仍為一體，只是整體安裝在轉向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可獲得較大的轉向力。該形式可使各部件布置更方便，但當轉向盤(pán)與轉向器之間裝有萬(wàn)向傳動(dòng)裝置時(shí)，轉矩信號的取得與助力車(chē)輪部分不在同一直線(xiàn)上，其助力控制特性難以保證準確。

齒條助力式轉向系統的轉矩傳感器單獨地安裝在小齒輪處，電動(dòng)機與轉向助力機構一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類(lèi)型又根據減速傳動(dòng)機構的不同可分為兩種:一種是電動(dòng)機做成中空的。齒條從中穿過(guò)，電動(dòng)機的動(dòng)力經(jīng)一對斜齒輪和螺桿螺母傳動(dòng)副以及與螺母制成一體的鉸接塊傳給齒條。這種結構是第一代電動(dòng)助力轉向系統，由于電動(dòng)機位于齒條殼體內，結構復雜，價(jià)格高，維修也困難。另一種是電動(dòng)機與齒條的殼體相互獨立。電動(dòng)機動(dòng)力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本低，已取代了第一代產(chǎn)品。因為齒條由一個(gè)獨立的齒輪驅動(dòng)，可給系統較大的助力，主要用于重型汽車(chē)。

三、電子轉向系統

電子轉向系統（Steering-By-WireSystem，SBWS）由轉向盤(pán)模塊、轉向執行模塊和主控制器（ECU）3個(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統、電源等輔助模塊組成，如圖2所示。轉向盤(pán)模塊包括轉向盤(pán)、轉向盤(pán)轉角傳感器、轉矩傳感器和轉向盤(pán)回正力矩電動(dòng)機。其主要功能是將駕駛員的轉向意圖（通過(guò)測量轉向盤(pán)轉角）轉換成數字信號并傳遞給主控制器;同時(shí)接收主控制器送來(lái)的力矩信號，產(chǎn)生轉向盤(pán)回正力矩，以提供給駕駛員相應的路感信息。

轉向執行模塊由前輪轉角傳感器、轉向執行電動(dòng)機、轉向電動(dòng)機控制器和前輪轉向組件等組成。其主要功能是接收主控制器的命令，控制轉向電動(dòng)機實(shí)現要求的前輪轉角，完成駕駛員的轉向意圖。

主控制器對采集的信號進(jìn)行分析處理，判別汽車(chē)的運動(dòng)狀態(tài)，向轉向盤(pán)回正力矩電動(dòng)機和轉向電動(dòng)機發(fā)送命令，控制兩個(gè)電動(dòng)機的工作，盡可能保證在不同車(chē)速下汽車(chē)轉向響應特性基本一致，減少駕駛員對汽車(chē)轉向特性隨車(chē)速變化而進(jìn)行補償的任務(wù)，減輕駕駛員負擔。同時(shí)控制器還可以對駕駛員的操作指令進(jìn)行識別，判定在當前狀態(tài)下駕駛員的轉向操作是否合理，當汽車(chē)處于非穩定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時(shí)，電子轉向系統將自動(dòng)進(jìn)行穩定控制或將駕駛員錯誤的轉向操作屏蔽，而以合理的方式自動(dòng)駕駛車(chē)輛，使汽車(chē)盡快地恢復到穩定狀態(tài)。

故障處理控制器是電子轉向系統的重要模塊，它包括一系列的監控和實(shí)施算法，針對不同的故障形式和故障等級作出相應的處理，以求最大限度地保持汽車(chē)的正常行駛。它采用單獨的專(zhuān)用處理器，能更好地提高汽車(chē)安全性能。

電子轉向系統目前存在兩種形式:前輪電子轉向系統和后輪電子轉向系統。前者，傳統的轉向元件被2個(gè)布置在汽車(chē)前側角落的激勵器所代替，這2個(gè)激勵器從控制器獲取信息，從而驅動(dòng)前輪，同時(shí)，該系統還利用電動(dòng)機向駕駛員提供路面信息。至于后輪電子轉向系統，則是利用傳感器來(lái)確定后輪的偏轉，并以前輪的偏轉角度和車(chē)速作為參考。

四、電子控制動(dòng)力轉向系統的特點(diǎn)

將電子控制動(dòng)力轉向系統同普通液壓動(dòng)力轉向系統的性能進(jìn)行比較[8-12]，其優(yōu)越性主要表現在以下幾個(gè)方面。

1．在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起的對轉向系統的擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉向特性，減輕汽車(chē)低速行駛時(shí)的轉向操縱力，提高汽車(chē)高速行駛時(shí)的轉向穩定性，進(jìn)而提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性。并且可通過(guò)設置不同的轉向助力特性來(lái)滿(mǎn)足不同使用對象的需要。

2．電子控制動(dòng)力轉向系統只有在轉向時(shí)電動(dòng)機才提供助力（而HPS即使在不轉向時(shí)，油泵也一直運轉），因而能減少燃料消耗。同時(shí)取消了油泵、皮帶、皮帶輪、液壓軟管等，其零件比HPS大大減少，因而其質(zhì)量輕，結構緊湊，在安裝位置選擇方面也更容易，并且能降低噪聲、節省能源、減少廢氣排放。

3．由于直接由電動(dòng)機提供助力，電動(dòng)機由蓄電池供電，因此EPS能否助力與發(fā)動(dòng)機是否起動(dòng)無(wú)關(guān)，即使在發(fā)動(dòng)機熄火或出現故障時(shí)也能提供助力。

4．電子控制動(dòng)力轉向系統沒(méi)有液壓回路，比HPS更容易調整和檢測，裝配自動(dòng)化程度更高。并且可以通過(guò)設置不同的程序能快速地與不同車(chē)型相匹配，因而能縮短開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)周期。

5．液壓動(dòng)力轉向系統在低溫下起動(dòng)發(fā)動(dòng)機后，由于低溫下油的粘度較大，轉向時(shí)作用力較高。電動(dòng)助力轉向系統在低溫下不會(huì )增加轉向作用力和發(fā)動(dòng)機負荷，因而其低溫運行狀況好于前者。

6．SBWS系統還能改善駕駛員的“路感”。由于轉向盤(pán)和轉向輪之間無(wú)機械連接，駕駛員“路感”通過(guò)模擬生成。在回正力矩控制方面可以從信號中提出最能夠反映汽車(chē)實(shí)際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為轉向盤(pán)回正力矩的控制變量，使轉向盤(pán)僅僅向駕駛員提供有用信息，從而為駕駛員提供更為真實(shí)的“路感”。

7．SBWS能消除轉向干涉問(wèn)題，為實(shí)現多功能全方位的自動(dòng)控制以及汽車(chē)動(dòng)態(tài)控制系統和汽車(chē)平順性控制系統的集成提供了顯著(zhù)的先決條件。

8．對前輪驅動(dòng)汽車(chē)，在安裝發(fā)動(dòng)機時(shí)需要考慮剛性轉向軸占用空間，轉向軸必須依據汽車(chē)是左側還是右側駕駛，安裝在發(fā)動(dòng)機附近，設計人員必須協(xié)調處理各種需要安排部件。而SBWS去掉了原來(lái)轉向系統各個(gè)模塊之間的剛性機械連接，大大方便了系統的總布置。

五、電子控制動(dòng)力轉向系統的發(fā)展趨勢

電動(dòng)助力轉向系統經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，在降低自重、減少生產(chǎn)成本，控制系統發(fā)熱、電流消耗、內部摩擦，整車(chē)進(jìn)行匹配獲得合理的助力特性以及保證良好的路感方面取得了重大進(jìn)步。電動(dòng)助力轉向系統在操縱舒適性和安全性、節能等方面充分顯示了其優(yōu)越性，如今已在輕型車(chē)和轎車(chē)上得到應用并具有良好的工作性能。隨著(zhù)直流電機性能的改進(jìn)，其應用范圍將越來(lái)越廣。據TRW公司預測，到2010年，全世界生產(chǎn)的每3輛轎車(chē)中就有1輛裝備EPS，特別是低排放汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)將構成未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主體，這給電子控制轉向系統帶來(lái)了更加廣闊的應用前景。

盡管目前在歐洲汽車(chē)法規中要求駕駛員與轉向車(chē)輪之間必須有機械連接，電子轉向系統還不允許在歐洲上市。但只要生產(chǎn)商能夠有足夠的證據表明電子轉向系統的安全可靠性，它得到上市許可還是完全可能的。電子控制轉向系統的最終發(fā)展趨勢在以下幾個(gè)方面。

1．改善控制系統性能、減小控制單元和驅動(dòng)單元的體積及降低控制系統的制造成本，使之更好地與不同檔次汽車(chē)相適應。如改進(jìn)電動(dòng)機控制技術(shù)，消除由于電動(dòng)機慣性大、摩擦力所帶來(lái)的轉向路感不足等缺點(diǎn)，使電動(dòng)助力轉向系統也能應用于重型載貨汽車(chē)上。

2．實(shí)現電動(dòng)助力轉向系統控制單元與汽車(chē)上其他控制單元的通訊聯(lián)系，以實(shí)現整車(chē)電子控制系統一體化。

3．將根據車(chē)速、轉矩、轉向角、轉向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號進(jìn)行與汽車(chē)特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉向路感。

4．提高系統的可靠性。這應從提高系統各部件的可靠性入手，如采用非接觸式轉矩傳感器。

5．提高系統的安全性。采用取消轉向盤(pán)的SBWS系統后，駕駛室有更大的空間用于布置被動(dòng)安全部件，減少了危險發(fā)生時(shí)對乘員的傷害。

電動(dòng)轉向技術(shù)由于其技術(shù)先進(jìn)，性能優(yōu)越，未來(lái)必將取代其他動(dòng)力轉向技術(shù)，成為動(dòng)力轉向技術(shù)的主流。線(xiàn)控動(dòng)力轉向系統將是動(dòng)力轉向系統的發(fā)展方向，是未來(lái)汽車(chē)對安全性、操縱穩定性和舒適性的更高要求，有著(zhù)很好的發(fā)展前景。

當然，在汽車(chē)邁向全面線(xiàn)控轉向之前，電動(dòng)轉向系統是“中站”，是第一步，當汽車(chē)裝有電動(dòng)轉向系統時(shí)，其中的轉向電動(dòng)機將接受一系列傳感器信號，例如轉向控制、動(dòng)態(tài)穩定控制等，最后機械的部分一個(gè)一個(gè)消失，逐漸變成了全面線(xiàn)控轉向。