汽車(chē)電動(dòng)助力轉向系統的技術(shù)分析

1 前言

汽車(chē)助力轉向依次經(jīng)歷了機械式轉向系統、液壓式轉向系統、電控液壓式轉向系統等階段，國際上已有一些大的汽車(chē)公司在探討開(kāi)發(fā)的下一代線(xiàn)控電動(dòng)轉向系統。在國外，各大汽車(chē)公司對汽車(chē)電動(dòng)助力轉向系統（Electric power steering-EPS,或稱(chēng)Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20多年的歷史。隨著(zhù)近年來(lái)電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低，EPS越來(lái)越受到人們的重視，并以其具有傳統動(dòng)力轉向系統不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，迅速邁向了應用領(lǐng)域，部分取代了傳統液壓動(dòng)力轉向系統（Hydraulic powersteering,簡(jiǎn)稱(chēng)HPS）。

2 EPS技術(shù)的國內外發(fā)展概況

自1953年美國通用汽車(chē)公司在別克轎車(chē)上使用液壓動(dòng)力轉向系統以來(lái)，HPS給汽車(chē)帶來(lái)了巨大的變化，幾十年來(lái)的技術(shù)革新使液壓動(dòng)力轉向技術(shù)發(fā)展異常迅速，出現了電控式液壓助力轉向系統( Electric Hydraulic Power Steering,簡(jiǎn)稱(chēng)EHPS）。1988年2月日本鈴木公司首先在其Cervo車(chē)上裝備EPSTM，隨后又應用在A(yíng)lto汽車(chē)上；1993年本田汽車(chē)公司在愛(ài)克NSX跑車(chē)上裝備EPS并取得了良好的市場(chǎng)效果；1999年奔馳和西門(mén)子公司開(kāi)始投巨資開(kāi)發(fā)EPS。上世紀九十年代初期，日本鈴木、本田、三菱、美國Delphi汽車(chē)公司、德國ZF等公司相繼推出了自己的EPS。TRW公司繼推出EHPS后也迅速推出了技術(shù)上比較成熟的帶傳動(dòng)EPS和轉向柱助力式EPSTM，并裝配在Ford Fiesta和Mazda 323F等車(chē)上，此后EPS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。在國外，EPS已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，并成為汽車(chē)零部件高新技術(shù)產(chǎn)品，而我國動(dòng)力轉向系統目前絕大部分采用機械轉向或液壓助力轉向，EPS的研究開(kāi)發(fā)處于起步階段。

3 EPS系統結構及其工作原理

3.1 EPS的結構及工作原理

電動(dòng)助力式轉向系統在不同車(chē)上的結構部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉矩（轉向）傳感器、電子控制單元ECU,電動(dòng)機、電磁離合器以及減速機構構成，其機構示意如圖1所示。

其基本工作原理是：當轉向軸轉動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器將檢測到的轉矩信號轉化為電信號送至電子控制單元ECU，ECU再根據扭矩信號、車(chē)速信號、軸重信號等進(jìn)行計算，得出助力電動(dòng)機的轉向和助力電流的大小，完成轉向助力控制，EPS系統控制框圖如圖2所示。

3.2 EPS的關(guān)鍵部件

3.2.1 扭矩傳感器

扭矩傳感器用來(lái)檢測轉向盤(pán)轉矩的大小和方向，以及轉向盤(pán)轉角的大小和方向，它是EPS的控制信、號之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要是電位計式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類(lèi)型，而非接觸式轉矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現絕對轉角和角速度的測量。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強、剛度相對較高，易實(shí)現絕對轉角和角速度的測量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類(lèi)型的選取根據EPS的性能要求綜合考慮。

3.2.2 電動(dòng)機

電動(dòng)機根據ECU的指令輸出適宜的轉矩，一般采用無(wú)刷永磁電動(dòng)機，無(wú)刷永磁電機具有無(wú)激磁損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。電機是EPS的關(guān)鍵部件之一，對EPS的性能有很大的影響。由于控制系統需要根據不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉矩，具有良好的動(dòng)態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機具有線(xiàn)性的機械特性和調速特性。此外還要求電機低轉速大扭矩、波動(dòng)小、轉動(dòng)慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗干擾能力強。

3.2.3 電磁離合器

電磁離合器是保證電動(dòng)助力只在預定的范圍內起作用。當車(chē)速、電流超過(guò)限定的最大值或轉向系統發(fā)生故障時(shí)，離合器便自動(dòng)切斷電動(dòng)機的電源，恢復手動(dòng)控制轉向。此外，在不助力的情況下，離合器還能消除電動(dòng)機的慣性對轉向的影響。為了減少與不加轉向助力時(shí)駕駛車(chē)輛感覺(jué)的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時(shí)還具有半離合器狀態(tài)區域。

3.2.4 減速機構

減速機構用來(lái)增大電動(dòng)機傳遞給轉向器的轉矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機構和蝸輪蝸桿減速機構。由于減速機構對系統工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉向操作的對稱(chēng)性方面對其提出了較高的要求。

4 EPS的電流控制

EPS的上層控制器用來(lái)確定電動(dòng)機的目標電流。根據EPAS的特點(diǎn)，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。

EPS的電流控制方式控制過(guò)程為：控制器根據轉向盤(pán)轉矩傳感器的輸出Th和車(chē)速傳感器的輸出V由助力特性確定電動(dòng)機的目標電流Imo，然后電流控制器控制電動(dòng)機的電流Im,使電動(dòng)機輸出目標助力矩。因此EPS的控制要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個(gè)控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來(lái)根據基本助力特性及其補償調節，進(jìn)行電動(dòng)機目標電流的決策，下層控制器通過(guò)控制電動(dòng)機電樞兩端的電壓，跟蹤目標電流。

4.1 助力控制

助力控制是在轉向過(guò)程（轉向角增大）中為減輕轉向盤(pán)的操縱力，通過(guò)減速機構把電機轉矩作用到機械轉向系（轉向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。

步驟如下：

(1)輸入由車(chē)速傳感器測得的車(chē)速信號；

(2)輸人由轉向盤(pán)轉矩傳感器測得的轉向盤(pán)力矩大小和方向；

(3)根據車(chē)速和轉向盤(pán)力矩，由助力特性得到電動(dòng)機目標電流；

(4)通過(guò)電動(dòng)機電流控制器控制電動(dòng)機輸出力矩。在這一基本控制過(guò)程中，助力特性曲線(xiàn)確定系統的控制目標，決定著(zhù)EPS系統的性能。EPS的助力特性曲線(xiàn)屬于車(chē)速感應型，在同一轉向盤(pán)力矩輸人下，電動(dòng)機的目標電流隨車(chē)速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。

4.2 回正控制

當汽車(chē)以一定速度行駛時(shí)，由于轉向輪主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內傾角的存在，使得轉向輪具有自動(dòng)回正的作用。隨著(zhù)車(chē)速的提高，回正轉矩增大，而輪胎與地面的側向附著(zhù)系數卻減小，二者綜合作用使得回正性能提高。駕駛員松開(kāi)轉向盤(pán)后，隨著(zhù)作用在轉向盤(pán)上的力的減小，轉向盤(pán)將在回正力矩的作用下回正。在轉向盤(pán)回正過(guò)程中，有兩種情況需要考慮：（1）回正力矩過(guò)大，引起轉向盤(pán)位置超調；（2）回正力矩過(guò)小，轉向盤(pán)不能回到中間位置。對前一種情況，可以利用電動(dòng)機的阻尼來(lái)防止出現超調。后一種情況需要對助力進(jìn)行補償，以增加回正能力。

根據轉向盤(pán)轉矩和轉動(dòng)的方向可以判斷轉向盤(pán)是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬热萦校旱退傩旭傓D向回正過(guò)程中，EPS系統H橋實(shí)行斷路控制，保持機械系統原有的回正特性；高速行駛轉向回正時(shí)，為防止回正超調，采用阻尼控制。

4.3 阻尼控制

阻尼控制是針對汽車(chē)高速直線(xiàn)行駛穩定性和快速轉向收斂性提出的。汽車(chē)高速直線(xiàn)行駛時(shí)，如果轉向過(guò)于靈敏、“輕便”，駕駛員就會(huì )有通常說(shuō)的 “飄”的感覺(jué)，這給駕駛帶來(lái)很大的危險。為提高高速行駛時(shí)駕駛的穩定性，提出在死區范圍內進(jìn)行阻尼控制，適當加重轉向盤(pán)的阻力，最終體現在高速行駛時(shí)手感的‘穩重”。汽車(chē)高速行駛時(shí)，由于路面偶然因素的干擾引起的側向加速度較大，傳到方向盤(pán)的力矩比低速行駛時(shí)要大，為了抑制這種橫擺振動(dòng)，必須采用阻尼控制；此外，轉向盤(pán)轉向后回到中間位置時(shí)，由于電動(dòng)機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統的慣性比機械式轉向系統的慣性大，轉向回正時(shí)不容易收斂，此時(shí)，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時(shí)，只需將電動(dòng)機輸出為制動(dòng)狀態(tài)，就可使電動(dòng)機產(chǎn)生阻尼效果。

5 EPS的特點(diǎn)

與傳統液壓動(dòng)力轉向(HPS)相比EPS具有以下特點(diǎn)：

（1）EPS能在各種行駛工況下提供最佳力，減小路面不平度所引起的對轉向系的擾動(dòng)，改善了汽車(chē)的轉向特性。

（2）EPS只在轉向時(shí)電動(dòng)機才提供助力，相比液壓動(dòng)力轉向系統可節約燃油3％~5％，因而燃油經(jīng)濟性有了很大的提高。

（3）EPS取消了油泵、皮帶、密封件、液壓軟管、液壓油及密封件等，其零件比傳統液壓動(dòng)力轉向系大大減少，因而質(zhì)量更輕，結構更緊湊，在安裝位置選擇方面也更為方便，并且可以降低噪聲。

（4）HPS的參數一經(jīng)確定，轉向系統的性能也隨之確定，很難改正，而EPS可以通過(guò)改變和設置不同的程序，改變轉向特性，裝配自動(dòng)化程度更高，能與不同的車(chē)型匹配，縮短生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了效率。

（5）由于EPS不存在滲漏問(wèn)題，因而減少了對環(huán)境的污染。

（6）HPS在低溫下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機之后，由于低溫下油的粘度較大，使轉向作用力較高，而EPS在低溫下不會(huì )增加轉向作用力和發(fā)動(dòng)機的負荷，因而其低溫運行狀況好于HPS。

6 EPS的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

EPS系統在操作輕便、節能等方面顯示了優(yōu)越性，性能己經(jīng)得到人們的普遍認可，但是仍有一些問(wèn)題需要解決：

（1)電動(dòng)機的性能及其與EPS系統的匹配是影響控制系統性能、轉向操縱力、轉向路感等問(wèn)題的主要因素，因此改善電動(dòng)機的性能及其與整個(gè)EPS系統的匹配是關(guān)鍵問(wèn)題；

（2）助力特性的好壞取決于轉向的輕便性和路感。但‘是目前國內對于路感問(wèn)題還沒(méi)有成熟的理論研究結果，研究手段還主要以試驗為主，因此需要確定合理的助力特性；

（3）EPS除了應有良好的硬件保證外，還需要良好的軟件控制做支撐，EPS的安裝一般在發(fā)動(dòng)機附近，不可避免地會(huì )有熱輻射與電磁干擾的影響，因此對EPS的控制策略提出了很高的要求。

EPS當前已經(jīng)較多應用在排量在1.3-1.6L的各類(lèi)輕型轎車(chē)上，其性能已經(jīng)得到廣泛的認可。隨著(zhù)直流電機性能的提高和42V電源在汽車(chē)組件上的應用，其應用范圍將進(jìn)一步擴寬，并逐漸向微型車(chē)、輕型車(chē)和中型車(chē)擴展。目前，在全世界汽車(chē)行業(yè)中，EPS系統每年正以9％-10％的增長(cháng)速度發(fā)展，年增長(cháng)量達130萬(wàn)-150萬(wàn)套。據TRW公司預測，到2010年全世界生產(chǎn)的轎車(chē)中每3輛就有1輛裝備EPS，到2010年，全球EPS產(chǎn)量將達到2500萬(wàn)套。因此，EPS將具有十分廣闊的發(fā)展和應用前景。