具有功能安全特點(diǎn)的EPS電控系統方案(上)

1 前言
     電動(dòng)助力轉向系統(Eelectric Power Steering 簡(jiǎn)稱(chēng)EPS)是 一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動(dòng)力轉向系統。它作為一 種新型助力轉向系統與已有幾十年發(fā)展歷史的傳統液壓轉向 技術(shù)相比，EPS具有諸多優(yōu)點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)軟件改變它的電動(dòng) 助力轉向特性，因此提高了硬件資源的利用率；而且在低速 行駛時(shí)轉向輕便，在高速行駛時(shí)轉向具有沉穩感；助力電機 只在轉向時(shí)工作，能夠節省汽車(chē)能源。電動(dòng)助力轉向技術(shù)將 最新電子技術(shù)和高性能電機控制技術(shù)應用于汽車(chē)轉向系統， 大大提高了汽車(chē)的經(jīng)濟性、動(dòng)力性和機動(dòng)性，適應了現代汽 車(chē)發(fā)展的要求；而且電動(dòng)助力轉向系統具有部件少、結構簡(jiǎn) 單、便于安裝和維護等特點(diǎn)；采用電動(dòng)助力轉向系統的汽 車(chē)，在轉向時(shí)由蓄電池向電機提供較大的驅動(dòng)電流，而在直 線(xiàn)行駛時(shí)蓄電池僅向電機提供很小的控制電流，而且控制系 統可根據路況和車(chē)況調整控制電機的助力或阻尼，降低了對

圖1  EPS系統  

圖2  C - EPS
發(fā)動(dòng)機的功率需求，并大大提高了駕駛轉向的舒適性和行駛
安全性。

2  EPS系統簡(jiǎn)介
電動(dòng)助力轉向系統由機械轉向系統、方向盤(pán)扭矩傳感 器、車(chē)速傳感器、電子控制單元(ECU)、電機和減速機構等 組成，如圖1所示。電動(dòng)助力轉向系統的工作原理是：ECU 根據扭矩傳感器、轉角傳感器的信號以及通訊總線(xiàn)發(fā)來(lái)的車(chē) 速等其他信息決定電機的轉動(dòng)方向和最佳助力扭矩，向電機 發(fā)出控制信號，通過(guò)功率驅動(dòng)電路控制電機的轉動(dòng)，電機的 輸出經(jīng)過(guò)減速機構減速增扭后，驅動(dòng)齒輪齒條機構，產(chǎn)生相 應的轉向助力。通過(guò)精確的控制算法，可改變電機的扭矩， 使傳動(dòng)機構獲得所需的助力值。
電 機 是 電 動(dòng) 助 力 轉 向 系 統 的 動(dòng) 力 源 ， 其 作 用 是 根 據 ECU的指令輸出適當的輔助扭矩。電機對EPS系統的性能有 很大的影響，所以EPS系統對電機有很高的要求，不僅要求 扭矩大、扭矩波動(dòng)小、轉動(dòng)慣量小、功率密度高，而且要 求可靠性高和壽命長(cháng)。由于永磁同步電機PMSM和直流無(wú) 刷 電 機 B L D C 既 具 有交流電動(dòng)機的結構簡(jiǎn) 單、運行可靠、維護 方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有 直流電動(dòng)機的運行效 率高、無(wú)勵磁損耗、 調速性能好等諸多優(yōu) 點(diǎn)，因此這兩種三相電機被廣泛運用于各

圖3  P - EPS

圖4   R - EPS  

圖6  EPS安全狀態(tài)（safe state）
種EPS系統。
根據電機安裝位置和機械結構的不同，電動(dòng)助力轉向 系統系統可以分為：管柱助力式(Column Mounted)、小齒輪 助力式(Pinion mounted)和齒條助力式(Rack mounted)。
如圖2所示，管柱助力式EPS 系統中將助力電機安裝在 管柱上，通過(guò)減速增扭機構與轉向軸相連，直接驅動(dòng)轉向軸 助力轉向。這樣的系統結構簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝，但由于助 力電機安裝在駕駛艙內，受到空間布置和噪聲的影響，電機的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車(chē)輛 上。

圖5  歐洲部分整車(chē)廠(chǎng)和一級部件供應商共識的功能安全目標
小齒輪助力式EPS 系統中將助力電機和減速增扭機構與 小齒輪相連，直接驅動(dòng)齒輪實(shí)現助力轉向。由于助力電機不 是安裝在乘客艙內，因此可以使用較大的電機以獲得較高的 助力扭矩，而不必擔心電機轉動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。詳見(jiàn) 圖3。
如圖4所示，齒條助力式EPS系統中將助力電機和減速增扭機構直接驅動(dòng)齒條提供助力，因此能 提供更大的助力，但整套系統結構復雜， 成本較高，所以適用于豪華車(chē)和商務(wù)車(chē)。
無(wú)論哪種EPS 系統，所實(shí)現的功能大致相同：

(1)助力控制 在汽車(chē)停車(chē)及低速行駛時(shí)提供較大助
力扭矩，使轉向過(guò)程快捷輕便，而在汽車(chē) 高速行駛時(shí)提供較小的助力扭矩以保持轉 向過(guò)程的可靠與沉穩。
(2)阻尼控制
利用電機扭矩來(lái)減弱汽車(chē)高速行駛時(shí) 出現的方向盤(pán)抖動(dòng)現象，目的是提高汽車(chē) 高速直線(xiàn)行駛穩定性。
(3)回正控制
駕駛員松開(kāi)方向盤(pán)后，隨著(zhù)作用在方 向盤(pán)上的力的減小，方向盤(pán)將在回正力矩 的作用下回正。需要防止兩種情況：回正 力矩過(guò)大，引起方向盤(pán)位置超調；回正力矩過(guò)小，方向盤(pán)不能回到中間位置。

(4)系統通信功能 通過(guò)CAN/LIN總線(xiàn)與其他汽車(chē)控制系統進(jìn)行通訊，實(shí)現更加復雜的功能。

(5)系統故障診斷功能 能實(shí)時(shí)監控整個(gè)系統，具有故障報警和提示功能，在
故障不能自動(dòng)排除時(shí)切斷EPS 使車(chē)輛進(jìn)入傳統的機械轉向模式。(未完待續)