汽车电动助力转向系统的技术分析

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1 前言

        汽车助力转向依次经历了机械式转向系统、液压式转向系统、电控液压式转向系统等阶段，国际上已有一些大的汽车公司在探讨开发的下一代线控电动转向系统。在国外，各大汽车公司对汽车电动助力转向系统（Electric power steering-EPS,或称Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20多年的历史。随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域，部分取代了传统液压动力转向系统（Hydraulic powersteering,简称HPS）。

2 EPS技术的国内外发展概况

        自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，HPS给汽车带来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统( Electric Hydraulic Power Steering,简称EHPS）。1988年2月日本铃木公司首先在其Cervo车上装备EPSTM，随后又应用在Alto汽车上；1993年本田汽车公司在爱克NSX跑车上装备EPS并取得了良好的市场效果；1999年奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS。上世纪九十年代初期，日本铃木、本田、三菱、美国Delphi汽车公司、德国ZF等公司相继推出了自己的EPS。TRW公司继推出EHPS后也迅速推出了技术上比较成熟的带传动EPS和转向柱助力式EPSTM，并装配在Ford Fiesta和Mazda 323F等车上，此后EPS技术得到了飞速的发展。在国外，EPS已进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品，而我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，EPS的研究开发处于起步阶段。

3 EPS系统结构及其工作原理

        3.1 EPS的结构及工作原理

        电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但是基本原理是一致的。它一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元ECU,电动机、电磁离合器以及减速机构构成，其机构示意如图1所示。
         其基本工作原理是：当转向轴转动时，扭矩传感器将检测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元ECU，ECU再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算，得出助力电动机的转向和助力电流的大小，完成转向助力控制，EPS系统控制框图如图2所示。
         3.2 EPS的关键部件

        3.2.1 扭矩传感器
        
        扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向，以及转向盘转角的大小和方向，它是EPS的控制信、号之一。精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS能否占领市场的关键因素。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式（主要是电位计式）传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式两种。前者的成本低，但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低，需要对制造精度和扭杆刚度进行折中，难以实现绝对转角和角速度的测量。后者的体积小，精度高，抗干扰能力强、刚度相对较高，易实现绝对转角和角速度的测量，但是成本较高。因此扭矩传感器类型的选取根据EPS的性能要求综合考虑。

        3.2.2 电动机

        电动机根据ECU的指令输出适宜的转矩，一般采用无刷永磁电动机，无刷永磁电机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等特点。电机是EPS的关键部件之一，对EPS的性能有很大的影响。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩，具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。此外还要求电机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。

        3.2.3 电磁离合器

        电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。此外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器状态区域。

        3.2.4 减速机构

        减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影响较大，因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。

4 EPS的电流控制

        EPS的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPAS的特点，上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。

        EPS的电流控制方式控制过程为：控制器根据转向盘转矩传感器的输出Th和车速传感器的输出V由助力特性确定电动机的目标电流Imo，然后电流控制器控制电动机的电流Im,使电动机输出目标助力矩。因此EPS的控制要解决两个问题：（1）确定助力特性；（2）跟踪该助力特性。整个控制器可分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节，进行电动机目标电流的决策，下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压，跟踪目标电流。
         4.1 助力控制

        助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。

        步骤如下：

        (1)输入由车速传感器测得的车速信号；

        (2)输人由转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向；

        (3)根据车速和转向盘力矩，由助力特性得到电动机目标电流；

        (4)通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。在这一基本控制过程中，助力特性曲线确定系统的控制目标，决定着EPS系统的性能。EPS的助力特性曲线属于车速感应型，在同一转向盘力矩输人下，电动机的目标电流随车速的增加而降低，能较好地兼顾轻便性与路感的要求。
         4.2 回正控制

        当汽车以一定速度行驶时，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。驾驶员松开转向盘后，随着作用在转向盘上的力的减小，转向盘将在回正力矩的作用下回正。在转向盘回正过程中，有两种情况需要考虑：（1）回正力矩过大，引起转向盘位置超调；（2）回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置。对前一种情况，可以利用电动机的阻尼来防止出现超调。后一种情况需要对助力进行补偿，以增加回正能力。

        根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的内容有：低速行驶转向回正过程中，EPS系统H桥实行断路控制，保持机械系统原有的回正特性；高速行驶转向回正时，为防止回正超调，采用阻尼控制。

        4.3 阻尼控制

        阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性提出的。汽车高速直线行驶时，如果转向过于灵敏、“轻便”，驾驶员就会有通常说的 “飘”的感觉，这给驾驶带来很大的危险。为提高高速行驶时驾驶的稳定性，提出在死区范围内进行阻尼控制，适当加重转向盘的阻力，最终体现在高速行驶时手感的‘稳重”。汽车高速行驶时，由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，必须采用阻尼控制；此外，转向盘转向后回到中间位置时，由于电动机的惯性存在，在不加其他控制情况下，助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大，转向回正时不容易收敛，此时，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时，只需将电动机输出为制动状态，就可使电动机产生阻尼效果。

5 EPS的特点

        与传统液压动力转向(HPS)相比EPS具有以下特点：

        （1）EPS能在各种行驶工况下提供最佳力，减小路面不平度所引起的对转向系的扰动，改善了汽车的转向特性。

        （2）EPS只在转向时电动机才提供助力，相比液压动力转向系统可节约燃油3％~5％，因而燃油经济性有了很大的提高。

        （3）EPS取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等，其零件比传统液压动力转向系大大减少，因而质量更轻，结构更紧凑，在安装位置选择方面也更为方便，并且可以降低噪声。

        （4）HPS的参数一经确定，转向系统的性能也随之确定，很难改正，而EPS可以通过改变和设置不同的程序，改变转向特性，装配自动化程度更高，能与不同的车型匹配，缩短生产和开发时间，提高了效率。

        （5）由于EPS不存在渗漏问题，因而减少了对环境的污染。

        （6）HPS在低温下启动发动机之后，由于低温下油的粘度较大，使转向作用力较高，而EPS在低温下不会增加转向作用力和发动机的负荷，因而其低温运行状况好于HPS。

6 EPS的关键技术及发展趋势

        EPS系统在操作轻便、节能等方面显示了优越性，性能己经得到人们的普遍认可，但是仍有一些问题需要解决：

        （1)电动机的性能及其与EPS系统的匹配是影响控制系统性能、转向操纵力、转向路感等问题的主要因素，因此改善电动机的性能及其与整个EPS系统的匹配是关键问题；

        （2）助力特性的好坏取决于转向的轻便性和路感。但‘是目前国内对于路感问题还没有成熟的理论研究结果，研究手段还主要以试验为主，因此需要确定合理的助力特性；

        （3）EPS除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件控制做支撑，EPS的安装一般在发动机附近，不可避免地会有热辐射与电磁干扰的影响，因此对EPS的控制策略提出了很高的要求。

        EPS当前已经较多应用在排量在1.3-1.6L的各类轻型轿车上，其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组件上的应用，其应用范围将进一步扩宽，并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。目前，在全世界汽车行业中，EPS系统每年正以9％-10％的增长速度发展，年增长量达130万-150万套。据TRW公司预测，到2010年全世界生产的轿车中每3辆就有1辆装备EPS，到2010年，全球EPS产量将达到2500万套。因此，EPS将具有十分广阔的发展和应用前景。