电动助力转向系统及其关键技术.pdf

2 0 1 2年 4月 第 4 0卷 第7期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S Ap r 2 01 2 Vo 1 4 0 No 7 DO I 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 0 7 0 5 3 电动助力转向系统及其关键技术 周廷明 刘志辉 李梦奇 陈志刚 唐宁 1 株洲易力达机 电有限公司 E P S研究院 湖 南株洲 4 1 2 0 0 2 2 邵 阳学院机械与能源工程 系 湖南邵阳 4 2 2 0 0 0 摘要 电动助力转向 E P S 系统具有结构简单 节能环保等独特优势得以迅速发展 介绍了 E P S的工作原理及分类 分析了E P S系统的助力电机 减速机构 传感器 E C U等关键部件及助力特性 控制理论等关键技术 关键词 电动助力转向 关键部件 助力特性 控制技术 中图分类号 U 4 6 3 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 7 1 7 6 4 Ele ct r o nic Po we r S t e e r ing Sy s t e m a nd I t s Ke y Te ch no lo g ie s Z HOU Ti ng mi ng LI U Zh ih ui LI Me n g q i CHEN Zhi g a ng TANG Nin g 1 E P S Re s e a r ch I n s t i t u t e Z h u z h o u El it e El e ct r o Me ch a n ica l C o L t d Z h u z h o u Hu n a n 41 2 0 0 2 C h in a 2 D e p a r t me n t o f Me ch a n ica l a n d E n e r g y E n g i n e e r in g S h a o y a n g U n i v e r s it y S h a o y a n g H u n a n 4 2 2 0 0 0 C h in a A b s t r a ct Wi t h t h e u n i q u e a d v a n t a g e s s u ch a s s im p le s t r u ct u r e e n e r g y s a v in g a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e ct i o n t h e E P S E le c t r o n i c P o w e r S t e e r i n g S y s t e m h a s b e e n d e v e l o p e d f a s t F i r s t ly t h e wo r k in g p ri n ci p l e a n d s o r t in g o f EP S w e r e t o ld An d t h e n t h e k e y co mp o n e n t s in clu d in g t h e a s s is t e d mo t o r s p e e d r e d u cin g me ch a n is m s e n s o r s a n d E C U we r e a n a ly z e d a s w e ll a s t o t h e k e y t e ch no lo g ie s as t he a s s is t ch a r a ct e ri s t ic a n d t h e co nt r o l t he o r y Ke ywo r ds EPS Ke y co mpo ne n t s As s is t ch a r a ct e r is t ic Co n t r o l t e chn o lo g y 汽车转 向是通过驾驶者转 动转 向盘 经 过转 向系 统 提供 的操纵力 以改变车轮角度来 实现 助力转向是 一 种为 了减轻驾驶员 的操纵力而设有助力机构 的转 向 装置 为方便驾驶员易 于操纵转 向系 动力转 向已经 作 为汽 车的标准装备 助力 转 向最 初 为 机 械 式 然 后 发 展 为 液 压 式 H P S 随着现代控制技术和电子技术的发展 电动 式 动力转 向系统 E P S 作为一种新 的助 力转 向系统 迅 速发展 相对 于 H P S E P S有很 多优势 1 在 各种行驶工况下提供最佳的助力 2 只在转向时 才提供助 力 不像 H P S不转 向 时液压 系统 的油 泵也 运转 节省燃油 损耗 3 结 构 紧凑 便 于安 装 和 装配 4 取消了液压回路 减少了对环境的污染 5 具有 自我诊 断功能 便于维修和保养 另外 E P S系统性 能能够在不改变系统结构的情况下 可 以 通过改变系统的控制策略 编程来实现 满足不同车 型和不同驾驶感觉的需要 近些年 国内外汽车企业 和高校对 E P S做了大量研究工作 取得了一系列成 果 1 E P S工作原理及分类 1 1 E P S工作原理 E P S 结构框图如图 1 所示 其工作原理是 扭矩 传感器与转向轴 小齿轮轴 连接一起 其不断检测 作用于转向柱扭杆上的扭矩 当转向轴转动时 传感 器把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位 移变成电信号传给控制装置 控制装置按照已设定的 控制程序和控制策略对扭矩传感器以及车速传感器产 生的信号进行运算处理 以此确定电机的旋转方向和 助力 电流 的大小 电机经减速机构将助力转矩传递 给 转向系统 从而完成实时控制助力转向 l一 方 向盘 2 一 转 向柱 3 一 转 向 角传 感器 4 一万 向节传 动轴 5 一转 向力矩 传感 器 6 一转 向助力 控 制单 元 7 助 力 电机 8 一转 向齿轮 图 1 电动助力转 向系统 1 2 E P S类型 依据电动机布置位置不同 E P S系统主要可分为 转向柱式助力 C E P S 小齿轮式助力 P E P S 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 0 9 作者简介 周廷明 1 9 6 9 一 男 工学学士 高级工程师 研究方 向为汽车转向和汽车电子技术 E m a i l t in g m in g z h o u 1 6 3 co n 第 7期 周廷明 等 电动助力转向系统及其关键技术 1 7 7 齿轮齿条式助力 R E P S 等三大基本类型 如图 2 转角传感器 转矩传感器 车速传感器和电控单元 所示 E C U 等 a C EPS b P EPS c R EP S 图2 不同助力转向系统结构图 C E P S的助力单元 控制器和传感器都集 中于转 向柱处 系统比较紧凑 易于在车辆上的安装 更容 易替代原有的液压助力转向系统 一般系统布置在驾 驶室内 其工作环境很好 电气元件一般不需要防水 和隔热措施 但有限的空间可能会影响碰撞能量的吸 收 要求有满足碰撞法规要求的结构 P E P S的助力单元 固定 在转 向齿 轮的小齿轮 轴上 端 其电动机和减速机构相连 直接驱动小齿轮进行 助力 P E P S 安装在发动机仓底部 靠近排气管 其 材料和结构必须耐热和防水 此系统的 E C U可以分 别安装在车厢和发动机仓内 目前多数安装在车厢 内 但会消耗较长的线束同时会影响收音机效果 如 果安装在发动机仓内 要求有辅助的隔热装置 R E P S的减速机构连同电机 传感器一起安装在 转向器与转向小齿轮位置相对布置的另一侧 另有一 套小齿轮 直接驱动齿条进行助力 根据电机与转向 齿条的位置关系可 以分为平行布置式 交叉布置式 同轴布置式 当电动机与转向齿条平行布置时 电机 通过皮带减速器和滚珠丝杆两级减速来驱动齿条进行 助力 当电动机与转向齿条交叉布置时 电机通过锥 齿轮和滚珠丝杆两级减速来驱动齿条进行助力 当电 动机与转向齿条同轴时 电机通过滚珠丝杆与齿条相 连 直接驱动齿条进行助力 3种 不 同电动动力 转 向系统 的比较 如表 1所 示 表 1 3种不同电动动力转向系统比较 2 E P S系统关键部件 E P S系统关键部件主要有助力 电机 减速机构 2 1减速机 构 E P S系统减速机构的主要作用是增大电机的助力 转矩 江苏大学何仁等人 指出 在开发 E P S系统 时 要合理设计减速机构 必须保证其与助力电机匹 配 否则无法满足转向要求 华中科技大学刘照等 对转向柱式助力系统减速机构进行了专门研究 指出 世界各大汽车公司开发的转向柱式助力系统的减速机 构基本为蜗轮蜗杆传动机构和差动轮系助位移传动机 构 常见的减速机构如图3 所示 黟辱 霉 s a 蜗轮 蜗杆 b 圆柱 齿轮差 动 c 圆锥齿轮 差动 l一方向盘2 一转角传感器3 一蜗轮蜗杆机构4 一离合器 5 一 齿轮齿 条机 构6 一差动 行星 轮机 构7 一 锥 齿轮差 动轮 系机构 图 3 E P S 减速机构 文献 6 从运动学分析和动力学分析两方面分 别对两传动机构进行了对比分析 研究表明 蜗轮蜗 杆机构下的 E P S系统的转 向灵敏性不可调 而差动 轮系下的转向灵敏性可调 蜗轮蜗杆机构方案的转向 手感不平滑 而差动轮系方案是运动的合成 转向手 力十分平稳 且能实现对手转向运动的精确跟踪 但 差 动轮系效率略低 2 2助 力 电机 华南理工大学范心明等 专门研究了 E P S系统 助力电机 提出电机必须保证工作 电压低 额定功 率和额定电流足够大 调 速范围广 控制特性好 低速运 行 平 稳 力 矩 波 动 小 转 速 不 能 太 大 约 1 0 0 0 r m in 体积应尽可能小 在堵转时也应能够 提供助力作用 目前常采用 的助力 电机有直流 电机 无刷直流伺 服电动机 力矩电动机 开关磁阻 S R 电动机等 直流 电机是 当前 E P S系 统常 用 的助力 电机 类 型 之一 主要有两方 面原 因 一是起动性能和调速性能 很好 另一方面汽车电源 蓄电池 发电机 为直 流供电 能直接驱动直流电机 无刷直流伺服电动机 其能将电压信号转变为转 轴的角速度和角位移输出 伺服电机和驱动电机相结合 的一种 叫力矩 电动 机 它可以不经减速机构直接驱动负载 其具有较高 的速度和位置控制精度 运行可靠 维护简便 振动 小 结构紧凑 1 7 8 机床与液压 第 4 O卷 另外 开关磁 阻 S R 电动机 也 常被选 为 助力 电机 一个完整 的 S R电机 驱动 系统应 由电源 驱动 电路 控制器 和 S R电机组成 2 3转角 转矩传感器 转 角传感 器用于实时检测转 向盘的转动方 向以及 转向盘的位置 转矩传感器用于实时检测转向盘转矩 的大小 并将信号输送到 E P S系统的电控单元 国内外常见的扭矩 传感器 有 1 上海新 跃公 司生产的 N S K扭矩传感器 是电位计式传感器 主 要用于 昌河北斗星 E P S系统 2 美 国 B I 公 司针 对 D e lp h i的 E P S系统开发的扭矩 位置复合传感器 此 传感器也是一个电位计式传感器 可以同时提供扭矩 信号和方向盘的位置信号 3 株洲时代公司开发 的将磁电式扭矩传感器和 A MR角度传感器简单集成 传感 器 能同时产生扭矩和角度信号 4 英 国 L U C A S 公 司和清华大学研究小组各 自研制 的光 电式扭矩 传感器 5 B O S C H与 B O U R N S 公司联合开发的磁 阻式扭矩传感器 2 4车速传感器 车速传感器是用来测量汽车的行驶速度 在汽车 上应用最多的是磁电式传感器 光电式传感器以及霍 尔式传感器 为消除电子设备产生的电磁及射频干 扰 防止造成驾驶性能 变差 通 常安装在驱 动桥壳 或 变 速器壳 内屏蔽的外套 内 2 5 ECU E C U在工作时 微 处理 器 C P U按 照 已设 定 的控 制程序和控制策略根据转矩和车速等信号计算出最优 化的助力转矩 然后将其输入到电流控制电路 电流 控制电路把这些信号同电动机的实际电流值进行比 较 产生的差值信号被送到驱动电路 此电路可以驱 动动力装置并向电机提供控制电流 C P U同时还会 给电机驱动 电路一个决定 电机转向的信号 另外 E C U还有安全保护和 自我诊断功能 3 E P S关键技术 电动助力转向与转向轻便性 路感以及舒适性和 安全性密切相关 该系统 的关键技术包括 以下两个方 面 3 1 助 力特性 助力特性是指助力随汽车运动状况 车速 和转 向盘手力 变 化 而变 化 的规 律 对 液 压 动 力 转 向 助力与液压油压力成正比 故一般用液压油压力与转 向盘力矩 及车速 的变 化关 系曲线 来 表示 助力 特 性 对 电动 助力 转 向 助力 与 直流 电动机 电流成 比 例 故可采用电动机电流与转向盘力矩 车速的变化 关系曲线来表示助力特性 助力特性曲线决定了 E C U按照什么样 的目标去 控制助力 电流 的大小 满足不 同行驶工况下对助力扭 矩 的要求 目前 国内外 已经对 助力特性进行 了诸 多研 究 比较典 型的助力特 性曲线 主要有 直线型 折线型 和曲线型3种类型 如图4所示 但是何种曲线比较 理想还没有 明确 的结论 每种类 型曲线都可分 为 3个 助力 区 分别 为 无助 力 区 助 力 变 化 区 最 大 助力 区 当转向盘输入扭矩在无助力 区时电机不提供助 力 在助力变化区时 电机依据特性曲线提供实时助 力 在最 大助力区时 一定车速下电机助力 电流达到 最大值 并保持不变 J ax 一 0 z 如 N Ill j I 4x 一 IF d O T d l 确 卅 a 直 线 型 b 折 线型 I max 0死 1J c 曲线 型 图4助力特性形式 助力 特性 曲线之所 以设计 成图 4形状 是 因为须 保证 系统 在工作 时满足如下要求 系统在转 向阻力较 小 1 N m 时停止助力 即在无助力区电机的输出 电流应为零 以便节能并防止转向过度灵敏 转向时 作 用在 方 向盘上 的最大操 纵力 不应超 过 5 0 N 即 当 方 向盘输入扭矩 达到规 定的最大操纵力时 电机输 出 助力电流应该达到最大值 且保持不变 随着车速增 大 为保证合适路感 应减少助力 文献 9 指 出直线 型助力效 果最好 但路感 不 理想 曲线型较好兼顾了转向轻便性和路感要求 但 曲线方程不容易确定 折线型由2 3段不同斜率的 直线组成 性能介于曲线和直线型中间 但转折点如 果定位不当 容易引起助力特性突变 文献 1 0 结合 3种常见助力特性 的优点 根 据 E P S在不 同助力 区段 助力转矩 与输入转 矩 的关 系 以管柱式 E P S为例 设计了一种由直线和 曲线构成 的组合式新型助力特性 其 曲线和直线连接处采用 相切 设计以保证连接平滑 避免了助力特性 突 变 曲线段的确定也相对容易 便于实际应用 通 第 7期 周廷明 等 电动助力转向系统及其关键技术 1 7 9 过对某微型轿 车管柱 式 E P S的仿 真 分 析 了 这种 组 合型助力特性的基本性能 为提高 E P S助力控制效 果提供 了新 的技术方法 文献 1 1 指出助力特性 曲线 的设计方法 提 出目前常用的机理分析法和基于实验数据的曲线拟合 法 其 中机理分析法是先对方 向盘 输入扭 矩 车辆行 驶速度 前轮气压等与电机助力电流建立一个数学模 型 确定一组输人参数 就可得出助力电流大小 通 过描点可得出图形 该方法要想精确建模很困难 不 是很实用 基于实验数据的曲线拟合法设计曲线时 将 电机 助力电流看成是 以车速 为 自变量 的助力系数 函 数和助力电流随方向盘输入扭矩函数的简单乘积 对 于特定车型的助力特性曲线的建立 先做典型工况试 验 分别得出不同车速下的助力系数数据和零车速下 助力扭矩和方 向盘输入扭 矩数据 然后分 别运用 Ma t la b对这两 组数 据 进 行 拟合 最后 在 M a t la b环境 中做这两条 曲线的乘积就可得到图示 的助力特性 曲 线 3 2 EP S控 制 理论 3 2 1 E P S控制要求 汽车在行驶过 程 中主要有 3种典 型工况 一种是 转向工况 一种是转向结束后 方向盘还没有回到中 间位置的工况 还有一种是直线行驶的工况 汽车在 转向时要求保证操纵稳定性 舒适性以及转 向轻便 性 这样 E P S系统必须满足一些控制要求 1 转向轻便性和良好路感 路感是指汽车的 运动状态 和驾驶员手上的力有一种对应关 系 E P S系 统要求保证良好路感前提下尽可能提高转向轻便性 2 回正准确性 回正是指方 向盘转 向后能 自 动回到中间位置 而且须防止回正超调 3 良好 跟 随性 能 要求 系 统具 有 良好 的反 应 灵敏度 4 转向力矩平顺性 要求方 向盘反力 比较平 滑 没有力矩 波动和跳跃 现象 5 鲁棒 稳定 性 系统要 求具 有 较强 的抗 干扰 性 保证转向系统的稳定性 6 操纵稳定性 要求保证 系统在转 向或回正 过程 中的操纵稳定 性 3 2 2 E P S 控制 技术 E P S系统控制算法是 系统控 制性 能 的关键 文献 1 3 对控制策略做了专门研究 指出 E P S控制关键 是如何确定 电动 机 目标 电流和 如何 跟 踪 电机 驱动 电 流 并根据 目标电流对其进行实时调整控制 根据控制内容的不 同 控制算法可分为助力控 制 回正控制和阻尼控制 助力控制是协助驾驶员转 向 减轻转向力 回正控制是协助转向盘在转向后自 动回正或在驾驶员操作下轻便的回正 阻尼控制是指 在汽车在高速行驶时适 当增加转向阻力 实现高速 行驶时的稳重手感 通常在低速时以助力和 回正控 制为主 高速行驶时以阻尼控制为主 虽控制方式 不 同 但所有的控制策略都以软件 的形式存在 E C U 的存储器里面 E P S的控制策略包括电机 目标 电流 计算控制 电机实际流过电流反馈控制 回正阻尼 控制等 助力电机的控制研究一直是研究 的热点 1 9 9 0 年 电枢 电压控 制方 法在 本 田 N S K车上 得到 首次应 用 该方法是将各信号经处理后输入到 E C U 通过 查力矩表 和转 速表得 到 助力 电机 参考 电压 1 9 9 1 年本 田公 司的 S h im is u等在 7年研究基 础上 首次提 出 E P S控制系统的助力控制 回正控制 阻尼控制等概 念并成功完成了硬件实现 1 9 9 4年 N a k a y m a 等介绍 D a i h a t s u Mir a S u z u k i A lt o 等微型车所装配的 E P S系 统 指 出在实现基 本 转 向助力 功能 的 基础上 要 进 一 步提高 E P S系统的性能 E P S系统应具有更多的 控制功能 1 9 9 9年 O u y a n g 等将神经网络参考模型 自适应 控 制 方 法 应 用 于 电 动 助 力 转 向控 制 系 统 研 究 设计了包含 P I D控制算法和神经网络动态补偿 的控制 器 2 0 0 0年 K o h n等 应用 控 制 理 论 对 齿 条 助力式 E P S系统进行了研究 以提高 E P S系统的鲁 棒性能 为控制 目标 成 功设 计 了 H 控制 器 2 0 0 5 年 M j e d a 和 J a ck m a n提出 E P S系统的模糊控制方 法 根据制定的模糊控制规则 由车辆 的质量 车 速 侧向加速度 电池电压和胎压信号来动态地产 生时变 助力 4结论 E P S 具有一些独特优势 有最终取代 H P S的趋 势 E P S系统根据 电机位 置布置 不同 可分为转 向柱 式 小齿轮式和齿轮齿条式三大类型 E P S系统 的关 键部件主要有转角传感器 转矩传感器 车速传感 器 助力电机 减速机构 和电控单元 E C U 等 E P S 关键技术包括助力特性和控制两大方面 参考文献 1 晋兵营 宁广庆 施国标 汽车电动助力转向系统发展综 述 J 拖拉机与农用运输车 2 0 1 0 3 7 1 1 5 2 林逸 施国标 汽车电动助力转向技术的发展现状与趋 势 J 公路交通科技 2 0 0 1 1 8 3 7 9 8 2 3 张英福 汽车电动助力转向中传感器研究 D 重庆 重 庆大学 2 0 1 0 4 杨妙梁 动力转向技术与市场发展 五 电动动力转向 用电机 J 汽车与配件 2 0 0 3 4 7 2 5 2 7 5 何仁 苗立东 罗石 等 电动助力转向系统电动机与减 速机构的匹配研究 J 公路交通与科技 2 0 0 5 2 2 3 l 1 1一l 1 4 下转第 2 0 9页 第 7期 刘艺柱 等 电源问题导致单片机死机的原因分析与改进 单片机 复位 时 t 一 改造前 电路 的 V D D M A X 6 6 6 下降幅值与改造后电路的 V D D R 1 1 1 N 相比 虽有下降但是二者差距不大 而改造前电路的 V C C MA X 6 6 6 下降 幅值却远 大于改造后 电路 的 V C C R 1 1 1 N 由此说 明这 两个 电路在 复 位这 个 动 态 环节上是有差异 的 在实验中 用示波器观察电阻 1 Q 上的电 压波形 如图 5 所示 该电压波形反映了电流的变化 情况 单片机复位时电流峰值 约为 1 0 0 m A 而线路 馈电电流只有 1 8 m A 说明储能电容在放 电 所以电 压 V D D下降 对照 V D D和 V C C的波形可以看出 V mV 1 0 0 75 5 0 2 5 1O 0 图 5电阻 R 上的 电压波形 图 1 单 片机复位期间二者变化趋势是一致 的 说明输出 V C C是随着输入 V D D的变化而变化的 符 合低压差线性稳压电源的工作原理 2 改造前后输入电压 V D D变化不大 波形 图 基本重合 而改造前后输 出电压 V C C变化明显 波 形图差异较大 究其原因是电源芯片驱动负载能力的 问题 M A X 6 6 6典型电流输出值为 4 0 mA 最大输出电 流为 5 0 m A R 1 1 1 1 N 5 0 1 A典 型 电流输 出为 1 5 0 m A 最大输出电流为 2 0 0 m A 但是单片机复位时 电流峰值却达到 1 0 0 m A 远大于 M A X 6 6 6的最大输 出电流 造成了 V C C MA X 6 6 6 的下降幅值增大 而 V C C的下降直接导致单片机电源电压不稳定 从 波形中可以看出 V C C M A X 6 6 6 的最小值接近 4 0 V 超出了单片机的最低工作电压 这就是话机运行 中死机 的根本 原因 4结论 对于单片机的正常运行 供电电源的设计是十分 重要的 在小功率输入 单片机频繁复位情况下 电 源设计时不仅要考虑电路稳态时能提供稳定的电压和 充足的电流 尤其要考虑单片机在复位时对电源的功 率要求 只有这样才能保证单片机的可靠复位和正常 工作 参考文献 1 徐士斌 余世杰 沈维祥 集成电控制器 M A X 6 6 6的原理 与应用 J 电子技术应用 1 9 9 6 1 2 5 1 5 3 2 R I C O H C o L t d E l e ct r 0 n i cD e v i ce 8 c0 m p a n y p o w e r m a r l a g e m e n t I C S D a t a S h e e t D B O L h t t p w w w r ico h co m L S I p r o d u ct p o we r in d e x h t m1 3 华斯亮 刘岩 王东辉 等 一种用于数字麦克风的低功 耗低电压 L D O J 微电子学 2 0 0 9 3 9 2 2 1 5 2 1 8 4 党华 王志功 王欢 等 L D O线性稳压器结构 的改进 J 中国集成电路 2 0 0 9 1 2 1 2 0 2 2 5 刘慧宁 单片机 电源部件的电磁兼容性设计 J 中国 医疗器械杂志 2 0 0 7 3 1 1 6 7 6 8 6 陈星 李静芹 一种可用 电池供 电的单片机电源电路 J 电子制作 2 0 0 4 6 3 2 3 3 7 刘其贵 李建中 郭振东 等 C M O S 单片 L D O线性稳压 器设计 J 电路与系统学报 2 0 0 2 7 4 5 8 8 李朝青 单片机原理及接口技术 M 北京 北京航空航 天大学出版社 2 0 0 1 9 胡汉才 单片机原理及其接口技术 M 北京 清华大学 出版社 2 0 0 1 1 0 叶念渝 何兆湘 一种单片机电源监测和看门狗保护电 路及方法 J 仪表技术与传感器 1 9 9 8 7 2 4 2 6 上接第 1 7 9页 6 刘照 汽车电动助力转向系统动力学分析与控制方法研 究用 D 武汉 华中科技大学 2 0 0 4 7 范心明 程小华 汽车 E P S 系统用电动机综述 J 防爆 电机 2 0 0