汽车电动助力转向系统结构及其工作原理分析

西南林业大学本科毕业（设计）论文（2012届）题目 汽车电动助力转向系统结构及其工作原理分析 教学院系 机械与交通学院 专 业 车辆工程 学生姓名 李铖龙 指导教师 陈继飞（实验师） 评 阅 人 刘学渊（实验师） 2012年6月3日汽车电动助力转向系统结构及其工作原理分析李铖龙（西南林业大学 车辆工程专业2008级，云南 昆明，650224）摘要：在汽车的发展历程中，转向系统经历了由机械式转向系统发展为液压助力转向系统，电控液压助力转向系统和电动助力转向系统的四个阶段。汽车电动助力转向系统与传统的机械、液压助力转向系统相比具有转向灵敏、能耗低、与环境的兼容性好、成本低等优点。在很多高端车上都装有EPS，因此，开发EPS（Electric Power Steering）具有很大的实际意义和商业价值。 电动助力转向系统主要由控制部分、执行部分和程序这三个部分组成，控制部分主要由信号采集电路、单片机和信号发送电路组成。其中单片机是控制部分的核心部件，信号采集电路采集到的转矩和车速信号送单片机处理后，单片机再发出控制信号给信号发送电路，经过驱动电路驱动电机转动。执行部分主要由电机、减速机构和电磁离合器的组成。它起着转向辅助动力的产生，传递和中断的作用。本文详细分析了汽车电动助力转向系统的结构、工作原理、故障维修以及它的发展趋势系统地介绍了汽车电动助力转向系统。从而得出，电动助力转向系统具有操作轻便、省力的优点。关键词：电动助力转向，单片机，电机控制Electric power steering system structure and working principleLiChengLong(Vehicle Engineering 2008， Southwest Forestry University， Kunming Yunnan， 650224)Abstract:In the course of development of the automobile, the steering system has gone through four stages of mechanical steering system, the development of hydraulic power steering system, electronically controlled hydraulic power steering system and electric power steering system. Electric power steering systems and traditional compared to the mechanical, hydraulic power steering system with steering sensitivity, low energy consumption, and environmental compatibility, low cost. In many high-end car is equipped with EPS, and therefore, the development of EPS has great practical significance and commercial value. The electric power steering system by the control part of the operative procedures of these three components, the control part of the signal acquisition circuit, micro-controller and signal transmission circuit. Where the micro-controller is the core component of the control section to send single-chip processing of the torque and speed signals collected by the signal acquisition circuit, micro-controller and then control signals to the signal transmission circuit through the drive circuit drive motor rotation. The executive part of the main motor, reducer, the composition of the bodies and the electromagnetic clutch. It plays a steering auxiliary power generation, transmission and interrupt the role. This paper analyzes the structure of the automotive electric power steering system, the working principle, fault repair, and its development trend of a systematic introduction to the automotive electric power steering system. Thus obtained, the electric power steering system, easy operation, Key words: electric power steering SCM motor control。目 录1 绪论11.1 项目研究的目地及其意义11.2电动助力转向系统的发展过程及其发展现状11.2.1国内发展现状11.2.2 电动助力转向系统国外发展现状21.3 研究内容32 助力转向系统42.1助力转向系统的发展及其分类42.2传统助力转向系统52.2.1机械液压转向系统的结构及工作原理52.2.2电子液压助力转向系统102.3机械液压转向系统与电子液压转向系统的比较133 电动助力转向系统143.1电动助力转向系统143.2电动助力转向系统的结构及其作用143.2.1 电动转向系统的分类143.2.2电动助力转向系统结构153.2.3电动助力转向系统的工作原理163.2.4 EPS的控制部分173.3 电动助力转向系统的优点204 电动助力转向系统的故障诊断224.1 电机故障自诊断224.2 车速和发动机转速信号故障自诊断234.3 电磁离合器故障自诊断244.4 控制单元故障自诊断255电动助力转向系统的发展趋势265.1电动助力转向系统的硬件发展趋势265.2电动助力转向系统软件发展趋势285.3 未来的转向系统线控转向系统306 总结33参考文献34指导教师简介35致谢361 绪论1.1 项目研究的目的及其意义 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，部分取代了液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering，简称HPS)。电子控制技术在汽车动力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电动助力转向系统( EPS) 在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活；在汽车高速行驶转向时，适当加重转向力，从而提高了高速行驶时的操纵稳定性，增强了“路感”。不仅如此，EPS的能耗是HPS能耗的1/3以下，且前者比后者使整车油耗下降可达3%5%。因而,EPS将成为汽车传统转向系统理想的升级换代产品。1.2电动助力转向系统的发展过程及其发展现状1.2.1国内发展现状 2006年，国内汽车产销均超过500万，目前国内开发的EPS主要针对1.6排量以下的中小型汽车，而1.6排量以下的汽车约占70% 左右，因此市场潜力巨大。当前国内实际安装EPS的汽车已达到15%，主要是昌河北斗星、哈飞路宝等，轿车有广州本田飞渡、上海大众途安、长安雨燕、一汽天津花冠3. 0、一汽大众开迪及郑州日产MPV 旅行车，这些厂家都在寻求国产化合作伙伴。批量安装国产EPS的车型有: 爱迪尔车、新雅图轿车及吉利轿车；小批安装国产EPS的车型有天津夏利双环S6小贵族汽车；正在试装EPS的车型有: 天津夏利X121轿车、福瑞达面包车、奇瑞QQ轿车及杨子皮卡等车型。一汽轿车也准备安装国产电动转向器，正在寻求有实力的合作伙伴。重庆长安铃木、长安福特准备在其生产的新车型中试装电动转向器。研制EPS的厂家和科研院所已有好几十家，其中科研院所有清华大学、北京理工大学、天津大学、吉林工业大学及重庆大学等。传统的汽车转向器厂家有湖北恒隆、南京标准件厂、杭州万向集团、重庆驰骋、天津津丰、浙江万达、浙江双辉剑、杭州世宝、跃进汽车转向器公司及豫北光洋等厂家。但由于EPS为机电一体的高科技产品，传统的汽车转向器厂家缺乏控制器开发方面的电子专家；而科研院所重于理论研究，缺乏实际经验和批生产建线的能力，因而EPS研制进展较慢。1.2.2 电动助力转向系统国外发展现状国外研发生产ESP的企业主要有美国的德尔福(Delphi )天合(TRW )，日本光洋精工(NSK)、KOYO和Showa，德国的采埃孚(ZF)，英国的卢卡斯(LUCAS）等，都已具备大规模批量生产的能力。其中以Delphi公司和NSK公司为主要代表从EPS控制策略的发展趋势来看，今后控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩信号，而是根据转向角、转向速度横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。目前已经开始这方面的研究Roy Macc通过将横摆角速度信号作为反馈信息引入到ESP的控制中，用于加强汽车在低附着率的地面上行驶的操纵稳定性，在ESP的助力特性性能评价故障诊断及测试系统方面也有专家，学者进行这方面的研究 zebra ，Davidia 针对EPS系统的稳定性进行了动力学分析，并指出：稳定性是由助力特性曲线的方程参数决定的，并根据路感等给出了助力特性的定性描述。从国内外的研究来看，EPS今后的研究主要集中在以下几方面:EPS助力控制策略助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把助力电机的力矩作用到机械转向系上的一种基本控制模式 助力控制策略的主要目的是根据转向助力特性曲线确定助力电动机的助力大小，辅助驾驶员实现汽车转向、控制策略是EPS研究的重点系统匹配技术助力特性的匹配电机、减速机构的匹配、传感器的匹配以及ESP系统与其它子系统进行匹配。是使整车性能达到最优的关键可靠性转向系统是驾乘人员的生命线之一，必须保证高度可靠性。ESP除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件做支撑，因此对ESP的可靠性提出了很高的要求。1.3 研究内容本文从发展历程，结构，工作原理等来系统地阐述了电动助力转向系统。并分析比较了传统转向系统与电动助力转向系统的优缺点，最后本文还展望了未来的转向系统线控转向系统。2 助力转向系统2.1助力转向系统的发展及其分类助力转向是协助驾驶员作汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘的用力强度，当然，助力转向在汽车行驶的安全性、经济性上也一定的作用。在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Power Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）。 （1）机械式液压动力转向系统 机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力。所以，也在一定程度上浪费了资源。开这样的车，尤其是时低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气。又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统。 还有，机械式液压助力转向系统由液压泵及管路和油缸组成，为保持压力，不论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，能耗较高，这也是耗资源的一个原因所在。 一般经济型轿车使用机械液压助力系统的比较多。 （2）电子液压助力转向系统 主要构件：储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构。工作原理：电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。是使用较为普遍的助力转向系统。 （3）电动助力转向系统(EPS) 电动助力转向系统的英文全称是Electronic Power Steering，简称EPS，它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。EPS的构成，不同的车尽管结构部件不一样，但大体是雷同。一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。电子控制动力转向系统（简称EPS-Electronic Control Power Steering），根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。 电子控制动力转向系统（EPS）可以在低速时减轻转向力以提高转向系统的操纵性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。2.2传统助力转向系统2.2.1机械液压转向系统的结构及工作原理图2-1 液压常流滑阀式动力转向装置1-滑阀 2-反作用柱塞 3-滑阀复位弹 4-阀体 5-转向螺杆 6-转向直拉杆 7-转向摇臂 8-转向动力缸 9-转向螺母 10-单向阀 11-安全阀 12-节流孔 13-溢流阀 14-转向储油罐 15-转向油泵汽车直线行驶时，滑阀1在复位弹簧3的作用下保持在中间位置。转向控制阀内各环槽相通，自油泵15输送出来的油液进入阀体环槽A之后，经环槽B和C分别流入动力缸8的R腔和L腔，同时又经环槽D和E进入回油管道流回油罐14。这时，滑阀与阀体各环槽槽肩之间的间隙大小相等，油路畅通，动力缸8因左右腔油压相等而不起加力作用。液压常流滑阀式动力转向装置如图2-1所示。汽车右转向时，驾驶员通过转向盘使转向螺杆5向右转动（顺时针）。开始时，转向螺母暂时不动，具有左旋螺纹的螺杆5在螺母9的推动下向右轴向移动，带动滑阀1压缩弹簧3向右移动，消除左端间隙h，此时环槽C与E之间、A与B之间的油路通道被滑阀和阀体相应的槽肩封闭，而环槽A与C之间的油路通道增大，油泵送来的油液自A经C流入动力缸的L腔，L腔成为高压油区。R腔油液经环槽B、D及回油管流回储油罐14，动力缸8的活塞右移，使转向摇臂7逆时针转动，从而起加力作用。助力作用必须是随转向盘的转动而进行，随方向盘的停转而减小（维持），若继续转动，则继续助力。这就是所谓的“随动”作用（转向轮的偏转角随转向盘的转角变化而变化）。 只要转向盘和转向螺杆5继续转动，加力作用就一直存在。当转向盘转过一定角度保持不动时，转向螺杆5作用于转向螺母9的力消失，但动力缸活塞仍继续右移，转向摇臂7继续逆时针方向转动，其上端拨动转向螺母，带动转向螺杆5及滑阀一起向左移动，直到滑阀1恢复到中间稍偏右的位置。此时L腔的油压仍高于R腔的油压。此压力差在动力缸活塞上的作用力用来克服转向轮的回正力矩，使转向轮的偏转角维持不动，这就是转向的维持过程。如转向轮进一步偏转，则需继续转动转向盘，重复上述全部过程。 松开转向盘，滑阀在回位弹簧3和反作用柱塞2上的油压的作用下回到中间位置，动力缸停止工作。转向轮在前轮定位产生的回正力矩的作用下自动回正，通过转向螺母9带动转向螺杆5反向转动，使转向盘回到直线行驶位置。如果滑阀不能回到中间位置，汽车将在行驶中跑偏。 在对装的反作用柱塞2的内端，复位弹簧3所在的空间，转向过程中总是与动力缸高压油腔相通。此油压与转向阻力成正比，作用在柱塞2的内端。转向时，要使滑阀移动，驾驶员作用在转向盘上的力，不仅要克服转向器内的摩擦阻力和复位弹簧的张力，还要克服作用在柱塞2上的油液压力。所以，转向阻力增大，油液压力也增大，驾驶员作用于转向盘上的力也必须增大，使驾驶员感觉到转向阻力的变化情况。这种作用就是“路感”， 液压常流转阀式动力转向装置的工作原理也是有转向油泵、转向动力缸、转向控制阀等组成。液压常流转阀式动力转向装置的基本组成如图2-2所示，图2-2 液压常流转阀式动力转向装置的基本组成1-转向油泵 2-油管 3-阀体 4-阀芯 6-油管 7-车轮 8-转向拉杆 9-转向动力缸 10-转向摇臂 11-转向横拉杆当汽车直线行驶时，转阀处于中间位置，工作油液从转向器壳体的进油孔B流到阀体13的中间油环槽中，经过其槽底的通孔进入阀体13和阀芯12之间，此时阀芯处于中间位置。进入的油液分别通过阀体和阀芯纵槽和槽肩形成的两边相等的间隙，再通过阀芯的纵槽，以及阀体的径向孔流向阀体外圆上、下油环槽，通过壳体油道流到动力缸的左转向动力腔L和右转向动力腔R。流入阀体内腔的油液在通过阀芯纵槽流向阀体上油环槽的同时，通过阀芯槽肩上的径向油孔流到转向螺杆和输入轴之间的空隙中，从回油口经油管回到油罐中去，形成常流式油液循环。此时，上下腔油压相等且很小，齿条活塞既没有受到转向螺杆的轴向推力，也没有受到上、下腔因压力差造成的轴向推力。齿条活塞处于中间位置，动力转向器不工作。汽车直线行驶时转阀工作情况如图2-3所示左转向时（右转向与此正相反），转动转向盘，短轴逆时针转动，通过下端轴销带动阀芯同步转动，同时弹性扭杆也通过轴盖、阀体上的销子带动阀体转动，阀体通过缺口和销子带动螺杆旋转。 图2-3 汽车直线行驶时转阀的工作情况 a)阀芯与阀体的相对位置 b)阀芯中的油流情况R-接右转向动力缸 L-接左转向动力缸 B-接转向油泵 C-接转向油罐但由于转向阻力的存在，促使扭杆发生弹性扭转，造成阀体转动角度小于阀芯的转动角度，两者产生相对角位移，如图2-4b)所示。造成通下腔的进油缝隙减小（或关闭），回油缝隙增大，油压降低；上腔正相反，油压升高，上下动力腔，产生油压差，齿条活塞在油压差的作用下移动，产生助力作用。 图2-4 a)阀芯与阀体的相对位置 b)阀芯中的油流情况 R-接右转向动力缸L-接左转向动力缸B-接转向油泵C-接转向油罐 转向助力器助力，帮助车轮回正。当汽车直线行驶偶遇外界阻力使转向轮发生偏转时，阻力矩通过转向传动机构、转向螺杆、螺杆与阀体的锁定销，作用在阀体上，使之与阀芯之间产生相当转向盘转动后停在某一位置，阀体随转向螺杆在液力和扭杆弹力的作用下，沿转向盘转动方向旋转一个角度，使之与滑阀的相对角位移量减小，上、下动力油缸油压差减小，但仍有一定的助力作用。使助力转矩与车轮的回正力矩，相平衡，车轮维持在某一转角位置上。在转向过程中，若转向盘转动的速度快，阀体与阀芯的相对角位移量也大，上下动力腔的油压差也相应加大，前轮偏转的速度也加快；转向盘转动得慢，前轮偏转的也慢；转向盘转到某一位置上不动，前轮也偏转到某一位置上不变。此即“快转快助，大转大助，不转不助”原理。转向后需要回正时，驾驶员放松转向盘，阀芯在弹性扭杆作用下回到中间位置，失去了助力作用，转向轮，在回正力矩的作用下自动回位。若驾驶员同时回转转向盘时，转对角位移，动力缸上、下腔油压不等，产生与转向轮转向相反的助力作用。转向轮，迅速回正，保证了汽车直线行驶的稳定性。 当液压动力转向装置失效后，失去方向控制是非常危险的，所以，一旦液压动力转向装置失效，该动力转向器将变成机械转向器。动力传递路线与机械转向系，完全一致。动力转向系按动力介质的不同分为气压式、液压式和电动式三类。气压式动力转向系主要用于采用气压制动系统的货车和客车。对于装载质量过大的货车，因为其气压制动系统的工作压力较低，使得部件结构复杂、尺寸过于庞大、消耗功率多、易产生泄漏，而且转向力也不宜有效控制，所以这种助力系统不容易用于大型货车和小型轿车。电动动力转向系通常需要微机控制，目前处于发展阶段，并未普及。液压动力转向系工作灵敏度高，结构紧凑、外廓尺寸较小，工作时无噪声，工作滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。因此，液压式动力转向系在各类汽车上得到了广泛的应用。液压式动力转向系按液流形式可以分为常流式和常压式；按转向控制阀的运动方式又可以分为滑阀式和转阀式。2.2.2电子液压助力转向系统所谓的电子液压助力，Electro-hydraulic power steering，简称EHPS，其助力原理与机械式液压助力完全相同，而与机械式液压助力最大的区别就是不再使用由发动机通过皮带驱动的液压泵，而是换成了电力驱动的电子泵。主要构件：储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构，电子液压系统结构示意图如图2-5所示：工作原理是电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。是使用较为普遍的助力转向系统。图2-5 电子液压转向系统结构示意图电子液压助力的优势首先体现在能耗上，由电能驱动的电子泵，使用发电机和电池输出的电能，不再消耗发动机本身的动力，电子泵的启动和关闭全部由电子系统控制，在不做转向动作的时候，电子泵关闭，不像机械液压助力泵那样，始终与发动机联动，进一步减小能耗。其次，电子液压助力转向系统的电子控制单元，能够通过对车速传感器、横向加速度传感器、转向角度传感器等传感器的信息的处理，通过实时改变电子泵的流量来改变转向助力的力度大小，也就是随速可变助力功能。当然，并不是只有电子液压助力能够实现助力随速可变。这种液压EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。是当前使用较为普遍的助力转向系统形式。电子液压助力特点：无论是从技术、功能、还是经济性方面来看，电子液压助力都较机械式液压助力更具优势，但是，目前电子液压助力并没能够取代机械式液压助力，主要原因有如下几方面：（1）电子液压助力成本更高。相对机械式的液压助力系统，加入了电控系统换上电子泵后、电子液压助力的制造成本更高，技术也更加复杂，保养维修的难度和成本也随之提高。（2）可靠性不及机械液压助力。电子液压助力除了会出现转向机构和液压机构的故障外，还增加了电气系统出现故障的可能性，因而可靠性不及传统液压助力系统。（3）助力力度有限。虽然使用电子泵，有明显优势，但是，电子泵需要由发电机的电能驱动，而车载发电机的本身功率和蓄电池能够提供的最大电流都有限，所以电子泵的功率也受到限制，能承载的负荷也有限。所以目前使用电子液压助力的车型大多为中小型车辆。对于需要较大助力力度的车辆而言，电子液压助力系统就有些鞭长莫及了。（4）进化的机械液压助力系统。随着技术的发展，电子液压助力的随速可变功能在进化的机械液压助力系统上也已经能够实现（使用电磁阀体技术），甚至在机械式液压助力转向系统的基础上衍生出了可变速比的主动转向系统，所以可靠性和可承载负荷都更高的机械液压助力系统依然受到厂商的欢迎。2.3机械液压转向系统与电子液压转向系统的比较目前，轿车上配置的助力转向系统大致分为三类：机械液压助力转向系统、电子液压助力转向系统和电动助力转向系统。采用不同助力转向系统，对于汽车行驶的安全性、舒适性和经济性具有不同的影响。 （1）机械式液压动力转向系统，机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。液压泵靠发动机皮带直接驱动，无论车是否转向，这套系统都要工作，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力，在一定程度上浪费了能量。驾驶这类车，尤其是低速转弯时，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气。又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统。一般经济型轿车使用机械式液压助力系统的较多。 （2）电子液压助力转向系统，主要由储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等构成，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构。电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，动力来自于蓄电池。它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。电子液压助力转向系统是目前采用较为普遍的助力转向系统。3 电动助力转向系统3.1电动助力转向系统 在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Power Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）。装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Kayo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cuervo上配备了Kayo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。 3.2电动助力转向系统的结构及其作用3.2.1 电动转向系统的分类EPS按照辅助电机的布置方式可分为四种：转向柱助力式(Column-assist type EPS)、小齿轮助力式(Pinion-assist type EPS)、齿条助力式(Rack-assist type EPS)、直接助力式(Direct-drive type EPS)。(1) 转向柱助力式(C-EPS )转向轴助力式转向系统其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑，电动机助力的响应性较好。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪音的限制，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。 （2）小齿轮助力式(P-EPS)小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，能够获得较大的转向力。可用于中型车辆，提供较大的助力值。该形式可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，助力控制特性难以保证准确。(3) 齿条助力式(R-EPS)齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。齿条助力式EPAS系统的动力辅助单元。3.2.2电动助力转向系统结构电动转向是一种简称，它有别于电动液压转向。前者指的是一种纯电机助力转向装置，后者指的是一种电控液压助力转向装置。一般讲电动转向助力装置包含电动转向器的机械部分、控制器、电机和传感器等。其相对关系可以不同。电动转向器提供助力的装置。助力的大小由控制器（ECU）通过输出电流对电机进行控制，提供最理想的电流。 ECU采集的信号来自扭矩传感器、车速传感器和发动机的信号。 转向力的扭矩大小与扭杆的扭转角度成正比；车速传感器安装在轿车变速器上，也可以直接从电子仪表盘上取得，反映的是变化的汽车行驶速度。发动机信号取自发动机点火线圈电动助力转向系统EPS(electric power steering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。 EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元，再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。电动助力转向系统如图3-1图3-1 电动助力转向系统结构1：输入轴 2：扭矩传感器 3：电机 4：循环球螺杆 5：齿条因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。3.2.3电动助力转向系统的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。当汽车点火开关闭合时，ECU开始对EPS系统进行自检，自检通过后，闭合继电器和离合器，EPS系统便开始工作，当方向盘转动时，位于转向轴上的转角传感器和扭矩传感器把测得方向盘上的角位移和作用于其上的力矩传递给ECU，ECU根据这两个信号并结合车速等信息，控制电机产生相应的助力，实现在全速范围内的最佳控制：在低速行驶时，减轻转向力，保证汽车转向灵活、轻便，在高速行驶时，适当增加阻尼控制，保证转向盘操作稳重、可靠。电动助力转向系统的工作原理图如图3-2图3-2电动助力转向系统的工作原理图1：控制器 2：转矩传感器3：助力电机4：齿轮齿条机构3.2.4 EPS的控制部分基于PIC单片机的ECU系统，PIC16F877单片机简介该款机型是美国Microchip公司生产的8位RISC结构的单片机，具有高速数据处理的特性(执行速度可达 120ns)，PIC16F877内部自带看门狗定时器、具有256Bytes的EEPROM、8k空间的FLASH存储器、8路10位AD转换功能、2个脉宽调制CCP模块、在线烧录调试（ISP）功能。图3-3 ECU系统结构原理图宽电压工作，可靠性高。PIC16F877有8级深度的硬件堆栈，RAM区的每个Byte位都可以寻址，有4条专用的位操作指令和2条移位指令。ECU工作原理：系统的控制核心为PIC16F877单片机，控制单元结构如图3-3所示。整个系统由车载12V蓄电池供电，ECU工作时，扭矩、转角、车速、温度等传感器把采集到的信号经过输入接口电路处理后送至单片机的相应端口，单片机根据系统助力特性和相应算法对这些数据分析处理，以确定助力电流的大小和方向，并通过单片机的PWM口发出脉冲指令和相应的换向控制端口发出换向指令，通过驱动电路和H桥电路控制直流电动机工作。在电动机的驱动电路上设有电流传感器，该传感器把检测到的电机实际工作电流通过电流探测电路反馈到单片机，单片机再根据相应的控制算法对电机实现闭环控制。如EPS系统工作出现异常，单片机将驱动EPS灯亮进行报警提示，同时断开继电器、离合器，退出电动助力工作模式，转为人工手动助力模式。EPS的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向。输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构。离合器与助力电机相连。驾驶者在操纵方向盘时，给输入轴输入了角位移 H1，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩 mph转化为电压信号输入控制装置并控制电机的助力和方向。与此同时，车速传感器检测到的车速信号也输入控制装置，在车速低于设定值时，离合器接合，系统提供助力；在车速超过设定值( 30 40km/h) 时，停止对电机供电，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免转向系统受电机惯性力矩的影响。EPS多采用永磁直流电机。为了改善电机的操作稳定性，降低振动和噪声，常在电机转子周缘开设斜槽或不对称环槽。扭矩传感器采用由双电位器构成的电桥。电位器的转动由扭杆和相应的机械装置实现。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。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。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。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。 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，然后电流控制器控制电动机的电流，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。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。3.3 电动助力转向系统的优点 相比传统液压动力转向系统，电动助力转向系统具有以下优点：（1）只在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗。传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。与液压助力转向系统对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%；在转向时，可以降低5.5%。（2）转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好。传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。（3）结构紧凑，质量轻，生产线装配好，易于维护保养电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。（4）通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生产和开发的周期。由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上，加装了电机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU电控单元而成。4 电动助力转向系统的故障诊断4.1 电机故障自诊断电动机是EPS助力转向的主要执行部件，也是决定车辆行驶安全的重要部件之一，因此要求必须具有高的可靠性、高功率输出、低噪声和振动、转矩损失少、尺寸小、重量轻以及具有良好的动态特性，同时考虑到国内开发的EPS主要应用于经济型轿车以及汽车上一般采用直流电源，本系统选用DFL-01(ZXZD63)小型永磁直流电动机作为EPS控制系统的助力电动机。其功用主要是根据ECU的指令产生相应的转矩输出，其中ECU是利用PWM技术控制电动机H桥式驱动电路的场效应晶体管 MOSFET的通、断（即控制其占空比），来控制电动机两端的电压，实现控制电机电流的变化。工作中，电动机电流随方向盘的转动和车速的变化频繁的改变，而且电动机电枢是非线性元件，存在感生电流和反电动势，因此工作环境比较恶劣，故障情况也比较复杂。如工作时易出现发热，其运行后温升的大小直接影响其工作性能，特别是在电机堵转，即车辆长时间原地转向时，电动机电流很大，而且又不对外做功，电动机消耗的电能全部消耗在电阻发热上，短时间内就会出现很大的热量，严重时会烧坏电动机。此外，对于双向运转的电动机，在突然反转时产生很大的电流，电枢反应瞬时变得很大，严重时会造成电机的永久性退磁，且会导致其无法工作，因此必须要对运行时可能出现的最大电流进行限制，一般最大电流可规定为额定电流的35倍之间。基于上述的分析，结合工作过程中可能出现的一些机械损伤和线路的断路或短路，电动机可能出现如下一些问题：（1）电机与ECU间的接线出现断路或短路；（2）电刷与换向器接触不良；（3）电枢与定子磁极卡死，转子转不动；（4）电枢绕组开路；（5）电枢绕组受潮发热，而且散热不好；（6）电动机长时间过载运行，引起电动机壳体发热，以至于烧坏；（7）电枢绕组有部分线圈元件短路