EPS电动助力转向文献综述

1、电动转向助力的原理、分类及发展综述摘要：转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性和行驶安全性。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。为了解决转向系统“轻”与“灵”的矛盾1，采用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统(EPS)应运而生。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（Hy

2、draulic powersteering,简称HPS）。关键词：工作原理、分类、发展1.EPS的工作原理及特点电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作，系统主要由三大部分构成，信号传感装置(包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器)，转向助力机构(电机、离合器、减速传动机构)及电子控制装置2。电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵转向盘时，扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号，车速传感器检测到车速信号，控制单元根据电压和车速的信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需要的转向助力。其结构示意图如图1所示。 图1

3、 带双小齿轮的电动机机械转向助力器总体视图1.1EPS的优点1.1.1节约了能源消耗。没有转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。1.1.2对环境无污染。该系统应用电力作为能源，消除了由于转向油泵带来的噪声污染。也不存在液压助力转向系统中液压油的泄漏与更换而造成的污染。同时该系统由于没有使用不可回收的聚合物组成的油管、油泵和密封件等配件，从而避免了污染。1.1.3增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中，电动机与助力机构直接相连，可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增

4、强。1.1.4改善了回正特性。由于采用了微电子技术，利用软件控制电动机动作，在最大限度内调整设计参数以获得虽佳的回正特性。从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线，通过编程实现电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得该系统能显著提高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。1.1.5提高了操纵稳定性。当驾驶员转动转向盘一角度，然后松开时，EPS系统能够自动调整使车轮回正。同时还可利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。1.1.6系统结构简单，占用空间小，布置方便。由于该系统具有良好的模块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等，不仅节省

5、了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产线装配。2.EPS的分类EPS按照电动机布置位置的不同，可以分为：转向柱助力式(Column-assisttype EPS)、齿轮助力式(Pinion-assisttype EPS)、齿条助力式(Rackassisttype EPS)、直接助力式(Direct-drivetype EPS)四种3。转向柱助力式电动助力转向器(C-EPS)的助力电机固定在转向柱的一侧，通过减速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。这种形式的电动助力转向系统结构简单紧凑、易于安装。现在多数EPS就是采用这种形式。此外，C-EPS的助力提供装置可以设

6、计成适用于各种转向柱，如固定式转向柱、斜度可调式转向柱以及其它形式的转向柱。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响，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。齿轮助力式电动助力转向器(P-EPS)的助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。该类型转向器可用于中型车辆，以提供较大的助力。齿条助力式电动助力转向器(R-EPS)的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力。由于助力电机安装于齿条上的位置比较自由，因此在汽车的底盘布置

7、时非常方便。同时，同C-EPS和P-EPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型车辆上。直接助力式电动助力转向器(D-EPS)的助力电机和减速增扭机构同转向齿轮形成了一个独立的单元。它与C-EPS比较相似，两者的主要区别是扭矩传感器的安装位置有所不同。通过优化电控单元(ECU)内部的算法，让电机向齿条直接提供转向助力可以获得良好的转向路感。3.EPS系统研究现状 3.1EP$系统的发展概况EPS系统最早是由日本的铃木汽车公司于1988年2月开发的，装备于Cervo的微型轿车，随后还安装在Alto上。1993年，本田汽车公司是世界上第一个把EPS作为标准装备配置在高级运动跑车Acura N

8、SX的汽车生产商。此后，电动助力转向技术得到了迅速发展，日本的NSK、美国的DELPHI，TRw，英国的Lucas以及德国的zF等，都相继研制出了各自的EPS系统。Ford和GM公司选择了TRW公司提供的一种过渡技术，即电动液压转向技术。大众汽车公司则在其PQ35 GOLF平台上采用了zF公司提供的复杂的双小齿轮助力型EPS。在国外，EPS系统的应用范围正从最初的微型车向高级轿车、商务车、商用车上发展，助力形式从低速范围助力型向全速范围助力型方向发展。目前国内对EPS系统的研究，主要是针对微型轿车用“转向柱助力型”EPS展开的。开展EPS系统研究的高校主要有：清华大学、北京理工大学、华中科技大

9、学、北京科技大学、天津大学、江苏大学、合肥工大、武汉理工大学、湖北汽车工业学院等。广州本田飞度、思迪，昌河北斗星是国内最早装备EPS系统的车型，EPS使这些轿车成为参与市场竞争的亮点。3.2EP$系统建模和控制技术回顾3.2.1国外研究现状在现代控制理论的应用方面，主要的研究成果有：Manu Parmar和John Y Hung对双小齿轮型电动助力转向系统进行了研究，建立了EPS系统的状态空间模型，应用LQR和Kalman滤波器设计了EPS系统的最优控制器4。1998年，Zaremba A T等应用H2控制理论以获得良好的路感为目标，设计了H控制器，但没有考虑控制系统的鲁棒性。2000年，To

10、shio Kohno等应用H 控制理论对齿条助力型EPS系统进行了研究，以提高EPS系统的鲁棒性为控制目标，建立了EPS系统的数学模型，设计了H控制器，在试验台上验证了系统随着轮胎弹性系数变化时的鲁棒性问题。3.2.2国内研究现状清华大学对EPS控制系统的基本助力控制、回正控制和阻尼控制进行了研究，设计了基于PID算法的控制策略5。吉林大学、北京理工大学就EPS系统的匹配设计，转向性能的客观评价进行了研究67。江苏大学对EPS系统稳定性分析，回正控制算法等进行了研究89。华中科技大学在转向力矩、路感等方面进行了研究。天津大学对EPS系统的助力特性及系统稳定性条件等方面进行了研究。4.EPS系统

11、的发展趋势EPS未来的发展有两个方向：一是提高EPS的系统控制性能，以便于在中、高级轿车上使用，这就需要引入诸如转向盘转角、横摆角速度等量而不仅仅局限于以车速和转向盘转矩作为控制量，同时采用助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略以便提高EPS系统的性能；另一个是降低EPS系统的成本，提高系统各部件可靠性和耐用性。据TRW公司预测，到2010年全世界生产的每3辆轿车中就有一辆装备EPS，特别是低排放汽车(LEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)、电动汽车(EV)4大EV汽车将构成未来汽车发展的主体，这给EPS带来了更加广阔的应用前景。5.结束语EPS系统涉及传感器技术、微电子控

12、制、现代控制理论和传统的机械设计，EPS代表未来汽车动力转向技术的发展方向之一，将作为标配件装备到汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。所以EPS具有非常广阔的应用前景，我国有必要加大投入进行研究开发。参考文献：1王望予汽车设计M第4版北京：机械工业出版社，2004, 240.2王望予汽车设计M第4版北京：机械工业出版社，2004，244.3王望予汽车设计M第4版北京：机械工业出版社，2004，246.4MANU Parmar，JOHN Y HungA Sensorless Optimal Control System for an Automotive Electric Power Assist Steering SystemJIEEE TransOn Electronics2004，51(2).5陈奎元，马小平，季学武电动助力转向系统控制技术的研究J江苏大学学报(自然科学版)