电动助力转向系统（EPS）

电动助力转向系统（EPS） 目录TOC\h\z\u\t"1级标题,1,2级标题,2,3级标题,3"1汽车转向系统概述 电动助力转向系统（EPS）1汽车转向系统概述汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮（一般是前轮）相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都是机械的，它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系，它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下，汽车转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供。但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵[1][2]。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（ManualSteering，简称MS）发展为液压助力转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（ElectroHydraulicPowerSteering，简称EHPS）和电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，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Koyo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Cervo上配备了Koyo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。2EPS的组成及工作原理 电动助力转向系统是世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从而实现转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速时减轻操纵力、提高操纵稳定性。当汽车由低速档换到高速档时，电子控制系统保证提供最优控制传动比和稳定的转向手感，从而提高高速行驶的稳定性。如图3.1所示，电动助力转向系统的基本组成包括：扭矩传感器、车速传感器、控制单元（ECU）、电动机和减速机构等。图3.1电动助力转向系统的基本组成如图3.2所示，工作原理：扭矩传感器测出驾驶员施加在转向柱上的操纵力矩，车速传感器测出当前车辆的行驶速度，然后将信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的助力力矩，然后将电流指令传给电机；电机产生的助力力矩经减速机构放大后作用在机械转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向运动。EPS的传感器信号包括转向盘转矩信号、汽车车速信号、汽车轴重信号、电机电流信号，前三者用于确定助力电机的助力转矩大小和方向，后者用于电机的闭环控制。这些信号用来作为EPS的输入信号，共同决定助力信号的输出。因此，传感器信息融合是EPS中的关键技术之一。车速车速车速传感器驾驶员的操纵力矩扭矩传感器转向器ECU电机减速机构总的转向力矩人力转向力矩助力转向力矩图3.2电动助力转向系统的工作原理3EPS的主要部件作用3.1扭矩传感器扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转向盘转角的大小和方向。这些信号都是EPS的控制信号。扭矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、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之一。EPS中扭矩传感器主要有：电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器，也有通过在转向轴位置加一扭杆，通过测量扭杆的变形得到扭矩的大小和方向。电阻式转向传感器实际上是个滑动可变电阻器，当操作方向盘时，其电阻的变化最终经电路处理以电流的形式将转矩信号送至ECU。这种传感器价格低，但体积大，易于磨损，在早期EPS中应用较多。随着非接触式扭矩传感器成本的降低，越来越多的厂商转而采用这种精度高、体积小且寿命长的新型传感器。另外，还有美国AllegroMicrosystems公司的磁环式霍尔速度传感器，它可将转向盘扭矩、转角、角速度等信息转化为电信号输出。3.2电动机助力电动机是EPS的动力源，它根据ECU输出的控制指令，在不同的工况下输出不同助力转矩，对整个EPS性能影响很大，因此需要具有良好的动态特性、调速特性和随动特性，并易于控制，还要求输出波动小、低转速大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等，因此，常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少振动，在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽，改变定子磁铁中心处或端部厚度，将定子磁铁设计成不等厚等。随着现代汽车技术的发展，汽车各部件越来越多的采用42V直流电源，因而，面向42V直流电的EPS也逐渐成为汽车技术研究热点之一。采用42V直流电的EPS能在较低的输出电流同时保证有足够的输出功率，既降低系统的能耗和发热，又能改善系统的控制。3.3减速机构减速机构是EPS不可缺少的部件，它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。目前使用的减速机构有多种组合方式，采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。装配有离合器的EPS，多采用涡轮蜗杆减速机构，装配在减速机构的一侧。3.4控制单元（ECU） 电子控制单元ECU是整个EPS系统控制的核心，它根据扭矩传感器、车速传感器、轴重传感器以及电动机电流传感器等输入信号，进行分析计算，得出最佳控制参数，发出控制指令，控制电动机与电磁离合器的动作。由于电动助力转向系统存在非线性元件（如摩擦和阻尼），另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性。因此，控制系统应有较强的抗干扰能力，以适应汽车复杂的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。此外，ECU还应具备安全保护与自我诊断功能。（1）助力特性装有助力装置的系统，应尽可能的不悖于驾驶员原有的驾驶习惯，这样驾驶员才能在转向时得心应手。输入力矩与助力力矩之间的理想特性曲线有以下特点：在输入转向力矩很小的区域，希望助力部分的输出越小越好，助力部分基本不起作用，保持较好的路感；在常用的快速转向行驶区域，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助力部分发挥作用，助力效果要明显；在原地转向或汽车掉头时，即当转向阻力矩相当大时，应尽可能发挥较大的助力转向效果，输出力矩增幅大；随着车速的增高，输入力矩很小时不助力的区域应增大；各区段过渡要平滑。理想的助力特性曲线如图3.3所示。图中横坐标为驾驶员输入的转向力矩，纵坐标表示控制电动机的电流，用它反映助力力矩值的大小。图3.3理想的助力特性曲线（2）操纵灵活性与稳定性汽车驾驶操作灵活性与稳定性体现在停车泊位、低速行驶以及高速行驶时的转向性能。汽车转向系统的轻便灵活与路感是一对相互制约的关系，转向助力大而转向力小则转向轻便，但转向力过小又导致缺乏“路感”，特别是高速行驶时，驾驶员会感到汽车“飘”，从而又影响到操纵的稳定性；转向力过大又会感到操纵不轻便。EPS的引入可以较好的解决上述矛盾，在EPS控制系统中，可以通过完善控制算法在不同工况下提供相应的助力特性，能通过修改相应控制参数达到调整修改控制输出特性，并且具有较大的灵活性。（3）安全性EPS系统控制的核心ECU具有故障自诊断功能，当ECU检测到某一组件工作异常，如系统各传感器、电动机、电磁离合器、电源系统及汽车点火系统等，便能立即控制电磁离合器分离，停止助力，显示相应故障代码，转为手动转向，按普通转向控制方式工作，以确保行车安全可靠。4EPS的优点[3]4.1降低燃油消耗液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩，随着汽车速度的改变，输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了"按需供能"，是真正的"按需供能型"（on-demand）系统。汽车在较冷的冬季起动时，传统的液压系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管，对冷天气不敏感，系统即使在-40℃时也能工作，所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起动时的预热，节省了能量。不使用液压泵，避免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性，装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下，装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5.5%。4.2增强转向跟随性在电动助力转向系统中，电动助力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水。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。4.3改善转向回正特性直到今天，动力转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们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。从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。4.4提高操作稳定性通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法，给正在高速行驶（100km/h）的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。4.5提供可变的转向助力电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于车场操作。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件。但在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费用很小。4.6采用“绿色能源”，适应现代汽车的要求电动助力转向系统应用"最干净"的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了"绿色化"的时代趋势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。4.7系统结构简单，占用空间小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,不但节省了费用，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。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间利用率极高。该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵，留出的空间可以用于安装其它部件。许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动助力转向系统的汽车没有油泵，没有软管连接，可以减少许多忧虑。实际上，传统的液压转向系统中，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53