汽车电子控制技术课件：汽车电控动力转向控制系统

汽车电子控制技术汽车电控动力转向控制系统学习目标通过本项目的学习，了解电控动力转向系统的作用、分型、特点，了解四轮转向控制系统的功能、优点、类型；了解流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种电控液压式动力转向系统的结构组成与工作原理；掌握电动式电控动力转向系统的结构组成与工作原理；熟悉电控液压式四轮转向系统主要零部件的构造、功能、工作原理；了解转向角比例控制的四轮转向系统和车速前馈控制四轮转向系统的结构组成、控制原理；掌握液压式电控动力转向系统的检修方法；掌握电动式电控动力转向系统的故障诊断与检修方法。课题一电控动力转向系统一、电控动力转向系统的分类及特点二、液压式电控动力转向系统三、电动式电控动力转向系统课题二四轮转向控制系统一、概述二、转向角比例控制四轮转向系统二、车速前馈控制四轮转向系统汽车电控动力转向控制系统课题一电控动力转向系统一、电控动力转向系统的分类及特点电控动力转向系统，根据动力源不同可分为液压式电控动力转向系统和电动式电控动力转向系统。液压式电控动力转向系统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、车速传感器和电控单元等，电控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。电动式电控动力转向系统利用直流电动机作为动力源，电控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。1.分类

2.特点(1)良好的操纵性：转向操作必须轻便、灵活、平顺，具有很好的随动性，能保证转向盘与转向轮之间具有准确的一一对应关系，同时能保证转向轮可维持在任意转向角位置。(2)有高度的转向灵敏度：转向轮对转向盘应具有灵敏的响应。(3)具有良好的稳定性：具有良好的直线行使稳定性和转向自动回正能力。即在转向后，转向盘应当能自动回到直线行驶的位置，回转的速度要平稳、适当。使残留的角速度尽可能小。(4)助力效果能随车速变化和转向阻力的变化做相应的调整：低速时有较大的助力效果，以克服路面的转向阻力；高速时要有适当的路感，以避免因转向过轻而发生事故。(5)工作可靠：转向系统是安全件，如果不能转向或失去控制就会发生车毁人亡的事故。因此转向系统应有故障预警功能。当计算机控制系统或助力系统发生故障时，转向系统仍然应保持人力转向功能。(6)节省能源：在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向系统的动力消耗。二、液压式电控动力转向系统1．流量控制式EPS系统流量控制式EPS系统结构如图10-1（a）所示,图10-1(b)所示为系统电磁阀的结构，图10-1(c)所示为电磁阀的驱动信号。流量控制式EPS系统结构如图10-1（a）所示，该系统主要由车速传感器、电磁阀、整体式动力转向控制阀、动力转向油泵和电子控制单元ECU等组成。电磁阀安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道之间，当电磁阀的阀芯完全开启时，两油道就被电磁阀旁路。ECU根据车速传感器的信号，控制电磁阀阀芯的开启程度，从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量来改变转向助力。图10-1流量控制式EPS系统（a）系统结构图图10-1(b)所示为系统电磁阀的结构，图10-1(c)所示为电磁阀的驱动信号。由图10-1(c)可以看出，驱动电磁阀电磁线圈的脉冲电流信号频率基本不变，但随着车速增大，脉冲电流信号的占空比将逐渐增大，使流过电磁线圈的平均电流值随车速的升高而增大。图10-1(d)所示为流量控制式EPS系统电路图。动力转向ECU是EPS的核心控制元件。它根据车速传感器提供的车速信号，通过改变旁通电磁阀驱动信号占空比的方式调节转向力。其电路受点火开关控制，由电源电路、车速传感器电路、电磁阀控制电路和搭铁电路组成。（c）电磁阀驱动信号（d）系统电路图图10-1流量控制式EPS系统（b）电磁阀结构2.反力控制式EPS系统反力控制式EPS系统如图10-2所示，主要由转向控制阀、分流阀、电磁阀、转向动力缸、转向油泵、储油箱、车速传感器及电子控制单元(EPSECU)等组成。转向控制阀是在传统的整体转阀式动力转向控制阀的基础上增设了油压反作用力室17而构成的。扭杆2的上端通过销子与转阀阀杆相连，下端与小齿轮轴用销子5连接。小齿轮轴的上端部通过销子与控制阀阀体相连。转向时，转向盘上的转向力通过扭杆传递给小齿轮轴。

图10-2反力控制式EPS系统3．阀灵敏度控制式EPS系统阀灵敏度控制式EPS系统是根据车速控制电磁阀直接改变动力转向控制阀的油压增益（阀灵敏度）来控制油压的。这种转向系统的优点是结构简单，部件少，价格便宜，而且具有较大的选择转向力的自由度，可以获得自然的转向手感和良好的转向特性。阀灵敏度控制式EPS系统如图10-3所示。图10-3阀灵敏度控制式EPS系统阀灵敏度控制式EPS系统的阀部等效液压回路如图10-4所示。当车辆停止时，电磁阀完全关闭，如果此时向右转动转向盘，则高灵敏度低速专用小孔1R及2R在较小的转向力矩作用下即可关闭，节流作用越小，获得的转向助力也越大。随着车辆行驶速度的提高，在ECU输出的控制信号使电磁阀的开度线性增加,转向动力缸右腔室的转向助力油压就取决于旁通电磁阀和灵敏度低的高速专用可变孔3R的开度。当车速高时，电磁阀的开度大，旁路流量大，转向助力作用小；在车速不变的情况下，施加在转向盘上的转向力越小，高速专用小孔3R的开度越大，转向助力作用也越小，当转向力增大时，3R的开度逐渐减小，获得的转向助力也随之增大。图10-4阀部的等效液压回路三、电动式电控动力转向系统电动式EPS系统是汽车动力转向的一种先进方式，是用车载EPSECU来控制的电动动力转向装置，能根据各种不同情况产生适合各种车速的动力转向，不受发电机停止运转的影响，在停车时，驾驶员也可获得最大的转向动力；汽车在行驶过程中，电子控制装置可调整电动机的助力以及改善路感。电动式EPS系统主要特点如下：1)电动机、减速机、转向柱和转向齿轮箱可以制成一个整体，管道、液压泵等无需单独占据空间，易于装车。2)增加了电动机和减速机，而取消了液压管道等部件，使整个系统趋于小型轻量化。3)液压泵仅在必要时用来使电动机运转，故可以节能。4)因为零件的数目少，不需要加油和抽空气，所以在生产线上的装配性好

1．电动式EPS系统的组成电动式EPS系统的组成如图10-5所示，通常由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元EPSECU、电动机、电离合器和减速机构等组成。图10-5电动式EPS系统1-转矩传感器；2-转向轴；3-减速机构；4-齿轮齿条式转向器；5一电磁离合器；6-电动机；7一电子控制单元(EPSECU)（1)转矩传感器转矩传感器用于测量转向盘与转向器之间的转向力矩，其原理如图10-6所示。在转矩传感器输出轴的极靴上分别绕有A、B、C、D四个线圈，并连接成一个桥式回路，同时在线圈的U、T两端输入连续的脉冲电压Ui。（a）结构简图（b）原理图图10-6转矩传感器结构及原理(2)直流电动机直流电动机通常采用永磁式电动机,其结构组成如图10-7所示。电动机的输出转矩控制是通过控制其输入电流来实现，而电动机的正转和反转则是由ECU输出的正反转触发脉冲控制的。电动机正反转控制电路如图10-8所示。

A1、A2为电动机正反转信号触发端，当A1端有触发信号输入时，三极管VT3导通，三极管VT2得到基极电流也导通，电流经VT2、电动机M、VT3到搭铁，电动机正转。当A2端有触发信号输入时，三极管VT4导通，三极管VT1得到基极电流也导通，电流经VT1、电动机M、VT4到搭铁，电动机反转。电动机的电流大小可由触发信号电流的大小控制。图10-7永磁式直流电动机1-电磁离合器；2-涡轮；3-斜齿轮图10-8电动机正反转控制电路(3)电磁离合器电动式EPS系统通常采用单片干式电磁离合器，其原理如图10-9所示。（4）减速机构电动式EPS系统的减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。蜗轮蜗杆减速系统一般应用在转向轴助力式EPS系统上。图10-10所示蜗轮蜗杆机构中，蜗杆5与电动机3的输出轴相连，通过蜗轮6和蜗杆的啮合传动将电动机的转矩作用到转向轴1上，以实现转向助力。图10-9电磁离合器的结构1-滑环；2-线圈；3-压板；4-花键；5-从动轴；6-主动轮；7-滚珠轴承图10-10蜗轮蜗杆减速机构1-转向轴；2-扭杆；3-电动机；4-离合器；5-蜗杆；6-蜗轮（5）电子控制单元(EPSECU)

电子控制单元(EPSECU)的基本组成如图10-11所示，其核心是一个具有256B的RAM、4KB的ROM、8b字长的单片微机（微处理器）。

图10-11电动式EPS系统电子控制单元基本组成2．电动式EPS系统的工作原理在操纵转向盘时，转矩传感器根据输入转向力矩的大小产生相应的电压信号，转矩传感器信号经过A/D转换器被输入到中央处理器(CPU)，中央处理器根据这些信号和车速计算出最优化的助力转矩。ECU把已经计算出来的参数值作为电流命令值送到D/A转换器并转换为模拟量，再将其输入到电流控制电路；电流控制电路把来自微处理器的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较，产生一个差值信号，该差值信号被送到驱动电路，该电路可驱动动力装置并向电动机提供控制电流，即当转矩传感器和转角传感器的信号经A/D转换器处理后，微处理器就在其内存中寻找与该信号相匹配的电动机电流值，然后将此值输送给D/A转换器进行数字模拟转换，处理后的模拟信号再送给限流器，由限流器来决定电动机驱动电路电流值的大小，由驱动电路电流值的大小调整电动机转向辅助力矩的大小，电动机的力矩经离合器和减速增扭机构后，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。EPSECU还根据转矩传感器的转矩方向输出电动机的旋转方向指示信号，这个信号输入电动机的驱动电路后，便决定了电动机的旋转方向。课题二四轮转向控制系统1．四轮转向系统的功能四轮转向系统的的功能：在低速行驶转向时，使后轮与前轮反向偏转，以减小转向半径提高汽车的机动性；在中速行驶转向时，使后轮与前轮同向偏转，以提高转向灵敏性；在高速行驶转向时，也使后轮与前轮同向偏转，以减小汽车的横摆运动，改善汽车的稳定性。

2．四轮转向系统的优点1)直线行驶稳定性好2)改善低速时的操纵轻便性，提高机动性3)转向能力强，转向响应快，可以显著提高车辆的转向性能3．四轮转向系统的特性1）4WS车辆的低速转向特性汽车在低速转向时,车辆的前进方向与车体的朝向是一致的,所以在各车轮上几乎不会产生旋转向心力。低速时四轮转向的行驶轨迹如图10-12所示。2）4WS车辆的高速转向特性高速转向运动应该是尽可能使车体朝向与前进方向一致,防止多余的自转运动,使前后轮产生足够的旋转向心力。中、高速时四轮转向的行驶轨迹如图10-13所示。一、概述图10-12低速时四轮转向的行驶轨迹图10-13中、高速时四轮转向的行驶轨迹一、转向角比例控制四轮转向系统转向角比例控制的四轮转向系统是指后轮转角与前轮转角成比例,在低速区前、后轮逆相、而中高速区同相的转向操纵控制,使车体的前进方向与车体朝向一致,得到稳定的转向性能。1.系统的组成图10-14所示为转向角比例控制的4WS系统的组成,系统主要由车速传感器、转向角比传感器、转向控制单元、4WS转换器、转向枢轴、前后转向齿轮箱等组成。图10-14转向角比例控制四轮转向系统图10-15所示为4WS转换器的结构,转换器由主电动机和副电动机的驱动部分、行星轮的减速部分以及旋转连杆的蜗杆组成。副电动机的输出轴与行星齿轮机构的太阳轮相连,主电动机与行星架相连,齿圈与4WS转换器的输出轴相连。图10-15转向角比例控制四轮转向系统1-偏心轴；2-辅助电动机；3-4WS变换器；4-主电动机；5-4WS变换器输出轴；6-连接杆；7-涡轮；8-转角比检测用齿轮2.系统控的制原理转向角比例控制四轮转向系统控制原理,如图10-16所示。(1)转角比控制。根据转角比传感器、车速传感器控制主电动机,实现对转角的控制。驾驶人可使用四轮转向模式选择开关,选择NORMAL

或SPORT模式。（2）两轮转向选择功能。当两轮转向选择开关设定在ON,且变速器被挂入倒档位置时,后轮转向量被设置为零。(3)故障诊断控制。当主电动机、车速传感器、转角比传感器和ECU出现异常情况时,防误操作控制点亮驾驶室内的“四轮转向警示灯”,提示驾驶人,同时将故障以故障码的形式存储到故障存储器。图10-16转向角比例控制四轮转向系统控制原理二、车速前馈控制四轮转向系统车速前馈控制四轮转向系统的工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制,当车速达到某一预定值时(通常为35～40km/h)，后轮能与前轮同方向偏转；当车速低于某一预定值时，则与前轮反方向偏转。车速与转向比的关系曲线如10-17所示。

图10-17车速与转向比的关系曲线1．系统的组成车速前馈控制四轮转向系统如图10-18所示，主要由转向盘、转向油泵、前动力转向器、后轮转向传动轴、车速传感器、电子控制单元、后轮转向系统组成。图10-18车速前馈控制四轮转向系统1-转向盘；2-后轮转向系统；3-后轮转向传动轴；4-电子控制单元5-车速传感器；6-前动力转向器；7-转向油泵（1）前轮转向器和后轮转向传动轴前轮转向器和后轮转向传动轴的结构如图10-19所示，当转动转向盘使齿条水平移动时，齿条一方面控制前轮转向动力缸工作，推动前轮转向，同时将转向盘转动的方向、快慢和转动的角度传给后轮转向传动轴，驱动该轴转动，以控制后轮转向。图10-19前轮转向器和后轮转向传动轴1-转向动力缸活塞杆；2-转向动力缸；3-转向控制阀；4-转向油泵；5-储油罐；6-转向齿条；7-后轮转向传动轴；8-转向齿轮；9-连接板后轮转向控制系统如图10-20所示，主要包括相位控制系统、液压控制阀、后轮转向动力缸等组成。（2）后轮转向控制系统图10-20后轮转向控制系统相位控制机构的结构如图10-21所示，包括步进电机、扇形控制齿板、摆臂、大锥齿轮、小锥齿轮、液压控制阀联杆等组成。后轮转向传动轴与转向齿轮连接并输入前转向齿条的运动状态。一个前、后车轮转向角比传感器安装在扇形控制齿板。（3）相位控制机构图10-21相位控制机构1-步进电动机；2-扇形齿轮；3-锥齿轮；4-控制杆；5-控制滑阀杆；6-控制阀；7-后转向输入轴；8-铰接臂1）步进电机：用螺栓固定在壳体一端，电机输出轴装一锥齿轮，与固定在蜗杆轴上的另一锥齿轮啮合，蜗杆轴的转动将使扇形控制齿板摆动。步进电机接受车速传感器的电信号而转动，转动结果使扇形控制齿板正向摆动或逆向摆动一定角度，从而将摆臂拉向或推离步进电机。2）液压控制阀联杆：其一端连接摆臂，中间穿过大锥齿轮上的孔，另一端与液压控制阀主动杆连接。大锥齿轮的旋转运动是由小锥齿轮驱动的，而小锥齿轮的转动是由后轮转向传动轴驱动的。由此可见，液压控制阀联杆的运动是摆臂运动和大锥齿轮运动的合成，即液压控制阀联杆的运动受车速和前轮转向运动的综合影响。（4）液压控制阀液压控制阀的结构如图10-22，液它是一滑阀结构，其滑阀的位置取决于车速和前轮转向系转角。图中表示滑阀向左移动的过程，此时油泵送来的油液通过液压控制阀进入动力缸右腔，同时动力缸左腔通过液压控制阀与储油罐相通。图10-22液压控制阀1-动力缸活塞；2-阀套；3-动力输出杆；4-滑阀；5-回油道；6-液压控制阀主动杆；A-进油口；B-回油口阀套将滑阀密封，阀套内含有连接相位控制系统和动力缸的油道。输出杆穿过动力缸活塞（输出杆与动力缸活塞固定连接），两端分别与左、右转向横拉杆连接，在动力缸两腔的压差作用下，输出杆向左或向右移动，从而使得后轮作相应偏转。当汽车直线行驶时，在动力缸两腔的回位弹簧及油压作用下，使后轮处于直线行驶位置。此功能也使得当电子控制系统或液压回路出现故障时，后轮回到直线行驶位置，使四轮转向变成一般的两轮转向工作状态。（5）后轮转向动力缸电控液压式四轮转向系统电子控制系统由四轮转向电控单元、转角比传感器和电控油阀组成。1）四轮转向电控单元四轮转向电控单元的功用如下：①根据车速传感器送来的电脉冲信号计算汽车的行驶速度，再根据车速的高低计算汽车转向时前后轮的转角比。②比较前后轮理论转角