华北水利大汽车电控技术课件10电子控制动力转向系统（EPS）

电控动力转向系统的具体功能和要求电动油泵电控液压动力转向系统的特点电控电动转向助力系统的组成和基本原理第10章电子控制动力转向系统（EPS）

10.1概述

10.1.1电控动力转向系统的优点（1）减小转向时的操纵力。（2）根据车速的高低和行驶条件的变化（静态或动态；好路或坏路），提供合适的转向助力，它不仅是为了操纵省力，提高汽车行驶的安全性、操纵性和稳定性。（3）当遇到巨大的单边冲击或爆胎时，转向轮会猛然向一方偏转，因动力转向系统具有“正向传动、正向导通助力；反向传动、反向导通助力”的特点，它会反向接通动力缸，阻止车轮偏转，从而提高了汽车行驶的安全性。10.1.2电控动力转向系统的具体功能和要求（1）原地转向或汽车低车速行驶转向时，应操纵轻便，路感良好。（2）中、高速行驶转向时，应根据车速的高低，适当助力；车速愈高，助力愈小，使驾驶员有一定的轻、重手感，无转向发飘的感觉。（3）如遇大的单边冲击或爆胎时，小的冲击可利用动力缸油液阻尼衰减。大的单边冲击或爆胎时，转向轮会猛然向一边偏转（反向传动），它可使动力缸产生反向助力，阻止车轮偏转，保持原行驶方向，提高行驶的安全性。（4）失效安全保护，即转向助力系统失效后，仍能维持手动机械转向，但方向盘所需的操纵力变大，仍能维持安全行驶。10.1.3电控动力转向系统的分类1．电控液压动力转向助力系统在传统的动力转向系统上，加装电控系统，从而改善了使用性能。根据车种的需要，轻型车多采用动力缸、分配阀、转向器为一体的整体式结构。2．电控电动转向助力系统EPS电脑ECU根据转矩传感器的转矩及方向信号和车速信号，调节电动机的转向助力转矩，替代了液压助力系统。无复杂的液压助力系统及其所对应的所有故障，并使系统总重减轻了25%，降低了油耗和维修费用，因而在各类乘用车上日渐广泛使用。10.2电动油泵电控液压动力转向系统

10.2.1大众POLO车电动油泵液压助力转向系统的组成该系统由一体化的电脑EPS/ECU、直流电机、转子式油泵和控制阀（分配阀、扭杆）、转角传感器、动力缸、齿轮和齿条等组成。1．电脑EPS/ECU与电控喷射系统的电脑EFI/ECU和CAN数据总线联网，综合信号共享，分别控制。根据转向工况的需求，以不同的电流值，控制和调节电动油泵的流量和油压。2．电动油泵转子式油泵由直流电机驱动。直流电动机的特点是：转矩大、调速范围宽，改变驱动电流的大小，即可使其转速突变，能按工况的需要，在转向时，以不同的电流值，驱动电机和油泵按需而量化工作，产生堆积助力油压。泵壳上有限压阀，用来进行过压保护。3．转角传感器信号转角传感器采用光电式，安装于方向盘的转轴上。其工作原理是利用单位时间内LED灯光的通断次数和快慢，来测定方向盘转动的角度α大小和角速度ω的大小（角速度ω＝角度α/时间t）。将此信号传给电脑EPS/ECU。4．发动机转速信号SP和车速信号VSS由CAN数据总线提供信号，用来判定发动机和汽车的运动状态（静止状态或运动状态），及车速的高低。5．控制阀及动力缸扭杆式的分配阀与传统的转向助力系统的结构原理相同，利用扭杆及分配阀的变形和位移，完成“渐进随动”转向控制和安全保护等八项功能①不转－不助；②小转－小助；③大转－大助；④停转－停助、维持；⑤车速低、助力大－轻便；⑥车速高、助力小－有手感，防止发飘；⑦单边冲击或爆胎－反向助力，保位直行；⑧助力系统失效-仍能手动机械转向。6．转向助力系统控制电路（1）电脑ESP/ECU和电机、油泵结为一体，简化了控制电路。并和转角传感器、多路信息传输系统CAN-BUS的高速线（H）、CAN-BUS低速线（L）的控制单元联网互控，实现信息共享和自我诊断等工作（如发动机转速信号SP、车速信号VSS的截取和故障诊断等工作）（2）30号线是常火线，给电脑ESP/ECU的随机存储器RAM，提供12V常工作电源。（3）15号线是开关控制的电源线，受点火开关IG/SW控制，并设有保护熔断丝Fuse。SW/ON后，即给电脑ESP/ECU加上12V的工作电压。（4）31号线是搭铁线。10.3.2大众POLO车电动油泵电控液压动力转向系统的特点（1）电脑EPS/ECU接受转角传感器的信号（大小），车速传感器信号VSS（高低）、发动机转速信号SP，经过分析编程处理，输出不同的电流值，通过直流电动机，控制电动油泵的工作流量。在转向时，提供瞬时工作油压，不转向时，电动油泵不工作，无额外动力消耗，发动机的节油量可达0.2L/100km。（2）电脑EPS/ECU在转向时，因角速度ω＝角度α/时间t，使电动油泵流量的多少和油压的高低按工况需求而变。

10.3电控电动转向助力系统

10.3.1电动转向助力系统EPS的优点（1）EPS系统只在转向时电动机才提供助力，因而能减少能量消耗，并能在各种行驶工况下提供最佳的转向助力。（2）减小了由于路面不平所引起的对转向系统的干扰，改善了汽车的转向性能，减轻了汽车低速行驶时的转向操纵力，提高了汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。（3）安装简便，自由度大，而且成本低，无漏油故障的发生，更好的通用性。10.3.2电控电动转向助力系统EPS的组成电控电动转向助力系统EPS由装在转向器输入端的转矩传感器、电磁离合器、电动机及变速器（减速机构）、电脑（EPS/ECU）等元件组成。1．转矩传感器转矩传感器的作用是检测作用在转向盘上的转矩大小和方向，把不同的电压信号传送给电脑EPS/ECU。多采用光电式或磁电式两种结构。2．直流电动机及减速机构直流电动机的特点是转矩大、调速范围宽，改变驱动电流的大小，即可使其转速突变，在适当的时候提供转向助力转矩。电动机分直流有刷永磁电动机和直流无刷永磁电动机，前者可靠性差，但控制程序简单；后者可靠性高，但其控制程序复杂。10.3.3电控电动转向助力系统EPS的工作原理电子控制单元EPS/ECU接受转向盘的转向转矩信号和车速信号VSS的高低及发动机转速信号SP的高低。判断发动机是否工作，以决定EPS系统是否投入工作，在发动机熄火情况下EPS系统停止工作。经过判断和处理后，根据事先存储器中确定好的助力特性，确定和输出助力转矩电流的大小和方向（助力电机的正、反转，工作时间及工作频率）。低速时助力作用大，转向轻便；高速时减小助力，以提高路感和操纵稳定性（无发飘手感）。10.4.4三种转矩传感器的工作原理1．光电式转矩传感器光电式转矩传感器由遮光圆盘和光电管组成，它是属于非接触式转矩传感器。由两个带孔的遮光圆盘和一个弹性扭力杆组成。圆盘随方向盘一起转动，每个遮光器是由一个发光二极管LED和一个光敏晶体管组成，彼此面对面相对安装，中间有扭力杆弹性连接。当转向盘转动时，因转向阻力的存在，扭杆变形，两个光电元件之间的光电信号值即出现差值，此差值即为转向助力的度量值。转向力矩越大，扭杆变形越大，差值角度就越大。此转矩和方向信号传送给ECU。ECU再根据车速传感器信号以及车辆状态信号（静态或动态），经过编程处理，通过助力电动机，提供转向助力量化控制。2．磁电式转矩传感器磁电式转矩传感器中，有两对磁极环，相对安装，连接输入和输出轴，以磁性连接替代了弹性连接的扭力杆，它为非接触式转矩传感器，体积小、输出的信号值精度高。当输入轴与输出轴之间产生扭转角度差值时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应线圈中磁感应量发生变化，它就是转向助力的度量值，此信号输出给电脑EPS/ECU，作为转向助力的依据。3．磁阻式转矩传感器（奥迪车系）输入轴上装有多极磁环，输出轴上装有磁阻元件MRE，两者用扭力杆弹性连接，可相对角位移。转向时扭力杆变形，多极磁环旋转，引起磁通的变化，使磁阻元件的阻值发生变化，因而输出电压发生变化，它就是转向助力的度量值，此信号输出给电脑EPS/ECU。10.4.5EPS系统的电路原理图（1）EPS转向助力系统由EPS/ECU、转矩传感器、控制电动机和离合器、EPS故障指示灯、故障自诊断接口等组成，它和电喷系统的ECU联网工作，使传感器信号共享。10.4汽车的电控四轮转向系统（4WS）

四轮转向4WS（4WheelSteering）是指前、后轮都能转向，能实现同相位转向和异相位转向，对后轮转角能进行异相位修正，能有效地控制汽车不足转向特性的保持，使汽车在连续同向转向状态下能高速安全行驶。

（a）同相位转向 （b）异相位转向10.4.1机械传动电子控制系统四轮转向系统的组成1．组成机械传动电子控制系统四轮转向系统分前桥转向系统和后桥转向系统两部分，前后轮的转向机构是机械传动。（1）前桥转向系统为传统的齿轮齿条转向器，无液压助力系统，完成2WS转向控制。并通过连接轴输出前轮的转角量值，使后桥转向系统同步工作。（2）后桥转向系统因要进行相位转换和修正，结构较复杂，它有转向节、4WS转换器、主、辅电动机等部件，组成了一个机电组合的后轮转向控制箱。（3）此系统结构简单，无液压转向助力系统，只适用于小型乘用车。2．工作原理（1）方向盘的转动传到前轮的齿轮齿条式转向器，齿条使转向横拉杆左右运动，以控制前轮的转向，同时，输出齿轮旋转，通过连接轴传到后轮转向器控制箱中的扇形齿轮。（2）方向盘通过连接轴，使扇形齿轮向右或向左旋转，扇形齿轮使转向节左右偏转，转向节经过偏心轴，使横拉杆做左右方向的移动，使后轮同步转向。（3）后轮转向控制箱中的转向节是一个内外圈都可转动的万向节。外圈与扇形齿轮为一体，可绕转向节中心轴左右偏转，用来改变后轮的转向角度；内圈与偏心轴连接，它利用4WS转换器电机的旋转，能改变偏心轴的位置，能正向或逆向旋转，约55°转角，用来改变后轮的转向角的大小和方向（相位的转换和修正）。（4）偏心轴的旋转是由4WS/ECU通过主电机和辅助电机的驱动来实现（辅助电机为备用电机），从而进行相位转换和角度修正。同时，转向角度传感器，将连杆的旋转角度，利用滑动电阻把对应于旋转角度的模拟电压输出给4WS/ECU，进行对比反馈控制。（5）低车速时前后轮为异相位转向；高车速时为同相位转向（>40km/h时），并能随时对后轮转角进行修正，保持不足转向的控制状态。（6）2WS/4WS开关用来选择转向模式，倒车时也可选用2WS模式，便于驾驶。10.4.2液压传动电子控制方式四轮转向系统液压传动电子控制方式的4WS系统，适于有动力转向的汽车，结构简单，管路容易布置，并且随着超低压子午线轮胎的广泛使用。本章小结

电子控制动力转向系统转向操纵灵活、轻便，能吸收路面对前轮的冲击。电子控制动力转向系统可分为电动油泵电控液压动力转向系统、电控电动转向助力系统。电动油泵电控液压动力转向系统转向控制电脑EPS/ECU接受转角传感器的信号（大小），车速传感器信号VSS（高低）、发动机转速信号SP，经过分析编程处理，输出不同的电流值，通过直流电动机，控制电动油泵的工作流量。在转向时，提供瞬时工作油压，最后推动转向轮偏摆。不转向时，电动油泵不工作，无额外动力消耗。电子控制电动助力的转向系统EPS由装在转向器输入端的转矩传感器、电磁离合器、电动机及变速器（减速机构）、