汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)分析

1 前言

汽車助力轉(zhuǎn)向依次經(jīng)歷了機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等階段，國際上已有一些大的汽車公司在探討開發(fā)的下一代線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在國外，各大汽車公司對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric power steering-EPS,或稱Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20多年的歷史。隨著近年來電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低，EPS越來越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點，迅速邁向了應用領域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic powersteering,簡稱HPS）。

2 EPS技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況

自1953年美國通用汽車公司在別克轎車上使用液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來，HPS給汽車帶來了巨大的變化，幾十年來的技術(shù)革新使液壓動力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展異常迅速，出現(xiàn)了電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( Electric Hydraulic Power Steering,簡稱EHPS）。1988年2月日本鈴木公司首先在其Cervo車上裝備EPSTM，隨后又應用在Alto汽車上；1993年本田汽車公司在愛克NSX跑車上裝備EPS并取得了良好的市場效果；1999年奔馳和西門子公司開始投巨資開發(fā)EPS。上世紀九十年代初期，日本鈴木、本田、三菱、美國Delphi汽車公司、德國ZF等公司相繼推出了自己的EPS。TRW公司繼推出EHPS后也迅速推出了技術(shù)上比較成熟的帶傳動EPS和轉(zhuǎn)向柱助力式EPSTM，并裝配在Ford Fiesta和Mazda 323F等車上，此后EPS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。在國外，EPS已進入批量生產(chǎn)階段，并成為汽車零部件高新技術(shù)產(chǎn)品，而我國動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前絕大部分采用機械轉(zhuǎn)向或液壓助力轉(zhuǎn)向，EPS的研究開發(fā)處于起步階段。

3 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

3.1 EPS的結(jié)構(gòu)及工作原理

電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車上的結(jié)構(gòu)部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)向）傳感器、電子控制單元ECU,電動機、電磁離合器以及減速機構(gòu)構(gòu)成，其機構(gòu)示意如圖1所示。

其基本工作原理是：當轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，扭矩傳感器將檢測到的轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)化為電信號送至電子控制單元ECU，ECU再根據(jù)扭矩信號、車速信號、軸重信號等進行計算，得出助力電動機的轉(zhuǎn)向和助力電流的大小，完成轉(zhuǎn)向助力控制，EPS系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

3.2 EPS的關鍵部件

3.2.1 扭矩傳感器
   
扭矩傳感器用來檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向，它是EPS的控制信、號之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領市場的關鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要是電位計式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型，而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進行折中，難以實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強、剛度相對較高，易實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。

3.2.2 電動機

電動機根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無刷永磁電動機，無刷永磁電機具有無激磁損耗、效率較高、體積較小等特點。電機是EPS的關鍵部件之一，對EPS的性能有很大的影響。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，具有良好的動態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機具有線性的機械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗干擾能力強。

3.2.3 電磁離合器

電磁離合器是保證電動助力只在預定的范圍內(nèi)起作用。當車速、電流超過限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時，離合器便自動切斷電動機的電源，恢復手動控制轉(zhuǎn)向。此外，在不助力的情況下，離合器還能消除電動機的慣性對轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不加轉(zhuǎn)向助力時駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。

3.2.4 減速機構(gòu)

減速機構(gòu)用來增大電動機傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機構(gòu)。由于減速機構(gòu)對系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對稱性方面對其提出了較高的要求。

4 EPS的電流控制

EPS的上層控制器用來確定電動機的目標電流。根據(jù)EPAS的特點，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。

EPS的電流控制方式控制過程為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出Th和車速傳感器的輸出V由助力特性確定電動機的目標電流Imo，然后電流控制器控制電動機的電流Im,使電動機輸出目標助力矩。因此EPS的控制要解決兩個問題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來根據(jù)基本助力特性及其補償調(diào)節(jié)，進行電動機目標電流的決策，下層控制器通過控制電動機電樞兩端的電壓，跟蹤目標電流。

4.1 助力控制

助力控制是在轉(zhuǎn)向過程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速機構(gòu)把電機轉(zhuǎn)矩作用到機械轉(zhuǎn)向系（轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。

步驟如下：

(1)輸入由車速傳感器測得的車速信號；

(2)輸人由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測得的轉(zhuǎn)向盤力矩大小和方向；

(3)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤力矩，由助力特性得到電動機目標電流；

(4)通過電動機電流控制器控制電動機輸出力矩。在這一基本控制過程中，助力特性曲線確定系統(tǒng)的控制目標，決定著EPS系統(tǒng)的性能。EPS的助力特性曲線屬于車速感應型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸人下，電動機的目標電流隨車速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。

4.2 回正控制

當汽車以一定速度行駛時，由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。隨著車速的提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，二者綜合作用使得回正性能提高。駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤將在回正力矩的作用下回正。在轉(zhuǎn)向盤回正過程中，有兩種情況需要考慮：（1）回正力矩過大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào)；（2）回正力矩過小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。對前一種情況，可以利用電動機的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況需要對助力進行補償，以增加回正能力。

根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬?nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂?，保持機械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉(zhuǎn)向回正時，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制。

4.3 阻尼控制

阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會有通常說的 “飄”的感覺，這給駕駛帶來很大的危險。為提高高速行駛時駕駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進行阻尼控制，適當加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時手感的‘穩(wěn)重”。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時，只需將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機產(chǎn)生阻尼效果。

5 EPS的特點

與傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向(HPS)相比EPS具有以下特點：

（1）EPS能在各種行駛工況下提供最佳力，減小路面不平度所引起的對轉(zhuǎn)向系的擾動，改善了汽車的轉(zhuǎn)向特性。

（2）EPS只在轉(zhuǎn)向時電動機才提供助力，相比液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可節(jié)約燃油3％~5％，因而燃油經(jīng)濟性有了很大的提高。

（3）EPS取消了油泵、皮帶、密封件、液壓軟管、液壓油及密封件等，其零件比傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系大大減少，因而質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊，在安裝位置選擇方面也更為方便，并且可以降低噪聲。

（4）HPS的參數(shù)一經(jīng)確定，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能也隨之確定，很難改正，而EPS可以通過改變和設置不同的程序，改變轉(zhuǎn)向特性，裝配自動化程度更高，能與不同的車型匹配，縮短生產(chǎn)和開發(fā)時間，提高了效率。

（5）由于EPS不存在滲漏問題，因而減少了對環(huán)境的污染。

（6）HPS在低溫下啟動發(fā)動機之后，由于低溫下油的粘度較大，使轉(zhuǎn)向作用力較高，而EPS在低溫下不會增加轉(zhuǎn)向作用力和發(fā)動機的負荷，因而其低溫運行狀況好于HPS。

6 EPS的關鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

EPS系統(tǒng)在操作輕便、節(jié)能等方面顯示了優(yōu)越性，性能己經(jīng)得到人們的普遍認可，但是仍有一些問題需要解決：

（1)電動機的性能及其與EPS系統(tǒng)的匹配是影響控制系統(tǒng)性能、轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等問題的主要因素，因此改善電動機的性能及其與整個EPS系統(tǒng)的匹配是關鍵問題；

（2）助力特性的好壞取決于轉(zhuǎn)向的輕便性和路感。但‘是目前國內(nèi)對于路感問題還沒有成熟的理論研究結(jié)果，研究手段還主要以試驗為主，因此需要確定合理的助力特性；

（3）EPS除了應有良好的硬件保證外，還需要良好的軟件控制做支撐，EPS的安裝一般在發(fā)動機附近，不可避免地會有熱輻射與電磁干擾的影響，因此對EPS的控制策略提出了很高的要求。

EPS當前已經(jīng)較多應用在排量在1.3-1.6L的各類輕型轎車上，其性能已經(jīng)得到廣泛的認可。隨著直流電機性能的提高和42V電源在汽車組件上的應用，其應用范圍將進一步擴寬，并逐漸向微型車、輕型車和中型車擴展。目前，在全世界汽車行業(yè)中，EPS系統(tǒng)每年正以9％-10％的增長速度發(fā)展，年增長量達130萬-150萬套。據(jù)TRW公司預測，到2010年全世界生產(chǎn)的轎車中每3輛就有1輛裝備EPS，到2010年，全球EPS產(chǎn)量將達到2500萬套。因此，EPS將具有十分廣闊的發(fā)展和應用前景。