汽車電動(dòng)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(jī)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(guó)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(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在國(guó)外，各大汽車公司對(duì)汽車電動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic powersteering,簡(jiǎn)稱HPS）。

2 EPS技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

自1953年美國(guó)通用汽車公司在別克轎車上使用液壓動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(yīng)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(chǎng)效果；1999年奔馳和西門子公司開始投巨資開發(fā)EPS。上世紀(jì)九十年代初期，日本鈴木、本田、三菱、美國(guó)Delphi汽車公司、德國(guó)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(dòng)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(guó)外，EPS已進(jìn)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(guó)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前絕大部分采用機(jī)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(dòng)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(dòng)機(jī)、電磁離合器以及減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其機(jī)構(gòu)示意如圖1所示。

其基本工作原理是：當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送至電子控制單元ECU，ECU再根據(jù)扭矩信號(hào)、車速信號(hào)、軸重信號(hào)等進(jìn)行計(jì)算，得出助力電動(dòng)機(jī)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(guān)鍵部件

3.2.1 扭矩傳感器

扭矩傳感器用來檢測(cè)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(hào)之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)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(jì)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(duì)制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強(qiáng)、剛度相對(duì)較高，易實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)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(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，無刷永磁電機(jī)具有無激磁損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。電機(jī)是EPS的關(guān)鍵部件之一，對(duì)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(dòng)態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機(jī)具有線性的機(jī)械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機(jī)低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。

3.2.3 電磁離合器

電磁離合器是保證電動(dòng)助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。當(dāng)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(shí)，離合器便自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)的電源，恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。此外，在不助力的情況下，離合器還能消除電動(dòng)機(jī)的慣性對(duì)轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不加轉(zhuǎn)向助力時(shí)駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時(shí)還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。

3.2.4 減速機(jī)構(gòu)

減速機(jī)構(gòu)用來增大電動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。由于減速機(jī)構(gòu)對(duì)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(duì)稱性方面對(duì)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(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù)EPAS的特點(diǎn)，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(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流Imo，然后電流控制器控制電動(dòng)機(jī)的電流Im,使電動(dòng)機(jī)輸出目標(biāo)助力矩。因此EPS的控制要解決兩個(gè)問題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個(gè)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(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的決策，下層控制器通過控制電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓，跟蹤目標(biāo)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(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)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(cè)得的車速信號(hào)；

(2)輸人由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)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(dòng)機(jī)目標(biāo)電流；

(4)通過電動(dòng)機(jī)電流控制器控制電動(dòng)機(jī)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(biāo)，決定著EPS系統(tǒng)的性能。EPS的助力特性曲線屬于車速感應(yīng)型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸人下，電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)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(dāng)汽車以一定速度行駛時(shí)，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(dòng)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(duì)前一種情況，可以利用電動(dòng)機(jī)的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況需要對(duì)助力進(jìn)行補(bǔ)償，以增加回正能力。

根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)。回正控制的內(nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂疲３謾C(jī)械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉(zhuǎn)向回正時(shí)，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(duì)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(shí)，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會(huì)有通常說的 “飄”的感覺，這給駕駛帶來很大的危險(xiǎn)。為提高高速行駛時(shí)駕駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行阻尼控制，適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時(shí)手感的‘穩(wěn)重”。汽車高速行駛時(shí)，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(shí)要大，為了抑制這種橫擺振動(dòng)，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(shí)，由于電動(dòng)機(jī)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(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時(shí)不容易收斂，此時(shí)，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時(shí)，只需將電動(dòng)機(jī)輸出為制動(dòng)狀態(tài)，就可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生阻尼效果。

5 EPS的特點(diǎn)

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

（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(duì)轉(zhuǎn)向系的擾動(dòng)，改善了汽車的轉(zhuǎn)向特性。

（2）EPS只在轉(zhuǎn)向時(shí)電動(dòng)機(jī)才提供助力，相比液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可節(jié)約燃油3％~5％，因而燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(shè)置不同的程序，改變轉(zhuǎn)向特性，裝配自動(dòng)化程度更高，能與不同的車型匹配，縮短生產(chǎn)和開發(fā)時(shí)間，提高了效率。

（5）由于EPS不存在滲漏問題，因而減少了對(duì)環(huán)境的污染。

（6）HPS在低溫下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)增加轉(zhuǎn)向作用力和發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，因而其低溫運(yùn)行狀況好于HPS。

6 EPS的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

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(rèn)可，但是仍有一些問題需要解決：

（1)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的性能及其與整個(gè)EPS系統(tǒng)的匹配是關(guān)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(guó)內(nèi)對(duì)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(yàn)為主，因此需要確定合理的助力特性；

（3）EPS除了應(yīng)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(dòng)機(jī)附近，不可避免地會(huì)有熱輻射與電磁干擾的影響，因此對(duì)EPS的控制策略提出了很高的要求。

EPS當(dāng)前已經(jīng)較多應(yīng)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(rèn)可。隨著直流電機(jī)性能的提高和42V電源在汽車組件上的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)寬，并逐漸向微型車、輕型車和中型車擴(kuò)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(zhǎng)速度發(fā)展，年增長(zhǎng)量達(dá)130萬-150萬套。據(jù)TRW公司預(yù)測(cè)，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(dá)到2500萬套。因此，EPS將具有十分廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。