具有功能安全特點(diǎn)的EPS電控系統(tǒng)方案(上)
1 前言
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Eelectric Power Steering 簡稱EPS)是 一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它作為一 種新型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與已有幾十年發(fā)展歷史的傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向 技術(shù)相比,EPS具有諸多優(yōu)點(diǎn)??梢酝ㄟ^軟件改變它的電動 助力轉(zhuǎn)向特性,因此提高了硬件資源的利用率;而且在低速 行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便,在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向具有沉穩(wěn)感;助力電機(jī) 只在轉(zhuǎn)向時(shí)工作,能夠節(jié)省汽車能源。電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)將 最新電子技術(shù)和高性能電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 大大提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、動力性和機(jī)動性,適應(yīng)了現(xiàn)代汽 車發(fā)展的要求;而且電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有部件少、結(jié)構(gòu)簡 單、便于安裝和維護(hù)等特點(diǎn);采用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽 車,在轉(zhuǎn)向時(shí)由蓄電池向電機(jī)提供較大的驅(qū)動電流,而在直 線行駛時(shí)蓄電池僅向電機(jī)提供很小的控制電流,而且控制系 統(tǒng)可根據(jù)路況和車況調(diào)整控制電機(jī)的助力或阻尼,降低了對
圖1 EPS系統(tǒng)
圖2 C - EPS
發(fā)動機(jī)的功率需求,并大大提高了駕駛轉(zhuǎn)向的舒適性和行駛
安全性。
2 EPS系統(tǒng)簡介
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、方向盤扭矩傳感 器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等 組成,如圖1所示。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是:ECU 根據(jù)扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器的信號以及通訊總線發(fā)來的車 速等其他信息決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和最佳助力扭矩,向電機(jī) 發(fā)出控制信號,通過功率驅(qū)動電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動,電機(jī)的 輸出經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)減速增扭后,驅(qū)動齒輪齒條機(jī)構(gòu),產(chǎn)生相 應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。通過精確的控制算法,可改變電機(jī)的扭矩, 使傳動機(jī)構(gòu)獲得所需的助力值。
電 機(jī) 是 電 動 助 力 轉(zhuǎn) 向 系 統(tǒng) 的 動 力 源 , 其 作 用 是 根 據(jù) ECU的指令輸出適當(dāng)?shù)妮o助扭矩。電機(jī)對EPS系統(tǒng)的性能有 很大的影響,所以EPS系統(tǒng)對電機(jī)有很高的要求,不僅要求 扭矩大、扭矩波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、功率密度高,而且要 求可靠性高和壽命長。由于永磁同步電機(jī)PMSM和直流無 刷 電 機(jī) B L D C 既 具 有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡 單、運(yùn)行可靠、維護(hù) 方便等優(yōu)點(diǎn),又具有 直流電動機(jī)的運(yùn)行效 率高、無勵磁損耗、 調(diào)速性能好等諸多優(yōu) 點(diǎn),因此這兩種三相電機(jī)被廣泛運(yùn)用于各
圖3 P - EPS
圖4 R - EPS
圖6 EPS安全狀態(tài)(safe state)
種EPS系統(tǒng)。
根據(jù)電機(jī)安裝位置和機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同,電動助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)系統(tǒng)可以分為:管柱助力式(Column Mounted)、小齒輪 助力式(Pinion mounted)和齒條助力式(Rack mounted)。
如圖2所示,管柱助力式EPS 系統(tǒng)中將助力電機(jī)安裝在 管柱上,通過減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連,直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸 助力轉(zhuǎn)向。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于安裝,但由于助 力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi),受到空間布置和噪聲的影響,電機(jī)的體積較小,輸出扭矩不大,一般只用在小型及緊湊型車輛 上。
圖5 歐洲部分整車廠和一級部件供應(yīng)商共識的功能安全目標(biāo)
小齒輪助力式EPS 系統(tǒng)中將助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與 小齒輪相連,直接驅(qū)動齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。由于助力電機(jī)不 是安裝在乘客艙內(nèi),因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的 助力扭矩,而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量太大產(chǎn)生的噪聲。詳見 圖3。
如圖4所示,齒條助力式EPS系統(tǒng)中將助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動齒條提供助力,因此能 提供更大的助力,但整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 成本較高,所以適用于豪華車和商務(wù)車。
無論哪種EPS 系統(tǒng),所實(shí)現(xiàn)的功能大致相同:
(1)助力控制 在汽車停車及低速行駛時(shí)提供較大助
力扭矩,使轉(zhuǎn)向過程快捷輕便,而在汽車 高速行駛時(shí)提供較小的助力扭矩以保持轉(zhuǎn) 向過程的可靠與沉穩(wěn)。
(2)阻尼控制
利用電機(jī)扭矩來減弱汽車高速行駛時(shí) 出現(xiàn)的方向盤抖動現(xiàn)象,目的是提高汽車 高速直線行駛穩(wěn)定性。
(3)回正控制
駕駛員松開方向盤后,隨著作用在方 向盤上的力的減小,方向盤將在回正力矩 的作用下回正。需要防止兩種情況:回正 力矩過大,引起方向盤位置超調(diào);回正力矩過小,方向盤不能回到中間位置。
(4)系統(tǒng)通信功能 通過CAN/LIN總線與其他汽車控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。
(5)系統(tǒng)故障診斷功能 能實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng),具有故障報(bào)警和提示功能,在
故障不能自動排除時(shí)切斷EPS 使車輛進(jìn)入傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向模式。(未完待續(xù))
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