汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的有關(guān)問題分析

畢大寧，康富生，呂斌

(山東先河悅新機(jī)電股份有限公司，山東 淄博 255120)

1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制目標(biāo):如何在不同車速和不同轉(zhuǎn)角下，根據(jù)傳感器測(cè)量的扭矩信號(hào)、儀表盤提供的車速信號(hào)，使控制器CPU按著一定的規(guī)律提供適當(dāng)?shù)目刂齐娏鳎瑥亩闺姍C(jī)提供不同的助力，使汽車在轉(zhuǎn)向過程中達(dá)到最大助力和阻尼效果。

當(dāng)前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在整車操縱穩(wěn)定性方面存在兩大問題:

(1)汽車高速行駛時(shí)，方向盤發(fā)飄問題。

(2)汽車進(jìn)入轉(zhuǎn)向過程后，松開方向盤車輪回正時(shí)轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺頭現(xiàn)象。

現(xiàn)在這些問題由于在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了EPS技術(shù)后都有望獲得解決。首先，汽車采用EPS技術(shù)可以在汽車高速行駛時(shí)降低助力甚至于增加阻尼達(dá)到增加轉(zhuǎn)向手力的目的，使駕駛員在高速行駛時(shí)操縱方向盤有沉重感，不再有發(fā)飄的感覺。一般來說，日本的資料表明在車速30 km/h開始電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始起作用，方向盤開始有沉重感。分30～40 km/h、40～60 km/h兩階段減小助力，60 km/h以后不再減小助力了同時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大阻尼，前一階段減得快、后一階段減得慢。這樣做基本上解決了發(fā)飄問題。其次，汽車采用EPS技術(shù)以后，還要采用新型的既能表示方向盤扭矩也能表示方向盤所轉(zhuǎn)角度的傳感器。控制器(EPS)還要增加控制功能:在轉(zhuǎn)向輪回到0°(直線行駛位置)時(shí)能自動(dòng)克服慣性主動(dòng)停下來(控制電機(jī)制動(dòng)，甚至反向助力)，使車輪不產(chǎn)生擺頭或只產(chǎn)生盡量小的擺頭。這樣一來EPS除解決了方向盤發(fā)飄問題外，也解決了轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺頭的問題。

所以采用了EPS后，汽車在整車操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性和安全性諸方面均獲得非常滿意的效果。

2 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作規(guī)律就是應(yīng)按汽車?yán)硐氲霓D(zhuǎn)向助力模型進(jìn)行工作。這個(gè)理想的助力模型就是為解決方向盤“發(fā)飄”問題而建立的。在汽車提高車速的過程中既要保持輕便，又要逐漸地相對(duì)地增加沉重感覺(圖1)。

2.1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想助力模型的要求

(1)隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同。

(2)隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大;反之亦然。

(3)隨方向盤轉(zhuǎn)角增大，電機(jī)輸出扭矩按一定規(guī)律增大;反之亦然。

(4)隨汽車車速增大，電機(jī)輸出扭矩按一定規(guī)律減小。隨汽車車速減小，電機(jī)輸出扭矩按一定規(guī)律增大。

(5)各元件均有快速、協(xié)調(diào)和準(zhǔn)確的響應(yīng)。

2.2 對(duì)EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.2.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全性設(shè)計(jì)

在受到地面沖擊或外界橫向力(如側(cè)風(fēng))作用時(shí)產(chǎn)生反向力矩，保持方向穩(wěn)定和恢復(fù)正常行駛。

2.2.2 系統(tǒng)的無故障設(shè)計(jì)

提高元器件安全系數(shù)，各部件必須經(jīng)過嚴(yán)格出廠檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)誤操作保護(hù)設(shè)計(jì)(保護(hù)性電路設(shè)計(jì)，個(gè)別系統(tǒng)中個(gè)別部位電壓、電流和溫度保護(hù))。

2.2.3 系統(tǒng)的失效保護(hù)設(shè)計(jì)

防止單個(gè)元件損壞影響其他元器件正常工作(采用各種保護(hù)電路)，ECU失效后，可恢復(fù)機(jī)械轉(zhuǎn)向器直接工作。

2.2.4 系統(tǒng)的故障代碼設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的故障代碼設(shè)置應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮:

(1)系統(tǒng)正常;

(2)扭矩傳感器系統(tǒng)異常;

(3)車速傳感器信號(hào)系統(tǒng)異常;

(4)電子控制器(ECU)工作異常;

(5)電磁離合器異常;

(6)電動(dòng)機(jī)異常;

(7)線路異常;

(8)電源異常(蓄電池電壓不足)。

2.3 EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的信號(hào)

2.3.1 車速信號(hào)

車速信號(hào)一般來自電子儀表盤或車速傳感器。

北斗星汽車的車速信號(hào)在車速為60 km/h時(shí)應(yīng)為42.47 Hz，此時(shí)端子電壓在7 V以下，輸出電流20 mA以下，T=1 ms(圖 2)。

北斗星汽車的電子儀表盤上，車速儀表速比為1∶637，相當(dāng)于每1 km/h時(shí)有5096個(gè)脈沖(1.42/s)，如利用電子儀表盤4P接口，其為半波，應(yīng)有2548個(gè)脈沖(0.71/s)。100 km/h時(shí)應(yīng)有254800個(gè)脈沖(71/s)。

2.3.2 扭矩信號(hào)

實(shí)際上扭矩信號(hào)來自傳感器，由于轉(zhuǎn)向軸扭矩通過對(duì)電機(jī)的控制技術(shù)，采用CPU芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行脈寬調(diào)制控制。

這種扭矩傳感器在±5 V電源供電時(shí)，實(shí)際上輸出為1.37～3.63 V電壓信號(hào)，2.5 V是直線行駛時(shí)的零點(diǎn)信號(hào)。也可以認(rèn)為直線行駛時(shí)為0 V，兩個(gè)方向?yàn)椤?.13 V(圖3)。

2.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作信號(hào)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作信號(hào)直接來自發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈，發(fā)動(dòng)機(jī)每2轉(zhuǎn)4個(gè)脈沖。該波形應(yīng)為單向波形(圖4)。

2.4 對(duì)電機(jī)的控制

2.4.1 控制要求

(1)電機(jī)的隨動(dòng)控制——方向盤在包括中間位置在內(nèi)的任意位置停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)能迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)。無滯后、沉重感。

(2)電機(jī)的中位控制——電機(jī)在方向盤中位進(jìn)行阻尼控制，以保證中間位置路感。

(3)電機(jī)的慣性控制——電機(jī)在啟動(dòng)、換向或停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行慣性控制或慣性補(bǔ)償，防止慣性沖擊。

(4)電機(jī)的回正控制——保證電機(jī)在完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作后迅速回正到中位，有回正功能。

(5)電機(jī)的溫度補(bǔ)償控制——解決由溫度升高導(dǎo)致電機(jī)輸出功率下降問題。

2.4.2 對(duì)電機(jī)的保護(hù)控制

(1)過載保護(hù)裝置——有電機(jī)電流測(cè)量模塊，限制電流過載。

(2)溫度保護(hù)裝置——根據(jù)溫度對(duì)傳感器功能的影響，電機(jī)電流超過設(shè)定值。會(huì)按一定規(guī)律增加;當(dāng)電機(jī)電流低于設(shè)定值，會(huì)恢復(fù)原來設(shè)定值。

(3)防水保護(hù)——加密封圈、增加防水插頭、插座。

(4)電路系統(tǒng)故障保護(hù)——無故障設(shè)計(jì)，雙回路設(shè)計(jì)。

(5)失效保護(hù)——過去都是應(yīng)用電機(jī)的離合器故障燈亮來實(shí)現(xiàn)。

3 當(dāng)前國內(nèi)電動(dòng)轉(zhuǎn)向各總成研制的幾個(gè)問題

3.1 EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)問題

3.1.1 程序設(shè)計(jì)問題

如何在不同車速和不同轉(zhuǎn)角下發(fā)揮電機(jī)根據(jù)傳感器測(cè)量的扭矩信號(hào)、車速信號(hào)提供電機(jī)不同的控制電流，從而提供不同的電機(jī)助力能力，達(dá)到最大助力效果。一方面要按一定的數(shù)學(xué)模型(算法)或理想的轉(zhuǎn)向手力模型(查表+曲線擬合)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。另一方面要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的各種保護(hù)，防止出現(xiàn)溫度、干擾等的影響。

控制器設(shè)計(jì)的兩大問題:

(1)芯片選型:功能、價(jià)格(性價(jià)比);

(2)實(shí)施方案:算法、控制邏輯、電路板設(shè)計(jì)、電路板工藝。

3.1.2 供電問題

(1)電源必須濾波以防干擾;

(2)線路、輸入線、控制盒屏蔽以防干擾;

(3)供電電流應(yīng)為純直流脈沖方波供電;

(4)控制電流的修正要按著上述對(duì)電機(jī)的控制和保護(hù)要求進(jìn)行。

3.2 控制器的設(shè)計(jì)

3.2.1 控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

控制器是根據(jù)對(duì)傳感器測(cè)量的扭矩信號(hào)、角度信號(hào)、車速信號(hào)綜合分析后，按一定規(guī)律(模型)向電機(jī)提供不同的控制電流。從而提供不同的電機(jī)助力能力。在不同車速和不同轉(zhuǎn)角下發(fā)揮電機(jī)的最大優(yōu)化助力效果。

3.2.2 控制器的控制功能

要實(shí)現(xiàn)以下對(duì)電機(jī)的控制:

(1)性能控制——按一定的轉(zhuǎn)向手力模型實(shí)現(xiàn)控制;

(2)隨動(dòng)性能——無滯后，無沉重感;

(3)慣性控制——防慣性沖擊;

(4)中位控制——中間位置路感;

(5)回正控制——有回正功能;

(6)阻尼控制——高速時(shí)增大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力;

(7)熱補(bǔ)償控制——溫度超限進(jìn)行功率補(bǔ)償;

(8)若能做到摩擦補(bǔ)償?shù)目刂苿t是最理想的。

3.2.3 控制器本身應(yīng)具備的能力

(1)具有自檢功能和故障代碼儲(chǔ)存功能;

(2)具有故障模式顯示功能;

(3)具有抗電源電壓波動(dòng)適應(yīng)能力;

(4)具有抗電流、電壓過載能力;

(5)具有失電保護(hù)能力。

3.2.4 對(duì)電機(jī)的控制方法

采用單板機(jī)芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)控制。

脈寬調(diào)制頻率PWM與車速關(guān)系曲線如圖5所示。

3.2.5 對(duì)電機(jī)的保護(hù)控制

(1)過載保護(hù)裝置——有電機(jī)電流測(cè)量模塊，限制電流過載。

(2)溫度保護(hù)裝置——根據(jù)溫度對(duì)傳感器功能的影響，電機(jī)電流超過設(shè)定值。就會(huì)按著一定規(guī)律增加;當(dāng)電機(jī)電流低于設(shè)定值，會(huì)恢復(fù)原來設(shè)定值。

(3)防水保護(hù)——加密封圈、增加防水插頭、插座。

(4)電路系統(tǒng)故障保護(hù)——無故障設(shè)計(jì)，雙回路設(shè)計(jì)。

(5)失效保護(hù)——電磁離合器脫開(故障燈亮)。

3.2.6 故障顯示

(1)故障燈顯示。

(2)故障代碼顯示。

(3)數(shù)據(jù)接口——專門故障代碼檢查設(shè)備(待開發(fā))。

(4)國內(nèi)尚無統(tǒng)一通信協(xié)議。

介紹某汽車的故障代碼實(shí)例如下:

故障指示以長短編碼方式給出，長碼寬度1.5 s，短碼寬度0.5 s，間隔0.5 s，長短碼間隔2 s，主碼間隔3 s(圖6)。編碼應(yīng)符合表1規(guī)定。

表1 編碼規(guī)定

3.3 電機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)問題

(1)性能，特別是低速性能。

(2)提高功率。

(3)尺寸。

(4)壽命。

(5)無刷電機(jī)。

3.4 傳感器設(shè)計(jì)有關(guān)問題

(1)精度(獨(dú)立線性度≥ ±2.0%，重復(fù)性誤差≤ ±1.0%，信號(hào)對(duì)稱度≥97%)。

(2)壽命(200萬次以上)。

(3)反映實(shí)際轉(zhuǎn)角和扭矩。

(4)降低成本。

(5)便于安裝。

(6)防止零飄。

3.5 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)時(shí)應(yīng)注意的問題

3.5.1 C-EPS系統(tǒng)

將此系統(tǒng)安裝在乘客艙內(nèi)，開發(fā)工作集中在以下三點(diǎn):

(1)縮小軸向尺寸，保證轉(zhuǎn)向軸的防沖撞功能;

(2)電機(jī)位置不與其他部件干涉;

(3)控制器的安裝位置不應(yīng)遠(yuǎn)離電機(jī)。

有關(guān)此系統(tǒng)的構(gòu)造截面圖如圖7所示。系統(tǒng)包括EPS單元，其中有扭矩傳感器，減速器和電機(jī)，加在傳統(tǒng)的齒輪齒條手動(dòng)轉(zhuǎn)向器上，這種構(gòu)造通過EPS單元控制著轉(zhuǎn)向助力的功能。

3.5.2 P-EPS系統(tǒng)

現(xiàn)在大批量生產(chǎn)的C-EPS的控制器，都安裝在乘客艙內(nèi)。但是P-EPS控制器卻必須安裝在條件更為惡劣的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。因此，要在傳統(tǒng)的控制器的基礎(chǔ)上考慮增力系統(tǒng)，加裝過載保護(hù)，溫度過熱保護(hù)和防水結(jié)構(gòu)。

由于P-EPS安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，其穩(wěn)定溫度設(shè)定在120℃，遠(yuǎn)高于C-EPS。因此，由于工作溫度范圍較大，不變的過載保護(hù)控制器會(huì)降低效率，故可采用溫度感應(yīng)器。其作用是通過安裝在扭矩傳感器上的熱敏電阻來感知P-EPS系統(tǒng)的環(huán)境溫度，這樣控制器就可以進(jìn)行過載保護(hù)控制，以與P-EPS系統(tǒng)的環(huán)境溫度(工作溫度)保持一致。

其結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，這是典型的P-EPS產(chǎn)品。

3.5.3 S-EPS系統(tǒng)

循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器S-EPS的工作狀態(tài)與其他電動(dòng)轉(zhuǎn)向器是一樣的，只不過其機(jī)械轉(zhuǎn)向器部分是循環(huán)球－齒條齒扇傳動(dòng)結(jié)構(gòu)(圖 9)。

在其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，最要考慮的是電機(jī)位置的確定。當(dāng)然對(duì)于2噸以上的貨車轉(zhuǎn)向器周圍安裝空間較大，但是對(duì)于小噸位吉普車和皮卡車來說其安裝空間較小，周圍部件對(duì)于電機(jī)的位置是要仔細(xì)設(shè)計(jì)的，一般汽車廠家要求與周圍部件要保持20 mm安全距離，所以要充分考慮安裝的空間位置。

這種S-EPS系統(tǒng)一樣是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙里，所以在安裝方面的要求是相同的。除了考慮高溫的影響外同樣要考慮防水的結(jié)構(gòu)問題。

3.6 對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能影響的因素

3.6.1 要研究反向滑動(dòng)負(fù)載對(duì)系統(tǒng)性能的影響

增加減速蝸輪蝸桿的速比是提高系統(tǒng)的輔助增力的一種常見方法。然而，這會(huì)不可避免地導(dǎo)致有刷電機(jī)的慣性增加和扭矩降低，其作用在轉(zhuǎn)向柱上導(dǎo)致方向盤的不完全回正，這是EPS系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，在充分考慮到客戶要求——轉(zhuǎn)向齒輪的安裝空間，轉(zhuǎn)向響應(yīng)，轉(zhuǎn)向手感和齒條力后，盡可能地選擇較高的減速比。

與傳統(tǒng)的產(chǎn)品相比，塑料蝸輪與蝸桿副的反向滑動(dòng)負(fù)載(自身的摩擦力)已降低了10%。通過降低齒輪齒條及EPS各構(gòu)件的摩擦阻力，來降低反向滑動(dòng)負(fù)載是一個(gè)辦法。對(duì)于EPS，研究油封轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，調(diào)整蝸輪蝸桿支撐軸承的預(yù)緊力，解決油封轉(zhuǎn)動(dòng)阻力都是很重要的。軸的材料，軸承的支撐結(jié)構(gòu)以及線圈彈簧力的設(shè)定也很重要。

3.6.2 電機(jī)最大功率的匹配與選型

通過控制器使電機(jī)的助力始終處于最佳狀態(tài)，也就是說在不同的車速下電機(jī)都能發(fā)揮最大助力效果。這也就是EPS電機(jī)匹配問題的重要性。

如某汽車的方向盤轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，減速機(jī)構(gòu)速比為16.5，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)為1000 r/min，所以在此速度工作時(shí)電機(jī)功率應(yīng)為最大，實(shí)際上確實(shí)如此。

電動(dòng)轉(zhuǎn)向所能匹配的電機(jī)有直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)兩種。現(xiàn)在常用的是直流有刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)的特點(diǎn)是成本低，性能能滿足電動(dòng)轉(zhuǎn)向要求，但是壽命和噪聲均是存在的問題。而直流無刷電機(jī)在壽命和噪聲方面有巨大的優(yōu)勢(shì)，但是成本上升，而且由于必須進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，控制器的結(jié)構(gòu)相應(yīng)復(fù)雜。

我們?cè)谶x用電機(jī)時(shí)則應(yīng)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，原車結(jié)構(gòu)，匹配性能，電機(jī)性能(包括轉(zhuǎn)速和噪聲)以及成本諸因素確定。因?yàn)殡妱?dòng)轉(zhuǎn)向器安裝位置很緊湊，所以對(duì)電機(jī)的尺寸有一定限制。一般來說電機(jī)尺寸小、功率大、性能好、壽命長，特別是噪聲低最受歡迎。

發(fā)展中大型汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向的最大難題主要是電機(jī)的功率和尺寸的確定，電機(jī)消耗電流大(可能達(dá)到24 V、80 A)，對(duì)蓄電池的容量也會(huì)造成一定的問題，所以一般載重3噸以上的車輛要考慮電池的容量了。

3.6.3 采用耐熱樹脂的減速蝸輪

蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，它能提供較高的減速比。一般都采用塑料蝸輪或新型樹脂材料，它們已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用于減速蝸輪以使其滿足以下性能要求:

(1)高強(qiáng)度及耐磨性，適用于高輸出扭矩電機(jī)，因?yàn)镋PS不僅用于緊湊型小車還用于普通轎車和中大型汽車;

(2)足夠的耐熱性，適宜安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，艙內(nèi)溫度高達(dá)120℃;

(3)足夠的抗低溫性能，環(huán)境溫度可能達(dá)到－40℃;

(4)注塑工藝性要好，保證無氣孔才行，蝸輪材料注塑后產(chǎn)生圓周方向氣泡，一般的注塑工藝方法是解決不了的;

(5)國外進(jìn)口減速蝸輪材料化驗(yàn)顯示其為納米尼龍，極其耐磨和耐高溫。在減速蝸輪耐久試驗(yàn)后，齒側(cè)間隙(蝸桿和減速蝸輪之間的間隙)的增加與樹脂材料的粘度成反比例。因此，要選擇粘度上限的樹脂材料。經(jīng)過減速蝸輪耐久試驗(yàn)后，齒側(cè)間隙的增大與傳統(tǒng)的減速蝸輪相當(dāng)。