汽車中的EPS系統應用分析

劉步豐

摘 要：本文綜述了汽車助力轉向系統EPS的發展，EPS系統的結構組成及工作原理。EPS具有節能、環保、成本低、易控制、結構簡單、便于裝車等傳統轉向助力系統無法比擬的優勢，成為轉向技術的發展方向。

中圖分類號：U469文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2012)04(a)-0000-00

1EPS系統發展概況

轉向助力系統也是汽車很重要的一個組成部分，其性能好壞會直接影響車輛運行時的安全性和操縱穩定性。汽車轉向系統最初采用的是簡單的純機械機構，后來出現了機械—液壓助力轉向系統HPS和電控—液壓助動力轉向系統EHPS，機械轉向系統和傳統的液壓動力轉向系統的固有特性決定了它們并不能同時滿足低速轉向輕便性和高速操縱穩定性的要求，隨著技術的發展，采用現代控制技術和電子技術的電動助力轉向系統EPS應運而生。EPS系統最早是在1988年由日本的鈴木汽車公司研發的。目前現有的4種類型基于齒輪齒條轉向系統的EPS系統，分別是管柱式、齒輪式、雙小齒輪式和齒條助力式。

2 EPS系統的性能及特點

EPS系統能夠提供各種行駛狀態下的最佳助力，在停車或低速轉向時可以提供足夠的轉向助力，在高速轉向時減小助力并能夠保持良好的路感。EPS系統只是在汽車轉向時才會提供助力，這點不同于傳統的液壓動力轉向系統中的油泵一直工作，這就可以平均節省燃油3%，從而提高了汽車的燃油經濟性。EPS系統在結構上很緊湊，零件的數量也減少很多，同時便于安裝和裝配，提高了勞動生產率。并在空間上大為節省，便于其他零部件的布置。EPS系統沒有了液壓回路，因而不存在漏油問題，減少了環境污染。另外，EPS系統具有很好的低溫工作性能，即使在零下40℃的極端環境下，EPS系統也能正常工作。

3 EPS的結構及工作原理

電動助力式轉向系統EPS在不同車型上的結構部件會不盡相同，但基本組成大同小異。它一般是由轉矩傳感器、電子控制單元ECU、電動機、電磁離合器、減速機構和齒輪齒條轉向機構構成，如圖1所示。

圖1 EPS系統結構原理圖

EPS系統的基本工作原理是：駕駛員操縱方向盤進行轉向時，轉矩傳感器將作用于方向盤上的發動機轉速信號、車速信號、扭矩信號輸入電子控制單元ECU，ECU則通過設定好的程序進行運算，計算出目標電流的大小和方向，輸入電動機，電動機產生相應的助力扭矩和助力方向，再經過減速機構和離合器將扭矩傳遞給齒輪齒條轉向機構，為駕駛員提供同向且合適的助力。當汽車處于直線行駛狀態時，EPS系統不提供助力，電動機停止工作，只有在汽車轉向時，系統才提供助力控制作用。電動助力轉向系統EPS可以實時地在不同的車速下為汽車轉向提供相適應的助力，從而保證汽車可以在低速行駛時提供較大助力，使得輕便靈活，高速行駛時減少助力，使得操縱穩定可靠。完整的 EPS 系統還會包括安全保護與故障診斷系統。當系統的某一部件發生故障時，可以斷開離合器使助力系統與機械轉向系統分開，相當于僅有機械轉向系統工作，同時故障信號指示燈報警，保障了駕駛的安全性，同時在ECU中存儲電子部件的異常如電動機工作異常、車速傳感器異常、扭矩傳感器異常、蓄電池異常等。另外，EPS系統可以在不改變系統結構的情況下，通過改變系統的控制程序來實現系統轉向性能的改變，從而可以滿足對不同工況、不同車型及不同駕駛員的轉向助力特性，可以大大減低開發成本，提高開發效率。

汽車在行駛過程中，方向盤是需要頻繁轉動的，也就是說，ECU要在各種工況下對電動機進行控制，另外，EPS系統在保證路感的前提下，要能夠隨車速等相關參數的變化提供相應的助力，并且可以提供良好的回正控制能力，這些都是要通過控制電動機的電流大小來實現。因此，EPS系統設計的關鍵是設計電動機的電流控制器。

EPS系統的電流控制過程為：電流控制器接收包括車速傳感器輸出的車速信號和扭矩傳感器輸出的方向盤扭矩信號，根據設計需要的助力特性確定電動機的目標電流，輸入到電動機的電流使電動機輸出目標助力轉矩。可見EPS系統控制時首先要解決確定助力特性和跟蹤該助力特性這兩個問題。其主要控制有：助力控制（包括汽車原地轉向助力控制和動態轉向助力控制）；阻尼控制（提高汽車高速行駛時的轉向穩定性）；回正控制（使方向盤能夠更快、更準確地回正，避免方向盤產生不必要的抖動）。

4 EPS系統的技術難點

EPS系統在設計時主要有以下幾點需要在技術上進行深入研究：

1）如何確定合理的助力特性。汽車助力特性的好壞決定了轉向的輕便性和路感。助力特性對于不同的車型、不同的駕駛習慣都有不同的要求，而路感問題國內外還沒有成熟的理論，研究手段主要是以試驗為主。2）如何選配合適的電動機。電動機的性能是影響轉向助力系統性能的重要因素，電動機與EPS系統的匹配，都將對轉向操縱力、轉向路感等重要問題產生影響。有資料表明開關磁阻電機將成為EPS系統電機發展的方向。3）如何加強控制性能。 EPS系統能否獲得滿意的性能，除了應有好的硬件保證外，還必須有優質的控制軟件做支撐。引入諸如轉向盤轉角、橫擺角速度等量，加上車速和轉向盤力矩作為控制量，并隨著基于PID算法、神經網絡算法等控制策略研究，越來越高效的控制策略將會得到應用。

5 結語

EPS系統以特有的優越性而得到廣泛應用，代表著汽車動力轉向技術的發展方向。EPS系統已經較多地應用在排量在1.6L以下的輕型轎車上，其性能及可靠性得到了廣泛的認可。有權威估計，未來的5年內，全世界將有超過60%的轎車將把EPS系統作為標準配置。EPS系統也存在局限性，由于電動機的功率有限，則提供的轉向助力也會有限，在轉向系統需要有較大的驅動力時，EPS系統就會顯得力不從心了。所以EPS系統多用于小型汽車，目前已大量裝備到中高級轎車上，并逐漸向普通型轎車和小型商用汽車中發展。

參考文獻

[1] 丁志剛等.汽車轉向系統發展簡述.海峽科學.2010.12

[2] 梁瑞香.電動助力轉向機構在現代汽車上的應用分析.科技致富向導2011.09

[3] 晉兵營等.汽車電動助力轉向系統發展綜述. 拖拉機與農用運輸車2010.01

[4] 孫經瑞等.汽車動力轉向技術發展綜述.重型汽車.2010.02