汽車電動助力轉向系統的技術分析

摘 要：隨著近年來電子控制技術的成熟和成本的降低，EPS越來越受到人們的重視，并以其具有傳統動力轉向系統不可比擬的優點，迅速邁向了應用領域，部分取代了傳統液壓動力轉向系統（Hydraulic powersteering，簡稱HPS）。

關鍵詞：汽車電動； 技術分析； 助力； 轉向系統

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2015）04-176-001

一、EPS系統結構及其工作原理

1.EPS的結構及工作原理

電動助力式轉向系統在不同車上的結構部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉矩（轉向）傳感器、電子控制單元ECU，電動機、電磁離合器以及減速機構成。

其基本工作原理是：當轉向軸轉動時，扭矩傳感器將檢測到的轉矩信號轉化為電信號送至電子控制單元ECU，ECU再根據扭矩信號、車速信號、軸重信號等進行計算，得出助力電動機的轉向和助力電流的大小，完成轉向助力控制。

2.EPS的關鍵部件

2.1扭矩傳感器。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，難以實現絕對轉角和角速度的測量。因此扭矩傳感器類型的選取根據EPS的性能要求綜合考慮。

2.2電動機。電動機根據ECU的指令輸出適宜的轉矩，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。

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起作用。當車速、電流超過限定的最大值或轉向系統發生故障時，離合器便自動切斷電動機的電源，恢復手動控制轉向。

2.4減速機構。減速機構用來增大電動機傳遞給轉向器的轉矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機構和蝸輪蝸桿減速機構。由于減速機構對系統工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉向操作的對稱性方面對其提出了較高的要求。

二、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：控制器根據轉向盤轉矩傳感器的輸出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基本助力特性及其補償調節，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。

1.助力控制

助力控制是在轉向過程（轉向角增大）中為減輕轉向盤的操縱力，通過減速機構把電機轉矩作用到機械轉向系（轉向軸、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）輸人由轉向盤轉矩傳感器測得的轉向盤力矩大小和方向；（3）根據車速和轉向盤力矩，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。

2.回正控制

當汽車以一定速度行駛時，由于轉向輪主銷后傾角和主銷內傾角的存在，使得轉向輪具有自動回正的作用。隨著車速的提高，回正轉矩增大，而輪胎與地面的側向附著系數卻減小，二者綜合作用，使得回正性能提高。在轉向盤回正過程中，有兩種情況需要考慮：（1）回正力矩過大，引起轉向盤位置超調；（2）回正力矩過小，轉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超調。后一種情況需要對助力進行補償，以增加回正能力。

根據轉向盤轉矩和轉動的方向，可以判斷轉向盤是否處于回正狀態。回正控制的內容有：低速行駛轉向回正過程中，EPS系統H橋實行斷路控制，保持機械系統原有的回正特性；高速行駛轉向回正時，為防止回正超調，采用阻尼控制。

3.阻尼控制

阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩定性和快速轉向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時，如果轉向過于靈敏、“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定性，提出在死區范圍內進行阻尼控制，適當加重轉向盤的阻力，最終體現在高速行駛時手感的‘穩重”。

三、EPS的特點

與傳統液壓動力轉向（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向系的擾動，改善了汽車的轉向特性。（2）EPS只在轉向時電動機才提供助力，相比液壓動力轉向系統可節約燃油3%～5%，因而燃油經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，其零件比傳統液壓動力轉向系大大減少，因而質量更輕，結構更緊湊，在安裝位置選擇方面也更為方便，并且可以降低噪聲。（4）HPS的參數一經確定，轉向系統的性能也隨之確定，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，縮短生產和開發時間，提高了效率。

四、EPS的關鍵技術及發展趨勢

（1）電動機的性能及其與EPS系統的匹配是影響控制系統性能、轉向操縱力、轉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系統的匹配是關鍵問題；（2）助力特性的好壞取決于轉向的輕便性和路感；（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。EPS將具有十分廣闊的發展和應用前景。