電動液壓助力轉向技術研究現狀分析

解后循，高 翔

(1.浙江工業職業技術學院，浙江 紹興 312000； 2.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

隨著汽車技術向安全、節能和環保方向發展，如何提高助力轉向系統性能，降低系統能耗已成為轉向系統設計人員和消費者關注的問題。

傳統純液壓助力轉向系統存在助力比固定、高速路感差及能源利用效率低等缺點；通過采用電磁閥對助力控制閥的流量進行控制，電液助力轉向系統實現了變助力，提高了車輛的操縱路感，但由發動機驅動的液壓泵輸出流量基本恒定，系統仍造成大量的能源浪費[1]。

近年來，電動助力轉向技術取得了較快的發展，在乘用車上也得到了較為廣泛的應用。但由于使用的助力電機功率較小、控制方法復雜，且不具備人員長期習慣的液力感覺和路感[2]，使得其使用范圍受到一定的限制；而液壓助力系統具有輸出力大，衰減振動，轉向感覺平順，可靠安全的優點[3]。對于中等功率(500～1 000 W)和大功率的伺服助力機構，液壓方案仍為最佳選擇[4]。

電動液壓助力轉向技術(EHPS)將成熟的電機控制技術與液壓助力轉向技術結合，既具有液壓助力轉向系統大助力及技術成熟可靠的特點，又具有電機的高效率、易控制優點[3]，適用于各種車型。控制器(ECU)根據方向盤轉角和車速傳感器等信號計算電動液壓泵目標轉速，驅動液壓泵跟隨目標轉速以達到理想的助力要求。由于助力液壓泵采用電機驅動，使得液壓泵的運行狀態與發動機工況無關，可以按照車輛轉向所需的助力大小要求控制電動機的轉速，獲得降低系統能耗水平及提高轉向助力性能的效果。

筆者對電動液壓助力轉向技術的研究現狀進行了探討并對亟需研究和解決的問題進行了分析。

1 國外研究概況

國外關于電動液壓助力轉向技術方面的文獻較少，相關學者主要在以下方面進行了重點研究。

1.1 系統節能控制技術

1.1.1 單參數電機轉速控制

20世紀80年代，為使液壓泵的運行狀態易于控制以實現降低系統能耗及可變助力的功能，國外學者開始研究由直流電機驅動的液壓助力轉向系統。E.F.JAMES等[5]對前軸載荷低于600 kg小型車輛使用電動液壓助力轉向系統的研發過程進行了詳細介紹，該系統只采用單一車速信號對電動液壓泵的轉速進行開環控制，可根據車速變化而改變系統助力比，實現可變助力轉向功能，改善車輛的操縱性能。由于液壓泵的運行與發動機轉速狀態脫離，車速高時，液壓泵轉速降低，消耗功率降低。該系統的能源消耗約為發動機驅動油泵系統的35%。但在非轉向工況，電機仍以正常轉速運轉，造成的能源浪費仍然較大。

20世紀90年代，系統得到了進一步發展，出現系統專用電控單元。為了進一步降低系統能耗，當沒有轉向操作時，系統對驅動電機的轉速進行控制，降低了電機的轉速和能耗[6]。

1.1.2 雙參數電機轉速控制

進入21世紀，研究者采用無刷直流電機驅動液壓泵，提高了系統的可靠性和壽命；同時根據車速和方向盤角速度對電機轉速進行控制，提高了系統對轉向操縱的響應性能，在降低系統能耗同時，使得控制更加精確[7]。

TRW公司在我國率先為上海大眾POLO轎車配備了該種EHPS系統。由于其良好助力轉向性能，贏得了良好口碑。

1.1.3 系統能耗分析及多工況控制策略

P.E.PFEFFER等[8]通過建立系統能耗數學模型分析了影響能耗的主要因素，認為在非轉向工況下系統的液壓油壓降對能源消耗具有重要影響。

為了進一步降低非轉向工況系統的能耗，K.FUJITA[9]分析了不同行車工況下電動液壓泵的節能策略，提出了適應多種駕駛工況的電動液壓泵控制方式。

1.2 商用車電動液壓助力轉向系統研發

由于要求的助力系統功率較高，商用車的動力轉向系統一般采用傳統的液壓助力轉向系統，能源的利用效率較差，如何對其進行節能改造是其助力轉向技術研究的主要方向。

V.V.KOKOTOVIC等[10]系統地介紹了電動液壓助力轉向系統主要部件及控制系統的數學建模方法，并對系統進行了仿真研究。S.H.RHYU等[11]介紹基于永磁同步電機的42VEHPS電動液壓泵單元的研發過程。J.GESSAT[12]介紹了輕型商務車的大功率(1kW以上)EHPS系統系列產品的技術參數及應用實例。R.MCCANN等[13]則對某大型商用鉸接車輛的電動液壓助力轉向系統控制策略進行了分析，根據該類車輛的轉向力矩特點，研究對車輛鉸接角度變化率進行反饋控制的方法。

2 國內研究現狀

國內科研機構對電動液壓助力轉向技術的研究主要集中在3個方向。

2.1 系統助力特性

助力轉向系統既要滿足車輛轉向操作的輕便性，又要使駕駛員在操縱時獲得足夠的“路感”，所以助力特性的設計是助力轉向系統設計的基礎。相關學者對此進行了研究，提出了幾種助力特性設計方法。

2.1.1 助力轉閥特性分析

高峰等[14]對分流式ECHPS助力轉向系統進行數學建模，并對其轉向力特性曲線進行了分析。郭曉林等[15]提出基于串、并聯關系的等效液阻網絡和分析方法，在此基礎上，對典型液壓助力轉向系統助力特性進行了分析研究。

2.1.2 助力特性的分析和設計

惠曉丹[16]通過對多種助力特性曲線的特點進行分析，建議采用直線型助力特性曲線。趙金海[17]為滿足緊急工況下的助力矩控制要求，提出一種基于方向盤角速度的附加力矩控制策略。劉亞輝等[18]提出基于“路感”的助力特性設計方法。仿真結果表明：所設計的助力特性，在保證高速工況有合適的操縱路感和車輛穩定性的前提下，能滿足低速工況所需的轉向操縱輕便性要求。

2.2 系統建模及控制技術

2.2.1 系統數學建模及仿真

石培吉等[19]建立了考慮液流動態摩擦效應的液壓管路數學模型，提出了EHPS原地轉向、行駛轉向和直線行駛控制策略。王豪等[20]運用AMESim仿真軟件對電動液壓助力轉向系統進行建模，采用車速及方向盤轉動角速度作為系統控制參數。仿真結果表明，該系統具有高速工況小助力、低速工況大助力等特點，同時系統的轉向助力隨動性能及方向盤回正性能也得到了相應的提高。何仁等[21]介紹了一種電動液壓助力轉向系統仿真試驗平臺的研發，應用此試驗平臺對在農村道路駕駛工況下影響系統能耗的主要因素進行了研究。李強等[22]采用仿真和實車試驗相結合的方法對電動液壓助力轉向系統的能耗進行分析，結果表明非轉向工況下電機怠速損失是主要因素，轉向工況下轉向閥的功率損失是最大的。

2.2.2 電動液壓泵控制技術

電動液壓泵控制技術的研究包括兩個方面：驅動電機目標轉速的擬合及轉速控制方法。

考慮控制系統硬件數據存儲空間的限制，系統儲存的為離散車速下的驅動電機目標轉速，對中間車速下出現的電機目標轉速盲區，朱佩等[23]提出了一種基于BP神經網絡控制算法，優化得到所有車速下的電機目標轉速，克服了轉速盲區對助力效果的影響。李宏偉[24]通過仿真模擬，分析了具有助力死區補償算法的轉速雙閉環PI控制，分析了電機轉矩脈動原因。對電機驅動方法進行改進，仿真結果表明改進的控制方法提高了電動液壓泵起動性能和實時響應性能；降低了電機轉矩脈動，無刷直流電機運行平穩性得到了明顯改善。

2.3 控制系統軟硬件研發

目前國內還沒有成熟的商用電動液壓助力轉向系統產品。部分研究人員進行了系統工程設計和試制的探索。

羅紹新等[25]研發了一種采用ARM微處理器的EHPS系統，系統采集方向盤角速度、方向盤轉矩和車速信號，通過PWM斬波信號控制電動液壓泵驅動電機的轉速，控制系統的助力大小。高發廷[26]對中國重汽集團公司電動液壓助力轉向系統ECU軟、硬件設計開發進行介紹，試驗結果表明所設計的產品接近國外產品的水平，具有較大的商業化前景。

3 結語及展望

對電動液壓助力轉向技術的研究主要集中在系統控制策略分析、助力特性曲線分析、系統建模仿真、主要部件研發過程的介紹等方面；相關學者在涉及系統助力特性、電動液壓泵特性設計及系統主要參數設計等方面時，主要以一些試驗或經驗數據做支撐，對產品設計的指導性不夠，系統的設計理論和方法有待進一步研究和完善。

3.1 操縱“路感”的定義和量化

助力轉向系統的主要功能是為駕駛員提供一個適當的轉向助力矩，降低駕駛員操縱強度；同時方向盤必須給駕駛員一個適當的反饋力矩，即“路感”。雖然國內外學者對“路感”概念有所論述，但主要為定性分析，學界還沒有公認、量化的定義，不能有效指導轉向系統助力特性的設計，也不能對各種助力特性的設計方案進行客觀公正的評價。

可見，如何對駕駛員的轉向操縱“路感”進行定義和量化是助力特性設計的理論基礎，具有非常重要的意義。

3.2 電動液壓泵動態特性的評價

電動液壓泵既要對駕駛員的轉向操作快速響應，又要具有較高能源利用效率，降低油耗。如何實現上述目標，涉及到對電動液壓泵的動態特性設計，主要內容包括不同轉向工況下電動液壓泵的目標轉速及流量、電動液壓泵設計及電機控制系統設計等；而涉及這方面的設計理論欠缺，開展對EHPS電動液壓泵特性設計與評價方法的研究具有較高的工程應用價值。

3.3 電動液壓助力轉向系統優化設計

電動液壓助力轉向系統的設計需要考慮方向盤操縱輕便性、最佳路感反饋及最小能源消耗等多個方面的因素，是多參數的優化設計。

目前，有關電動液壓助力轉向系統的參數匹配優化設計的研究文獻較少，現有文獻也主要局限于對系統主要參數的選擇方法及參數變化對系統性能的影響分析等，不能有效指導對系統的多目標參數優化匹配設計。該系統的多目標參數優化設計方法有待進一步的研究。

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