一種電動助力轉向系統的研究與應用

肖文　程文娟

摘要：本文就某車型配備的電動助力轉向系統（以下簡稱EPS系統）的應用，對EPS系統的設計應用和邏輯功能的實現進行分析描述。分別從EPS系統的結構組成，邏輯功能影響因素，邏輯設計以及邏輯功能實現等方面，對EPS系統進行剖析、介紹，以及保證EPS系統的設計滿足汽車的使用需求。

關鍵詞：電動助力轉向；控制邏輯；邏輯功能

1 前言

汽車工業發展至今，對汽車主動安全性和經濟性、環保等方面提出越來越高的要求。傳統的液壓動力轉向系統（以下簡稱HPS系統）已經廣泛應用于多數車輛上，HPS系統可以很好滿足車輛轉向快捷、輕便等方面的要求，但其自身弱點也日益顯現。為滿足車輛在低速轉向輕便性和高車速穩定性而發展起來的電動助力轉向技術，已經越來越廣泛的應用在多種車輛上，并有逐漸取代HPS系統的趨勢。EPS系統有效地解決了傳統HPS系統對輕便性與路感的矛盾，改善了車輛的操縱穩定性能，同時還具有環保、節能的經濟效益和社會效益。EPS系統的大量應用，能夠充分體現出汽車向智能化發展、滿足未來安全性要求和環保要求的發展趨勢。

2 一種EPS系統結構及工作原理

某車型EPS系統主要由轉向盤、轉向管柱（包括電機，控制器和傳感器）、中間軸、轉向器等組成。該EPS系統在原機械轉向系統的基礎上，增加了扭矩傳感器（TIS）、電機轉角位置傳感器（RPS）、電子控制單元（ECU）、電動機（MOTOR），以及減速機構等助力機構。某車型的EPS系統結構組成如下圖1所示。

其工作原理為：當駕駛員轉動方向盤時，扭矩傳感器就開始不間斷地檢測輸入端力矩，并把扭矩信號傳輸給電子控制單元ECU，ECU接到信號后，經過分析和處理，按程序指令的方式對電動機進行控制，通過改變電動機工作電流的大小和方向，實現對助力電機的實時精確控制，從而實現助力轉向的目的。

3 EPS系統功能邏輯的設計

為保證該EPS系統的邏輯功能的實現，必須將相關影響因素按照要求轉化成對應的電信號，以便EPS控制器識別處理。EPS系統自身控制器的處理的運算參數，一般從整車CAN網絡和EPS系統內部傳感器獲得，確保分析數據的完整性。

某車型的EPS系統功能邏輯框圖見下圖2所示。

3.1 邏輯功能實現的影響因素

從上圖2可以看出，該車型EPS系統ECU處理所需要的相關數據主要來自于整車電源，EPS系統內部扭矩傳感器、電機轉角位置傳感器，EMS，ESC以及ICM。EPS ECU需要的具體詳細的輸入參數見下表1所示。

3.2 邏輯控制的設計

3.2.1 助力曲線的選擇

助力控制算法的數學模型為一組車速下轉矩與對應電機電流的助力特性非線性曲線，如下圖3所示。該非線性曲線在感應速度的同時，每條曲線自身又感應高、低輸入區域進行變化，是十分理想的特性曲線。

3.2.2 數據處理設計

邏輯控制的數據處理包括對上表1中各項內容參數的分析、處理。相關處理方法如下：

（1）電壓處理

整車電源電壓范圍由Vmin～Vmax之間，關鍵節點分別為Vmin，V1，V2，V3，Vmax（由小到大依次排列）。

轉向助力表現形式為，Vmin～V2無助力，V2～V3 30%～100%減少助力/全助力，V3～Vmax，無助力；

EPS ECU狀態為，Vmin～V1不激活，V1～V2 激活等待KL30狀態，V2～V3程序啟動進行處理，V3～Vmax程序退出；

CAN通訊狀態，Vmin～V1不激活，V1～Vmax通訊正常；

故障處理模式狀態，Vmin～V1不激活，V1～Vmax通訊正常。

（2）點火信號處理

KL15上電時（≥V2時），ECU進入喚醒狀態；喚醒后等待發動機轉速進入工作模式，以后依據扭矩大小進行隨車速助力；

工作狀態KL15掉電時（﹤V2時），只要發動機轉速信號正常，ECU仍然可以通過點火信號保持電路繼續助力；

（3）發動機轉速和ESC車速、輪速信號處理

車速有效：判斷發動機轉速數據和有效性，根據相應的數據實施預先設定的助力形式和助力值大小；

車速無效：提供最小助力。

（4）EPS內部信號處理

扭矩信號處理：通過實時監控、收集傳感器主路和輔路電壓數值并通過一定的處理策略，及時斷開助力；

電機轉角位置信號：通過實時監控、收集傳感器電流電壓值并通過邏輯處理，及時斷開助力。

（5）故障燈控制處理

根據收集到的相關信號信息，判斷EPS系統的初始化信息和故障信息，通過邏輯運算反饋相應的故障信息，最后在儀表上顯示。

3.2.3 程序流程設計

該系統的程序流程圖如圖4所示。

4 EPS系統試驗驗證

4.1 EPS系統臺架試驗

該系統利用功能試驗臺進行臺架試驗。臺架試驗的測試項目有：①測試系統各個輸入信號、檢測精度是否達到設計要求；②模擬系統的實際工作狀態，包括電機負載與實際車況，測試系統助力效果；③根據實驗結果，優化控制算法及電路設計，確定參數最優。

系統運行時，EPS功能試驗臺采集并實時顯示各種工作特性曲線，其界面圖如圖5所示。

4.2 整車試驗調試

某車型在進行整車試驗過程中，整個轉向行程內轉動方向盤，感覺轉動過程平滑，無卡滯，無明顯噪音或者振動，無明顯手力不對稱，至任意角度停止輸入時不存在慣性延時現象。同時，通過對EPS系統進行的不斷的改進，包括對硬件電路的反復優化以及對軟件的反復修改調試，整車試驗結果得到明顯改善，助力效果明顯，達到最初的設計要求。

5 結論

為提升汽車整車的性能，提高駕駛員駕駛的舒適性和安全性，減少環境污染，滿足節能、環保性的要求，本文中呈現了一種車型的EPS的軟、硬件設計以及應用思路，并充分進行了相關臺架試驗和整車試驗。通過綜合驗證表明，開發的此款EPS系統助力效果明顯，操作手感好，能夠顯著改善汽車的轉向性能，且性能穩定，滿足轉向性能指標。該應用為后期EPS系統的開發也奠定了一定的基礎。

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