新能源汽車電子轉向自動控制系統設計研究

摘要：伴隨著現代化科學技術的發展，汽車領域的相關控制理論逐漸增多，微電子技術得到了全面的進步，電動助力轉向系統出現并被廣泛使用，此類轉向系統的研究逐漸成為新能源汽車設計中的熱點。據此，主要從新能源的汽車設計角度出發，對其內部采用的電子轉向自動控制系統進行詳細的分析，提升了新能源汽車在運行過程中的安全性、穩定性以及轉型的精準性。

關鍵詞：新能源汽車轉向系統;電動助力轉向;EPS 控制策略

中圖分類號：U463.4收稿日期：2022-05-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.019

1 前言

伴隨著現代化社會的建設，人們在出行過程中能夠選擇的方式逐漸增多，由于在經濟狀況改善的情況下，更多人會選擇私家車，這使得社會面的車輛數量不斷增多。在綠色環保理念的發展下，傳統的燃油汽車對于環境帶來了較大的污染，相應推動了新能源汽車的發展與進步。新能源汽車是一種全新的汽車種類，因此在設計中也相應地與傳統燃油汽車區分，需要形成針對性的設計體系，才可以保障汽車的安全性。

2 汽車轉向系統

汽車轉向系統是汽車內部組成中十分重要的一個結構部件，也是保障汽車安全駕駛的重要安全裝置。在其構件的運行中，需要嚴格地基于駕駛人員的意愿，進行自由地控制汽車的轉向系統。該系統構件一方面直接影響到汽車行駛過程中的操縱性，對汽車的操作效率、操作節能性、機動性等起到了關鍵影響。另一方面，還要保障該結構能夠適應各種駕駛工況，例如對于常見的直線行駛、正常轉向、原地轉向以及快速轉向等，可以基于不同的行車速度，保持較高的運行穩定性。在長期的汽車產業發展過程中，汽車的轉向系統都是設計人員十分關注的重要領域。汽車轉向系統的發展經歷了純機械轉向、液壓助力轉向系統、電動液壓助力轉向系統，以及電動助力轉向系統這幾個系統類型。

3 電動助力轉向系統的特點

電動助力是整個汽車行業未來發展和研究的主要內容，相較其他的類型動力轉向系統，它有著諸多的優勢。

3.1 節能環保

在EPS系統當中，并不會設置液壓裝置，這是一種按需供能的設計方式，只有在系統運行中，才會提供充足的能源，因此相較傳統系統，節約了大量的能源消耗。特別是相較液壓動力系統，可以實現90%的能耗節約值。而在不轉向的時候，則可以降低2.5%的能耗。這樣的系統首先在啟動階段并不需要預熱，因此避免了能耗的損失。其次，也避免了在進行轉向系統當中的液態油的泄露問題，解決了帶來的環境污染問題，符合當下的環保方面的需求。

3.2 助力效果好

在設計出EPS系統之后，能夠針對不同汽車行駛工況，對助力系統進行集中的優化，全面地保障助力流程的準確性與可靠性，提升助力的效果。另外，也可以基于阻尼控制的方式，降低因路面不平而所帶來的轉向阻礙。該系統的設計方式，能夠提升汽車在高速行駛過程中的整體運行安全性。

3.3 重量降低

相較傳統的HPS系統，采用的EPS系統的內部結構較為簡單，同時使用的零部件數量也比較少，這樣可以降低汽車的總重量，也相應地在進行實際的結構布置環節，為工作人員提供一定的便利，甚至也相應地降低在后續維修環節工作過程中的噪聲山。

3.4 安全性較高

即便是在運行時，EPS系統出現了故障問題，系統也相應地利用電磁離合器，馬上切斷電機與減速傳動及機構的動力傳送，使其進入純機械轉向狀態當中。另外，所采用的系統動力方式由電機直接提供動力，因此這樣的系統會獨立于汽車的驅動系統，在DC-DC系統無故障時，即便汽車未啟動也可以提供一定的動力[2]。

3.5 開發周期降低

電動助力轉向系統在前期進行研發的周期雖然比較長，但是在實際的設計過程中，一旦完成了初步設計，就可以在后續進行針對性修改與調整，快速地與特定車型實現匹配，這種設計CG8derqc5Uhdkz6PRkML8A==方式可以很好地提升不同類型汽車的研發效果。

4 電動助力轉向系統的分類及工作原理

基于汽車助力電機裝配位置的不同，在設計出的EPS系統中，可以分為以下類型：轉向軸EPS，應用到小型汽車中;齒輪式EPS，運用在中型汽車上;齒條式EPS，助力電機主要安裝到小齒輪齒條上，利用齒條的處理方式可以提供充足的動力，基本上應用到一些重型車輛與高級轎車中。所采用的齒條處理方式，也分電機軸與齒條軸的布置方式，C-EPS系統結構如圖1所示。

CEPS的系統設計方式需要設計出電子控制單元、轉矩傳感器、角度傳感器、轉向盤等構件。在實際的運行過程中，利用轉向軸與扭桿相連接，在輸入軸與輸出軸組成上，需要經過減速機構、離合器以及助力電機進行連接4。在駕駛人員轉動方向盤的過程中，電動助力轉向系統需要投入運行，轉向柱上的扭矩和角度的傳感器，就會將方向盤上的轉動數據信息全面地傳入到ECU中。在ECU中的轉向力矩大小以及方向、發動機和電動機的運行環節，要對助力的大小以及方向進行相應的處理。一旦需要助力電機的時候，往往要完成一個良好的助力效果，一旦出現了故障問題，就需要對轉向進行針對性的分析以及處理。

一個良好的控制方式可以讓駕駛人員在對方向盤的操控時，全面保障操作方面的良好，同時保障駕駛過程中的體驗提升，無論是在轉向系統的反應速度、實時性，都發揮出相應的技術效果。伴隨著電子技術的高速發展，更高性能的MCU以及電機專用的驅動芯片，也相應地將神經網絡等各種復雜的算法引用到系統中，提升EPS系統助力的實時性與效果，進一步提升電動助力轉向系統的整體效果[5]。

5 電動汽車EPS控制策略和算法

控制策略以及算法的設計，一直都是新能源汽車領域中所關注的十分重要的內容，也是EPS控制系統軟件設計的基礎所在，能夠實現系統的計算機仿真實驗分析。電動助力轉向系統的設計，可以很好地降低駕駛人員駕駛過程中的轉向力，因此相應提升整個系統運行的便捷性、跟隨性以及實時性，系統就可以發揮出抑制轉向系統的振動情況。控制策略以及算法的使用，正是為了實現這樣的功能性所建立出的理性化的助力模型，同時保障助力特性的曲線，這對于系統跟蹤其助力特性曲線的基本算法，實現對計算機系統仿真、EPS控制器設計、臺架試驗以及實車試驗環節，實現對數據信息的正確分析。

5.1 整車布置

為了全面滿足汽車在行駛過程中的性能預期，同時不對底盤系統進行大規模的改動，首先就要在設計過程中保障原車的變速箱和離合器的設計。其次，還需要整車的質量和重心始終不會出現變化，在電池組的合理安排過程中，要盡可能地進行分散化的布置設計。再次，還要將專用件進行精細化的合理設計分析，全面降低總體的重量。

整車的布置過程中，電機輸出軸基本上是利用花鍵的設計方式，與原車變速箱進行配接，在原發動機以及變速箱位置的設置中，電機控制器與DC-DC設計時，要放置在電機的上方，其中制動真空助力系統設置在變速箱的前方。一方面，這樣的整車布置方式，使得整車的空載時前軸負荷程度變化并不大，基本上符合設計的設計需求。另一方面，在這種設計方式下，需要避免使用全速型的EPS系統。

5.2 EPS控制策略以及算法設計

新能源汽車在不同的行駛速度中，需要EPS控制部件，利用不同的助力電機提供的電流，實現精確性較高的轉向助力。這樣的設計方式可以很好地降低駕駛人員的操作負擔值，也相應地全面保障了整體的路感效果。實際進行運行過程中，該系統不僅僅能夠對汽車在低速的情況下進行較為便捷的操作，也可以很好地在汽車高速行駛中提供充足的操作穩定性。這樣的設計方式主要是將便捷性與路感進行合理的權衡設計。

EPS系統中的控制策略選擇，以及確定出控制算法，是決定EPS系統性能的關鍵環節。在不同類型的汽車行駛過程中，不同的行駛狀態下，助力轉向控制方法常見的有三種，分別為助力控制、阻尼控制以及回正控制。在車輛處于原地轉向或者低速行駛的時候，基本上以助力控制方式為主。而在車輛中低速行駛的時候，則會采用助力與回正控制結合的方式。在車輛高速行駛的狀態下，會采用阻尼控制的方式，避免車輛由于行駛過程中過快而直接導致側滑或者翻車。在不同的控制方式下，要讓系統中的中央處理元件與系統核心部件，進行有效的聯系與協同，將設計好的控制策略以及數據信息的算法儲存到微處理器中，進行及時的處理。

5.2.1 助力控制模式與措施

助力控制模式是電動助力轉向系統中十分基礎的控制方式。這種控制模式可以幫助駕駛人員提供駕駛體驗，也相應地全面提升車輛運行的安全性與穩定性。這種模式基本上可以讓EPS助力電動機提供充足的動能，同時保障車輛在原地轉向的時候，為EPS提供充足的動力，充分地保障車輛行駛的安全性。

助力力矩基本上與電機的電流始終成一個特定的比例關系，因此一般情況下都會使用方向盤力矩為橫坐標，而將電機電流以及輸出扭矩當作縱坐標，同時還要充分考量到車速的變化情況進行針對性的處理，以此形成關系曲線，更加直觀了解到助力的特性。

VMOUs8ypwZj2D8LW5FM30Q==當下助力控制模式與傳統的HPS設計方式并不相同。HPS在完成制造之后，其特性曲線始終保持不變，并不會受到外界環境的影響，除非進行底盤的整體調整。但是在采用EPS的時候，為了保障得到理想的特性曲線，就需要對其車速、扭矩以及傳感器的信號進行相應的分析。設計出的助力特性曲線還要能夠協調轉向與其駕駛體驗之間的關聯性，能夠在實際的運行過程中始終保障手動轉向的一致性、準確性。轉向過程中的輕便，也是設計的基本要求。

5.2.2 回正控制模式

回正控制模式需要在轉向車輪的過程中恢復到直線行駛位置。該系統研發基本上還在初級階段，因此EPS系統的設計就需要充分地提供車輛在實際轉向環節可以始終保持合理的助力大小。機械式轉向系統與其HPS相同，并不會使用回正控制模式，因此車輛行駛中的回正能力，都是基于汽車的參數決定的。

汽車行駛中的轉向設計，要保障對其各種影響因素進行全面的分析以及處理，在科學合理的設計方式下，才可以很好地對其EPSDE電動汽車的實際轉向進行合理化的處理。

5.2.3 阻尼控制模式

阻尼控制模式可以很好地保障汽車在高速直線行駛的過程中，有一個良好的駕駛穩定性。在減少回正的過程中，由于EPS系統的慣性，在大于機械式轉向系統的慣性的情況下，會直接導致不收斂的情況，并在汽車運行過程中出現一定程度的問題。

汽車在實際的行駛過程中，因受到地面摩擦力的降低而逐漸出現車輛環向模式的輕便與靈敏，但是這樣也會導致車輛出現方向盤發飄的情況。為了很好地提升駕駛體驗，就要在設計過程中設置出良好的阻尼模式，以此保障駕駛人員保持一個較為合理的方向盤的阻尼感，不會受到外界因素的影響，導致駕駛體驗不佳。同時，還要對四驅進行阻尼控制，這樣就可以避免在高速駕駛的時候出現方向盤的抖動問題，特別是要保持方向盤始終在中心位置，提升汽車行駛過程中的安全穩定性，不會出現明顯的駕駛體驗的下降問題，實現高效率的行駛。

6 結語

在現代化的汽車發展中，新能源汽車成為研究的重要領域，為了保障駕駛過程中的安全性與穩定性，就需要針對汽車的實際特性，積極地調整轉向控制系統，以此滿足新能源汽車行駛需求，提升整體的駕駛體驗。

參考文獻：

[1]陸永結.新能源汽車電子助力制動系統及新型踏板解耦控制探究[J].新型工業化，2022，12（2）：113-115.

[2]李炳歡，梁廣發，王巍.新能源汽車電子真空泵噪音影響機制研究[J].時代汽車，2022（2）：116-117.

[3]涂銀濤.新能源汽車電子控制技術要點優化分析[J].時代汽車，2020（15）：69-70

[4]陳俊杰.關于新能源汽車控制的相關理論及辦法[J].中國戰略新興產業，2018（44）：45-46.

[5]羅和平.關于新能源汽車電子控制的關鍵性技術分析[J].技術與市場，2018，25（4）：44-45.

作者簡介：

王書衡，男，1992年生，助教，研究方向為車輛工程。