汽车电子转向系统
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电子转向控制
汽车转向技术发展概述
传统汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶 员操纵转向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮 而实现的。 20世纪40年代起，为减轻驾驶员的体力负担，在机械转 向系统的基础上增加了液压助力系统(HPS)由于其工作可靠， 技术成熟 ，至今仍被广泛应用。 近年来，由于电子技术的发展，传统转向系统中越来越 多地采用电子部件。电液助力转向系（EHPS)是在液压助力转 向系统基础上发展起来的，其特点是液压助力泵由电机驱动， 取代了传统液压泵由发动机驱动的方式。电动助力转向系统 （EPS ）是在机械转向系统基础上加入电机作为动力源，电 动助力代替了液压助力。
传统液压式助力转向系统缺点
提供不了合适的转向力，即若要保 证汽车在停车或低速调头时转向轻便， 那么汽车高速行驶时就会感到有”发飘 “的感觉；若要保证汽车在高速行驶时 操纵有适度手感，那么当其要停车或低 速调头时就会感到转向太重，两者不能 兼顾。
液压式电子控制动力转向系统EHPS 液压式电子控制动力转向系统是在传统的液 压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而 构成的。根据控制方式的不同，液压式电子控 制动力转向系统又可分为流量控制式和反力控 制式。
液压式动力转向系统工作原理
在液压动力转向系统中，转向动力的大小取决于作用在转向动力缸 活塞上的压力大小，如果转向操作力较大，液压就会较高。转向动力 缸中液压的变化是由连接在主转轴上的转向控制阀来调节的。如图a所 示，转向油泵将液压油输送至转向控制阀。如果转向控制阀处于中间 位置，所有的液压油便会流过转向控制阀，进入出油口，流回至转向 油泵。由于这时几乎不能产生压力，转向动力缸活塞两端的压力又相 等，活塞便不会朝任何一个方向运动，从而使车辆无法转向。当驾驶 员控制方向朝任何一个方向转动时，转向控制阀也随之移动，从而关 闭其中一条油路如图b，这时另一条油路开得大些，使液压油流量发生 变化，同时产生压力。这样，便会在转向动力缸活塞两端产生压力差， 动力缸活塞朝低压方向运动，从而将动力缸中的液压油，通过转向控 制阀压回转向油泵。
电磁离合器
保证EPS在预先设定的车速范围内闭合。 当车速超过设定车速范围，离合器断开， 电动机不在助力，转入手动转向状态。 故障时，离合器断开。
减速机构
减速机构是电动式EPS不可缺少的部件。目前实用的减速机构有多 种组合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采 用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。为了抑制噪声和提高耐久性， 减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成
• 流经电磁线圈的电流较小，电磁阀的开启角度较小，经分流阀分 流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就较少，因此作用在反力 室的油压就较大，柱塞上的油压较大，这时作用在控制阀轴上的 反力也较大，因此反力油压形成的阻力矩较大。由于阻力矩较大， 输入同样的力，使扭力杆发生变形较小，转向助力较小。旋转阀 与控制阀相互连通的通道口开度也减小，助力较小。
反力控制式助力转向系统的工作过程
当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀 阀体与转阀阀杆之间将发生相对转动，使两阀的 通道口相互连通，扭力杆的变形角度就越大，转 阀中工作油液通道的截口面积就越大，助力就越 大。
• 汽车低速行驶或者大转弯时。流经电磁线圈的电流较大，电磁阀 的开启角度较大，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的 油液就较多，因此作用在反力室的油压就较小，柱塞上的油压较 小，这时作用在控制阀轴上的反力也较小，因此反力油压形成的 阻力矩较小。由于阻力矩较小，转向盘只需要用较小的力就可以 使扭力杆发生较大的变形，转向助力较大。
U kU
电动机
无刷永磁式电动机 转向助力用直流电动机需要正反转控制，图11所示为一种比较简 单适用的控制电路。a1、a2为触发信号端。当a1端得到输入信号 时，晶体管T3导通，T2得到基极电流而导通，电流经T2、电动机M、 T3、搭铁而构成回路，于是电机正转；当a2端得到输入信号时， 电流则经T1、M、T4、搭铁而构成回路，电机则因电流方向相反而 反转。控制触发信号端电流的大小，就可以控制通过电动机电流 的大小。
1.助力控制 利用电动机转矩与电动机电流成正比的特性 2.回正控制 由于转向轮主销后倾角和主销内倾角，自动回 正。车速高时，回正转矩大，防止回正超调， 采用阻尼控制方式。在低速时，电机需要断路， 保持机械回正模式。
3.阻尼控制 用一定占空比信号使电动机短路，电机 反转产生反电动势，形成阻碍。
汽车转向系统的类型
机械式转向系统 液压式动力转向系 统 液压式电子控制动 力转向系统 反力式控制EPS 电动式电子控制动 力转向系统 流量式控制EPS
转 向 系 统
动力转向系统
助力转向系统的要求
对转向系统的要求，主要概括为转向的灵敏度和操纵 的轻便性。高的转向灵敏度，要求转向器具有小的传 动比，以小的转向盘转角迅速转向，好的操纵轻便性， 则要求转向器具有大的传动比，这样才能以较小的转 向盘操纵力获得大的转向力矩。 实际应用中，一般要求：当转向轮达到最大设计转角 时，转向盘总转数不宜超过5圈，而转向盘操纵力最大 不超过250N
助力更科学； 熄火后仍有助力； 存在漏油隐患。
流量控制式EHPS
下图1所示为凌志牌轿车采用的流量控制式动力转 向系统。由图可见，该系统主要由车速传感器、电磁 阀、整体式动力转向控制阀、动力转向油泵和电子控 制单元等组成。电磁阀安装在通向转向动力缸活塞两 侧油室的油道之间，当电磁阀的阀针完全开启时，两 油道就被电磁阀旁路。流量控制式动力转向系统就是 根据车速传感器的信号，制电磁阀阀针的开启程度， 从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量， 来改变转向盘上的转向力。
反力控制式EPS
图5所示为反力控制式动力转向系统的工作原理图。 转向控制阀是在传统的整体转阀式动力转向控制阀的基 础上增设了油压反力室而构成。扭力杆的上端通过销子 与转阀阀杆相连，下端与小齿轮轴用销子连接。小齿轮 轴的上端部通过销子与控制阀阀体相连。转向时，转向 盘上的转向力通过扭力杆传递给小齿轮轴。当转向力增 大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀体和转阀阀杆之间 将发生相对转动，于是就改变了阀体和阀杆之间油道的 通、断关系和工作油液的流动方向，从而实现转向助力 作用。 分流阀是把来自转向油泵的机油向控制阀一侧和电磁阀 一侧进行分流的阀。按照车速和转向要求，改变控制阀 一侧与电磁阀一侧的油 压，确保电磁阀一侧具有稳定的机油流量。
电动助力转向的精确转向的实现过程
工作时，微机控制指令经D/A转换接口送入电动机和离合器 的驱动放大电路，以控制电动机电流的大小和方向，以及离合器的离 合。电动机的电流经放大电路、电流表及a/d转换接口反馈给微机， 微机将此与按微机指令应给的电流相比较，若有差值，则予以调整， 使两者趋于一致。
电动式EPS主要部件的结构
扭矩传感器 车速传感器 电动机 电磁离合器 减速机构
扭矩传感器
在线圈U、T的两端施加连续的脉冲信号Ui, 当转向轴上的转矩为零时，定子和转子的 相对转角也为零，电桥平横，在V和W两端 的电位差Uo为零，如果转向轴上存在转矩， 定子和转子的相对转角不为零，此时定子 和转子间产生角位移θ，电桥失去平衡在V i 和W两端出现电位差Uo。 o
传统转向系统
传统的汽车转向系统是机械系统，汽车 的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通 过转向器和一系列的杆件传递到转向车 轮而实现的。普通的转向系统建立在机 械转向的基础上。 常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式 (用于需要较大的转向力时)。这种转向系 统是我们最常见的，目前大部分低端轿 车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。
。
微机根据车速、转向力及转向角等参数，计算得到最佳的转向助 转矩传感器：检测转向轴转矩的大小和转动的方向，转矩传感器 力转矩，并向转向电动机输出电流控制信号，使转向机构得到一 发动机转速传感器：确定发动机的工况，当处于怠速工况时，电 信号和车速信号同时输入到 ECU,ECU根据这些信号确定助力转矩的 个与汽车工况相适应的转向作用力。从而实现最佳的转向助力控 动助力转向系统不工作。 大小和方向。 制。
液压式助力转向系统的缺点
结构复杂，功率消耗大，容易产生泄漏， 转向力不易有效控制。
电动式电子控制动力转向系统原理示意图
电动式EPS通常由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元 （ECU）、电动机和电磁离合器等组成（如图所示）。电动式EPS 是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由电子控制 单元完成助力控制。 原理:当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的扭矩传感器不断地测出 转向轴上的扭矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单 元。电控单元根据这些输入信号，确定助力扭矩的大小和方向， 即选定电动机的电流和转向，调整转向辅助动力的大小。电动机 的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向 机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。
电 动 助 力 转 向 系 统 的 控 制 流 程助力转向系统的具体要求
有效减小操纵力 （停车和行车） 转向灵敏性好 具有回正功能 良好的路感（转向 反馈 ）工作可靠
在转向后，转向盘应 低速或停车时，转动转向盘 转向必须灵活、平顺， 从道路表面传来的冲 不能太费力，高速行驶时，又 当能自动回到直线行驶 具有很好的随动性，能 击应能传达到转向盘上， 不能感觉到转向盘上的力太小 的位置，回转的速度要 够安全行驶在狭窄、连 增加驾驶员的路感，但 续拐弯的弯道上。 而有发“飘“的感觉，因此要 平稳、适当。使残留的 不能太大，要使驾驶员 角速度尽可能小。 求转向盘上的力最好能随车速 的感觉是舒适的。 变化，同时要求驾驶员能清楚 地感觉到转向盘的位置，感觉 到操纵转向盘的角度与汽车行 驶轨迹的对应关系，具有很好 的直线行驶稳定性和高速行驶 的路感。
汽车转向技术发展概述
传统汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶 员操纵转向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮 而实现的。 20世纪40年代起，为减轻驾驶员的体力负担，在机械转 向系统的基础上增加了液压助力系统(HPS)由于其工作可靠， 技术成熟 ，至今仍被广泛应用。 近年来，由于电子技术的发展，传统转向系统中越来越 多地采用电子部件。电液助力转向系（EHPS)是在液压助力转 向系统基础上发展起来的，其特点是液压助力泵由电机驱动， 取代了传统液压泵由发动机驱动的方式。电动助力转向系统 （EPS ）是在机械转向系统基础上加入电机作为动力源，电 动助力代替了液压助力。
传统液压式助力转向系统缺点
提供不了合适的转向力，即若要保 证汽车在停车或低速调头时转向轻便， 那么汽车高速行驶时就会感到有”发飘 “的感觉；若要保证汽车在高速行驶时 操纵有适度手感，那么当其要停车或低 速调头时就会感到转向太重，两者不能 兼顾。
液压式电子控制动力转向系统EHPS 液压式电子控制动力转向系统是在传统的液 压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而 构成的。根据控制方式的不同，液压式电子控 制动力转向系统又可分为流量控制式和反力控 制式。
液压式动力转向系统工作原理
在液压动力转向系统中，转向动力的大小取决于作用在转向动力缸 活塞上的压力大小，如果转向操作力较大，液压就会较高。转向动力 缸中液压的变化是由连接在主转轴上的转向控制阀来调节的。如图a所 示，转向油泵将液压油输送至转向控制阀。如果转向控制阀处于中间 位置，所有的液压油便会流过转向控制阀，进入出油口，流回至转向 油泵。由于这时几乎不能产生压力，转向动力缸活塞两端的压力又相 等，活塞便不会朝任何一个方向运动，从而使车辆无法转向。当驾驶 员控制方向朝任何一个方向转动时，转向控制阀也随之移动，从而关 闭其中一条油路如图b，这时另一条油路开得大些，使液压油流量发生 变化，同时产生压力。这样，便会在转向动力缸活塞两端产生压力差， 动力缸活塞朝低压方向运动，从而将动力缸中的液压油，通过转向控 制阀压回转向油泵。
电磁离合器
保证EPS在预先设定的车速范围内闭合。 当车速超过设定车速范围，离合器断开， 电动机不在助力，转入手动转向状态。 故障时，离合器断开。
减速机构
减速机构是电动式EPS不可缺少的部件。目前实用的减速机构有多 种组合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采 用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。为了抑制噪声和提高耐久性， 减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成
• 流经电磁线圈的电流较小，电磁阀的开启角度较小，经分流阀分 流后的油液通过电磁阀返回油箱的油液就较少，因此作用在反力 室的油压就较大，柱塞上的油压较大，这时作用在控制阀轴上的 反力也较大，因此反力油压形成的阻力矩较大。由于阻力矩较大， 输入同样的力，使扭力杆发生变形较小，转向助力较小。旋转阀 与控制阀相互连通的通道口开度也减小，助力较小。
反力控制式助力转向系统的工作过程
当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀 阀体与转阀阀杆之间将发生相对转动，使两阀的 通道口相互连通，扭力杆的变形角度就越大，转 阀中工作油液通道的截口面积就越大，助力就越 大。
• 汽车低速行驶或者大转弯时。流经电磁线圈的电流较大，电磁阀 的开启角度较大，经分流阀分流后的油液通过电磁阀返回油箱的 油液就较多，因此作用在反力室的油压就较小，柱塞上的油压较 小，这时作用在控制阀轴上的反力也较小，因此反力油压形成的 阻力矩较小。由于阻力矩较小，转向盘只需要用较小的力就可以 使扭力杆发生较大的变形，转向助力较大。
U kU
电动机
无刷永磁式电动机 转向助力用直流电动机需要正反转控制，图11所示为一种比较简 单适用的控制电路。a1、a2为触发信号端。当a1端得到输入信号 时，晶体管T3导通，T2得到基极电流而导通，电流经T2、电动机M、 T3、搭铁而构成回路，于是电机正转；当a2端得到输入信号时， 电流则经T1、M、T4、搭铁而构成回路，电机则因电流方向相反而 反转。控制触发信号端电流的大小，就可以控制通过电动机电流 的大小。
1.助力控制 利用电动机转矩与电动机电流成正比的特性 2.回正控制 由于转向轮主销后倾角和主销内倾角，自动回 正。车速高时，回正转矩大，防止回正超调， 采用阻尼控制方式。在低速时，电机需要断路， 保持机械回正模式。
3.阻尼控制 用一定占空比信号使电动机短路，电机 反转产生反电动势，形成阻碍。
汽车转向系统的类型
机械式转向系统 液压式动力转向系 统 液压式电子控制动 力转向系统 反力式控制EPS 电动式电子控制动 力转向系统 流量式控制EPS
转 向 系 统
动力转向系统
助力转向系统的要求
对转向系统的要求，主要概括为转向的灵敏度和操纵 的轻便性。高的转向灵敏度，要求转向器具有小的传 动比，以小的转向盘转角迅速转向，好的操纵轻便性， 则要求转向器具有大的传动比，这样才能以较小的转 向盘操纵力获得大的转向力矩。 实际应用中，一般要求：当转向轮达到最大设计转角 时，转向盘总转数不宜超过5圈，而转向盘操纵力最大 不超过250N
助力更科学； 熄火后仍有助力； 存在漏油隐患。
流量控制式EHPS
下图1所示为凌志牌轿车采用的流量控制式动力转 向系统。由图可见，该系统主要由车速传感器、电磁 阀、整体式动力转向控制阀、动力转向油泵和电子控 制单元等组成。电磁阀安装在通向转向动力缸活塞两 侧油室的油道之间，当电磁阀的阀针完全开启时，两 油道就被电磁阀旁路。流量控制式动力转向系统就是 根据车速传感器的信号，制电磁阀阀针的开启程度， 从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量， 来改变转向盘上的转向力。
反力控制式EPS
图5所示为反力控制式动力转向系统的工作原理图。 转向控制阀是在传统的整体转阀式动力转向控制阀的基 础上增设了油压反力室而构成。扭力杆的上端通过销子 与转阀阀杆相连，下端与小齿轮轴用销子连接。小齿轮 轴的上端部通过销子与控制阀阀体相连。转向时，转向 盘上的转向力通过扭力杆传递给小齿轮轴。当转向力增 大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀体和转阀阀杆之间 将发生相对转动，于是就改变了阀体和阀杆之间油道的 通、断关系和工作油液的流动方向，从而实现转向助力 作用。 分流阀是把来自转向油泵的机油向控制阀一侧和电磁阀 一侧进行分流的阀。按照车速和转向要求，改变控制阀 一侧与电磁阀一侧的油 压，确保电磁阀一侧具有稳定的机油流量。
电动助力转向的精确转向的实现过程
工作时，微机控制指令经D/A转换接口送入电动机和离合器 的驱动放大电路，以控制电动机电流的大小和方向，以及离合器的离 合。电动机的电流经放大电路、电流表及a/d转换接口反馈给微机， 微机将此与按微机指令应给的电流相比较，若有差值，则予以调整， 使两者趋于一致。
电动式EPS主要部件的结构
扭矩传感器 车速传感器 电动机 电磁离合器 减速机构
扭矩传感器
在线圈U、T的两端施加连续的脉冲信号Ui, 当转向轴上的转矩为零时，定子和转子的 相对转角也为零，电桥平横，在V和W两端 的电位差Uo为零，如果转向轴上存在转矩， 定子和转子的相对转角不为零，此时定子 和转子间产生角位移θ，电桥失去平衡在V i 和W两端出现电位差Uo。 o
传统转向系统
传统的汽车转向系统是机械系统，汽车 的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通 过转向器和一系列的杆件传递到转向车 轮而实现的。普通的转向系统建立在机 械转向的基础上。 常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式 (用于需要较大的转向力时)。这种转向系 统是我们最常见的，目前大部分低端轿 车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。
。
微机根据车速、转向力及转向角等参数，计算得到最佳的转向助 转矩传感器：检测转向轴转矩的大小和转动的方向，转矩传感器 力转矩，并向转向电动机输出电流控制信号，使转向机构得到一 发动机转速传感器：确定发动机的工况，当处于怠速工况时，电 信号和车速信号同时输入到 ECU,ECU根据这些信号确定助力转矩的 个与汽车工况相适应的转向作用力。从而实现最佳的转向助力控 动助力转向系统不工作。 大小和方向。 制。
液压式助力转向系统的缺点
结构复杂，功率消耗大，容易产生泄漏， 转向力不易有效控制。
电动式电子控制动力转向系统原理示意图
电动式EPS通常由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元 （ECU）、电动机和电磁离合器等组成（如图所示）。电动式EPS 是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由电子控制 单元完成助力控制。 原理:当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的扭矩传感器不断地测出 转向轴上的扭矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单 元。电控单元根据这些输入信号，确定助力扭矩的大小和方向， 即选定电动机的电流和转向，调整转向辅助动力的大小。电动机 的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向 机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。
电 动 助 力 转 向 系 统 的 控 制 流 程助力转向系统的具体要求
有效减小操纵力 （停车和行车） 转向灵敏性好 具有回正功能 良好的路感（转向 反馈 ）工作可靠
在转向后，转向盘应 低速或停车时，转动转向盘 转向必须灵活、平顺， 从道路表面传来的冲 不能太费力，高速行驶时，又 当能自动回到直线行驶 具有很好的随动性，能 击应能传达到转向盘上， 不能感觉到转向盘上的力太小 的位置，回转的速度要 够安全行驶在狭窄、连 增加驾驶员的路感，但 续拐弯的弯道上。 而有发“飘“的感觉，因此要 平稳、适当。使残留的 不能太大，要使驾驶员 角速度尽可能小。 求转向盘上的力最好能随车速 的感觉是舒适的。 变化，同时要求驾驶员能清楚 地感觉到转向盘的位置，感觉 到操纵转向盘的角度与汽车行 驶轨迹的对应关系，具有很好 的直线行驶稳定性和高速行驶 的路感。