车辆工程毕业设计51汽车电动助力转向(EPS)系统的设计

目录一、绪论1.1 前言 (1)1.2 EPS的特点 (2)1.3 EPS系统在国内外的应用状况 (3)二、 EPS的基本构造和工作原理2.1 EPS系统结构及其工作原理 (4)2.2 EPS的关键部件 (5)2.2.1 扭矩传感器 (5)2.2.2 电动机 (6)2.2.3 电磁离合器 (6)2.2.4 减速机构 (7)2.3 EPS的电流控制 (7)2.4 助力控制 (8)2.5 回正控制 (9)2.6 阻尼控制 (9)三、EPS系统电机驱动电路的设计3.1 微控制器的选择 (10)3.2 硬件电路总体框架 (10)3.3 电机控制电路设计 (11)3.3.1 H桥上侧桥MOSFET功率管驱动电路设计 (12)3.3.2 H桥下侧桥MOSFET功率管驱动电路设计 (13)3.4蓄电池倍压电源 (14)3.5电机驱动电路台架试验 (15)3.6 结论与展望 (16)四、电动助力转向系统故障自诊断的研究4.1 故障自诊断的基本原理 (17)4.2 电动助力转向系统故障自诊断 (17)4.2.1 系统各组成部件的故障辨识 (17)4.2.2 转矩传感器故障自诊断 (18)4.2.3 电机故障自诊断 (20)4.2.4 车速和发动机转速信号故障自诊断 (21)4.2.5 电磁离合器故障自诊断 (22)4.2.6 控制单元电源线路故障自诊断 (22)4.2.7 控制单元故障自诊断 (23)4.3 故障代码显示控制及安全防范措施 (23)4.4 实例分析 (26)4.5 结束语 (27)致谢 (27)汽车电动助力转向(EPS)系统的设计绪论1.1前言转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性和行驶安全性。

汽车助力转向依次经历了机械式转向系统、液压式转向系统、电控液压式转向系统等阶段，国际上已有一些大的汽车公司在探讨开发的下一代线控电动转向系统。

在国外，各大汽车公司对汽车电动助力转向系统（Electric power steering-EPS,或称Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20多年的历史。

随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域，部分取代了传统液压动力转向系统（Hydraulic powersteering,简称HPS）。

实践证明电动助力转向系统（EPS）具有节能、成本低和便于控制，易于装车，提高操纵稳定性和轻便性以及符合机电一体化的要求等优点，正迎合了时代的要求。

1.2 EPS的特点1.EPS节能环保。

由于发动机运转时，液压泵始终处于工作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了3％～5％，而EPS以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作，EPS几乎不直接消耗发动机燃油。

EPS不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题，EPS通过电子控制，对环境几乎没有污染。

2.EPS装配方便。

EPS的主要部件可以集成在一起，易于布置，与液压动力转向系统相比减少了许多元件，没有液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，元件数目少，装配方便，节约时间。

3. EPS效率高。

液压动力转向系统效率一般在60%～70%，而EPS的效率较高，可高达90％以上。

4. EPS路感好。

传统纯液压动力转向系大多采用固定放大倍数，工作驱动力大，但却不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。

而EPS系统的滞后特性可以通过EPS控制器的软件加以补偿，使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。

5. EPS回正性好。

EPS系统结构简单，不仅操作简便，还可以通过调整EPS控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车操纵的稳定性和舒适性。

6、动力性：EPS系统可随车速的高低主动分配转向力，不直接消耗发动机功率，只在转向时才起助力作用，保障发动机充足动力。

(不像hps液压系统，即使在不转向时，油泵也一直运转处于工作状态，降低了使用寿命)1.3 EPS系统在国内外的应用状况国外EPS的发展之路：因为微型轿车上狭小的发动机舱空间给液压助力转向系统的安装带来了很大的麻烦，而EPS元件比较少，重量轻，装配方便，比较适合在微型轿车上安装。

因此在国外，EPS系统首先是在微型轿车上发展起来的。

上世纪80年代初期，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还应用在其Alto车上。

此后，EPS在日本得到迅速发展。

出于节能环保的考虑，欧、美等国的汽车公司也相继对EPS进行了开发和研究。

虽然比日本晚了10年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类型也有所不同。

日本起初选择了技术相对成熟的有刷电机。

有刷电机比较成熟，在汽车上的应用较广，比如雨刷、车窗等部分，稍做改进就适应了EPS的要求，因此研发周期较短，上世纪80年代末期就开始产业化，主要装配在微型车上。

而欧美则选择了难度较大的无刷电机，但是电子控制系统比较复杂，延长了研发周期。

直到90年代中期欧美才开始批量生产。

从长远发展看，有刷电机存在一定弊端，比如电刷产生的噪声较难克服，磨损较严重，存在电磁干扰等问题。

因此，日本现在国内配装的EPS也逐渐转向无刷电机类了。

国内EPS的发展现状：我国汽车电子行业的总体发展相对滞后，但是，随着汽车对环保、节能和安全性要求的进一步提高，代表着现代汽车转向系统的发展方向的EPS电动助力转向系统已被我国列为高新科技产业项目之一，国内各大院校、科研机构和企业已经纷纷开始对EPS这一领域进行了研究，使得EPS得到了迅速的发展。

据悉，自主品牌研发的EPS系统离产业化就差整车厂批量装车认可这一台阶了，相信很快就可以实现量产。

二、EPS的基本构造和工作原理2.1 EPS的结构及工作原理电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但是基本原理是一致的。

它一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元ECU,电动机、电磁离合器以及减速机构构成，其机构示意如图1所示。

其基本工作原理是：当转向轴转动时，扭矩传感器将检测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元ECU，ECU再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算，得出助力电动机的转向和助力电流的大小，完成转向助力控制，EPS系统控制框图如图2所示。

图2 EPS系统控制框图2.2 EPS的关键部件2.2.1 扭矩传感器扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向，以及转向盘转角的大小和方向，它是EPS的控制信、号之一。

精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS能否占领市场的关键因素。

扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。

常用的接触式（主要是电位计式）传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式(如图3所示)两种。

前者的成本低，但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低，需要对制造精度和扭杆刚度进行折中，难以实现绝对转角和角速度的测量。

后者的体积小，精度高，抗干扰能力强、刚度相对较高，易实现绝对转角和角速度的测量，但是成本较高。

因此扭矩传感器类型的选取根据EPS的性能要求综合考虑。

图3 磁电式扭矩传感器2.2.2 电动机电动机根据ECU的指令输出适宜的转矩，一般采用无刷永磁电动机，无刷永磁电机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等特点。

电机是EPS的关键部件之一，对EPS的性能有很大的影响。

由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩，具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。

此外还要求电机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。

2.2.3 电磁离合器电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。

当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。

此外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。

为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器状态区域。

2.2.4 减速机构减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。

它主要有两种形式：双行星齿轮减速机构(图4)和蜗轮蜗杆减速机构(图5)。

由于减速机构对系统工作性能的影响较大，因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。

图4 双级行星减速机构图5 蜗轮蜗杆减速机构2.3 EPS的电流控制EPS的上层控制器用来确定电动机的目标电流。

根据EPAS的特点，上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。

EPS的电流控制方式控制过程为：控制器根据转向盘转矩传感器的输出Th和车速传感器的输出V由助力特性确定电动机的目标电流Imo，然后电流控制器控制电动机的电流Im,使电动机输出目标助力矩。

因此EPS的控制要解决两个问题：（1）确定助力特性；（2）跟踪该助力特性。

整个控制器可分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节，进行电动机目标电流的决策，下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压，跟踪目标电流。

图6 EPS的电流控制2.4 助力控制助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。

步骤如下：(1)输入由车速传感器测得的车速信号；(2)输人由转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向；(3)根据车速和转向盘力矩，由助力特性得到电动机目标电流；(4)通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。

在这一基本控制过程中，助力特性曲线确定系统的控制目标，决定着EPS系统的性能。

EPS的助力特性曲线属于车速感应型，在同一转向盘力矩输人下，电动机的目标电流随车速的增加而降低，能较好地兼顾轻便性与路感的要求。

2.5 回正控制当汽车以一定速度行驶时，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。

随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。

驾驶员松开转向盘后，随着作用在转向盘上的力的减小，转向盘将在回正力矩的作用下回正。

在转向盘回正过程中，有两种情况需要考虑：（1）回正力矩过大，引起转向盘位置超调；（2）回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置。

对前一种情况，可以利用电动机的阻尼来防止出现超调。

后一种情况需要对助力进行补偿，以增加回正能力。

根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。

回正控制的内容有：低速行驶转向回正过程中，EPS系统H桥实行断路控制，保持机械系统原有的回正特性；高速行驶转向回正时，为防止回正超调，采用阻尼控制。

2.6 阻尼控制阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性提出的。