#汽车电动助力转向系统的研究与方案

汽车电动助力转向系统的研究与方案摘要：

现代汽车技术追求高效节能，高舒适性和高安全性三大目标。作为汽车最重要的子系统之一，转向系统的发展也一直努力追求达到这些目标。与传统液压助力转向系统（HPS）相比，电动助力转向系统（EPS）能节省油耗约3%~5%,具有结构精巧、节能环保、安全舒适等优点，是汽车助力转向系统的发展方向。

英飞凌作为世界第二大车用半导体供应商，一直致力于开发新的产品以适应于电动助力转向系统的发展。本文首先介绍转向系统的市场分析以及EPS的分类及其基本功能，然后在此基础上介绍英飞凌对于基于两种不同电机的EPS系统的解决方案及其产品，最后本文分析了EPS的两个新方向以及英飞凌将采用的解决方案和新的产品技术。

1.转向系统市场分析

在汽车的发展历程中，转向体经历了四个阶段：从简单的纯机械式转向系统（Mechanical Steering,MS）发展到液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering,HPS），然后又出现了电液助力转向系统（Electrically Powered Hydraulic Steering,EHPS），而目前正开始广泛应用的是电动助力转向系统（Electric Power Steering,EPS）。

与传统的液压动力转向系统相比，电动助力转向系统主要有以下几个方面的优势：

1.能耗少：EPS没有转向油泵，且只在转向时电动机才提供助力，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。比液压助力转向系统可节约燃油3%~5%,因而燃油经济性有了很大的提高。

2.路感好：EPS能在各种行驶工况下提供最佳力，减小路面不平度所引起的对转向系的扰动。且由于EPS 系统内部采用刚性连接，系统的滞后特性可以通过软件加以控制，因此有较好的路感。

3.安装方便：EPS取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等零件，并且其电机和减速机构安装在转向柱或装在转向器内，从而使整个转向系统的重量减轻、结构紧凑且安装方便。

4.回正性能好：EPS结构简单精确、内部阻力小、回正性能好，而且可以通过软件进行补偿，从而可以得到最佳的转向回正特性，且可改善汽车的操纵稳定性。

5.应用范围广：EPS可适应各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车。而对于新能源车，尤其是纯电动汽车，EPS系统为其最佳选择。

6.整车网络构建：EPS由于有CAN/LIN的网络接口，可以与汽车其它电子控制系统结合，例如主动悬架、制动防抱死（ABS）及驾驶员辅助系统等，共享其电子装置的功能，实现更加复杂的功能，比如汽车智能化的终极目标：无人驾驶。

下表一是世界着名的咨询公司Strategy Analytics对全球转向系统的预测，可以看到EPS将占据50%以上的市场份额。

表一：2007-2018全球转向系统市场预测（百万套）若分区域来看，过去主要在欧美和日本采用EPS.但是从2015开始，中国将超过欧美和日本，成为全球最大的EPS市场。见下表二。

表二：2007-2017 全球转向系统市场分区域预测（百万套）若分车型来看，所有的广义乘用车都能应用EPS,从2007年至2017年的平均年增长率为15%.不过由于大型轿车和轻卡对于EPS的需求增长迅猛，表三显示从C级以下的小型轿车的份额从2007年的86%下降为2018年的66%.

表三：2007-2018 全球转向系统市场分车型预测（百万套）

2.电动助力转向系统的介绍

电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的，它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作。系统主要由三大部分构成：信号传感装置（包括扭矩传感器、

方向盘角度传感器和车速传感器），电子控制单元和转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构等）。

电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵转向盘时，装在转向盘轴上的扭矩传感器不断地测出转向轴上的扭短信号，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。

根据电机安装位置和机械结构的不同，电动助力转向系统系统可以分为：管柱助力式（Column Mounted），小齿轮助力式（Pinion mounted），双小齿轮助力式（2xPinion mounted）和齿条助力式（Rack mounted）。具体的如下图一所示：

图一：电动助力转向系统的分类

管柱助力式EPS系统中将助力电机安装在管柱上，通过减速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。这样的系统结构简单紧凑、易于安装，但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪声的影响，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。小齿轮助力式EPS系统中将助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。双小齿轮助力式EPS系统由于增加了一对齿轮齿条而能提供比小齿轮助力式更大的助力，但是成本上也略高。而齿条助力式EPS系统中将助力电机和减速增扭机构直接驱动齿条提供助力，因此能提供更大的助力，但整套系统结构复杂，成本较高，所以适用于豪华车和商务车上。

无论哪种EPS系统，其要实现的功能大致相同：

1.助力控制：在汽车停车及低速行驶时提供较大辅助力矩，使转向过程快捷轻便的进行，而在汽车高速行驶时提供较小的辅助力矩以保持转向过程的可靠与沉稳。

2.阻尼控制：利用电机感应电动势来减弱汽车高速行驶时出现的方向盘抖动现象，目的是提高汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性。

3.回正控制：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。需要防止两种情况：（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。

4.系统通信功能：通过CAN/LIN总线与其他汽车控制系统进行通讯，实现更加复杂的功能。

5.系统故障诊断功能：能实时监控整个系统，具有故障报警和提示功能，在故障不能自动排除时关断EPS使车辆进入传统的机械转向模式。

为了实现上述功能，软硬件的选择就非常重要。从半导体供应商的角度，EPS系统中选择的助力电机的类型非常关键。一般来讲，常用的EPS助力电机分为直流有刷电机（DC）和直流无刷电机（BLDC）两种。针对这两种电机，英飞凌都有相应的全套解决方案。

3.英飞凌电动助力转向系统方案：直流有刷电机

直流有刷电机（DC）由于技术成熟、控制器简单、成本低等特点，短时间内仍将在EPS 电机中占据主导地位。目前主要应用于低成本的EPS上，代表车型为日系车和国内自主品牌的低端车。

针对于基于直流有刷电机的EPS系统，英飞凌提出一套非常成熟可靠的方案，见图二。