电动助力转向系统及其关键技术

电动助力转向系统及其关键技术摘要: 电动助力转向 (EPS) 系统具有结构简单、节能环保等独特优势得以迅速发展; 介绍了 EPS 的工作原理及分类，分析了 EPS 系统的助力电机、减速机构、传感器、ECU 等关键部件及助力特性、控制理论等关键技术。

关键词: 电动助力转向; 关键部件; 助力特性; 控制技术汽车转向是通过驾驶者转动转向盘，经过转向系统提供的操纵力以改变车轮角度来实现。

助力转向是一种为了减轻驾驶员的操纵力而设有助力机构的转向装置。

为方便驾驶员易于操纵转向系，动力转向已经作为汽车的标准装备。

助力转向最初为机械式，然后发展为液压式(HPS) ，随着现代控制技术和电子技术的发展，电动式动力转向系统 (EPS) 作为一种新的助力转向系统［1］传感器与转向轴(小齿轮轴) 连接一起，其不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，当转向轴转动时，传感器把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给控制装置，控制装置按照已设定的控制程序和控制策略对扭矩传感器以及车速传感器产生的信号进行运算处理，以此确定电机的旋转方向和助力电流的大小，电机经减速机构将助力转矩传递给转向系统，从而完成实时控制助力转向［2］。

迅速发展。

相对 于 HPS ， EPS 有很多优 势 : ( 1) 在各种行驶工况下提 供最佳的 助力; (2) 只在转向时才提 供助力， 不像 HPS 不转向时 液 压系统的 油泵也运转， 节省燃油损耗; (3) 结构紧凑， 便于安装 和装 配; (4) 取消了液压回路， 减少了对 环境的 污染; (5) 具有自我诊断功能， 便于维修和保养; 另外， EPS 系统性能能够在不改变系统结构的 情况下， 可以通过改变系统的控制策略、编程来实现， 满足不同车型和不同驾驶感觉的 需要 。

近些年 ， 国 内外汽车企业第 7 期·177·齿轮齿条式助力 (R-EPS) 等三大 基本类型， 如图 2 所示。

图 2 不同助力转向系统结构图C-EPS 的 助力单元、控制器和传感器都集中于转向柱处， 系统比较紧凑， 易于在车辆上的 安装 ， 更容易替代原有的液压助力转向系统。

一 般系统布 置在驾驶室内， 其工作环境很好， 电气元件一 般不需要 防水和隔热 措施， 但有限的 空间 可能会影响碰撞能量的 吸收， 要 求有满足碰撞法 规要 求的 结构。

P-EPS 的 助力单元固定在转向齿轮的 小齿轮轴 上端， 其电动机 和减速机 构相连， 直接驱动小齿轮进行助力。

P-EPS 安装 在发动机 仓底部， 靠近排气管， 其材料和结构必须耐热 和防水。

此系统的 ECU 可以 分别安装 在车厢和发动机 仓内， 目 前多数 安装 在车厢内，但会消耗较长的 线束同时 会影响收音机 效果， 如果安装 在发动机 仓内， 要 求有辅助的 隔热装置。

R-EPS 的 减速机 构连同电机 、传感器一 起安装 在转向器与 转向小齿轮位置相对布置的 另一 侧， 另有一套小齿轮， 直接驱动齿条进行助力。

根据电机与转向齿条的 位置关系可以 分 为平行 布置式、交叉布 置式、同轴布置式。

当电动机与转向齿条平行布置时 ， 电机通过皮带减速器和滚珠丝杆两级减速来驱动齿条进行助力; 当电动机与转向齿条交叉布 置时 ， 电机通过锥齿轮和滚和高 校对 E PS 做了大 量研 究工作， 取得 了一 系列成果。

1 EPS 工作原理及分类 1. 1 EPS 工作原理EPS 结构框图如图 1 所示， 其工作原理是: 扭矩图 1 电动助力转向系统1. 2 EPS 类型依据电动机布置位置不同， EPS 系统主要可分为转向柱式助力 (C-EPS) ，小齿轮式助力 (P-EPS) ，珠丝杆两级减速来驱动齿条进行助力; 当电动机与转向齿条同轴时，电机通过滚珠丝杆与齿条相连，直接驱动齿条进行助力［3］。

3 种不同电动动力转向系统的比较如表 1 所示［4］。

表 1 3 种不同电动动力转向系统比较类型C-EPS P-EPS R-EPS噪声、振动大中小扭矩、波动中中中低速时扭矩变动小小小扭矩不足中中中惯性矩中中中温度(耐热性)小大大防水性小大大相应功率输出小中大2 EPS 系统关键部件EPS 系统关键部件主要有助力电机、减速机构、转角传感器、转矩传感器、车速传感器和电控单元(ECU) 等。

2. 1 减速机构EPS 系统减速机构的主要作用是增大电机的助力转矩。

江苏大学何仁等人［5］指出 : 在开发 EPS 系统时，要合理设计减速机构，必须保证其与助力电机匹配，否则无法满足转向要求。

华中科技大学刘照等［6］对转向柱式助力系统减速机构进行了专门研究，指出世界各大汽车公司开发的转向柱式助力系统的减速机构基本为蜗轮蜗杆传动机构和差动轮系助位移传动机构。

常见的减速机构如图 3 所示。

图 3 EPS 减速机构文献［6］从运动学分析和动力学分析两方面分别对两传动机构进行了对比分析。

研究表明，蜗轮蜗杆机构下的 EPS 系统的转向灵敏性不可调，而差动轮系下的转向灵敏性可调。

蜗轮蜗杆机构方案的转向手感不平滑，而差动轮系方案是运动的合成，转向手力十分平稳，且能实现对手转向运动的精确跟踪，但差动轮系效率略低。

2. 2 助力电机华南理工大学范心明等［7］专门研究了 EPS 系统助力电机，提出电机必须保证工作电压低，额定功率和额定电流足够大，调速范围广，控制特性好，低速运行平稳，力矩波动小，转速不能太大(约1 000 r/min) ，体积应尽可能小，在堵转时也应能够提供助力作用。

目前常采用的助力电机有直流电机、无刷直流伺服电动机、力矩电动机、开关磁阻 (SR) 电动机等。

直流电机是当前 EPS 系统常用的助力电机类型之一，主要有两方面原因: 一是起动性能和调速性能很好，另一方面汽车电源 (蓄电池，发电机 ) 为直流供电，能直接驱动直流电机。

无刷直流伺服电动机，其能将电压信号转变为转轴的角速度和角位移输出。

伺服电机和驱动电机相结合的一种叫力矩电动机，它可以不经减速机构直接驱动负载，其具有较高的速度和位置控制精度，运行可靠，维护简便，振动小，结构紧凑。

另外，开关磁阻 (SR) 电动机也常被选为助力电机，一个完整的 SR 电机驱动系统应由电源、驱动电路、控制器和 SR 电机组成。

2. 3 转角、转矩传感器转角传感器用于实时检测转向盘的转动方向以及转向盘的位置，转矩传感器用于实时检测转向盘转矩的大小，并将信号输送到 EPS 系统的电控单元。

国内外常见的扭矩传感器有: ( 1) 上海新跃公司生产的 NSK 扭矩传感器，是电位计式传感器，主要用于昌河北斗星 EPS 系统。

(2) 美国 BI 公司针对 Delphi 的EPS 系统开发的扭矩、位置复合传感器，此传感器也是一个电位计式传感器，可以同时提供扭矩信号和方向盘的位置信号。

(3) 株洲时代公司开发的将磁电式扭矩传感器和 AMR 角度传感器简单集成传感器，能同时产生扭矩和角度信号。

(4) 英国 LUCAS 公司和清华大学研究小组各自研制的光电式扭矩传感器。

(5) BOSCH 与BOURNS 公司联合开发的磁阻式扭矩传感器［8］。

2. 4 车速传感器车速传感器是用来测量汽车的行驶速度。

在汽车上应用最多的是磁电式传感器、光电式传感器以及霍尔式传感器。

为消除电子设备产生的电磁及射频干扰，防止造成驾驶性能变差，通常安装在驱动桥壳或变速器壳内屏蔽的外套内。

2. 5 ECUECU 在工作时，微处理器 CPU 按照已设定的控制程序和控制策略根据转矩和车速等信号计算出最优化的助力转矩，然后将其输入到电流控制电路。

电流控制电路把这些信号同电动机的实际电流值进行比较，产生的差值信号被送到驱动电路，此电路可以驱动动力装置并向电机提供控制电流。

CPU 同时还会给电机驱动电路一个决定电机转向的信号。

另外，ECU 还有安全保护和自我诊断功能。

3 EPS 关键技术电动助力转向与转向轻便性、路感以及舒适性和安全性密切相关，该系统的关键技术包括以下两个方面。

3. 1 助力特性助力特性是指助力随汽车运动状况(车速和转向盘手力) 变化而变化的规律。

对液压动力转向，助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与转向盘力矩 (及车速) 的变化关系曲线来表示助力特性。

对电动助力转向，助力与直流电动机电流成比例，故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。

助力特性曲线决定了 ECU 按照什么样的目标去控制助力电流的大小，满足不同行驶工况下对助力扭矩的要求。

目前国内外已经对助力特性进行了诸多研究，比较典型的助力特性曲线主要有直线型、折线型和曲线型3 种类型，如图 4 所示，但是何种曲线比较理想还没有明确的结论。

每种类型曲线都可分为 3 个助力区，分别为无助力区，助力变化区，最大助力区。

当转向盘输入扭矩在无助力区时电机不提供助力，在助力变化区时，电机依据特性曲线提供实时助力，在最大助力区时，一定车速下电机助力电流达到最大值，并保持不变。

·178·机床与液压第 40 卷图 4 助力特性形式助力特性曲线之所以设计成图 4 形状，是因为须保证系统在工作时满足如下要求: 系统在转向阻力较小(1 N·m) 时停止助力，即在无助力区电机的输出电流应为零，以便节能并防止转向过度灵敏; 转向时作用在方向盘上的最大操纵力不应超过 50 N，即当方向盘输入扭矩达到规定的最大操纵力时，电机输出助力电流应该达到最大值，且保持不变; 随着车速增大，为保证合适路感，应减少助力。

文献［9］指出直线型助力效果最好，但路感不理想; 曲线型较好兼顾了转向轻便性和路感要求，但曲线方程不容易确定; 折线型由 2—3 段不同斜率的直线组成，性能介于曲线和直线型中间，但转折点如果定位不当，容易引起助力特性突变。

文献［10］结合 3 种常见助力特性的优点，根据EPS 在不同助力区段助力转矩与输入转矩的关系，以管柱式 EPS 为例，设计了一种由直线和曲线构成的组合式新型助力特性，其曲线和直线连接处采用“相切”设计以保证连接平滑，避免了助力特性“突变”，曲线段的确定也相对容易，便于实际应用。

通过对某微型轿车管柱式 EPS 的仿真，分析了这种组合型助力特性的基本性能，为提高 EPS 助力控制效果提供了新的技术方法。

文献［11］指出助力特性曲线的设计方法，提出目前常用的机理分析法和基于实验数据的曲线拟合法。

其中机理分析法是先对方向盘输入扭矩，车辆行驶速度，前轮气压等与电机助力电流建立一个数学模型，确定一组输入参数，就可得出助力电流大小，通过描点可得出图形。

该方法要想精确建模很困难，不是很实用。

基于实验数据的曲线拟合法设计曲线时，将电机助力电流看成是以车速为自变量的助力系数函数和助力电流随方向盘输入扭矩函数的简单乘积。