丰田卡罗拉电动助力转向系统(EPS)

丰田卡罗拉电动助力转向系统（EPS）一、功能

电动助力转向系统( EPS) 将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统,能显著改善汽车动

态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境污染等。因此,该系统一经提出,就受到许多大汽车公司的重视,并进行开发和研究。未来的转向系统中, EPS 将成为主流。与其他转向系统相比,该系统的突出优势体现在: ①不转向时不消耗功率,与液压转向系统相比,可降低燃油消耗3 %～5 %; ②改善车辆操纵性能,助力大小可通过控制单元中的软件来控制,容易实现随车速等的变化而变化; ③结构

紧凑、重量轻;④工作噪音小; ⑤结构比液压转向系统简洁,无油泵、液压油、橡胶软管、油罐等; ⑥符合环保要求,车辆报废时,不需处理液压油、橡胶软管等,也无液压油的泄漏问题; ⑦安装简化(特别对于发动机后置和中置的车辆,可节省装配时间) 。

二、组成

1、卡罗拉EPS由以下部件构成(见下图) :

1) 转向扭矩传感器。它通过检测弹性扭转杆因方向盘的扭矩所产生的变形角度来测量方向盘操纵力矩,并将其转变为电子信号并输出至EPS ECU ,ECU 据此决定对EPS马达提供多大的电压。这是转向控制的重要信号。

2) 转向电机。装于转向管柱的中部,是助力转向的动力来源。

3) 减速装置。采取与电机转子内壳配套的循环滚珠式减速机构,将电动机传来的转速降低,获得更大的转动扭矩,以便足以驱动车轮转向。

4) 转角传感器。向EPS ECU 反馈转向助力电机的转角大小和转向,便于EPS ECU 对整个转向过程进行准确控制。

5) 齿条轴的外壳。

6) 左右横拉杆。

7) EPS ECU 。

2.转向扭矩传感器的结构与工作原理

转向扭矩传感器包括分相器单元1 与分相器单元2 两部分,分别安装在方向盘的输入轴和转向小齿轮的输出轴上(见图2 、3) 。

图2 卡罗拉转向扭矩传感器装配图

图3 卡罗拉转向扭矩传感器的分解图

1)转子部分由上下两层构成,均装有转矩传感器线圈。输入轴和输出轴由一根细金属销刚性连接成一体,转子轴上方有连接用的销孔(如图3 所示) 。输入轴由汽车方向盘直接驱动,再通过金属销、弹性扭转杆的传递来驱动输出轴;输出轴小齿轮推动齿条平移,驱动转向轮向左或向右转向。

2) 定子部分也有上下两层线圈,分别对应转子的上下部分。定子线圈有2 种,分别是励磁线圈和检测线圈。励磁线圈对转子部分的线圈通过电磁感应起励磁作用;检测线圈用于检测输入、输出轴的上下转角差(转向转矩) ,向EPS ECU 输送电信号,这个电信号是定子线圈上两列正弦波的相位差(如图4 所示) ,反映此时转矩传感器检测到的转矩大小。相位差越大,转矩越大。

图4 检测线圈的相位差

3.转角传感器的结构与工作原理

丰田卡罗拉转角传感器属于电磁感应式传感器,它及时将转向电机的转向及转向角度信号反馈给EPS ECU ,形成一个闭环控制。这个传感器转子为凸台式,转子与助力电动机转子连成一体,由图5可见转角传感器的结构与感应凸台。转向传感器的定子线圈呈圆环状(图5 中的转角传感器) ,装在助力电动机定子线圈端面,感应凸台随助力电动机转子的转动,通过电磁感应原理,检测出助力电动机转子的转角。

4.助力电动机的电源

由于目前汽车蓄电池的电压只有12 V ,助力电动机的功率非常有限。为了提高转向助力的力矩,丰田卡罗拉助力电机的电源为27～34 V 的三相交流电压。其EPS EUC 中还专门设置有提升电压的逆变器和电感储能线圈,由类似三相桥式、能将蓄电池的电压转为27～34 V 的电路完成。驾驶员操纵方向盘时,助力电动机会根据转向阻力大小自动输出27～34 V 的可变电压。

三、工作原理

EPS是由EPS ECU 控制转向电机工作来实现助力的转向系统。驾驶员打方向时,方向盘通过传动轴的花键毂带动转向主轴(输入轴) ,转向主轴再通过金属销带动弹性扭转杆;弹性扭转杆下端是小齿轮(输出轴) ,小齿轮与转向齿条啮合产生动力输出,驱动车轮向左或向右偏摆而实现转向。与此同时,助力的过程也在进行,由于弹性扭转杆比较细长,受到来自转向主轴的扭矩时,很容易产生扭转变形,因此,输入轴与输出轴之间产生上下转角差,扭矩越大转角差越大;转矩传感器检测转角差大小并转化为电信号输给EPS ECU ; EPS ECU 根据转矩大小输出不同驱动电压,以驱动转向助力电动机产生助力,转矩越大输出的驱动电压越高,驱动电压在27～34 V 变化。但当驾驶员未打方向或车辆直线行驶时,助力电动机不运转,此时助力电动机的电压为零。转向助力电动机的电流由EPS ECU 控制,随车速变化而变化, EPS ECU 根据转向力矩值及车速大小计算所需输出电流并控制马达运转。由图

6可见,车速越高,转向助力电机的电流越小;车速越低,转向助力电机的电流越大。因此,转向助力的大小由两个因素决定,即方向盘输入扭矩与车辆的行驶速度。

电动助力系统的控制:当车辆速度低时,转向沉重,这时需要

大的助力。由于车速低, EPS ECU供给助力电动机大的电流;另一方面方向盘沉重,弹性扭转杆变形大,转角差大, EPS ECU 供给助力电动机高的电压,因此,助力电动机提供大的助力。车速高时,转向轻便,这时需要小的助力,增加驾驶员转向的路感。由于车速高, EPS ECU 供给助力电动机小的电流;另一方面方向盘轻便,弹性扭转杆变形小,转角差小, EPS ECU 供给助力电动机低的电压,因此,助力电动机提供小的助力。通过电动助力,达到理想的转向控制。从图6 虚线部分可以看出, 转向力矩曲线不是单一的。转向助力输出电流一定时,对应不同曲线得到不同的转向力矩,这因为驱动电压不是固定的,它随方向盘转向力矩变化而变化;同样,转

向力矩一定时,对应不同曲线得到不同的转向助力输出电流,原因