汽车电动助力转向系统的现状与发展.pdf

分类、1 绪论 随着近年来电子控制技术的成熟和成本的 降低，E P S 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，部分取代了液压动力转向系统(H y d r a u l i c P o w e r S t e e r i n g，简称 H P S)。电子 控制技术在汽车动力转向系统中的应用，使汽 车的驾驶性能达到令人满意的程度 J。电动助 力转 向系统(E P S)在 汽车低速行驶转 向时减 轻转向力使转向轻便、灵活；在汽车高速行驶 转向时，适当加重转向力，从而提高了高速行驶 时的操纵稳定性，增强了“路感”。不仅如此，E P S的能耗是 H P S 能耗的1 3以下，且前者比后 者使整车油耗下降可达 3 一 5，因而，E P S将 成为汽车传统转向系统理想的升级换代产品。自1 9 5 3 年美国通用汽车公司在别克轿车上 使用液压动力转向系统以来，H P S 给汽车带来 了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动 力转向技术发展异常迅速，出现了电控式液压 助力转向系统(E l e c t ri c H y d r a u l i c P o w e r S t e e ri n g，简称 E H P S)。1 9 8 8 年 2月日本铃木公司首先在 其 C e r v o 车上装备 E P S 1 J，随后又应用在 A l t o 汽车上；T R W 公 司继推 出 E H P S后也迅 速推 出 了技术上比较成熟的带传动 E P S和转向柱助力 式 E P S J，并装配在 F o r d F i e s t a和 M a z d a 3 2 3 F 等车上，此后 E P S 技术便得到了飞速的发展。在国外，E P S已进入批量生产 阶段，并成为 汽 车零部件的高新技术产品，而我国动力转向系 统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，E P S的研究开发目前还处于起步阶段，其产品 在 2 0 0 2年才有国内企业进行研制开发。目前，只有南摩股份有限公司(生产转向柱式的 E P S 产品)能小批量生产用于汽车装配，在昌河公 司产的爱迪尔轿车、南京菲亚特公司产的新雅 途轿车上使用。2 汽车动力转向系统的分类及特点 汽车转向系统可按转向的能源不同分为机 械转向系统和动力转向系统两类。动力转向系 统根据动力源不同又可分为机械式的液压动力 转向系、电控式液压助力转向系统(E H P S)和 电动式电子控制动力转向系统(E P S)。2 1 机械式的液压动力转向系统 机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储 油罐等部件构成。无论车是否转向，系统总要 处于工作状态，能耗较高，而且在大转向车速 较低时，需要液压泵输 出更大的功率以获得 比 较大的助力，又 由于液压泵 的压力很 大，也 比 作者简介：1 李慧琪，男，湖南桃江人，高级工程师，研究方向：机电一体化。2 李伟光，男，江西南昌人，博士，教授，研究方向：机电一体化。一8 3 维普资讯 http:/ 较容易损害助力系统，且不易安装和维护。少 数大型车也有采用气压动力转向的，但这类动 力转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率 大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。2 2 EHP S E H P S 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，E H P S 又可分为流量控制式、反力控制 式和阀灵敏度控制式三种形式。其所有工作的 状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态，并控制 电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求，但即使 是最新的 E H P S也无法根除液压助力系统在布 置、安装、密封性、操控性、能量消耗、磨损 与噪音的固有缺憾。2 3 E P S系统 电动助力式转向系统利用电动机产生的动 力协助驾车者进行动力转向，不同车的 E P S结 构部件尽管不一样，但其基本原理是一致的。它一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单 元 E C U、电动机、电磁离合器以及减速机构构 成，其机构示意图如图1 所示。+向盘车速信号+军递1 胃号工况佰号 输入轴 (转向轴)扭矩传感暑 I 一 减速机构一 输出轴一 车轮 连接杆 扭矩传感 器信号 电磁离合器 占 电 磁离合 器控制 信号 转向齿轮转向齿条 图 1 电动式助力转向系统结构示意图 蓄电 池电 源 模块_ L _ 一电 磁离合 器 扭 矩 传 感 器 信 号 接 电 子 驱 +I 故 障 诊 断 输 出l 车速传感器信号 口 控制 动 电 单元-ll 电 电动机 轴重传感器信号 路 E C U 路 1 电流电压 点火开关 卜 反馈信号 图2 E P S系统控制框图 E P S 系统控制框图如图2所示。当汽车处 于直线行驶状态时，E P S便处于 S ta n d y状态，电动机停止工作，只有在汽车转向时，系统才 一8 4 一 实时的实现助力控制作用。因而，E P S可以很 容易的实现在全速范围内的最佳助力控制，在 低速行驶时保证汽车的转向灵活轻便，在高速 行驶时保证汽车转向稳定可靠。E P S的主要部件包括扭矩传感器、车速传 感器、电动机、电子控制单元、减速机构和电 磁离合器，其工作原理如下：2 3 1 扭矩传感器、车速传感器 E P S中扭矩传感器主要有：电阻式转向传 感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传 感器，也有很多厂家采用在转向轴位置加一扭 杆，通过测量扭杆的变形转化得到扭矩的大小 和方向。电阻式转向传感器实际上是个滑动可 变电阻器，其滑动触电固定在输出轴上，电阻 线部分固定在输入轴上。当操作方向盘时，滑 动触点在电阻线上的移动使得电位计的电阻值 随之变化，最终近集成电路 I C处理以变化电流 的形式将方向盘信号送至 E C U J。电阻式传感 器在早期 E P S中应用较多，这种传感器价格低，但体积大，易于磨损。随着非接触式扭矩传感器成本的降低，越 来越多的厂商转而采用这种精度高、体积小且 寿命长的新型传感器。图 3 所示为 K O Y O公司 研制的非接触式 E P S 扭矩传感器原理图，改装 置由安装在输入轴上的探测环 1 和探测环 2，安 装在输出轴上的另一个探测环 1，探测线圈和补 偿线圈组成。当方向盘转动时，扭杆受受转动 力矩作用发生扭转，此时由于线圈是固定不动 的，探测线圈与探测环之间的位置发生变化从 而导致线圈磁阻改变，并最终反映了扭矩的变 化。另外，还有如美 国 A l l e g r o M i c r o s y s te m s 公 司开发的磁环式霍尔速度传感器，它可以将转 向盘的扭矩、转角、角速度大小及方向等信息 转化为电信号输出 J。图3 非接触式扭矩传感器 维普资讯 http:/ 扭矩传感器测量值的参考范围为 一 l 2+1 2 N m，输出电压范围0一+5 V ；车速传 感器应用较多的有输出为脉冲信号或电压信号 两种，输出电压值信号参考范围为 0一+5 V，输出脉冲信号参考范围为，检测的车速范围可 达 1 2 0 0 K m h 2 3 2电动机 助力电动机是 E P S系统的动力源，它根据 E C U输出的控制指令，在不同的工况下输出不 同的助力转矩，对整个 E P S性能影响很 大，因 此需要具备 良好的动态特性、调速特性和随动 特性并易于控制，而且要求输出波动小、低转 速大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等，因 此，常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操 纵感、降低噪音和减少振动，在电动机转子外 表面开出斜槽或螺旋槽，而改变定子磁铁的中 心处或端部厚度，将定子磁铁设计成不等厚 等 J。三菱 M i n i c a 的E P S电动机主要参考参数 为：永磁式直流电机，额定电压 D C 1 2 V，最大 工作电流 3 0 A，额定转矩 1 N m【1 3。T R W公司推出的带传动 E P S在工作电压 1 3 5 V下，最大工作电流为 8 5 A，齿条输出的 最大功率为 6 0 0 W，齿条最大助力 1 2 5 0 0 N；转 向柱助力式 E P S 在其工作电压 1 3 5 V下，最大 工作电流为 7 0 A，齿条输出最大功率为 4 7 0 W，齿条最大助力 7 5 0 0 N，最大助力转矩为 5 5 N m_ 5。随着现代汽车技术的发展，汽车各部件 越来越多的采用 4 2 V直流电源，因而，面向 4 2 V直流电的 E P S也逐渐成为汽车技术研究热 点之一。采用 4 2 V直流电的E P S 将能够在较低 的输出电流同时保证有足够的输出功率，既降 低了系统的能耗和发热，又能够改善 系统的 控制。2 3 3 电磁离合器 电动式 E P S 转向助力一般都是工作在一个 设定的范围。当车速低于某一设定值时，系统 提供转向助力，保证转向的轻便性；当车速高 于某一设定值时，系统提供阻尼控制，保证转 向的稳定性；而当车速处于两个设定值之间时，电动机停止工作，系统处于 S t a n d y 状态，此时，为了不使电动机和电磁离合器的惯性影响转向 系统的工作，离合器应及时分离，以切断辅助 动力。另外，当E P S系统发生故障时，离合器 应 自动分离，此时仍可利用手动控制转向，保 障系统的安全性。E P S 系统中电磁离合器应用较多的为单片 干式电磁离合器，其工作原理如图4所示。三 菱 M i n i c a的 E P S采用离合器主要参考参数为：干式单片电磁式电磁离合器，额定电压 D C 1 2 V，绕组 1 9 5 Q(2 0。c)，额定传递扭矩 1 5 1 2 V (2 0。C)。图 4电磁 离台器 工作原理图 2 3 4 减速机构 减速机构是电动式 E P S不可缺少的部件，它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部 件。目前实用的减速机构有多种组合方式，采 用较多 的为蜗轮蜗杆 与转 向轴驱动组合式，如 图5 所示，也有的采用两级行星齿轮与传动齿 轮组合式。装配有离合器的 E P S，多采用涡轮 蜗杆减速机构，装配在减速机构的一侧，为了 保证 E P S 在预定车速范围内工作，在范围之外，离合器分离，电机停止工作，转向系统转为手 动，另外，当电动机发生故障时，离合器也 自 动分离。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。图 5 蜗轮蜗杆减速机构 一8 5 维普资讯 http:/ 2 3 5 电子控制单元 电子控制单元 E C U是整个 E P S系统控制的 核心，它根据扭矩传感器、车速传感器、轴重 传感器以及电动机电流传感器等输入信号，进 行分析计算，得出最佳控制参数，发出控制指 令，控制电动机与电磁离合器的动作。E P S系 统的控制算法也是系统控制性能的关键之一，控制系统应具有较强的抗干扰能力，能适应 汽 车在各种路况下的行驶环境，并能实现实时理 想的助力控制。除此之外，E C U还应具备安全 保护与自 我诊断功能。E C U有采用 8 位单片机 系统，如采用 P h i l ip s 的 8 7 C 5 5 2单片机 J，也 有采用美国T I 公司专为数字电机控制和其它控 制系统设计的低价位高性能 1 6位定点 D S P，如 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 D S P芯片 ，由于它集成度高 以及高速的运算能力等，特别适合电动机的实 时控制，它的使用有利于减少治理电机的扭矩 波纹，消除助力电机的振动，增强控制系统的 跟踪性能 。3 E P S性能及特点 3 1 助力特性 早期的E P S在车速高于设定值时，E P S停 止工作，属于低速型。现在研究多的是在全速 型的E P S，它在任何车速下都提供助力，既兼 顾了低速时的操纵灵活性，也实现了高速时的 操纵稳定性，但系统控制算法相对复杂。由于 电动机具有弹簧阻尼的效果，E P S能减少路面 不平对转向盘的冲击力和车轮质量不平衡引起 的振动，故 E P S能够更好的抑止路面的冲击。另外，E P S还能提高停车泊位时的助力跟随特 性，电动机在起动时力矩最大，然后逐渐降低，这一特性非常符合汽车从静止到起动过程的转 向力变化。3 2 操纵灵活性与稳定性 汽车驾驶操作灵活性与稳定性体现在停车 泊位、低速行驶 以及高速行驶时的转向性能。以前，人们常将转向系统设计成变传动比，在 转向盘小转角时以灵位主，在转向盘大转角时 以轻为主，但灵的范围只在转向盘之间位置附 件，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随 一8 6 一 车速变化，因此，这种方法不能从根本上解决 这一矛盾 。E P S的引入可以较好的解决上述 矛盾，在 E P S 控制系统中，可以通过完善控制 算法在不同工况下提供相应的助力特性，并且 具有较大的灵活性，能通过修改相应控制参数 达到调整修改控制输出特性。图6所示为 A l to 汽车有 E P S 和无 E P S时的原地转向曲线，转向 系统为柱助力式，前轴负荷为4 k N，电动机最 大电路为 2 0 A。由图知装配 E l S 后，原地转向 力矩下降了4 0 。Z 匠 1 0 0，有E 辩 一 5 o 无 E ，。0 5 0 0 6 ：5 00 转 向 蠹 j 厂 ，-。=-o 1 O O|图6 原地转向曲线 3 3 节能环保 试验表明，E P S还具有高效节能和环保的 优点。与传统的液压助力转向系统相比，没有 系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在 需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油 消耗均可降到最低，还消除了由于转向油泵带 来的噪音污染。在不转向情况下，装有 E P S的 汽车燃油消耗降低 了2 5，在使用转向情况 下，降低了5 5 】。有研究表明，由同一驾 驶员操作 1 6 L前轮驱动分别装备 E P S和 H P S 的轿车，行驶路况以郊区道路为主，以市区、山区等道路为辅，平均行驶速度 4 0 k m h情况 下，E P S比H P S节省燃料 5 5。此外，E P S的 重复利用率高，组件的 9 5 可以再回收利用，而传统 的液压助力转向系统的回收利用率 只 有 8 5 E l l 3 4 安全性 E P S 系统控制的核心 E C U具有故障自诊断 功能，当E C U检测到某一组件工作异常，如系 统各传感器、电动机、电磁离合器、电源系统 维普资讯 http:/ 及汽车点火系统等，便能立即控制电磁离合器 分离，停止助力，显示相应故障代码，转为手 动转向，按普通转向控制方式工作，以确保行 车安全可靠。4 E P S的发展趋势 E P S当前已经较 多应用在排量在1 3 L 1，6 L (含 MMP V微型多功能车)的各类轻型轿车上，其性能已经得到广泛的认 可。随着直流 电机性 能的提高和4 2 V电源在汽车组件上的应用，其 应用范围将进一步扩宽，并逐渐向微型车、轻 型车和中型车扩展。从 图 7中可 以看出，包括 A B S、T C S及 E P S等控制模块 的汽车底盘电子 部分将呈现逐年稳步增长的趋势 14 ，E P S以其 一系列的优点代表着当今汽车助力转向系统的 发展方向，并将在动力转向系统中占据市场主 导地位。目前，在全世界汽车行业中，E P S系统 每年正以9-1 0 的增长速度发展，年增长量达 1 3 0万一 1 5 0万套。据 T R W 公司预测，到 2 0 1 0年 全世界生产的轿车中每 3辆就有 1 辆装备 E P S，到2 0 1 0 年，全球 E P S 产量将达到2 5 0 o 万套。随着电子及控制技术的成熟，E P S近年来 发展非常迅猛，国外各大汽车公司都在研制 自 主 E P S，并大部分都 已经进入批量生产阶段，而国内的发展 尚处来起步阶段，因而在国内 E P S将具有十分广阔的发展和应用前景。参考文献：1 林逸施 国标汽车电动助力转向技术的发 7 赵燕，周斌新型汽车转向传感器的研究与 发展 J 中国仪器表，2 0 0 3，8 8 黄李琴等汽车电动助力转向控制系统的初 步研究 J 设计 计算 研究，2 0 0 3，6 9 郭丽萍电动式动力转向系统(E P S)原理浅 析 J 城市公共交通，2 0 0 3，6 1 0 苗立 东等汽 车动力 转 向技 术发展 综述 J 长安大学学报，2 0 0 4，1，1 1 昊文江等基于D S P的汽车电动转向控制 系 统研究 J 石家庄铁道学院学报，2 0 0 4，3 1 2 S u b r a G a n e s a n D S P P r o c e s s o r B a s e d E l e c t ri c P o w e r S t e e ri n g S y s t e m I A 1 I C E-V o 1 3 32，1 9 9 9 F a l l T e c h n i c a l Co n f e r e n c e，AS ME 1 9 9 9，1 92 4 1 3 王勖成，邵敏有限元法基本原理和数值方 法 M 北京：清华大学出版社，1 9 9 6 1 4 水木清华2 0 0 4年中国汽车电子产业链研究 报告 简介 E B O L h t t p：w w w w a t e r w o o d c o m c n i n d e x h t m2 0 0 4，8 (下转第9 2页)2 0 0 3 2 0 0 7 年中国汽车电子半导体市场结构预测 n uu 5 O 4O 墨3 0 2 O l O u 2 0 03 2 0 0 4 2 0 05 2 0 0 6 20 0 7 动力传动系统 一底盘电子系统 口车身电子控制系统 口信息通信系统 其他控制系统 图7 中国汽车 电子半导体市场结构 预测 一8 7 维普资讯 http:/ 工程学报，1 9 9 9，1 0(2)：4 6 4 9 2 苏金 明，阮 沈 勇M A T L A B 6 1实用指 南 M 北京：电子科学出版社，2 0 0 2 3 周泰明，昭红，刘荣安汽车前照灯的进展 M 上海：复旦大学出版社，1 9 8 9，6：3 3 3 8 4H a nWe n T s a i，C h i e nP i n g K u n g C o m p u t e r A s s i s t e d h e a d l i g h t D e s i g n a n d R e s e a r c h M S A E T e c h n i e a l P a p e r S e r i e s 9 5 0 5 9 01 9 9 5 Le n g t h o f Ca r Fi l a m e nt L u o Xi a o c h e n g Yu C h a n x i a n (E a s t C h i n a N o r ma l U n i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 6 2)【A b s t r a c t】T h i s p a p e r m a i n l y f o c u s e s o n t h e o p t i m i z a t i o n f o r t h e l e n g t h o f fi la m e n t w h il e t h e i ll u m i n a ti o n i n t e n s i t y a n d p o w e r a r e c o n s i d e r e d Ah h o u g h t h e r e s u h s o f l i g h t p u r s u e s t r a c i n gr e v e rse l i g h t p u rsu e s t r a c i n g，a n d t h e s e t o f e q u a t i o n s mo d e l i n g a r e a l mo s t t h e s a me，t h e c a l c u l a t i n g c o mp l i c a t i o n s d e s c e n d a s we l l a s t h e a c c u r a c i e s ri s e T h e i d e a l l e n g t h o f fi l a m e n t i s 4 0 6 0(m m)Wi t h t h e a s p e c t s o f s e c u r e d i s t a n c e b e t w e e n t w o c a rs wh i l e i l l u mi n a t i n g，t h e s a t i s f a c t i o n f o r t h e d ri v e r a n d t h e p o we r，t h e r a t i o n ali t y o f t h e r e s u l t i s s t a t e d a t l a s t 【K e y w o r d s】r a y t r a c i n g；d is p e r s in g；e q u a l l a m p h o u s e；m a t h e m a t i c s i n m o d e l i n g (上接第8 7页)S t a t u s a n d T e n d e n c e o f El e c t r i c Po we r S t e e r i n g L i Hu i q i L i We i g u a n g Wa n g Yu a n c o n g (1 G u a n g d o n g J o i n s u n E l e cI n d C o ，L t d，G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 0。G u a n g d o n g；2 S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0，G u a n g d o n g)【A b s t r a c t】T h i s p a p e r s u m m a ri z e s t h e d e v e l o p m e n t s t a t u s o f E l e c t ri c P o w e r S t e e ri n g，a n d i n tr o d u c e s th e s o r t s，s t r u c t u r e，p rin c i p l e，ma i n c o mp o n e n t s，t e c h n o l o g y p a r a me t e rs a n d p e rf o r ma n c e t r a i t s o f E P S T h e t e n d e n c y o f EP S i s als o d i s c u s s e d 【K e y w o r d s】E le c t r ic p o w e r s t e e ri n g；C o n t r o l s y s t e m；E l e c t ri c d ri v e；S y n c r e t iz t i o n o f s e n s o r i n f o rma t i o n 一9 2 维普资讯 http:/