2022年电动助力转向系统及其关键技术 .pdf

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1、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

2、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -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

3、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

4、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

5、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 EPS 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)，名师资料

6、总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -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-EPSP-EPSR-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

7、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

8、，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

9、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，其具有较高的速名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -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

10、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

11、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 ECU ECU 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

12、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

13、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 卷名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -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

14、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

15、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，

16、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。对于特定车型的 助力特性曲线的建立，先做典型工况试验，分 别得出不同车速下的助力系数数据和零车速下助力扭矩和方 向盘输入扭矩数 据，然后 分 别运 用 Matlab 对 这两组数 据进 行拟合，最后在 Matlab 环境中做这两条曲线的 乘积就可得 到图示的 助力特性曲线。3.2 EPS 控制理论3.2.1 EPS 控制要求汽车在行 驶过程中主要有 3 种

17、 典型工况:一种是转向工况;一种是转向结束后，方 向盘还没有回到中间 位置的 工况;还有一种是直线行驶的 工况。汽车在转向时要求保证操纵稳定性、舒适性以及转向轻便性，这样EPS 系统必须满足一些控制要求12:(1)转向轻便性和良好路感。路感是指汽车的运动状态 和驾驶员手上的力有一种对应关系，EPS 系统要求保证良好路感前提下尽可能提高转向轻便性。(2)回正准确性。回正是指方向盘转向后能自动回到 中间 位置，而且须防止回正超调。第 7 期周廷明等:电动助力转向系统及其关键技术 179 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -(3)良好跟随性能。要求系统具有良好的反

18、应灵敏度。(4)转向力矩平顺性。要求方 向盘反力比较平滑，没有力矩波动和跳跃现象。(5)鲁棒稳定性。系统要求具有较强的抗干扰性，保证转向系统的稳定性。(6)操纵稳定性。要求保证系统在转向或回正过程中的 操纵稳定性。3.2.2 EPS 控制技术EPS 系统控制算法是系统控制性能的关键。文献13 对控制策略做了专门研 究，指出 EPS 控制关键是如何确定电动机目标电流和如何跟踪电机驱动电流，并根据目 标电流对 其进行实时调整控制。根据控制内容的不同，控 制算法 可分 为助力控制，回正控制和阻尼控制。助力控制是协助驾驶员转向，减轻转向力;回正控制是协助转向盘在转向后自动回正或在驾驶员操作下轻便的回正

19、;阻尼控制是指在汽车在高速行 驶时 适当增加转向阻力，实现高 速行 驶时的稳重手感。通常在低速时以助力和回正控制为 主，高 速行 驶时 以阻尼控 制 为 主。虽控制 方式不同，但所有的控制策略都以软件的 形式存在 ECU 的 存储器里面。EPS 的 控 制策略包括电机目标电流计算控制、电机实际流过电流反馈控制、回正阻尼控制等。助力电机的 控 制 研 究 一直是研 究 的 热 点。1990 年，电枢电压控制 方 法在本田 NSK 车上得 到首次应用。该方法是将各信号经处理后输入到ECU，通过查力矩表和转速表得到助力电机参考电压14。1991 年 本田公司的 Shimisu 等在 7 年 研 究

20、基 础上首次提 出 EPS 控制系统的助力控制、回正控制、阻尼控制等概念并成功完成了硬件实现。1994 年，Nakayma 等介绍 Daihatsu Mira，Suzuki Alto 等微型车所装配的 EPS 系统，指出 在实现基 本转向助力功能的基 础上，要 进一 步提 高 EPS 系统的 性能，EPS 系统应具有更多的控制功能。1999 年，Ouyang 等将神经网络参考模 型自适应控 制 方 法 应 用 于电动助力转向控 制系统 研究，设计了包含 PID 控 制算法 和神经网络动态补 偿的控 制 器。2000 年，Kohn 等应 用 控 制 理论对 齿条助力式 EPS 系统进行了研究，以

21、 提 高 EPS 系统的 鲁棒性能为控制目标，成功设计了H 控制器。2005 年，Mjeda 和 Jackman 提 出 EPS 系统 的 模 糊控 制 方法，根据制 定的 模糊控 制规则，由车辆的 质量、车速、侧向加速度、电池电压和胎压信号来动态地产生 时变助力。4 结论EPS 具有一 些独特优 势，有最终取代 HPS 的 趋势。EPS 系统根据电机位置布 置不同，可分为转向柱式，小齿轮式和齿轮齿条式三大类型。EPS 系统的 关键部件主要有转角传感器、转矩传感器、车速传感器、助力电 机，减速 机 构和电 控 单元(ECU)等，EPS 关键技术包括助力特性和控制两大方面。参考文献:(上接第 179 页)【6】刘照 汽车电动助力转向系统动力学分析 与 控 制方 法 研究用 D 武汉:华中科技大学，2004【7】范心明，程小华汽车EPS 系统用电动机综述J 防爆电机，2006，41(33):1 5【8】明Institution of Mechanical Engineers，Part D:Journal of Automobile Engineering，2004，218(9):967 975【11】向铁明，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -