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汽车电动助力转向


专题报道
传动与控制
SPECIAL REPORT

汽车电动助力转向 (EPS)技术的现状和发展趋势分析
雷琼红 ) (浙江交通职业技术学院 汽车学院, 杭州 311112



在汽车的转向系统中, 电动助力转向 (EPS 系统以其卓越的性能, ) 成为转向技术研究的重点和热点。文中介

绍 要:

了 EPS 的基本结构和工作原理, 阐述了其主要特点, 分析了 EPS 关键技术的性能特点以及发展趋势。 汽车;电动助力转向;性能;现状;发展趋势 关键词:

中图分类号: U463.4

文献标识码: A

文章编号: 1002-2333 (2009 09-0053-03 )
LEI Qiong-hong

Current Status and Development Tendency Analysis of Automobile Electrical Power Steering System
(Automobile School, Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112, China)

Abstract: In the automobile steering system, Electrical Power Steering System (EPS ) has become the most important steering technology and developing focus depending on its outstanding performances. The basic structures and operation theory of EPS are introduced, and its main characteristics are described in detail. Also, performances and development tendencies of the key EPS technologies are examined. Key words : automobile; electrical power steering system; performance; current status; development tendency

1

EPS 概述 现代汽车的转向系统已经从最初的机械式转向、 液
车速信号 转向盘总成 负载信号 转向轴 转矩/转角信号 转矩/转角传感器 减速机构 电磁离合器 电子控制 信号 电动机 电子控制单元 ECU 点火信号

压助力转向 (Hydraulic Power Steering, ) HPS 发展到电动 EPS 技术。 随着微电 助力转向 (Electrical Power Steering, ) 子控制技术在汽车领域的广泛使用,以及世界节能环保 两大主题的推广, 的优越性越来越突出, EPS 成为转向技 国外就已经 术研究的重点和热点内容。早在 1980 年代, 研制成功 EPS 并装车使用。据美国天合 (TRW 公司预 ) 全球范围内电动助力转向器的装车率将 测: 2010 年, 到 超过 30% 。 我国对 EPS 的研究起步较晚, 但目前已有十
[1]

电流反馈信号 电磁离合器控制信号 横拉杆 转向齿条

多家高等院校和科研单位正在进行该项技术的研究, 并 已取得了较大的进展。EPS 的助力特性、 电动机、 传感器 和 ECU 等关键技术也有了突破性的进展。 2 2.1 EPS 的工作原理和特点 EPS 的结构和工作原理 EPS 系统是在传统机械式转向系统的基础上设计而 成的, 主要由转向盘转矩和转角传感器、 车速传感器、 轴重 电子控制单元 (ECU 、 ) 电动机、 电磁离合器和减速 传感器、 机构等组成。 如图 1 所示为一种转向轴助力式的 EPS 系统 结构框图, 它依靠电动机对转向轴实现助力作用。 工作原理: 汽车不转向时, 电动机不工作。当驾驶员 操纵转向盘转向时,安装在转向轴上的转矩和转角传感 器将所检测到的转矩和转角的大小和方向信号输入给 ECU。车速传感器、 轴重传感器等也将各自检测到的信号 输入给 ECU。ECU 根据这些信号, 并结合所检测到的助 力电动机的电流反馈信号, 进行运算处理, 确定电动机助 力电流的大小和方向。 该电流即为所需的助力转矩, 由电 磁离合器通过减速机构减速增矩后,加在转向轴上使之 得到一个与汽车行驶工况相适应的转向作用力。当 ECU

转向齿轮

图1

EPS 系统结构框图

检测到异常信号时,立即断开电磁离合器,退出助力模 式, 同时点亮故障指示灯。 2.2 2.2.1 EPS 的优点 提高操纵轻便性和高速稳定性 [2,3] 对汽车转向系统的基本要求是低速时转向操纵轻 早期的低速型 EPS 在车速高于设定 便, 高速时转向稳定。 值时停止助力, 现在研究的 EPS 多是全速型的, 在任何车 速下都能提供最佳助力, 即在汽车原地或低速转向时, 使 转向操纵轻便; 而在高速转向时产生良好的转向路感, 提 高行驶的稳定性。而液压助力转向系统 HPS 在汽车高速 转向时仍提供较大的助力作用, 会使驾驶员丧失路感, 影 响了行驶的稳定性。 2.2.2 节能环保 [4] HPS 系统中, 转向油泵是由发动机驱动的, 只要发动

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机在运转,油泵就会工作。而 EPS 系统由电动机提供助 力, 电动机可以由发动机驱动也可以由蓄电池驱动, 在不 对比 转向时几乎不消耗发动机的功率, 降低了燃料消耗。 试验表明: 装备 EPS 的汽车其燃料消耗量比装备 HPS 的 汽车降低了 5.5% 。EPS 还取消了 HPS 中的转向油罐、
[5]

负荷和点火等多种信号。 ECU 的控制算法很多,目前研究较多的主要有比例 最优二次型控制、 鲁棒性控制、 模糊控制和 加微分控制、 神经网络控制等。 这些算法在控制性能上各有优势: 比例 加微分控制可以提高 EPS 的助力力矩、改善系统的跟随 性能; 最优二次型控制易于构建最优的闭环控制系统; 鲁 棒性控制理论以 EPS 系统精确的数学模型为基础,易受 模型不确定性因素的影响, 但设计简单、 易于实现; 模糊 控制根据经验或试验数据近似反映人的控制行为,不依 赖系统参数, 而且编程简单易于修改, 很适合 EPS 的动态 控制; 神经网络控制可以提高助力电流的准确性。因此, 在确定采用哪种或几种控制算法时,可以根据 EPS 系统 功能的要求进行选择。 3.3 电动机 电动机的作用是根据 ECU 的控制指令输出合适的 助力转矩, 它是 EPS 的动力源。汽车转向时的路感与电 动机的性能密切相关, 要求小转角时助力增加慢、 大转 低速时助力大高速时助力小, 而且转 角时助力增加快、 向轮对转向盘的跟随性好。 可见电动机是 EPS 的关键技 术之一, 必须具有控制性能好、 转速低转矩高、 响应快、 波动小、 尺寸小和可靠性高等特点。常用的电动机有永 磁同步电机和无刷直流电机两类, 它们既保留了普通直 流电动机优良的机械特性和调节特性,而且结构简单、 运行可靠 [8]。永磁同步电机转矩脉动小、 响应快、 结构紧 凑; 而且若能保证产生恒定的磁场, 永磁同步电机用最 简单的 PWM 方式调节电枢电流就可以获得所需的助力 因此正成为研 力矩, 从而简化 ECU 的软硬件设计 [9,10], 究的热点。 典型的电动机助力特性有直线型、折线型和曲线型 等, 分别如图 2 )(b 、 ) (a 、 )(c 所示。 这些助力特性曲线都分 为 3 个区域: d0 为无助力区, d0~Tdmax 为助力变化区, 0~T T Td≥Tdmax 为助力保持区, 其中 Td0 为 EPS 开始助力时的转 向盘输入力矩, dmax 为 EPS 提供最大助力时的转向盘输 T 入力矩。 直线型助力特性适用于前轴负荷较小的车型 (电 动机驱动转向轴 , ) 折线型适用于前轴为中等负荷的车型 (电动机驱动转向齿轮 ,曲线型适用于前轴负荷较大的 ) 车型 (电动机驱动转向齿条 。 )
Imax V=0 V=Vmax Td0 Tdmax Td Imax V=0 V=Vmax Td0 Td Tdmax Td Td0 Tdmax Td Imax V=0 V=Vmax

油管等, 质量减小, 结构更紧凑; 也没有液压油的消耗和 EPS 中 95%的组件都是 泄漏问题, 减小了对环境的污染。 可回收再利用的, HPS 系统的回收率只有 85%左右。 而 2.2.3 提供可变的转向助力特性, 适用范围广 EPS 系统可在程序软件中方便地修改转向助力特性 使系统具有不同的助力性能, 快速地与不同车型匹配, 以 适应各种类型汽车转向助力的需要,从而缩短 EPS 产品 的开发周期。而且转向助力的大小是随车速、 转向快慢、 路面条件等的变化实时调整的,保证始终获得良好的转 向路感和操纵性能。而 HPS 系统中要改变转向助力的大 小非常困难而且费用很高,必须增加额外的控制器和其 他硬件。 2.2.4 提高主动安全性 一方面, 电动机具有弹簧阻尼的作用, 可以减小路面 不平对转向系统的冲击和振动。 另一方面, ECU 具有安全 保护和故障自诊断功能,一旦发现所监测的传感器或执 行器出现异常, 就会取消助力, 同时 ECU 进行故障自诊 断分析。 此外, 还具有集成度高、 EPS 安装维修方便等优点。 3 3.1 EPS 的关键部件及其性能分析 转矩/转角传感器 转矩/转角传感器的作用是采集驾驶员施加在转向 盘上的力矩大小、 方向和转向角度的信号, 经处理后输入 其准确性 给 ECU。该信号是 EPS 的主要控制信号之一, 和可靠性直接影响 EPS 的助力输出特性。EPS 以前主要 使用转矩传感器,只能检测转向盘的转向转矩不能检测 转向盘转动的角度和角速度从而实现精确控制,因此其 发展趋势倾向于将转矩传感器和转角传感器集成化, 并 光电式、 微波式、 磁 采用非接触式结构。如磁环-霍尔式、 阻式传感器等, 能满足 EPS 对制造成本、 尺寸、 精度和抗 干扰性等方面的严格要求,还能适应汽车智能化和集成 化的发展 [6,7]。 3.2 ECU 它根据各传感器的输入信 ECU 是 EPS 的控制核心, 号进行计算分析, 得出控制参数的最佳值, 然后发出控 制指令给电动机和离合器, 控制其动作。ECU 的控制系 统和控制算法也是 EPS 的关键技术之一, 要求控制系统 抗干扰性好, 能进行实时控制, 还应具备安全保护和故 障自诊断功能等。ECU 采用以 8 位或 16 位单片机为核 心的硬件系统,编写适当的控制程序实现对转向盘力 矩、 转向速度、 转向回正特性、 转向路感和电动机电流等 的控制。 ECU 的控制信号除转向盘转角、转向盘转矩和车速 等基本信号外, 还有汽车横摆角速度或侧向加速度、 前轴

(a 直线型 )

(b 折线型 )

(c 曲线型 )

图2

电动机的助力特性曲线

4 4.1

EPS 的发展趋势 转向器和电动机 EPS 系统中的齿轮齿条式转向器结构简单、传力性

能好, 但输出力矩不能满足中、 大型车用 EPS 的需要; 若

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采用变传动比, 在高速转向时路感会减弱。 因此循环球式 转向器虽结构较复杂,但能满足今后大中型车市场的需 要, 是今后技术开发的重点。 稀土永磁材料卓越的磁性能加快了稀土永磁同步电 运行可靠、 质量小、 效率高 机的发展, 使其具有结构简单、 等优点。随着永磁材料和电子元器件的性价比的不断提 高和制造工艺的发展,稀土永磁同步电机必将取代传统 的电动机, 推动 EPS 系统的深入发展 [11]。另外, 汽车上的 则可以使电 电子装置越来越多, 若能采用 42V 的蓄电池, 动机在较低的输出电流下获得较高的输出功率,既降低 还能改善系统的性能。 了 EPS 系统的能耗和发热, 4.2 控制理论 EPS 转向助力特性的控制策略通常是电机助力电流 若 控制, 当转向参数变化时, 转向盘转矩特性会随之变化。 以转向盘转矩为目标转矩进行控制, 可以改善转向轻便性 和路感, 加快转向响应速度, 进一步提高行驶安全性[12]。 汽车转向系统与车身、 悬架之间存在相互关系, 转向 时车身的横摆角速度与侧倾角等参数对悬架的控制有重 要影响,因此设计综合考虑 EPS 与悬架性能的集成化控 制系统尤为重要。 转向系统的性能特性是表征汽车操纵稳定性能的一 要使汽车获得良好的操纵稳定性, 如适当的 个重要内容。 不足转向特性和良好的瞬态相应特性,转向系统的参数 控制必须以整车的相关参数为基础进行,必须通过与整 车动态性能的匹配才能从一定程度上得到保证 [13]。 4.3 自动转向和全电动转向系统 无人驾驶汽车已经成为汽车产业的热门领域,适应 无人驾驶的自动转向系统是汽车电子控制技术的重要内 随着现代通讯技 容, 成为汽车智能转向的发展趋势之一。 术和智能交通系统 ITS 的进一步完善,自动转向系统的 性能将更加卓越。

能实现转向, 如图 3 所示 [14,15]。 SBW 系统主要由转向盘总 控制器和前轮转向机构等部分组成, 转向盘总成把转 成、 向信号等输入给控制器,控制器则对采集的信号如转向 盘转角转矩、 车速、 横摆角速度、 加速度和转向器位移等 进行分析处理,然后发出指令控制转向电机和转向回正 电机的工作,使汽车实现转向并提供给驾驶员相应的路 感。控制器还对驾驶员的操作指令或汽车的状态进行判 断, 必要时自动进行驾驶控制, 使汽车恢复稳定行驶。与 EPS 相比, SBW 提供的操纵稳定性更佳; 主动和被动安全 性更高; 转向性能设计更自由; 乘坐舒适性更好。未来汽 车正在向着低排放汽车、零污染燃料电池汽车等方向发 展, SBW 的研究既可以为其提供良好的技术平台, 自身的 应用前景也将更加广阔。 5 结 语 综上所述,汽车动力转向系统 EPS 具有卓越的操纵 轻便性和稳定性、 助力特性随汽车工况而变化的特性、 良 好的主动安全性等, 因此成为汽车电子技术发展的热点。 随着 EPS 关键技术的发展, 的性能必将更加完善。 EPS
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控制器

电机电流传感器 齿条位移传感器 转向电机

转向传动机构总成

图3

全电动转向系统的结构示意图

!!!!!!!!!! 作者简介: 雷琼红 (1971- , 讲师, ) 女, 硕士, 研究方向为汽车设计与汽 车运用技术。 收稿日期: 2009-07-13

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