電動轉向器（EPS）

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1、電動轉向器（EPS） 一、電動轉向的基本概念 1 電動轉向是一種簡稱，它有別于電動液壓轉向。前者指的是一種純電機助力轉向裝置，后者指的是一種電控液壓助力轉向裝置。一般講電動轉向助力裝置包含電動轉向器的機械部分、控制器、電機和傳感器等。在不同結構的電動轉向助力裝置中它們的相對關系是不同的。通常多數(shù)電動轉向結構把轉向器的機械部分、減速機構、電機和傳感器安裝在一起、控制器另外安裝、用電線束把它們與蓄電池(電源)連接在一起的結構統(tǒng)稱之為電動轉向器。也有把控制器和轉向器機械部分安裝在一起的結構。

2、 電動轉向器是一種通過電機為駕駛員操縱轉向系統(tǒng)提供助力的裝置。這種助力的大小是由控制器（ECU）通過PWM方式輸出電流對電機進行控制的。 通過控制器的控制可以在駕駛員操縱汽車轉向過程中向電機提供最理想的電流，從而控制電機提供最佳助力進行工作。 ECU采集的信號來自扭矩傳感器、車速傳感器和發(fā)動機的信號。 扭矩傳感器的信號來自于轉向軸內(nèi)部安裝的一根扭桿、其兩端在外力作用下產(chǎn)生相對扭轉角度,反映到扭矩傳感器上，轉向力的扭矩大小與扭桿的扭轉角度和成正比； 車速傳感器安裝在轎車變速器上，也可以直接從電子儀表盤上取得，它反映的是變化的汽車行駛速度。發(fā)動機信號取自發(fā)動機點火線圈。

3、 由于電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）只需電源而不用液壓源，與液壓動力轉向系統(tǒng)相比較省略了許多元件，沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲油罐等，零件數(shù)目少，布置方便，重量輕。二者相比電動助力轉向系統(tǒng)相對生產(chǎn)成本較低。但電動助力轉向系統(tǒng)控制器的開發(fā)由于涉及到芯片的選型、程序的開發(fā)和算法、控制邏輯的確定、電路板的設計和制造工藝，所以開發(fā)的成本較高。 電動助力轉向器無需在不轉向時驅動油泵，因此電動助力轉向系統(tǒng)在汽車各種行駛條件下均可節(jié)省發(fā)動機能

4、源3～5%左右，韓國萬都公司的資料明確提出裝了EPS后百公里油耗節(jié)省了4.13%，節(jié)省了油耗——省油；由于不再采用液壓助力，不再采用油介質(zhì)、無液體泄漏損失、減少了油污染的可能，也節(jié)省了液壓油，同時改善了環(huán)境——環(huán)保。因此在近年得到迅速的推廣，也是今后汽車助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向。 電動轉向可以稱之為“精確助力轉向”，就是在汽車轉向過程中，該轉向器根據(jù)不同車速、方向盤轉動的快慢，準確的提供各種行駛路況下的最佳轉向助力或阻尼，這都是在計算機（ECU）控制下實現(xiàn)的。電動轉向器是在計算機控制下實施

5、對電機電流大小的變化控制，實現(xiàn)不同的轉向助力。所以它能精確的實現(xiàn)人們預先設置的在不同車速、不同轉彎角度所需要的不同大小的轉向助力和阻尼，甚至于提供主動回正能力。 2 當前汽車電動助力轉向系統(tǒng)的開發(fā)主要是針對汽車行駛過程中操縱穩(wěn)定中的兩大問題進行的，即汽車高速行駛過程中產(chǎn)生的方向盤發(fā)飄和行駛過程中方向盤撒手回正時產(chǎn)生的前輪擺頭現(xiàn)象。 液壓助力轉向雖然解決了汽車轉向輕便性問題，低速時方向盤轉動很輕便，但高速行駛時方向盤太輕，就造成了駕駛員發(fā)飄的感覺。新型轉向油泵雖然可以作到高速轉向時油泵流量下降，但高速行駛時并不保證發(fā)動機驅動下的油泵亦處于高速轉動工況，因此不能徹底解決汽車高速行駛

6、發(fā)飄的問題。由于汽車行駛過程中轉向阻力是變化的。有動力轉向的汽車在高速行駛時由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，容易造成轉向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當減低助力，甚至于加大轉動阻力，這種阻力的變化應該平滑過渡。電動轉向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過控制助力電機，降低高速行駛時轉向助力，增大轉向手力，甚至于加大回正時的轉動阻力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問題，而且成本相對較低。 行駛過程中產(chǎn)生的前輪擺頭現(xiàn)象都是由于轉向過程中方向盤撒手回正、轉向輪是在車輪回正力的作用下自由回正的，車輪本身存在回正慣性，所以車輪在回正過程中就會出現(xiàn)圍繞直線原點位置的逐步衰減的擺頭現(xiàn)

7、象。由于擺頭現(xiàn)象對汽車操縱穩(wěn)定性的影響很大，所以大家一直在對這一現(xiàn)象進行研究。電動轉向的出現(xiàn)為解決這一問題提供了條件。國內(nèi)目前研制的電動助力轉向系統(tǒng)、特別是控制器的開發(fā)中，高水平的控制器已經(jīng)具有增加轉向軸回正阻力的能力，對從方向盤到車輪的整個彈性系統(tǒng)來說增加了系統(tǒng)的阻尼，能使方向盤撒手回正時產(chǎn)生的擺頭現(xiàn)象衰減的快一些。要想真正解決擺頭問題就必須采用帶角度信號的扭矩傳感器。我們完全可以在原有單片機CPU的基礎上接受角度信號，在車輪回到直線原點位置時使計算機控制電機反向助力制止車輪在慣性作用下繼續(xù)轉動。這就使汽車大角度車輪回正擺頭現(xiàn)象大大減小，小角度車輪回正基本不擺頭?？梢哉f在相當程度上解決了擺頭

8、問題。BI公司已經(jīng)生產(chǎn)了這種傳感器，國內(nèi)已有企業(yè)開始使用這種傳感器。 當前由于電機的功率、扭矩及尺寸的限制，汽車電動助力轉向系統(tǒng)多用于輕、微型轎車、旅行車，小型卡車（皮卡車）。隨著新的電動轉向結構研發(fā)，未來將逐步推廣到中高級轎車和輕型卡車上。由于目前安裝電動轉向器的市場正在增加，未來潛在的市場也較廣大；電動轉向器性能好、成本低，必將受到汽車廠家的歡迎。 3 電動轉向器主要包括以下七個部份： ——控制器（ECU） ——扭矩（角度）傳感器 ——直流電機（帶電磁離合器）和減速裝置 ——轉向傳動軸 ——機械轉向器部分 ——EPS顯示燈 ——線束及接插件

9、 圖1 典型C-EPS電動轉向系統(tǒng) 圖2 典型P-EPS電動轉向器（速騰轎車） 4 電動轉向的優(yōu)點，有以下幾方面： ——提高了汽車操縱穩(wěn)定性 ——有較好的汽車轉向輕便性 ——有較好的汽車安全性 ——降低了發(fā)動機功率損耗 ——節(jié)省了油料 ——減少了污染 ——提高了轉向系統(tǒng)低溫工作性能 二、電動轉向的基本原理和框圖 汽車電動轉向基本原理是方向盤的轉動經(jīng)扭矩傳感器給控制器一個扭矩信號（也可以認為是角度信號或轉動速度信號，這些都是可以通過計算機處理出來的）。通過車速傳感器給控制器一個車速信號，控制器則根據(jù)此二信號根據(jù)預先設定的力模型對直流電機及電磁離合器實施控制

10、。通過控制改變電機電流的大小，從而改變輸出力矩。該輸出力矩通過減速機構放大后直接作用于轉向器輸入軸，對操縱手力起助力作用。 汽車電動轉向器動作原理框圖如下： 圖 3 電動轉向器原理框圖 圖4 EPS流程圖 汽車電動轉向的關鍵在于控制器（ECU）控制程序的設計，而ECU控制程序應該按什么力模型來設計，這是我們要研究的。按車速調(diào)整助力一般有兩種方式，我們認為全程調(diào)速比半程調(diào)速優(yōu)越性更大，更有利于對轉向全過程進行控制。 1 對助力和調(diào)速曲線的探討 1.1三種助力曲線比較 什么是最合理的助力曲線？圖5理想的助力曲線，轉向力的變化最柔

11、和，路感最好，滿足了。圖6鈴木的助力曲線，低速轉向力下降的太快。圖7半程的助力曲線高速無助力，也無阻尼可言，這是一種早期電動轉向的設計模式。 圖5 圖6 圖7 1.2 理想的調(diào)速曲線 圖8 理想的調(diào)速曲線 圖8 是理想的調(diào)速曲線，低速時助力大、方向盤轉向輕便。隨車速提高助力逐漸減小，方向盤轉動稍感沉重。高速時逐漸無助力、甚至增加轉動阻尼，使得方向盤轉動相對沉重、開車有穩(wěn)定的感覺。增加助尼的辦法是較多的，利用增加反向電流的方法、改變電機接線的方法等都是可行的。 1.3 理想

12、的轉向手力—車速曲線 圖9 理想的轉向手力—車速曲線 圖9理想的轉向手力—車速曲線，它顯示了原地或低速行駛時轉向力應在5Nm左右，太輕也不行，駕駛員不習慣。高速行駛時轉向力應在8Nm左右，稍有沉重感，駕駛員高速行駛時感到方向盤操縱很穩(wěn)定。這是經(jīng)驗和統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。當然不同車型要求不同，應當根據(jù)實際行駛試驗、由駕駛員確定這些數(shù)據(jù)，控制器的設計師應作相應設定參數(shù)調(diào)整，使之更符合實際車型、實際行駛工況。 2 理想的電動轉向轉向手力模型 根據(jù)研究動力轉向多年的經(jīng)驗，我們提出電動轉向理想的轉向手力模型。該模型遵循汽車轉向原理和要求操縱穩(wěn)定性，隨方向盤轉動手力變化和在不同車速時有以下規(guī)律：

13、（1）方向盤力矩增大，電機電流（扭矩）按一定規(guī)律增大； （2）方向盤轉動速度增大，電機轉速增加； （3）隨方向盤轉動方向不同，電機轉動方向不同，換向時不得出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。 隨汽車車速增大，電機電流（扭矩）按一定規(guī)律減??； 圖10 電動轉向的調(diào)速曲線 圖10 就是我們設計的電動轉向裝置轉向手力按速度變化的特性。該特性設計的是否合理就是看能不能在低速時轉向輕便，在高速時應當加大轉向手力，從而解決高速時操縱穩(wěn)定性問題。曲線形狀應為在40～50公里/時以下車速時，助力均應較大，可有較小的下降；而在70～80公里/時以上車速時，助力應較小，且有較小的下降。在中間車速過渡段應有一個圓滑雙曲線

14、的過渡，保證駕駛員全過程操縱平滑。其下降助力比應為100：30，在高速時仍應保持30%助力。 圖11 理想電動轉向模型（平面圖） 圖11 就是我們設計的電動轉向器任意車速時的手力特性。該特性是否合理就是看其形狀是否利于駕駛員操縱。根據(jù)動力轉向設計的經(jīng)驗知道，在等剛度載荷作用下，在較小角度轉向時，此時地面轉向阻力較小，助力應增加的較緩；在較大角度轉向時，此時地面轉向阻力較大，助力應增加的快一些，因此它仍然應是兩個2次曲線的組合圓滑曲線，中間應有一段自由間隙。 圖12 理想轉向手力力模型 （立體圖） 轉向力特性和速度特性相結合應該是如圖12 所示的立體曲線圖。它顯示的就是我們提出

15、的電動轉向器的理想的轉向手力模型。χ軸為扭矩座標，у軸為車速座標，z軸為負載座標。在每一個車速上都有一個轉向特性，該模型就是不同車速下無數(shù)轉向力特性組合成的。對于轎車低速時轉向手力矩應控制在5Nm以內(nèi)，而在高速時轉向手力矩應控制在7～8Nm左右。這是一個比較合理的力模型。 該模型的平面表示方法如圖10所示，用一組不同車速的曲線表示。 1 理想的曲線——每一個車速時都要接近液壓轉向器手力特性，應為圓滑、對稱的曲線； 2 真正實現(xiàn)轉向力調(diào)節(jié)功能，在0~40公里/小時段范圍轉向手力較輕，80~120公里/小時段范圍轉向手力較重，中間為兩段曲線圓滑的過渡區(qū)。 3 在曲線的邊緣實現(xiàn)最大轉向力的控

16、制。0車速和低速最大為5Nm,高速最大為8Nm 4 全部模型的空間曲面應是連續(xù)和光滑的． 該模型的意義在于以下幾點： （1） 可以直觀的用來表示電動轉向理想的轉向助力模型。清楚的表明了轉向手力與輸出載荷、車速與輸出載荷的關系。 （2） 可以用數(shù)學的方法逼近這條曲線，從而實現(xiàn)對EPS控制器的控制。 （3） 我們的最大愿望是能用插值法或插值法加數(shù)學逼近的方法快速實現(xiàn)對EPS控制器的控制。 已有國內(nèi)某課題組利用了這個理想轉向手力力模型采用了插值法完成了他們的B樣條插值法經(jīng)MATLAB編程、調(diào)試和運行，得到車速扭矩曲線，手力扭矩曲線以及助力特性三維曲面圖（見圖7）。當然目前還不夠完

17、善，這就需要結合實驗對模型不斷加以修改，要通過不斷實驗，對這條曲線的局部形狀進行修改，盡快完善這一算法。 我們可以提出這個理想轉向手力力模型完整的邊界數(shù)據(jù)，并可根據(jù)這些邊界數(shù)據(jù)利用數(shù)學方法完善成整個數(shù)據(jù)庫。 圖13 用MATLAB編程算出的助力特性曲線線、三維曲面圖 （a）車速—扭矩曲線 （b）手力—扭矩曲線 （c）EPS助力特性三維曲面 3 實例 新電動轉向控制器的設計（東風汽車有限公司三噸車） 3.1 設計目標： （1）所采用的電機：24V 412W 1140rpm 60A 4.1Nm； （2）明確電動轉向力模型

18、——按理想電動轉向助力模型。有了設定的模型，就要依靠控制器來實現(xiàn)它。如何在不同車速和不同方向盤轉角下、控制器根據(jù)對傳感器測量的扭矩信號、車速信號及發(fā)動機信號綜合分析后，按一定規(guī)律（理想電動轉向助力模型）向電機提供不同的控制電流。從而使電機提供不同的電機助力。使汽車在轉向過程中在不同車速和不同轉角下發(fā)揮電機最大優(yōu)化的助力效果和阻尼效果；同時又必須實現(xiàn)各種不同的保護和補償功能是控制器的控制目標。 （3）按理想電動轉向助力模型進行開發(fā)，可以確保汽車在高速行駛時轉向有沉重感，徹底解決汽車高速發(fā)飄問題。 （4）按主動回正要求設計控制器。這在DF3東風3噸貨車及中高檔轎車裝車時證明是非常重要的。由于這

19、樣一類車型裝備的電機都比較大，電機的功率一般都在300W、410W、甚至于500W以上，這些電機本身的空轉力矩都比較大。有的達到2.5 ~ 4.5 Nm，試驗中嚴重的影響整車轉向回正效果，勢必要求這些所裝的電動轉向具備主動回正功能。 （5）解決回正擺頭問題。由于采用了BI傳感器，既提供了方向盤扭矩信號，也提供了方向盤轉角信號。在汽車出現(xiàn)擺頭時，該傳感器就為控制器提供了一個方向盤零點，即直線行駛位置。在方向盤撒手回正過程中，當車輪出現(xiàn)第一個方向擺頭時、回正角度超過零點，角度傳感器就會出現(xiàn)相對零點的超越角度信號，控制器就會控制電機反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉動；出現(xiàn)第二個方向回擺，回正角度超過零點，

20、角度傳感器就會再次出現(xiàn)相對零點的超越角度信號，控制器就會再次控制電機反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉動；以后依然，直致車輪萬全停止擺頭。由于車輪的慣性和轉向桿系剛性的關系，再加上連續(xù)生成的電機反向力矩不足以完全制止車輪停在零點，車輪可能還會繼續(xù)出現(xiàn)擺頭現(xiàn)象，但擺頭的幅度將會大大的衰減，這就是我們的目的（見圖2）。 （6）采用與原車型類同的機械轉向器結構，加裝電動轉向需要的蝸輪蝸桿減速器部分、傳感器、電機、扭桿及轉角限位結構，就組成了我的專利產(chǎn)品——循環(huán)球電動轉向器。該轉向器殼體的連接部分必須與原轉向器一樣，確保該電動轉向器能很方便的安裝在該車型上。 （7）該控制器必須滿足電動轉向控制器行業(yè)標準（報

21、批稿）性能和可靠性的要求。 3.2 DF3電動轉向控制器的性能設計要求： （1） 防止高速發(fā)飄功能： 由于汽車行駛過程中轉向阻力是變化的。有動力轉向的汽車在高速行駛時由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，容易造成轉向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當減低助力，甚至于加大轉動阻力，這種阻力的變化應該平滑過渡。該控制器設計時必須按理想的電動轉向模型進行，該電動轉向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過控制助力電機，降低高速行駛時轉向助力，增大轉向手力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問題，而且成本相對較低。 （2） 主動回正功能 如果駕駛員在轉彎的過程中減小了施加在方向盤上的力矩，扭

22、桿上的扭矩也相應減小。于是轉向力在減小的同時，轉向角度和轉向的速度都相應的減小，回轉速度也相應被精確地檢測到?？刂茊卧鶕?jù)轉向力、車速、發(fā)動機轉速、轉向角度、轉向速度和存儲在控制單元中的特性曲線圖計算出電動機需要的必要的回正力，并控制電動機工作，促使車輪回到直線行駛的方向，即中心位置。 （3） 制止擺頭功能 在方向盤撒手回正過程中，當車輪出現(xiàn)第一個方向擺頭時、回正角度超過零點，角度傳感器就會出現(xiàn)相對零點的超越角度信號，控制器就會控制電機反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉動；出現(xiàn)第二個方向回擺，回正角度超過零點，角度傳感器就會再次出現(xiàn)相對零點的超越角度信號，控制器就會再次控制電機反向加力，阻止車輪繼續(xù)

23、轉動；可使汽車迅速制止擺頭。 （4） 維持直線行駛功能 直線行駛功能是主動回正功能的一個擴展，當沒有力矩作用在方向盤上時，系統(tǒng)將產(chǎn)生助力使車輪回復到中心位置。為實現(xiàn)直線行駛功能，又分為長時間法則和短時間法則兩種不同的情況。 東風汽車有限公司三噸汽車DF3電動轉向控制器的設計要求已完全實現(xiàn)。經(jīng)過四輪的道路試驗證明是完全可行的。 3.3 DF3電動轉向控制器的保護設計要求 （1）穩(wěn)定與安全性設計——在受到地面沖擊或外界橫向力（如側風、爆胎）作用時產(chǎn)生反向力矩，保持方向穩(wěn)定和恢復正常行駛。 （2）無故障設計——提高元器件安全系數(shù)，各部件必須經(jīng)過嚴格出廠檢測，實現(xiàn)誤操作保護設計（保護

24、性電路設計，個別系統(tǒng)中個別部位電壓、電流和溫度保護）。 （3）失效保護設計——防止單個元件損壞影響其它元器件正常工作（采用各種保護電路）；ECU失效后，可恢復機械轉向器直接工作。 （4）失電保護功能設計——當汽車突然關閉電源時，控制器必須實現(xiàn)自我保護。 （5）自檢功能、故障存儲和故障代碼設計——有相應的故障代碼顯示功能。 （6）電源電壓波動適應能力設計——車載電源標稱電壓在15%范圍內(nèi)變化時，控制器應能正常工作。 （7）一定的抗電流、電壓過載能力設計——電流過載+5%，電壓過載25% 。除有保護功能外，還要考慮迅速恢復工作的能力。 （8）有對不同阻抗（內(nèi)阻、感抗、容抗）的電機適應能

25、力，對調(diào)整有偏差的傳感器（在一定范圍內(nèi)）能兼容的能力，又稱容錯、自學習能力的設計。 （9）有一定的降低對外界無線電騷擾能力、抗外界對控制器的電磁干擾能力、抗靜電放電產(chǎn)生的電騷擾能力。 （10）對電機的溫度補償控制設計，解決由溫度升高導致電機輸出功率下降問題——還不能完全達到此要求。 （11）對機械轉向部分機械磨擦的補償控制設計，長時間工作導致機械磨損、造成間隙增大對EPS的性能是影響的——這方面還有很大差距。 三 電動轉向器的分類： 根據(jù)助力電機及其動力源的位置, 汽車電動轉向（EPS）主要分成4種類型7種結構（見表1）。 EPS 電動助力轉向系統(tǒng) C

26、-EPS 軸助力型 傳動軸助力式 P-EPS 小齒輪助力型 單軸小齒輪型 雙軸小齒輪型 (異軸助力) R-EPS 齒條助力型 電機軸和齒條軸軸向交叉布置 電機軸和齒條軸軸向平行布置 電機軸和齒條軸同軸布置（DD-EPS） S-EPS 循環(huán)球型 輸入軸助力式 表 1電動轉向器分類 a．C-EPS b. P-EPS c. R-EPS d.DD-EPS 圖 14 四種典型電動轉向系統(tǒng) 1 軸助力式C-EPS——電動轉向管柱 C-EPS電動轉向管柱（見圖15）。它的減速

27、機構連同電機、傳感器一起安裝在轉向傳動管柱中間，下端用傳動軸與機械轉向器相連。該管柱、下傳動軸與機械轉向器一起構成了軸助力式電動轉向器裝置。 2 小齒輪助力的電動轉向器 P-EPS 電動轉向器（見圖16）顯示的是廣泛應用于轎車的小齒輪助力的電動轉向器，它的減速機構連同電機、傳感器一起安裝在轉向器的小齒輪位置，成為一個整體。 圖15 軸助力式C-EPS 圖 16 小齒輪助力式P－EPS 3 異軸小齒輪助力式電動轉向器 異軸小齒輪助力式電動轉向器P-EPS（見圖 17），顯示的是另一種應用于轎車的小齒輪助力式電動轉向器。它的減速機構連同電機、傳感器一起安裝在轉向器的與

28、小齒輪位置相對布置的另一側，另有一套小齒輪，與之嚙合的同一齒條上也有齒形，這樣組合成為的一個整體。 圖 17 齒條助力式R－EPS（電機軸和齒條軸軸向交叉布置） 4 同軸式齒條助力電動轉向器 同軸式齒條助力式電動轉向器DD-EPS（見圖 13），顯示的也是另一種應用于轎車的齒條助力式電動轉向器。它的結構不同于R-EPS，它的減速機構連同電機與齒條組成一體，電機包著齒條，線圈作轉子，采用傳統(tǒng)的轉向器循環(huán)球螺桿螺母結構作減速器。 圖 18 齒條助力式DD－EPS（同軸布置結構） 5 循環(huán)球助力式電動轉向器 循環(huán)球助力式電動轉向器S-EPS電動轉向器（見圖19、圖

29、20））顯示的是皮 卡汽車用的和為東風三噸貨車專門設計的循環(huán)球電動轉向器總成圖。在循環(huán)球電動轉向器S-EPS中，扭矩傳感器，直流電機，減速裝置和循環(huán)球機械轉向器是安裝成一體的。轉向傳動軸是獨立的，它與機械轉向器輸入軸機械相連；而控制器與扭矩傳感器、直流電機是用電線束相連的。 圖 19 皮卡車S-EPS 圖20 東風三噸車S-EPS 四 對控制器、電機、傳感器等主要總成的要求 1 控制器 1.1 對控制器總成的要求。 我提倡開發(fā)全功能控制器。主要強調(diào)四點： （1） 防止高速發(fā)飄功能： 由于汽車行駛過程中轉向阻力是變化的。有

30、動力轉向的汽車在高速行駛時由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，容易造成轉向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當減低助力，甚至于加大轉動阻力，這種阻力的變化應該平滑過渡。電動轉向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過控制助力電機，降低高速行駛時轉向助力，增大轉向手力，甚至于加大回正時的轉動阻力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問題，而且成本相對較低。 （2） 主動回正功能 如果駕駛員在轉彎的過程中減小了施加在方向盤上的力矩，扭桿上的扭矩也相應減小。于是轉向力在減小的同時，轉向角度和轉向的速度都相應的減小，回轉速度也相應被精確地檢測到?？刂茊卧鶕?jù)轉向力、車速、發(fā)動機轉速、轉向角度、轉向速度

31、和存儲在控制單元中的特性曲線圖計算出電動機需要的必要的回正力，并控制電動機工作，促使車輪回到直線行駛的方向，即中心位置。 （3） 制止擺頭功能 在方向盤撒手回正過程中，當車輪出現(xiàn)第一個方向擺頭時、回正角度超過零點，角度傳感器就會出現(xiàn)相對零點的超越角度信號，控制器就會控制電機反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉動；出現(xiàn)第二個方向回擺，回正角度超過零點，角度傳感器就會再次出現(xiàn)相對零點的超越角度信號，控制器就會再次控制電機反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉動；可使汽車迅速制止擺頭。 （4） 維持直線行駛功能 直線行駛功能是主動回正功能的一個擴展，當沒有力矩作用在方向盤上時，系統(tǒng)將產(chǎn)生助力使車輪回復到中心位置。為實

32、現(xiàn)直線行駛功能，又分為長時間法則和短時間法則兩種不同的情況。 當車輛受到持續(xù)的側向力時，駕駛員將給方向盤一個力矩使車輛保持直線行駛狀態(tài)。此時，控制單元根據(jù)轉向力、車速、發(fā)動機轉速、轉向角度、轉向速度和存儲在控制單元中的特性曲線圖計算出要保持直線行駛狀態(tài)電動機需要提供的必要的力矩，并控制電動機工作，使車輛回到直線行駛狀態(tài)，減輕駕駛員的工作強度。 1.2 控制器的結構： 控制器主要是由電路板（含CPU芯片、功率管）、接插件、散熱塊和控制器盒組成。電路板因廠家設計思路而異。控制器的關鍵在于功能、尺寸大小和壽命。 如日本NSK公司為鈴木公司開發(fā)的N4控制器相比原來開發(fā)的N3控制器有很大改進

33、：電路板改為雙層、散熱塊改為全底鋁合金散熱器、控制器尺寸改小為原來尺寸的一半、功能也有很大改進(見圖21). 圖 21 日本鈴木N4控制器 1.3 控制器與保護功能 1.3.1 控制器簡介 控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機）組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關電路，以及輔助單片機或專用集成電路完成控制過程的器件；單片機也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號語言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開關電路功率管導通或截止、通過方波控制功率管的的導通時間以控制電機轉速的驅動電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構成的計

34、算機片。這就是電動自行車的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出現(xiàn)的高技術產(chǎn)品。 控制器的設計品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關器件電路及周邊器件布局等，直接關系到整車的性能和運行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。不同品質(zhì)的控制器，用在同一輛車上，配用同一組相同充放電狀態(tài)的電池，有時也會在續(xù)駛能力上顯示出較大差別。 1.3.2 控制器的型式 目前，電動轉向器所采用的控制器電路原理基本相同或接近。有刷和無刷直流電機大都采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速，只是選用驅動電路、集成電路、開關電路功率晶體管和某些相關功能上的差別。元器件和電路上的差異，構成了控制器性能上的不大相同?？刂?/p>

35、器從結構上分兩種，我們把它稱為分離式和整體式。 （1）分離式 所謂分離式是指控制器單獨安裝的?？刂破髋c電動轉向器分離，一般安裝在駕駛室內(nèi)儀表盤下邊。這種方式使控制器工作環(huán)境好的多，對控制器密封要求不必很高。 （2）一體式 所謂一體式是指控制器與減速器殼體合為一體，這種方式使控制器與電機間、與傳感器間連線距離縮短。但有可能增加了對控制器密封和防水的要求。 1.3.3 控制器的保護功能 保護功能是對控制器中功率管、電源防止過放電，以及電機在運行中，因某種故障或誤操作而導致電機可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時，電路根據(jù)反饋信號采取的保護措施。電動轉向基本的保護功能和擴展功能如下：

36、 （1） 自動斷電 （2） 欠壓保護 （3） 過流保護 （4） 過載保護——過載保護和過電流保護是相同的 （5） 欠速保護——仍然屬于過流保護范疇， 2 EPS電機 電動轉向所能匹配的電機有直流有刷電機和直流無刷電機兩種?，F(xiàn)在通用的是直流有刷電機（見圖22）；在趨勢上是發(fā)展無刷電機。 2.1 直流有刷電機基本是一個汽車用普通直流有刷電機，長電樞，斜線槽，帶一個電磁離合器。它的特點是結構簡單、成本低,性能能滿足電動轉向要求,但是壽命和噪音均是存在的問題。而直流無刷電機在壽命和噪音方面有巨大的優(yōu)勢,但是由于必須配備相應電路、結構相應復雜，導致成本上升。 我們在選用電機時則應根

37、據(jù)使用經(jīng)驗，原車結構，匹配，電機性能（包括轉速和噪音）以及成本諸因素確定。因為電動轉向器安裝位置附近空間小，所以對電機的尺寸有一定限制。一般來說電機尺寸小，功率大，性能好，特別是噪音低最受歡迎。 對發(fā)展中型汽車電動轉向的最大難題主要是電機的功率和尺寸，電機消耗電流大對蓄電池的容量也造成一定的問題。 采用電磁離合器對汽車電動轉向器的工作更有利，電動轉向器工作時吸合，在出現(xiàn)了故障時電磁離合器自動脫開，一方面對直流電機起保護作用，一方面不影響機械轉向器正常工作。 對電機是否帶電磁離合器有兩種觀點：一種認為帶電磁離合器好，需要工作時電磁離合器吸合，不工作時電磁離合器斷開，便于編制程序；電動轉向器

38、損壞時，電磁離合器斷開，逆?zhèn)鲃硬皇苡绊?。另一種認為不帶電磁離合器好，結構簡單，因為采用大螺旋角蝸輪蝸桿機構，逆向傳動阻力較小，對逆?zhèn)鲃佑绊懖淮螅? 編程相對簡單了。 圖 22 EPS電機（帶電磁離合器） 2.2 國產(chǎn)EPS電機系列 國產(chǎn)EPS電機系列如下： 已有常州凱宇汽車電機有限公司、樂清市吳林實業(yè)有限公司、重慶華宇有限公司、淄博汽車電機有限公司等，已經(jīng)開發(fā)出和正在開發(fā)的有刷電機有6種之多。 有刷電機： No 電壓V 功率W 最大電流A 最大輸出扭矩Nm 備注 1 12 120 25 1.2 2 12 170 30 1.8

39、 3 12 220 35 2.2 4 12 300 38 3.0 5 12 400 45 4.0 6 24 300 35 3.0 7 24 420 45 4.0 8 24 550 65 5.0 9 48 100 15 1.0 10 48 200 25 2.0 無刷電機 No 電壓V 功率W 最大電流A 最大輸出扭矩Nm 備注 1 12 160 30 2.0 2 12 300 40 3.0 3 24 300 40 3.0

40、2.3 發(fā)展無刷電機已是EPS電機必然的發(fā)展趨勢 在EPS 系統(tǒng)中，其核心是一個電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于永磁同步電動機(PMSM)具有結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等特點，和直流電機相比，它沒有機械換向器和電刷、與異步電動機相比，它不需要無功勵磁電流，因而功率因數(shù)高，體積小，電流和定子電阻損耗??；且轉子參數(shù)可測、具有角度傳感器功能；定轉子氣隙大、控制性能好；無火花對電磁干擾??；因此無刷電機是汽車電動助力轉向系統(tǒng)的首選。 永磁同步電動機的矢量控制一般通過檢測或估算電機轉子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓。這樣，電機的轉矩便只和磁通、電流有關，與直流電機的控制方法相似，可

41、以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉子磁通位置與轉子機械位置相同，這樣通過檢測轉子的實際位置就可以得知電機轉子的磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。在要求高精度，高動態(tài)性能以及小體積的場合，應用PMSM電機伺服系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢. 3 EPS傳感器 傳感器分類如下： 傳感器有電位器式、電磁感應式、霍爾元件式、編碼器式等。 3.1. 電位器式傳感器 電位器式傳感器是北斗星汽車安裝鈴木公司開發(fā)的一種成本較低的傳感器的結構見圖 23 ，其性能曲線見圖 24。 圖 23 電位計式傳感器 圖 24 電位計式傳感器特

42、性曲線 這種扭矩傳感器的信號來自于轉向軸內(nèi)部安裝的一根扭桿兩端在外力作用 下產(chǎn)生的相對扭轉角度,它的扭轉角度和轉向力成正比；扭矩傳感器里面利用了碳膜電位計的結構，不過采用了導電槊料碳膜/陶瓷碳膜和鋼絲碳刷/特殊切絲刷。由于這種扭矩傳感器擁有足夠的精度、結構簡單、價格便宜，所以使用較廣泛。 這種扭矩傳感器的精度為獨立線性度≤0.3％,重復性誤差≤0.2％。它的最輸出為1.37V～3.83V,它的中點為2.5V 。 現(xiàn)存的電位計式傳感器的第一大問題就是傳感器的精度，獨立線性度≤0.3％,重復性誤差≤0.2％達不到要求。這主要是生產(chǎn)廠家出廠產(chǎn)品精度不能保證。 現(xiàn)存的電位計式傳感器的第二大問

43、題就是傳感器的零飄問題，這主要是裝車時調(diào)整不夠好，安裝后固定不好，以至于汽車行駛一段時間出現(xiàn)零飄現(xiàn)象，使得汽車轉向時出現(xiàn)一邊輕一邊重現(xiàn)象。只能從安裝和調(diào)整解決。 3.2． BI傳感器 在國外汽車電動轉向裝置里廣泛采用的扭矩傳感器是BI公司的電阻式結構（見圖 25）。 圖 25 LH3型相位差式傳感器 這種專門為EPS設計的雙路輸出扭矩傳感器（LH3型）的信號來自于轉向軸上安裝的兩個可以相對轉動圓盤，圓盤之間由扭桿（扭力彈簧）相聯(lián)接。測量出轉向手力作用下兩個圓盤相對轉動的角度（相位差），可以知道扭矩大小。該相位差與扭矩大

44、小成正比例。同時它還有角度輸出。 這種扭矩傳感器的輸出扭矩精度為線性度3％,相位差90，阻值范圍4KΩ30%，工作溫度 －40～135℃。 3.3. DC 傳感器 圖 26 DC傳感器結構圖 圖27 電磁感應式傳感器原理圖 五 EPS的匹配及有關問題探討 1 汽車輕量化問題 汽車輕量化創(chuàng)新聯(lián)盟，汽車在新的發(fā)展階段。發(fā)改委要求建立的新平臺。 汽車輕量化是世界汽車發(fā)展的方向、是節(jié)省油料的一個因素。必須加以考慮。 一個汽車一個總成輕幾公斤都是有很大的意義；可以說通過設計的改進使整車輕幾公斤都是有很大意義的。 2 改裝EPS問題 改

45、裝EPS問題也是關系到省油的大問題。 韓國萬都公司的資料表明，改裝EPS后節(jié)省燃料4.13%，這對汽車是一個很有意義的重大改進。 3 電動轉向器速比 （1）對電動轉向器輸出扭矩影響很大。 （2）對電機的成本影響很大。 （3）對轉向器圈數(shù)有影響，即對汽車轉向靈敏性有影響。 （4）理想的轉向器應該是變速比的。既解決了輸出扭矩問題，又解決了轉向靈敏性問題，唯一的問題是轉向器成本提高了。 4 匹配問題 用下面幾個表說明一下： 圖28 汽車電動轉向匹配圖 表2車型電機匹配表

46、 圖29 電機選型圖 表3 我對車型與EPS匹配的建議 表4 整車選型匹配表 六 EPS的發(fā)展方向 1 四輪驅動車輛的全輪電動轉向 實現(xiàn)四輪驅動車輛的全輪電動轉向，提高車輛的轉向性能、節(jié)省油料，提高環(huán)保性能。 1.1 提高車輛行駛的操縱穩(wěn)定性 （1） 解決高速發(fā) 飄問題； （2） 解決回正擺頭問題； 1.2 提高車輛機動性 （1） 雙軸轉向（異向）——減小轉彎半徑； （2） 雙軸轉向（同向）——實現(xiàn)蟹行移動； 2 線控轉向電子轉向系統(tǒng)SBW(Steer-By-Wire)　　 2.

47、1 概念 線控轉向系統(tǒng)取消了方向盤與轉向輪之間的機械連接，改而由方向盤模塊、轉向執(zhí)行模塊和主控制器ECU三個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成。電子轉向系統(tǒng)SBW(Steer-By-Wire)是汽車轉向方面最為先進和前沿的技術之一，具有很多優(yōu)點： 　　 2.2 特點 2.2.1 取消了方向盤和轉向車輪之間的機械連接，通過軟件協(xié)調(diào)

48、它們之間的運動關系，因而取消了它們之間的機械約束和干涉，使之可以相對獨立運動，因而可以實現(xiàn)傳動比的任意設置，可以根據(jù)車速和駕駛員喜好由程序根據(jù)汽車的行駛工況實時設置傳動比。同時還可以從信號中提出最能夠反映汽車行駛狀態(tài)的信息，作為方向盤回正力矩的控制變量，使方向盤僅僅提供駕駛員有用信息，以減輕駕駛員的體力腦力負荷，提高“人-車閉環(huán)系統(tǒng)”對道路的跟蹤特性。同時由于減少了機構部件數(shù)量，而減少了從執(zhí)行機構到轉向車輪之間的傳遞過程，使系統(tǒng)慣性、系統(tǒng)摩擦和傳動部件之間的總間隙都得以降低，從而使系統(tǒng)的響應速度和響應的準確性得以提高。 　　

49、 2.2.2 電子轉向系統(tǒng)采用了軟件控制，因而可以把轉向系統(tǒng)與其它主動安全設備如ABS、汽車動力學控制、防碰撞、軌道跟蹤、自動導航以及自動駕駛等功能相結合，實現(xiàn)對汽車的整體控制，提高汽車整體穩(wěn)定性，且實現(xiàn)了ITS中的汽車輔助轉向功能。 　　 2.2.3 電子轉向系統(tǒng)在實現(xiàn)上述操作性能上的突破的同時也帶來了可觀的經(jīng)濟性和環(huán)境效益。 　　 2.2.4 電

50、子轉向系統(tǒng)是通過一個通用的執(zhí)行器來調(diào)整轉向的。要對汽車轉向的動力性進行調(diào)整，必須使用一個轉角傳感器，這并不影響方向盤對車輪的快速調(diào)整。另一方面，一個力矩傳感器也是必須的，它將對汽車轉向的調(diào)整和自動駕駛起重要作用。因此，駕駛員通過提供到方向盤的力矩知道正確的方向，并通過進一步的引導控制系統(tǒng)來進行評估。 　　 2.2.5 與“電子駕駛”和“電子停車”一起，它提供了把它們實際化的條件，并且把動力性和汽車控制統(tǒng)一到一個系統(tǒng)中。 　　 2.2.6 對汽車生產(chǎn)商的

51、好處。傳統(tǒng)轉向系中轉向柱安裝要求提供足夠的空間(左手或右手駕駛)，而電子轉向嚴格的控制了轉向柱在發(fā)動機間隔內(nèi)的自由度，表明了機械式的轉向柱沒有很好的利用發(fā)動機的空間。 　　 SBW可以追溯到二十世紀六十年代末，當時德國Kasselmann等試圖將轉向盤與轉向車輪之間通過導線連接，由于電子和控制技術的制約，一直無法在實車上實現(xiàn)，到1990年左右，世界上各大汽車廠商、研發(fā)機構等先后對SBW深入研究，到目前為止，在一些概念車上安裝了改系統(tǒng)，SBW預示著未來汽車的一個發(fā)展方向。 　　

52、 2.3 結構 SBW線控轉向系統(tǒng)是由以下四部分構成的： （1） 模擬轉向阻力的轉向機構； （2） 線控轉向系統(tǒng)控制器； （3） 自動轉向執(zhí)行機構——擁有冗余執(zhí)行電機的機構；

53、 （4） 控制線路。 圖30 全自動電動轉向器 圖31 半自動電動轉向器 圖32 SBW模擬轉向機構 圖33 SBW轉向執(zhí)行機構 圖34 國外線控轉向系統(tǒng) 附：電液助力轉向 電液助力轉向可以分為兩大類：電動液壓助力轉向系統(tǒng) 1 EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉向 2 ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。 E

54、HPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，其特點是原來有發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅動，取代了由發(fā)動機驅動的方式，節(jié)省了燃油消耗。 ECHPS是在傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)的基礎上增加了電控裝置構成的。電液助力轉向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉向速率、車速等參數(shù)設計為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。 　　 現(xiàn)代電液動力轉向系統(tǒng)主要通過車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計算機系統(tǒng)，控制電液轉換裝置改變動力轉向的助力特性，使駕駛員的轉向手力根據(jù)車速和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或轉急彎時能以很小的轉向手力進行操作，在高速行駛時能以稍重的轉向手力進行穩(wěn)定操作，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達

55、到最合適的平衡狀態(tài)。 為了保證轉向輕便性，要求增大轉向器的傳動比。但是，增大角傳動比雖然可以減小轉向盤上的手力，但同時也造成汽車對操縱的反應減慢，甚至有可能導致駕駛員沒有能力來轉動轉向盤進行緊急避障等轉向操作，即不夠“靈”。 機械式轉向器的設計目標是保證汽車在各種行駛條件下將轉向盤上的手力保持在駕駛員能接受的合理范圍內(nèi)，同時保證適當?shù)霓D向靈敏度。但是機械式轉向器的結構特點注定“輕”與“靈”矛盾的存在(包括變傳動比機械轉向器)， 而電液助力轉向系在一定程度上解決了這一矛盾。 　　 EHPS相比傳統(tǒng)HPS降低了能源損耗。但電液動力轉向系統(tǒng)，不論ECHPS還是EHPS都與傳統(tǒng)的HPS一樣存在液壓油

56、泄漏問題。 　　電動助力轉向系統(tǒng) 　　電動轉向系統(tǒng)EPS(Electric Power Steering)把一個機械的系統(tǒng)和一個 　　電控的電動馬達結合在一起形成的一個動力轉向系統(tǒng)。與液壓系統(tǒng)不同的是，助力改由電機提供，因此，要有一個力矩傳感器來測量作用在方向盤上的力矩，由電子控制單元來計算所需要的力矩。作用在方向盤上的力矩曲線由一個電動馬達來分配。通過電動馬達提供轉向所必須要的力，它通過一個減速器作用在轉向柱上，在循環(huán)球式的傳動裝置中，直接作用在齒扇上的力太大，因此大多選用齒輪齒條轉向器。根據(jù)助力位置不同分為三種形式：1、轉向柱助力式.2、小齒輪助力式.3、齒條助力式. 　　由于EPS改由電

57、機提供助力，助力大小由電控單元ECU實時調(diào)節(jié)與控制，可以較好解決汽車操縱時輕與靈的矛盾。 　　 EPS及HPS在世界各地的需求趨勢；數(shù)據(jù)表明，在世界范圍內(nèi)，電動轉向器和電液轉向器的使用會增加很快，2001年大約26.7%的安裝在新車中的轉向器是這種節(jié)能型的。到2006年歐洲市場中電動轉向器和電液轉向器的份額會達到56%。由于電動助力系統(tǒng)不僅可以提供汽車在高速下的操縱穩(wěn)定性，還能減小轉向系統(tǒng)的質(zhì)量并節(jié)省能源，因而迎合了下一代汽車對環(huán)保的要求。根據(jù)汽車車型的不同，使用電動助力系統(tǒng)能夠降低燃油費用達5%～10%。但是由于目前汽車電源和電機本身的一些原因，限制了電動助力在大型汽車上的應用。隨著未來技術的不斷發(fā)展和進步，這一問題將會得到解決。未來轉向系統(tǒng)將會是以電動助力為主導，其他形式為輔。