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汽車(chē)電動(dòng)助力轉向系統的技術(shù)研究論文
一、EPS 系統結構及其工作原理
1.EPS 的結構及工作原理
電動(dòng)助力式轉向系統在不同車(chē)上的結構部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉矩(轉向)傳感器、電子控制單元ECU,電動(dòng)機、電磁離合器以及減速機構成。
其基本工作原理是：當轉向軸轉動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器將檢測到的轉矩信號轉化為電信號送至電子控制單元ECU，ECU 再根據扭矩信號、車(chē)速信號、軸重信號等進(jìn)行計算，得出助力電動(dòng)機的轉向和助力電流的大小，完成轉向助力控制。
2.EPS 的關(guān)鍵部件
2.1 扭矩傳感器。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式(主要是電位計式)傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類(lèi)型， 而非接觸式轉矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響，易發(fā)生漂移，使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現絕對轉角和角速度的測量。因此扭矩傳感器類(lèi)型的選取根據EPS 的性能要求綜合考慮。
2.2 電動(dòng)機。電動(dòng)機根據ECU 的指令輸出適宜的轉矩，一般采用無(wú)刷永磁電動(dòng)機，無(wú)刷永磁電機具有無(wú)激磁損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。電機是EPS 的關(guān)鍵部件之一，對EPS 的性能有很大的影響。
2.3 電磁離合器。電磁離合器是保證電動(dòng)助力只在預定的范圍內起作用。當車(chē)速、電流超過(guò)限定的最大值或轉向系統發(fā)生故障時(shí)，離合器便自動(dòng)切斷電動(dòng)機的電源，恢復手動(dòng)控制轉向。
2.4 減速機構。減速機構用來(lái)增大電動(dòng)機傳遞給轉向器的轉矩。它主要有兩種形式： 雙行星齒輪減速機構和蝸輪蝸桿減速機構。由于減速機構對系統工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉向操作的對稱(chēng)性方面對其提出了較高的要求。
二、EPS 的電流控制
EPS 的上層控制器用來(lái)確定電動(dòng)機的目標電流。根據EPAS的特點(diǎn)，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。EPS 的電流控制方式控制過(guò)程為： 控制器根據轉向盤(pán)轉矩傳感器的輸出Th 和車(chē)速傳感器的輸出V 由助力特性確定電動(dòng)機的目標電流Imo，然后電流控制器控制電動(dòng)機的電流Im,使電動(dòng)機輸出目標助力矩。因此EPS 的控制要解決兩個(gè)問(wèn)題：(1)確定助力特性;(2)跟蹤該助力特性。整個(gè)控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來(lái)根據基本助力特性及其補償調節， 進(jìn)行電動(dòng)機目標電流的決策， 下層控制器通過(guò)控制電動(dòng)機電樞兩端的電壓， 跟蹤目標電流。
1.助力控制
助力控制是在轉向過(guò)程(轉向角增大)中為減輕轉向盤(pán)的操縱力，通過(guò)減速機構把電機轉矩作用到機械轉向系(轉向軸、齒輪、齒條)上的一種基本控制模式。步驟如下：
(1)輸入由車(chē)速傳感器測得的車(chē)速信號;(2)輸人由轉向盤(pán)轉矩傳感器測得的轉向盤(pán)力矩大小和方向;(3)根據車(chē)速和轉向盤(pán)力矩，由助力特性得到電動(dòng)機目標電流;(4) 通過(guò)電動(dòng)機電流控制器控制電動(dòng)機輸出力矩。
2.回正控制
當汽車(chē)以一定速度行駛時(shí)， 由于轉向輪主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內傾角的存在，使得轉向輪具有自動(dòng)回正的作用。隨著(zhù)車(chē)速的提高，回正轉矩增大，而輪胎與地面的側向附著(zhù)系數卻減小，二者綜合作用，使得回正性能提高。在轉向盤(pán)回正過(guò)程中，有兩種情況需要考慮：(1)回正力矩過(guò)大，引起轉向盤(pán)位置超調;(2)回正力矩過(guò)小，轉向盤(pán)不能回到中間位置。對前一種情況，可以利用電動(dòng)機的阻尼來(lái)防止出現超調。后一種情況需要對助力進(jìn)行補償， 以增加回正能力。
根據轉向盤(pán)轉矩和轉動(dòng)的方向， 可以判斷轉向盤(pán)是否處于回正狀態(tài)�；卣刂频膬热萦校旱退傩旭傓D向回正過(guò)程中，EPS 系統H 橋實(shí)行斷路控制，保持機械系統原有的回正特性;高速行駛轉向回正時(shí)，為防止回正超調，采用阻尼控制。
3.阻尼控制
阻尼控制是針對汽車(chē)高速直線(xiàn)行駛穩定性和快速轉向收斂性提出的。汽車(chē)高速直線(xiàn)行駛時(shí)，如果轉向過(guò)于靈敏、“輕便”，駕駛員就會(huì )有通常說(shuō)的“飄”的感覺(jué)，這給駕駛帶來(lái)很大的危險。為提高高速行駛時(shí)駕駛的穩定性，提出在死區范圍內進(jìn)行阻尼控制，適當加重轉向盤(pán)的阻力，最終體現在高速行駛時(shí)手感的“穩重”。
三、EPS 的特點(diǎn)
與傳統液壓動(dòng)力轉向(HPS)相比，EPS 具有以下特點(diǎn)：
(1)EPS 能在各種行駛工況下提供最佳力，減小路面不平度所引起的對轉向系的擾動(dòng)，改善了汽車(chē)的轉向特性。
(2)EPS 只在轉向時(shí)電動(dòng)機才提供助力， 相比液壓動(dòng)力轉向系統可節約燃油3%~5%，因而燃油經(jīng)濟性有了很大的提高。
(3)EPS 取消了油泵、皮帶、密封件、液壓軟管、液壓油及密封件等，其零件比傳統液壓動(dòng)力轉向系大大減少，因而質(zhì)量更輕，結構更緊湊，在安裝位置選擇方面也更為方便，并且可以降低噪聲。
(4)HPS 的參數一經(jīng)確定，轉向系統的性能也隨之確定，很難改正，而EPS 可以通過(guò)改變和設置不同的程序，改變轉向特性，裝配自動(dòng)化程度更高，能與不同的車(chē)型匹配，縮短生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了效率。
四、EPS 的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢
(1)電動(dòng)機的性能及其與EPS 系統的匹配是影響控制系統性能、轉向操縱力、轉向路感等問(wèn)題的主要因素，因此改善電動(dòng)機的性能及其與整個(gè)EPS 系統的匹配是關(guān)鍵問(wèn)題;(2)助力特性的好壞取決于轉向的輕便性和路感;(3)EPS 除了應有良好的硬件保證外， 還需要良好的軟件控制做支撐，EPS 的安裝一般在發(fā)動(dòng)機附近，不可避免地會(huì )有熱輻射與電磁干擾的影響，因此對EPS 的控制策略提出了很高的要求。
EPS 當前已經(jīng)較多應用在排量在1.3-1.6L 的各類(lèi)輕型轎車(chē)上，其性能已經(jīng)得到廣泛的認可。隨著(zhù)直流電機性能的提高和42V電源在汽車(chē)組件上的應用，其應用范圍將進(jìn)一步擴寬，并逐漸向微型車(chē)、輕型車(chē)和中型車(chē)擴展。EPS 將具有十分廣闊的發(fā)展和應用前景。
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