汽车电动助力转向系统的技术研究论文

汽车电动助力转向系统的技术研究论文

　　一、EPS 系统结构及其工作原理

　　1.EPS 的结构及工作原理

　　电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但是基本原理是一致的。它一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元ECU,电动机、电磁离合器以及减速机构成。

　　其基本工作原理是：当转向轴转动时，扭矩传感器将检测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元ECU，ECU 再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算，得出助力电动机的转向和助力电流的大小，完成转向助力控制。

　　2.EPS 的关键部件

　　2.1 扭矩传感器。精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS能否占领市场的关键因素。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式(主要是电位计式)传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型， 而非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式两种。前者的成本低，但受温度与磨损影响，易发生漂移，使用寿命较低，需要对制造精度和扭杆刚度进行折中，难以实现绝对转角和角速度的测量。因此扭矩传感器类型的选取根据EPS 的性能要求综合考虑。

　　2.2 电动机。电动机根据ECU 的指令输出适宜的转矩，一般采用无刷永磁电动机，无刷永磁电机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等特点。电机是EPS 的关键部件之一，对EPS 的性能有很大的影响。

　　2.3 电磁离合器。电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。

　　2.4 减速机构。减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式： 双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影响较大，因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。

　　二、EPS 的电流控制

　　EPS 的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPAS的特点，上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。EPS 的电流控制方式控制过程为： 控制器根据转向盘转矩传感器的输出Th 和车速传感器的输出V 由助力特性确定电动机的目标电流Imo，然后电流控制器控制电动机的电流Im,使电动机输出目标助力矩。因此EPS 的控制要解决两个问题：(1)确定助力特性;(2)跟踪该助力特性。整个控制器可分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节， 进行电动机目标电流的决策， 下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压， 跟踪目标电流。

　　1.助力控制

　　助力控制是在转向过程(转向角增大)中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系(转向轴、齿轮、齿条)上的一种基本控制模式。步骤如下：

　　(1)输入由车速传感器测得的车速信号;(2)输人由转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向;(3)根据车速和转向盘力矩，由助力特性得到电动机目标电流;(4) 通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。

　　2.回正控制

　　当汽车以一定速度行驶时， 由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用，使得回正性能提高。在转向盘回正过程中，有两种情况需要考虑：(1)回正力矩过大，引起转向盘位置超调;(2)回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置。对前一种情况，可以利用电动机的阻尼来防止出现超调。后一种情况需要对助力进行补偿， 以增加回正能力。

　　根据转向盘转矩和转动的方向， 可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的内容有：低速行驶转向回正过程中，EPS 系统H 桥实行断路控制，保持机械系统原有的回正特性;高速行驶转向回正时，为防止回正超调，采用阻尼控制。

　　3.阻尼控制

　　阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性提出的。汽车高速直线行驶时，如果转向过于灵敏、“轻便”，驾驶员就会有通常说的“飘”的感觉，这给驾驶带来很大的危险。为提高高速行驶时驾驶的稳定性，提出在死区范围内进行阻尼控制，适当加重转向盘的阻力，最终体现在高速行驶时手感的“稳重”。

　　三、EPS 的特点

　　与传统液压动力转向(HPS)相比，EPS 具有以下特点：

　　(1)EPS 能在各种行驶工况下提供最佳力，减小路面不平度所引起的对转向系的扰动，改善了汽车的转向特性。

　　(2)EPS 只在转向时电动机才提供助力， 相比液压动力转向系统可节约燃油3%~5%，因而燃油经济性有了很大的提高。

　　(3)EPS 取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等，其零件比传统液压动力转向系大大减少，因而质量更轻，结构更紧凑，在安装位置选择方面也更为方便，并且可以降低噪声。

　　(4)HPS 的参数一经确定，转向系统的性能也随之确定，很难改正，而EPS 可以通过改变和设置不同的程序，改变转向特性，装配自动化程度更高，能与不同的车型匹配，缩短生产和开发时间，提高了效率。

　　四、EPS 的关键技术及发展趋势

　　(1)电动机的性能及其与EPS 系统的匹配是影响控制系统性能、转向操纵力、转向路感等问题的主要因素，因此改善电动机的性能及其与整个EPS 系统的匹配是关键问题;(2)助力特性的好坏取决于转向的轻便性和路感;(3)EPS 除了应有良好的硬件保证外， 还需要良好的软件控制做支撑，EPS 的安装一般在发动机附近，不可避免地会有热辐射与电磁干扰的影响，因此对EPS 的控制策略提出了很高的要求。

　　EPS 当前已经较多应用在排量在1.3-1.6L 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42V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。EPS 将具有十分广阔的发展和应用前景。

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