汽车电动助力转向系统的技术研究

　　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35，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。31。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。