浅谈电动助力式转向系统

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【摘要】汽车转向系统可按转向能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。动力转向系统根据动力源不同又可分为机械式的液压动力转向系、电控式液压助力转向系统（EHPS）和电动助力式动力转向系统（EPS）。

【关键词】EPS 电动助力式转向系统

一、EPS特点

汽车转向系统可按转向能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。动力转向系统根据动力源不同又可分为机械式的液压动力转向系、电控式液压助力转向系统（EHPS）和电动助力式动力转向系统（EPS）。

新一代的EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机输出扭矩的大小和方向，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。它将电动机、离合器、减速装置、转向杆等各部件装配成一个整体，其结构紧凑、质量较轻，其可编程的转向助力特性使得转向操纵稳定性得到较大的提高。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，但其基本原理是一致的。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构成，

当转向轴转动时，扭矩传感器检将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。

二、EPS的主要部件

（一）扭矩传感器。

EPS控制系统的传感器信号包括转向盘转矩信号、汽车车速信号、汽车轴重信号、电机电流信号，前三者用于确定助力电机的助力转矩大小和方向，后者用于电机的闭环控制。这些信号用来作为EPS的输入信号，共同决定助力信号的输出。因此，传感器信息融合是EPS系统中的关键技术之一。

EPS中扭矩传感器主要有：电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器，也有通过在转向轴位置加一扭杆，通过测量扭杆的变形得到扭矩的大小和方向。电阻式转向传感器实际上是个滑动可变电阻器，当操作方向盘时，其电阻的变化最终经电路处理以电流的形式将转矩信号送至ECUTM。这种传感器价格低，但体积大，易于磨损，在早期EPS中应用较多。随着非接触式扭矩传感器成本的降低，越来越多的厂商转而采用这种精度高、体积小且寿命长的新型传感器。图2所示为KOYO公司研制的非接触式EPS扭矩传感器原理图，该装置由安装在输入轴上的探测环1和探测环2，安装在输出轴上的另一个探测环1，探测线圈和补偿线圈组成。当方向盘转动时，扭杆受转动力矩作用发生扭转，由于线圈生扭转，由于线圈固定不动，探测线圈与探测环之间的位置发生变化导致线圈磁阻改变，并最终反映扭矩的变化。国d工o控5网3.2

（二）电动机。

助力电动机是EPS系统的动力源，它根据 ECU输出的控制指令，在不同的工况下输出不同助力转矩，对整个EPS性能影响很大，因此需要具有良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控制，还要求输出波动小、低转速大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等，因此，常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少振动，在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽，改变定子磁铁中心处或端部厚度，将定子磁铁设计成不等厚等。

随着现代汽车技术的发展，汽车各部件越来越多的采用42V直流电源，因而，面向42V直流电的 EPS也逐渐成为汽车技术研究热点之一。采用42V直流电的EPS能在较低的输出电流同时保证有足够的输出功率，既降低系统的能耗和发热，又能改善系统的控制。

（三）电磁离合器。

电动式EPS转向助力一般都是工作在一个设定的范围。当车速低于某一设定值时，系统提供转向助力，保证转向的轻便性；当车速高于某一设定值时，系统提供阻尼控制，保证转向的稳定性；而当车速处于两个设定值之间时，电动机停止工作，系统处于Standy状态，离合器分离，以切断辅助动力。另外，当EPS系统发生故障时，离合器应自动分离，此时仍可利用手动控制转向，保障系统的安全性。EPS系统中电磁离合器应用较多的为单片干式电磁离合器。

（四）减速机构。

减速机构是电动式EPS不可缺少的部件，它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。目前实用的减速机构有多种组合方式，采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。装配有离合器的EPS，多采用涡轮蜗杆减速机构，装配在减速机构的一侧。

（五）电子控制单元。

电子控制单元ECU是整个EPS系统控制的核心，它根据扭矩传感器、车速传感器、轴重传感器以及电动机电流传感器等输入信号，进行分析计算，得出最佳控制参数，发出控制指令，控制电动机与电磁离合器的动作。EPS系统的控制算法也是系统控制性能的关键之一。此外，ECU还应具备安全保护与自我诊断功能。汽车行进中ECU不断采集各部件工作信号，一旦系统某部件工作异常，控制电磁离合器分离，同时进行故障诊断分析，输出显示故障信号。ECU有采用8位单片机系统，如采用Philips的87C552单片机HJ，也有采用美国TI公司TMS320LF2407 DSP芯片。给驾驶员带来了潜在的危险性。现在研究多的是在全速型的EPS，它在任何车速下都提供助力，既兼顾了低速时操纵灵活性，也实现了高速时操纵稳定性，但系统控制算法相对复杂，对控制系统的硬件要求相对高些。Punto和Mira采用的是全速型EPS，Alto和Minica采用的是低速型Eps。

EPS系统采用微电子控制技术，利用软件算法控制电动机动作，可以通过调整控制参数获得最优的回正特性，并能增强转向车轮对转向盘的随动性。

（六）EPS的发展趋势。

当前已经较多应用在排量在1.3L-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。目前，在全世界汽车行业中，EP8系统年增长量达130-150万套。据TRW公司预测，到2010年全世界生产的轿车中每3辆就有1辆装备EPS，到2010年，全球EPS产量将达到2500万套。因而，EPS将具有十分广阔的发展和应用前景。

三、结论

从传统的汽车转向系统在使用过程中存在的缺陷可知，现有安全气囊的基本设计目标是用来对付严重交通事故的，但在一些不太严重的事故中，系统反应过度，反而会对驾乘人员施加作用过大，适得其反，造成不必要的伤害。 针对实际使用中存在的问题，我们更希望在汽车转向系统越来越稳定，在汽车上应用越来越多。