电动助力转向系统在奇瑞A3车型上的应用及试验匹配研究 高家兵岳伯陶 (奇瑞汽车股份有限公司乘用车工程研究一院底盘部)弗呐塑要2色嘎它，，，皇塾乡力茸睾向．系统EPS的采用多是在小排量、小载荷的乘用车和微型客车上， 詈要氅出EP址S至譬鼍盒挚墨碧亭簦?、?皇鎏篓低的有刷电机系统但随着EPj菝．莱磊运箩爱慕赢 竺苎三雪苎篓产型，苎瓷耆冬冬氅专、．冬电流的无刷电机EPS系统的开发过程，赫禧孑蕃磊纂薮妻兰挚童莹广，急尊型誊9警芋譬奎、警荷较大的车型上逐步拓震暮曼从E菇辱妻军藿磊葛霉瀛麓黧乏苎誊堂警苎∑鼍!苎控制和振动控制对整车性能的影响最后还结谷萁体聂盗墓安寿条磊葛孬乔；一 “一一”’¨1”眠 验匹配方法进行了说明咖士南粤塑璧垄氅空垂篷(E PS)．已经謦謦来越多的国内车辆制造厂采用，在已经量产的整车上，可以越 娄絷耋竺发婴量Ps璺曼．主要EPs．笋垡点，最主要是车辆的节能和整车操控性爵改善误≠毛Pg晶芰 详细特点、分类、构成等方面，已经有足够多的文献曾经进行过专门的话蘧 一 一而三擘乒毽杰苎曼士：苎彳氐趟的产品——主要体现在系统小电流、小功率、有刷电机和单信号传 曼量二曼鍪墨二跫堡垡銎望茎塑挚术。
旦前在国内，这种有刷电机技术已矗昆菝多酣焘甫茬靠釜裘≥： 彗雪苎璧堡曾委璺毒塑譬型童考上；．而另一方面，EPs的高端产品，毡就是素磋买苣蒙’荚葫襄’j葫 皇銎蛩登堡言传璧誉彗奎塑耋品，申-于再臻难度大、部件要求高而供应商菝；孬蒙卤：‘瓷苗丙鬲最箸“～ ”1” 常成熟的产品所以采用无刷EPS技术的车型主要在合资品牌上繁炙罂1,3萼2苎==『款日“塑琶笆警套明罕辆A3，规划采用EPS配置因为前轴载荷已经达到950kg， 凳初步分析：采用低端EPs产品无法将无法满足整车要求，故决聂弄爱聂采誉蔓蓑嵩莴荚喾嘉磊誊篆2．产品选型及设计容量对整车转向性能的影响 2．1产品选型的静态和动态要求岳啦套差苎篓曹整型婪二碧常亨要碧量型选择方法就是按排量或按载质量，而对于车辆转向系统而言， 要准确的方法是按照载质量，又考虑车辆采用前轮转向形式，所苡蕞嚣浜趸岽磊蓉主磊篓美篡滔美蔷辐本次车辆的满载前轴载荷1所示毛3 若- 豸芒图I转向器齿条力 ；+时由粤：夏壁蕈妻j，曩查氅毽皇粤条力为7800N，出现在方向盘转动至极限位置，这就意味着系统一“一一’～”““刀日小矶吠 计时，系统的最大助力能力必须大于7800N。
、b：＆塑肄三要雪是皇墓喜流蚕里-垫查彗尊熟的有刷和无刷电机EPS产品所能覆盖的范围，而对于本 姿誉婪赁堑|：：5：照箜鍪鲁∑荸奎些三亨倒粤毋产品与无刷电机产品交艾藉主蔚基萄等坂菱举菇￡≥南； 采用有刷电机中的大容量产品或无刷电机中的中小容量产品，都可改磊趸—茧主谋孑濡趸基美翼苛舅129静态助力要求之外，还有另外一点也非常重要，就是需要考虑系统助力的动态特性前轴载荷 <650Kg<800Kg<950Kg<1100Kg <1300Kg DC 45A网I)C 60A■z■■∞目镕g■EK≈g《ggs■赋C-EPSDc 70A BLAC 80A＆∞％《S《《《《《月％《Ha日《H黼BLAC 90A●g％§wgs■目∞％目目M目目黼R-EPSBLAC 95A图2系统电流电动机适用的整车前轴载荷范围 图中：C．EPS——转向柱助力形式；R．EPs——齿条助力形式； DC——有刷电机；BLAC——无刷电机 这里所谓的动态特性，是指当以较快速度转动方向盘时，允许转向力有一定下降但是不能下降过快 并且不能低于某个范围考虑动态特性的原因在于车辆发展至今，用户对车辆使用要求越来越高，仅仅 满足静态的助力就显得不够了，还要追求舒适特性，也就是当用户出现较快速度转动方向盘(多出现在 车辆低速掉头、进出车位等工况)，助力同样不能降低，仍然要保持较高的助力水平。
对于方向盘转动较快的情况，一般认为，当方向盘转动速度达到540deg／s(方向盘每秒转动一圈半)， 助力能满足50％的齿条力，是可以接受的也就是说，当转向盘输入速度540deg／s时，能满足3900N 的助力要求 2．2产品选型中电动机特性的要求 上述提到的静态和动态助力要求，对于EPS而言，最终都需要通过选择合适的电机来实现对于 满足静态要求，如上节中所述，可以选择有刷电机的大电流产品或无刷电机的中小电流产品，都可以满 足；但对于满足动态特性要求，如图3所示，为有刷电机和无刷电机的动态电流特性S＼4∈z、∞r、丁Lo卜3～、＼-O--BLAC～＼．-．11-Dc21OlO∞150020∞2Soorolling speed／rpm图3有刷电机和无刷电机的动态电流特性 可见，由于有刷电机的动态特性就是当转速较高时，对应的电流和功率下降也较快，这时提供给转 向系统的助力容量降低过于迅速，反映在车辆上就是助力降低迅速，驾驶员感觉转向沉重；相反的，无 刷电机的动态特性下降速度相对不明显，能够维持较快转速下转向系统的助力，使得车辆整体的转向动 态特性较好 综合上述两方面，为保持车辆同时具有好的静态和动态特性，再考虑A3这款车的市场定位较高， 需要保证较高的竞争力水平，最终综合得出：本次开发必须选择大电流、大功率、无刷电机产品做为目 标产品。
表1是本次EPS产品开发中实际设定系统参数情况和静态、动态时的助力满足情况 表1EPS产品开发实际设定参数值 系统要求满足情况 转向柱传动效率大于92％96％ 转向机传动效率大于85％89％ 转向机传动比48mn忻48mm／r转向齿条力7800N7850N540deg／s转向齿条力3900N5600N130从表1可以看出，EPS系统的设计可以满足整车各情况下的转向助力要求 3．EPS控制策略对整车性能的影响3．1助力控制 助力控制是EPS控制策略中最基础的控制助力控制简言之就是控制车辆在不同车速下、不同方 向盘输入力矩下的助力大小 本次EPS开发，考虑到中国驾驶员习惯，选择了原地和低速转向时助力较大，可以使驾驶员感觉 到非常轻便的转向力具体就是将0车速时(对应车辆停在原地时进行的转向操作)转向力输入设定为 3Nm，在18km／h时(对应车辆最高2档行驶时进行的所有低速操作如掉头、进出车位等)转向力输入 设定为3．2Nm，这样可以使驾驶员感觉到最大程度的操作轻便性当超过18km／h后转向助力均匀降低 且降低速度较明显，在lOOkm／h时(对应车辆的高速行驶情况)转向力输入设定为4．8Nm，这样可以使 驾驶员感觉随车速的增加，转向力也迅速变沉重，增强了转向操作的手感。
具体的车速与输入力对应关系如图4所示E、Z∞ 3g 2 芒 ∞ 拐‘承—◆一OknVh ∞ 叫■一18k州h —’如100knr4hsteeringwheel torque／Nm图4A3车转向助力控制设定 3．2回正控制 回正性能指的是车辆在转向动作后，自行回到直线行驶位置的能力回正的产生是由于车轮与地面 产生的回正力矩，这个回正力矩在转向过程中表现为阻力，需要由转向助力系统去克服掉，否则无法完 成转向动作；当转向动作完成，驾驶员松开方向盘，回正力矩表现为动力，自行带动前轮回到中间行驶 位置 回正性能是乘用车整车性能的重要方面，是整车操控性的评价指标之一影响整车回正性能的因素有： a．车轮和轮胎的型号，这是产生回正力的根源； b．前轮定位参数，主要是主销内倾角和主销后倾角，同样也是回正力产生的重要根源； C．转向系统和悬架系统内部摩擦，这个是次要的因素，但是当车辆选用型号比较小的轮胎或者前 轮定位参数设计值较小时，车轮能够产生的回正力矩比较小，这时系统摩擦就显得重要了 上述影响因素中，转向系统和悬架系统内部的摩擦是不可避免的，所以从理论上来说，车轮是无法 完全回到正中或者说车辆无法完全恢复直线行驶状态，必须由驾驶员在方向盘上施加一个额外的驱动 力，才可以完全纠正车轮的残余转角。
如果在EPS的控制方法上增加一个高级的控制策略，称之为回正控制，可以实现车辆的完全回正 图5所示是EPS控制器中包括回正控制策略在内的逻辑示意图币eg】 Z7-际ehlc ie s peecq”k=1忡em删 fvm，hlSe“Centdng———+ 回正控制懊块—斗 Self Centring TdemanaTorque Demand 一Ⅻueoemanac岬ens抑Ⅶ叩emand卜 Column Torque dStability Conl】．oI 稳定控制 ‘lehlcle speeoHF Torque Demandlk--Ira Yaw Damping TaemanO一s】Assist Cohi：oJ 助力控制' j竺：：：!：：竺， I图5控制器各控制策略逻辑示意图 回正控制的原理是根据转向柱当前的角度以及与中间位置的角度差信息，由电动机提供额外的助力补偿，将方向盘主动拨回到中间位置，弥补由系统摩擦造成的不能完全回正的问题 3．3阻尼控制 配置EPS的车辆，一个突出问题就是方向盘振动因为如果采用液压助力的转向系统，转向机的 液压结构可以起到一定衰减振动的作用，类似于液压阻尼器的效果。
EPS系统的转向机采用的是机械式 结构，路面反冲的振动完全经机械转向机传回方向盘，所以路面条件较差时，在方向盘上会感觉明显抖 动利用EPS控制器中的衰减控制策略，可以有效的解决此类问题控制的原理是，在图5所示的助 力控制模块中，加入一个类似于斩波电路的模块控制过程是，首先用一个低通滤波器分离出转向盘扭 矩信号中的高频成分，再用一个放大电路将高频信号放大，最后用一个斩波电路将高频的部分过滤掉 这样处理之后，在方向盘上就感觉不到明显的高频振动，使转向手感更加平滑 4．EPS的整车试验匹配方法 4．1原地转向试验和低速轻便性试验 原地转向试验主要验证的是静态转向性能，针对的是3．1中所述的内容 具体的试验方法是： a．整车满载，置于水平混凝土路面上； b．用测力方向盘代替实车方向盘，并接传感器和数据采集仪器； C．测量的数据为方向盘转角、方向盘力矩； d．对于低速轻便性试验，可以参考国标进行，在此不详细叙述‘7】 测量结果如表2所示 表2试验结果数据方案一 测量参数单位 驻车工况低速行驶工况(10km／h)0方向盘力矩[Nm]1．22．75平均方向盘力矩[Nm]2．12．16左转最大方向盘转角[o】591．3590．7右转最大方向盘转角[o】559．6560．4各注曲线见图6曲线见图7 备注的曲线需要用数据采集仪器进行处理，如图6和图7所示。
132图6原地转向试验结果曲线 其中，R∞k atNOMINAI，-转向柱处于中间设计状态； Rack at DO、ⅣN——转向柱调节至最低设计角度状态：Rack at I 7P—转向柱调节至最高设计状态1——RaKe 81 No}．IINAL P、 Iviii辫ji|}；|j——Se#es2， 曲 VIS卓nes3爵1；=¨一磐：强 辩#'喃■—．}{-I《二一oi滋=1．． 磊oo～誓蓄oo一薹∑■鬻骜鬻‘ ～薯≥j篡≯!囊|薹轰薹l’ V1’!．6 豫一＼遵∞*-200j }淼j}u”40‘07＼ ≥60：0警-、’mh恻o_瞄曩即m-^_—_．^‘‰I —州—卜州∥～j．■h 雾『J一量i羹耋毒一二蔓誊j ^图7轻便性试验结果曲线 由图6以及图7可以看出，转向系统的力矩波动非常明显，在一个周期内(方向盘转动一圈)，可 以明显感觉到一次波峰和一次波谷的出现针对试验结果，初步分析原因，可能存在的问题是： a．固定转向柱的仪表台横梁尺寸超差，导致转向柱角度受到影响； b．固定转向机的副车架尺寸超差，导致转向机角度(间接影响转向柱角度)位置受到影响； c．转向柱中间轴上相位角补偿出现问题，可能是上下两节叉焊接角度不符。