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1、电动转向器（EPS）一、电动转向的基本概念 1 电动转向是一种简称，它有别于电动液压转向。前者指的是一种纯电机助力转向装置，后者指的是一种电控液压助力转向装置。一般讲电动转向助力装置包含电动转向器的机械部分、控制器、电机和传感器等。在不同结构的电动转向助力装置中它们的相对关系是不同的。通常多数电动转向结构把转向器的机械部分、减速机构、电机和传感器安装在一起、控制器另外安装、用电线束把它们与蓄电池(电源)连接在一起的结构统称之为电动转向器。也有把控制器和转向器机械部分安装在一起的结构。 电动转向器是一种通过电机为驾驶员操纵转向系统提供助力的装置。这种助力的大小是由控制器（ECU）通过PWM方式输
2、出电流对电机进行控制的。 通过控制器的控制可以在驾驶员操纵汽车转向过程中向电机提供最理想的电流，从而控制电机提供最佳助力进行工作。 ECU采集的信号来自扭矩传感器、车速传感器和发动机的信号。 扭矩传感器的信号来自于转向轴内部安装的一根扭杆、其两端在外力作用下产生相对扭转角度,反映到扭矩传感器上，转向力的扭矩大小与扭杆的扭转角度和成正比； 车速传感器安装在轿车变速器上，也可以直接从电子仪表盘上取得，它反映的是变化的汽车行驶速度。发动机信号取自发动机点火线圈。 由于电动助力转向系统（EPS）只需电源而不用液压源，与液压动力转向系统相比较省略了许多元件，没有液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀
3、、储油罐等，零件数目少，布置方便，重量轻。二者相比电动助力转向系统相对生产成本较低。但电动助力转向系统控制器的开发由于涉及到芯片的选型、程序的开发和算法、控制逻辑的确定、电路板的设计和制造工艺，所以开发的成本较高。 电动助力转向器无需在不转向时驱动油泵，因此电动助力转向系统在汽车各种行驶条件下均可节省发动机能源35%左右，韩国万都公司的资料明确提出装了EPS后百公里油耗节省了4.13%，节省了油耗省油；由于不再采用液压助力，不再采用油介质、无液体泄漏损失、减少了油污染的可能，也节省了液压油，同时改善了环境环保。因此在近年得到迅速的推广，也是今后汽车助力转向系统的发展方向。 电动转向可以称之为“
4、精确助力转向”，就是在汽车转向过程中，该转向器根据不同车速、方向盘转动的快慢，准确的提供各种行驶路况下的最佳转向助力或阻尼，这都是在计算机（ECU）控制下实现的。电动转向器是在计算机控制下实施对电机电流大小的变化控制，实现不同的转向助力。所以它能精确的实现人们预先设置的在不同车速、不同转弯角度所需要的不同大小的转向助力和阻尼，甚至于提供主动回正能力。2 当前汽车电动助力转向系统的开发主要是针对汽车行驶过程中操纵稳定中的两大问题进行的，即汽车高速行驶过程中产生的方向盘发飘和行驶过程中方向盘撒手回正时产生的前轮摆头现象。 液压助力转向虽然解决了汽车转向轻便性问题，低速时方向盘转动很轻便，但高速行驶
5、时方向盘太轻，就造成了驾驶员发飘的感觉。新型转向油泵虽然可以作到高速转向时油泵流量下降，但高速行驶时并不保证发动机驱动下的油泵亦处于高速转动工况，因此不能彻底解决汽车高速行驶发飘的问题。由于汽车行驶过程中转向阻力是变化的。有动力转向的汽车在高速行驶时由于轮胎的横向阻力小，方向盘变得轻飘，很难捕捉路面的感觉，容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。所以在高速时要适当减低助力，甚至于加大转动阻力，这种阻力的变化应该平滑过渡。电动转向系统可根据车速通过控制助力电机，降低高速行驶时转向助力，增大转向手力，甚至于加大回正时的转动阻力，这样才能真正解决高速发飘问题，而且成本相对较低。 行驶过程中产生的前轮摆
6、头现象都是由于转向过程中方向盘撒手回正、转向轮是在车轮回正力的作用下自由回正的，车轮本身存在回正惯性，所以车轮在回正过程中就会出现围绕直线原点位置的逐步衰减的摆头现象。由于摆头现象对汽车操纵稳定性的影响很大，所以大家一直在对这一现象进行研究。电动转向的出现为解决这一问题提供了条件。国内目前研制的电动助力转向系统、特别是控制器的开发中，高水平的控制器已经具有增加转向轴回正阻力的能力，对从方向盘到车轮的整个弹性系统来说增加了系统的阻尼，能使方向盘撒手回正时产生的摆头现象衰减的快一些。要想真正解决摆头问题就必须采用带角度信号的扭矩传感器。我们完全可以在原有单片机CPU的基础上接受角度信号，在车轮回到
7、直线原点位置时使计算机控制电机反向助力制止车轮在惯性作用下继续转动。这就使汽车大角度车轮回正摆头现象大大减小，小角度车轮回正基本不摆头。可以说在相当程度上解决了摆头问题。BI公司已经生产了这种传感器，国内已有企业开始使用这种传感器。 当前由于电机的功率、扭矩及尺寸的限制，汽车电动助力转向系统多用于轻、微型轿车、旅行车，小型卡车（皮卡车）。随着新的电动转向结构研发，未来将逐步推广到中高级轿车和轻型卡车上。由于目前安装电动转向器的市场正在增加，未来潜在的市场也较广大；电动转向器性能好、成本低，必将受到汽车厂家的欢迎。3 电动转向器主要包括以下七个部份：控制器（ECU）扭矩（角度）传感器直流电机（带
8、电磁离合器）和减速装置转向传动轴机械转向器部分EPS显示灯线束及接插件图1 典型C-EPS电动转向系统图2 典型P-EPS电动转向器（速腾轿车）4 电动转向的优点，有以下几方面：提高了汽车操纵稳定性有较好的汽车转向轻便性有较好的汽车安全性降低了发动机功率损耗节省了油料减少了污染提高了转向系统低温工作性能二、电动转向的基本原理和框图汽车电动转向基本原理是方向盘的转动经扭矩传感器给控制器一个扭矩信号（也可以认为是角度信号或转动速度信号，这些都是可以通过计算机处理出来的）。通过车速传感器给控制器一个车速信号，控制器则根据此二信号根据预先设定的力模型对直流电机及电磁离合器实施控制。通过控制改变电机电流
9、的大小，从而改变输出力矩。该输出力矩通过减速机构放大后直接作用于转向器输入轴，对操纵手力起助力作用。汽车电动转向器动作原理框图如下： 图 3 电动转向器原理框图图4 EPS流程图汽车电动转向的关键在于控制器（ECU）控制程序的设计，而ECU控制程序应该按什么力模型来设计，这是我们要研究的。按车速调整助力一般有两种方式，我们认为全程调速比半程调速优越性更大，更有利于对转向全过程进行控制。1 对助力和调速曲线的探讨1.1三种助力曲线比较什么是最合理的助力曲线？图5理想的助力曲线，转向力的变化最柔和，路感最好，满足了。图6铃木的助力曲线，低速转向力下降的太快。图7半程的助力曲线高速无助力，也无阻尼可
10、言，这是一种早期电动转向的设计模式。 图5 图6 图71.2 理想的调速曲线图8 理想的调速曲线图8 是理想的调速曲线，低速时助力大、方向盘转向轻便。随车速提高助力逐渐减小，方向盘转动稍感沉重。高速时逐渐无助力、甚至增加转动阻尼，使得方向盘转动相对沉重、开车有稳定的感觉。增加助尼的办法是较多的，利用增加反向电流的方法、改变电机接线的方法等都是可行的。1.3 理想的转向手力车速曲线图9 理想的转向手力车速曲线图9理想的转向手力车速曲线，它显示了原地或低速行驶时转向力应在5Nm左右，太轻也不行，驾驶员不习惯。高速行驶时转向力应在8Nm左右，稍有沉重感，驾驶员高速行驶时感到方向盘操纵很稳定。这是经验
11、和统计的数据。当然不同车型要求不同，应当根据实际行驶试验、由驾驶员确定这些数据，控制器的设计师应作相应设定参数调整，使之更符合实际车型、实际行驶工况。2 理想的电动转向转向手力模型根据研究动力转向多年的经验，我们提出电动转向理想的转向手力模型。该模型遵循汽车转向原理和要求操纵稳定性，随方向盘转动手力变化和在不同车速时有以下规律：（1）方向盘力矩增大，电机电流（扭矩）按一定规律增大；（2）方向盘转动速度增大，电机转速增加；（3）随方向盘转动方向不同，电机转动方向不同，换向时不得出现滞后现象。随汽车车速增大，电机电流（扭矩）按一定规律减小；图10 电动转向的调速曲线图10 就是我们设计的电动转向装
12、置转向手力按速度变化的特性。该特性设计的是否合理就是看能不能在低速时转向轻便，在高速时应当加大转向手力，从而解决高速时操纵稳定性问题。曲线形状应为在4050公里/时以下车速时，助力均应较大，可有较小的下降；而在7080公里/时以上车速时，助力应较小，且有较小的下降。在中间车速过渡段应有一个圆滑双曲线的过渡，保证驾驶员全过程操纵平滑。其下降助力比应为100：30，在高速时仍应保持30%助力。图11 理想电动转向模型（平面图）图11 就是我们设计的电动转向器任意车速时的手力特性。该特性是否合理就是看其形状是否利于驾驶员操纵。根据动力转向设计的经验知道，在等刚度载荷作用下，在较小角度转向时，此时地面
13、转向阻力较小，助力应增加的较缓；在较大角度转向时，此时地面转向阻力较大，助力应增加的快一些，因此它仍然应是两个2次曲线的组合圆滑曲线，中间应有一段自由间隙。图12 理想转向手力力模型 （立体图）转向力特性和速度特性相结合应该是如图12 所示的立体曲线图。它显示的就是我们提出的电动转向器的理想的转向手力模型。轴为扭矩座标，轴为车速座标，z轴为负载座标。在每一个车速上都有一个转向特性，该模型就是不同车速下无数转向力特性组合成的。对于轿车低速时转向手力矩应控制在5Nm以内，而在高速时转向手力矩应控制在78Nm左右。这是一个比较合理的力模型。该模型的平面表示方法如图10所示，用一组不同车速的曲线表示。
14、1 理想的曲线每一个车速时都要接近液压转向器手力特性，应为圆滑、对称的曲线；2 真正实现转向力调节功能，在040公里/小时段范围转向手力较轻，80120公里/小时段范围转向手力较重，中间为两段曲线圆滑的过渡区。3 在曲线的边缘实现最大转向力的控制。0车速和低速最大为5Nm,高速最大为8Nm4 全部模型的空间曲面应是连续和光滑的该模型的意义在于以下几点：（1） 可以直观的用来表示电动转向理想的转向助力模型。清楚的表明了转向手力与输出载荷、车速与输出载荷的关系。（2） 可以用数学的方法逼近这条曲线，从而实现对EPS控制器的控制。（3） 我们的最大愿望是能用插值法或插值法加数学逼近的方法快速实现对EPS控制器的控制。 已有国内某课题组利用了这个理想转向手力力模型采用了插值法完成了他们的B样条插值法经MATLAB编程、调试和运行，得到车速扭矩曲线，手力扭矩曲线以及助力特性三维曲面图（见图7）。当然目前还不够完善，这就需要结合实验对模型不断加以修改，要通过不断实验，对这条曲线的局部形状进行修改，尽快完善这一算法。 我们可以提出这个理想转向手力力模型完整的边界数据，并可根据这些边界数据利用数学方法完善成整个数据库。图13 用MATLAB编程算出的助力特性曲线线、三维曲面图（a）车速扭矩曲线 （b）手力扭矩曲线 （c）EPS助力特性三维曲面
