汽車(chē)電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展 關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；控制系統(tǒng)；電動(dòng)驅(qū)動(dòng)；傳感器信息融合中圖分類(lèi)號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADevelopment Status of Electric Power SteeringLI Wei-guang1, LI Hui-qi2 ,WANG Yuan-cong1(1. South China University of Technology GuangZhou 510640,China;2. Guangdong Joinsun Elec & Ind. Co., Ltd. GuangZhou 510630,China)Abstract: This paper summarizes the development status of Electric Power Steering, and introduces the sorts, structure, principle, main components, technology parameters and performance traits of EPS. The ten- dency of EPS is also discussed.Key words: Electric Power Steering; control system; electric drive; syncretiztion of sensor information1 引言汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向依次經(jīng)歷了機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等階段，國(guó)際上已有一些大的汽車(chē)公司在探討開(kāi)發(fā)的下一代線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在國(guó)外，各大汽車(chē)公司對(duì)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering - EPS，或稱Electric Assisted Steering - EAS)的研究有20多年的歷史。隨著近年來(lái)電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低，EPS越來(lái)越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱HPS)1。2 汽車(chē)電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況自1953年美國(guó)通用汽車(chē)公司在別克轎車(chē)上使用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來(lái)，HPS給汽車(chē)帶來(lái)了巨大的變化，幾十年來(lái)的技術(shù)革新使液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展異常迅速，出現(xiàn)了電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱EHPS)。1988年2月日本鈴木公司首先在其Cervo車(chē)上裝備EPSTM，隨后又應(yīng)用在Alto汽車(chē)上；1993年本田汽車(chē)公司在愛(ài)克NSX跑車(chē)上裝備EPS并取得了良好的市場(chǎng)效果4；1999年奔馳和西門(mén)子公司開(kāi)始投巨資開(kāi)發(fā)EPS。上世紀(jì)九十年代初期，日本鈴本、本田，三菱、美國(guó)Delphi汽車(chē)公司、德國(guó)ZF等公司相繼推出了自己的EPS，TRW公司繼推出 EHPS后也迅速推出了技術(shù)上比較成熟的帶傳動(dòng) EPS和轉(zhuǎn)向柱助力式EPSTM，并裝配在Ford Fiesta和Mazda 323F等車(chē)上，此后EPS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。在國(guó)外，EPS已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，并成為汽車(chē)零部件高新技術(shù)產(chǎn)品，而我國(guó)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前絕大部分采用機(jī)械轉(zhuǎn)向或液壓助力轉(zhuǎn)向，EPS的研究開(kāi)發(fā)處于起步階段。3 汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類(lèi)及特點(diǎn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可按轉(zhuǎn)向能源不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類(lèi)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力源不同又可分為機(jī)械式的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系、電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)和電動(dòng)助力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。機(jī)械式的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由液壓泵、油管、壓力流量控制閥體、V型傳動(dòng)皮帶、儲(chǔ)油罐等部件構(gòu)成。無(wú)論車(chē)是否轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)總處于工作狀態(tài)，能耗較高，又由于液壓泵的壓力很大，比較容易損害助力系統(tǒng)，且不易安裝和維護(hù)。其共同缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、消耗功率大，容易產(chǎn)生泄漏，轉(zhuǎn)向力不易有效控制等。EHPS是在傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)電子控制裝置而構(gòu)成的。它采用的液壓泵是一個(gè)電動(dòng)泵，其工作狀態(tài)是由電子控制單元根據(jù)車(chē)速、轉(zhuǎn)向等信號(hào)計(jì)算出的理想狀態(tài)，并控制電磁閥，使轉(zhuǎn)向動(dòng)力放大倍率實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從而滿足高、低速時(shí)的轉(zhuǎn)向助力要求，但即使是最新的EH PS也無(wú)法根除液壓助力系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操控性、能量消耗、磨損與噪音的固有缺陷。新一代的EPS是利用直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車(chē)速等信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的大小和方向，使之得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。它將電動(dòng)機(jī)、離合器、減速裝置、轉(zhuǎn)向桿等各部件裝配成一個(gè)整體，其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量較輕，其可編程的轉(zhuǎn)向助力特性使得轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性得到較大的提高。4 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車(chē)上的結(jié)構(gòu)部件盡管不盡一樣，但其基本原理是一致的。它一般是由轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器、電子控制單元ECU、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器以及減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器檢將測(cè)到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送至電子控制單元ECU，ECU再根據(jù)扭矩信號(hào)、車(chē)速信號(hào)、軸重信號(hào)等進(jìn)行計(jì)算，得出助力電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和助力電流的大小，完成轉(zhuǎn)向助力控制，EPS系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。當(dāng)汽車(chē)處于直線行駛狀態(tài)時(shí)，EPS便處于 Standy狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)停止工作，只有在汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，系統(tǒng)才實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)助力控制作用。因而，EPS可以很容易的實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)的最佳助力控制，在低速行駛時(shí)保證汽車(chē)的轉(zhuǎn)向靈活輕便，在高速行駛時(shí)保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定可靠。在系統(tǒng)的某一部件發(fā)生故障時(shí)，可以斷開(kāi)電磁離合器使助力系統(tǒng)脫離機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)故障信號(hào)指示燈，保障駕駛的安全性。所以，EPS可以在各種路況和車(chē)速下，給駕駛員提供一個(gè)安全、穩(wěn)定、輕便、舒適的駕駛環(huán)境。EPS的主要部件包括扭矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、電子控制單元、減速機(jī)構(gòu)和電磁離合器，其工作原理如下：(1)扭矩傳感器EPS控制系統(tǒng)的傳感器信號(hào)包括轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)、汽車(chē)車(chē)速信號(hào)、汽車(chē)軸重信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)，前三者用于確定助力電機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩大小和方向，后者用于電機(jī)的閉環(huán)控制。這些信號(hào)用來(lái)作為EPS的輸入信號(hào)，共同決定助力信號(hào)的輸出。因此，傳感器信息融合是EPS系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。EPS中扭矩傳感器主要有：電阻式轉(zhuǎn)向傳感器、非接觸式電感扭矩傳感器和其他類(lèi)型傳感器，也有通過(guò)在轉(zhuǎn)向軸位置加一扭桿，通過(guò)測(cè)量扭桿的變形得到扭矩的大小和方向。電阻式轉(zhuǎn)向傳感器實(shí)際上是個(gè)滑動(dòng)可變電阻器，當(dāng)操作方向盤(pán)時(shí)，其電阻的變化最終經(jīng)電路處理以電流的形式將轉(zhuǎn)矩信號(hào)送至ECUTM。這種傳感器價(jià)格低，但體積大，易于磨損，在早期EPS中應(yīng)用較多。隨著非接觸式扭矩傳感器成本的降低，越來(lái)越多的廠商轉(zhuǎn)而采用這種精度高、體積小且壽命長(zhǎng)的新型傳感器。圖3所示為KOYO公司研制的非接觸式EPS扭矩傳感器原理圖，該裝置由安裝在輸入軸上的探測(cè)環(huán)1和探測(cè)環(huán)2，安裝在輸出軸上的另一個(gè)探測(cè)環(huán)1，探測(cè)線圈和補(bǔ)償線圈組成。當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭桿受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)，由于線圈生扭轉(zhuǎn)，由于線圈固定不動(dòng)，探測(cè)線圈與探測(cè)環(huán)之間的位置發(fā)生變化導(dǎo)致線圈磁阻改變，并最終反映扭矩的變化。另外，還有美國(guó)Allegro Microsystems公司的磁環(huán)式霍爾速度傳感器，它可將轉(zhuǎn)向盤(pán)扭矩、轉(zhuǎn)角、角速度等信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出7。(2)電動(dòng)機(jī)助力電動(dòng)機(jī)是EPS系統(tǒng)的動(dòng)力源，它根據(jù) ECU輸出的控制指令，在不同的工況下輸出不同助力轉(zhuǎn)矩，對(duì)整個(gè)EPS性能影響很大，因此需要具有良好的動(dòng)態(tài)特性、調(diào)速特性和隨動(dòng)特性并易于控制，還要求輸出波動(dòng)小、低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小質(zhì)量輕等，因此，常采用無(wú)刷式永磁直流電動(dòng)機(jī)。為改善操縱感、降低噪音和減少振動(dòng)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外表面開(kāi)出斜槽或螺旋槽，改變定子磁鐵中心處或端部厚度，將定子磁鐵設(shè)計(jì)成不等厚等8。隨著現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)各部件越來(lái)越多的采用42V直流電源，因而，面向42V直流電的 EPS也逐漸成為汽車(chē)技術(shù)研究熱點(diǎn)之一。采用42V直流電的EPS能在較低的輸出電流同時(shí)保證有足夠的輸出功率，既降低系統(tǒng)的能耗和發(fā)熱，又能改善系統(tǒng)的控制。(3)電磁離合器電動(dòng)式EPS轉(zhuǎn)向助力一般都是工作在一個(gè)設(shè)定的范圍。當(dāng)車(chē)速低于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力，保證轉(zhuǎn)向的輕便性；當(dāng)車(chē)速高于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)提供阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性；而當(dāng)車(chē)速處于兩個(gè)設(shè)定值之間時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作，系統(tǒng)處于Standy狀態(tài)，離合器分離，以切斷輔助動(dòng)力。另外，當(dāng)EPS系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，離合器應(yīng)自動(dòng)分離，此時(shí)仍可利用手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向，保障系統(tǒng)的安全性。EPS系統(tǒng)中電磁離合器應(yīng)用較多的為單片干式電磁離合器，其工作原理如圖4所示。(4)減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)是電動(dòng)式EPS不可缺少的部件，它把電動(dòng)機(jī)的輸出減速放大后再傳遞給執(zhí)行部件。目前實(shí)用的減速機(jī)構(gòu)有多種組合方式，采用較多的為蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)組合式，如圖5所示，也有的采用兩級(jí)行星齒輪與傳動(dòng)齒輪組合式。裝配有離合器的EPS，多采用渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，裝配在減速機(jī)構(gòu)的一側(cè)。(5)電子控制單元電子控制單元ECU是整個(gè)EPS系統(tǒng)控制的核心，它根據(jù)扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、軸重傳感器以及電動(dòng)機(jī)電流傳感器等輸入信號(hào)，進(jìn)行分析計(jì)算，得出最佳控制參數(shù)，發(fā)出控制指令，控制電動(dòng)機(jī)與電磁離合器的動(dòng)作。EPS系統(tǒng)的控制算法也是系統(tǒng)控制性能的關(guān)鍵之一。此外，ECU還應(yīng)具備安全保護(hù)與自我診斷功能。汽車(chē)行進(jìn)中ECU不斷采集各部件工作信號(hào)，一旦系統(tǒng)某部件工作異常，控制電磁離合器分離，同時(shí)進(jìn)行故障診斷分析，輸出顯示故障信號(hào)。ECU有采用8位單片機(jī)系統(tǒng)，如采用Philips的87C552單片機(jī)HJ，也有采用美國(guó)TI公司TMS320LF2407 DSP芯片11。5 EPS性能及特點(diǎn)(1)助力特性早期的EPS只在汽車(chē)低速時(shí)提供助力，在車(chē)速高于設(shè)定值時(shí)，EPS停止工作，屬于低速型。這類(lèi)系統(tǒng)控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)硬件要求低，不能改善汽車(chē)高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，而且當(dāng)車(chē)速在設(shè)定臨界切換值附近時(shí)，轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變，給駕駛員帶來(lái)了潛在的危險(xiǎn)性?，F(xiàn)在研究多的是在全速型的EPS，它在任何車(chē)速下都提供助力，既兼顧了低速時(shí)操縱靈活性，也實(shí)現(xiàn)了高速時(shí)操縱穩(wěn)定性，但系統(tǒng)控制算法相對(duì)復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件要求相對(duì)高些。Punto和Mira采用的是全速型EPS，Alto和Minica采用的是低速型Eps1。EPS系統(tǒng)采用微電子控制技術(shù)，利用軟件算法控制電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，可以通過(guò)調(diào)整控制參數(shù)獲得最優(yōu)的回正特性，并能增強(qiáng)轉(zhuǎn)向車(chē)輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的隨動(dòng)性。(2)操縱靈活性與穩(wěn)定性汽車(chē)駕駛操作靈活性與穩(wěn)定性體現(xiàn)在停車(chē)泊位、低速行駛以及高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向性能。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕便靈活與路感是一對(duì)相互制約的關(guān)系，轉(zhuǎn)向助力大而轉(zhuǎn)向力小則轉(zhuǎn)向輕便，但轉(zhuǎn)向力過(guò)小又導(dǎo)致缺乏“路感”，特別是高速行駛時(shí)，駕駛員會(huì)感到汽車(chē)“飄”，從而又影響到操縱的穩(wěn)定性；轉(zhuǎn)向力過(guò)大又會(huì)感到操縱不輕便。EPS的引入可以較好的解決上述矛盾，在EPS控制系統(tǒng)中，可以通過(guò)完善控制算法在不同工況下提供相應(yīng)的助力特性，能通過(guò)修改相應(yīng)控制參數(shù)達(dá)到調(diào)整修改控制輸出特性，并且具有較大的靈活性。(3)節(jié)能環(huán)保試驗(yàn)表明，EPS還具有高效節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)HPS相比，沒(méi)有系統(tǒng)要求的常運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向油泵，且電動(dòng)機(jī)只是在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才接通電源，所以動(dòng)力消耗和燃油消耗均可降到最低，還消除了由于轉(zhuǎn)向油泵帶來(lái)的噪音污染。在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有EPS的汽車(chē)燃油消耗降低了25，在使用轉(zhuǎn)向情況下，降低了5510。此外，EPS的重復(fù)利用率高，組件的95可以再回收利用，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回收利用率只有851。(4)安全性EPS系統(tǒng)控制的核心ECU具有故障自診斷功能，當(dāng)ECU檢測(cè)到某一組件工作異常，如系統(tǒng)各傳感器、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、電源系統(tǒng)及汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)等，便能立即控制電磁離合器分離，停止助力，顯示相應(yīng)故障代碼，轉(zhuǎn)為手動(dòng)轉(zhuǎn)向，按普通轉(zhuǎn)向控制方式工作，以確保行車(chē)安全可靠。6 EPS的發(fā)展趨勢(shì)EPS當(dāng)前已經(jīng)較多應(yīng)用在排量在13L - 16L的各類(lèi)輕型轎車(chē)上，其性能已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。隨著直流電機(jī)性能的提高和42V電源在汽車(chē)組件上的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)寬，并逐漸向微型車(chē)、輕型車(chē)和中型車(chē)擴(kuò)展。目前，在全世界汽車(chē)行業(yè)中，EP8系統(tǒng)每年正以9 - 10的增長(zhǎng)速度發(fā)展，年增長(zhǎng)量達(dá)130萬(wàn) - 150萬(wàn)套。據(jù)TRW公司預(yù)測(cè)，到2010年全世界生產(chǎn)的轎車(chē)中每3輛就有1輛裝備EPS，到2010年，全球EPS產(chǎn)量將達(dá)到2500萬(wàn)套。因而，EPS將具有十分廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 林逸，施國(guó)標(biāo)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)J公路交通科技，2001622 佚名動(dòng)力轉(zhuǎn)向http:/wwwpnce1ncn/car/qp/wxcs/wxw/dk/dlzx/dlzxhtm#aEB/OL3 Nakayama T,Suda EThe Present and Future of Electric Power SteeringIntJofVehicleDesign，199415(3，4，5)：2432544 張鐘光汽車(chē)EPS動(dòng)力學(xué)模型分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J青島大學(xué)學(xué)報(bào)，200395 TRW Automotive Inccha-steering-suspension-englishhttp：/wwwtrwautocom/home/main/20037EB/OL6 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