交通运输毕业设计（论文）电动助力转向系统的应用现状及发展趋势

河南农业大学本科生毕业论文（设计）题 目 电动助力转向系统的应用现状及发展趋势 学 院 机电工程学院 专业班级 交通运输07级3班 学生姓名 指导教师 撰写日期：2011年 5 月 10 日摘 要电动助力转向系统是汽车底盘的关键部件，研究其发展现状和应用趋势具有重要意义。本文首先介绍了电动助力转向系统的性能、特点，并对电动助力转向系统进行了分类，对比分析了各类型电动助力转向系统的优缺点；之后详细介绍了典型电动助力转向系统的结构、工作原理及优点，阐述了电动助力转向系统的关键技术及其电流控制原理；本文重点探究了电动助力转向系统的国内外应用发展现状，预测了电动助力转向系统的发展趋势，指出电动助力转向技术是未来汽车动力转向技术的主流发展方向；最后对未来的转向系统-线控转向系统的结构、工作原理和优点进行了分析，并预测其在未来动力转向领域将占据主导地位，对提高汽车转向系统安全性能意义重大。关键词：汽车；电动助力转向；工作原理；应用现状；发展趋势；线控转向系统朗读显示对应的拉丁字符的拼音31Electric Power Steering System Application Situation and the Development Trend AbstractElectric power steering system is a key component of automotive chassis, there is of great significance to research its development status and application trends, This paper firstly introduces the performance and features of all kinds of electric power steering system, then classifies them and contrastive analyses the advantages and the disadvantages of which. After the detailed introduce of structure, working principle and advantages for typical electric power steering system, the key technology and the principles of current control of which are all described. Based on the application and development status of electric power steering system at home and abroad , this paper forecasts the further growing trends of which, and points out the mainstream development direction of automotive power steering technology is electric power steering technology Finally, the structure, working principle and advantages of wire control steering system in future are analyzed, which will be in dominant in the field of power steering , and great significance to improve the safety performance of steering system.Key Words：Car; Electric Power Steering; Working Principle; Application Status; Development Tendency; Wire Control Steering System目 录1引言12电动助力转向系统综述22.1 电动助力转向系统的性能及特点22.1.1电动助力转向系统的特点22.1.2电动助力转向系统的性能22.2 电动助力转向系统的分类32.3电动助力转向系统的结构42.3.1 扭矩传感器52.3.2车速传感器62.3.3助力电动机82.3.4减速机构92.3.5电磁离合器92.3.6电控单元(ECU)102.4电动助力转向系统的工作原理112.5电动助力转向系统的优点123电动助力转向系统的关键技术及电流控制133.1 电动助力转向系统的关键技术133.2 电动助力转向系统的电流控制144电动助力转向系统的应用概况164.1 电动助力转向系统国外应用概况174.1.1电动助力转向系统国外的发展历史174.1.2电动助力转向系统在本田雅阁的应用184.2电动助力转向系统国内应用概况195电动助力转向系统的发展趋势206未来的转向系统线控转向系统226.1线控转向系统的结构226.2 线控转向系统的工作原理236.3 线控转向系统的优点247结束语25参考文献26致谢28 1引言目前，助力转向（动力转向）已成为绝大多数车辆的一项标准配置。顾名思义，助力转向就是利用外部能源通过助力装置协助驾驶员改变及恢复汽车行驶方向，减轻转向盘操纵力矩并获得一定路感的装置。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）、液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS）、电控液压助力转向系统（Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS），电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）四个基本发展阶段1。电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上加装电机驱动单元构成的，随着汽车性能的不断提高，不但要求低速和驻车时的转向轻便性，同时也要求汽车高速时的操纵稳定性。然而机械转向系统，传统的液压动力转向系统都不能同时满足低速转向轻便性和高速操纵稳定性的要求。为了解决转向系统“轻”与“灵”的矛盾，采用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统应运而生。电动助力转向系统的工作原理为：驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输送到电子控制单元，电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等，并根据信号向电动机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，这时电动机不工作。另外EPS系统相对于传统的机械转向系统和液压助力转向系统(HPS)具有能耗小，污染少，节油，省空间等一系列优点，EPS系统的主要目的是提供助力、改善汽车转向性能、协助驾驶员完成转向操作2。应用日益广泛的新一代的EPS系统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、电磁离合器、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，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。据美国TRW（天合）汽车集团官员估计，至2010年全世界三分之一的轿车将应用电动助力转向系统，在中型和大型客车上也会得到渐渐的应用，并且电动助力转向系统渐渐作为标准配置应用于各种类型的汽车上。由此可以预见，在各种车型上电动助力转向系统取代传统机械/液压助力转向系统是必然趋势。2电动助力转向系统综述随着人们生活水平的提高汽车成为人们日常生活中不可缺少的工具，汽车已经进入普通生活家庭。作为汽车的一个重要组成部分，汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为重要。因为现在的汽车转向系统不但要求低速和驻车时的转向轻便性，同时也要求汽车高速时的操纵稳定性3。然而机械转向系统，传统的液压动力转向系统都不能同时满足低速转向轻便性和高速操纵稳定性的要求。为了解决转向系统“轻”与“灵”的矛盾，采用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统应用而生，电动助力转向技术代表未来汽车动力转向技术的发展方向之一，因其自身的特点及优点而越来越受到人们的关注，成为今后汽车转向系统领域研究的热点。2.1 电动助力转向系统的性能及特点2.1.1电动助力转向系统的特点EPS就是英文(Electric Power Steering)的缩写，即电动助力转向系统。电动助力转向系统是机械式转向系统的基础上加装了电动机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU电控单元而成，是一种直接依靠电动机提供辅助转矩扭矩的动力转向系统。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。2.1.2电动助力转向系统的性能电动助力转向系统的特点使它具有以下性能4：1）助力特性早期的EPS系统只在汽车低速时提供助力，在车速高于设定值时，EPS系统就停止工作，属于低速型。这类系统控制算法相对简单，对系统硬件要求低，不能改善汽车高速行驶时的操纵稳定性，而且当车速在设定临界切换值附近时，转向助力转矩发生突变，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系统，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。例如Pinto和Mira采用的是全速型EPS系统，Alto和Monica采用的是低速型EPS系统。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。2）操纵灵活性与稳定性汽车驾驶操作灵活性与稳定性体现在停车泊位、低速行驶以及高速行驶时的转向性能。汽车转向系统的轻便灵活与路感是一对相互制约的关系，转向助力大而转向力小则转向轻便，但转向力过小又导致缺乏“路感”，特别是高速行驶时，驾驶员会感到汽车“飘”，从而又影响到操纵的稳定性；转向力过大又会感到操纵不轻便。EPS系统的引入可以较好的解决上述矛盾，在EPS控制系统中，可以通过完善控制算法在不同工况下提供相应的助力特性，能通过修改相应控制参数达到调整修改控制输出特性，并且具有较大的灵活性。3）节能环保试验表明，EPS系统还具有高效节能和环保的优点。与传统HPS系统相比，没有系统要求的常运转转向油泵，且电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低，还消除了由于转向油泵带来的噪音污染。在不转向情况下，装有EPS系统的汽车燃油消耗降低了2.5%，在使用转向情况下，降低了5.5%。此外，EPS系统的重复利用率高，组件的95%可以再回收利用，而传统的液压助力转向系统的回收利用率只有85%。4）安全性EPS系统控制的核心ECU具有故障自诊断功能，当ECU检测到某一组件工作异常，如系统各传感器、电动机、电磁离合器、电源系统及汽车点火系统等发生故障时，ECU便能立即控制电磁离合器分离，使电动机停止助力，显示相应故障代码，转为手动转向，按普通转向控制方式工作，以确保行车安全可靠。2.2 电动助力转向系统的分类早期开发的电动助力转向系统都是低速，驻车转向助力型。目前现有的4种类型的电动助力转向系统都是基于齿轮齿条转向系统的，按照助力电动机的安装位置不同可以分为：转向柱助力型，小齿轮助力型，双小齿轮助力型和齿条助力型5。电动助力转向系统类型图如图2-1所示：转向轴助力式 齿轮助力式 齿条助力式图2-1 电动助力转向系统类型图（1）转向柱助力型电动助力转向系统的助力电动机安装在转向柱上，电动机助力转矩通过蜗杆蜗轮减速增扭后直接加在转向柱上。其优点是电动机可以安装在转向柱的任何位置，成本相对其他几种类型最低；缺点是对电动机的转矩波动和对驾驶员手感影响较大。（2）小齿轮助力型电动助力转向系统的助力电动机通过小齿轮与齿条啮合，电动机的助力转矩直接加在小齿轮轴上。优点：刚性好，转向路感好。（3）双小齿轮助力型电动助力转向系统的转向齿条上安装有两个小齿轮，一个小齿轮与转向盘相连，助力电动机通过另外一个小齿轮与齿条啮合，为齿条提供助力。优点是：可以提供相对较大的助力。2.3电动助力转向系统的结构电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的，通常由转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等组成6。如图2-2：图2-2 电动助力转向系统结构示意图2.3.1 扭矩传感器如图2-3所示，扭矩传感器又称转角，转矩传感器，用来实时检测转向盘转矩的大小和方向，以及转向盘转角的大小和方向，即转动方向以及转向盘的位置，并将信号输送到电动助力转向系统的电控单元(ECU)，它是电动助力转向系统的控制信号之一。精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定电动助力转向系统能否占领市场的关键因素。扭矩传感器的精度问题决定了电动助力转向系统的性能可靠性，因此，加速开发研究性能可靠，成本低廉的扭矩传感器十分重要。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。后者的体积小，精度高，抗干扰能力强、刚度相对较高，易实现绝对转角和角速度的测量，但是成本较高。因此扭矩传感器类型的选取应根据EPS的性能要求综合考虑。图2-3 扭矩传感器图随着EPS系统的不断完善和发展，对扭矩传感器的精度、可靠性和响应速度提出了跟高的要求。EPS系统扭矩传感器正呈现以下的发展趋势：（1）测试系统向微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展；（2）从单功能向多功能发展。包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆；（3）向着小型化、集成化方向发展。传感器的检测部分可以通过结构的合理设计和优化来实现小型化，IC部分可以整合尽可能多的半导体部件、电阻到一个单独的IC部件上，减少外部部件的数量；（4）由静态测试向动态在线检测方向发展。2.3.2车速传感器车速传感器用来检测电控汽车的车速的大小，控制电脑用这个输入信号来控制发动机怠速，自动变速器的变扭器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能。车速传感器的输出信号可以是磁电式交流信号，也可以是霍尔式数字信号或者是光电式数字信号，车速传感器通常安装在驱动桥壳或变速器壳内，车速传感器信号线通常装在屏蔽的外套内，这是为了消除有高压电火线及车载电话或其他电子设备产生的电磁及射频干扰，用于保证电子通讯不产生中断，防止造成驾驶性能变差或其它问题。在汽车上磁电式及光电式传感器是应用最多的两种车速传感器，在欧洲、北美和亚洲的各种汽车上比较广泛采用磁电式传感器来进行车速(VSS)、曲轴转角(CKP)和凸轮轴转角(CMP)的控制，同时还可以用它来感受其它转动部位的速度和位置信号等，例如压缩机离合器等。车速传感器安装在变速箱上，根据车速的变化，把主副两个系统的脉冲信号传送给ECU，由于是两个系统，因此信号的可靠性提高了。1）磁电式车速传感器磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器，它们产生交变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线圈接线柱是传感器输出的端子，当由铁质制成的环状翼轮（有时称为磁组轮）转动经过传感器时，线圈里将产生交流电压信号。磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样的。输出信号的振幅（峰对峰电压）与磁组轮的转速成正比，即与车速大小成正比，信号的频率大小表现于磁组轮的转速大小。传感器磁芯与磁组轮之间的气隙大小对传感器的输入信号的幅度影响极大，如果在磁轮组上去掉一个或多个齿数就可以产生同步脉冲来确定上止点的位置。这会引起输出信号频率的改变，而在齿数减少时输出信号幅度也会改变，发动机控制电脑或点火模块正是靠这个同步脉冲信号来确定触发电火时间或燃油喷射时刻的。磁电式车速传感器的测试方法：可以将系统驱动轮顶起，来模拟行驶时的条件，也可以将汽车示波器的测试线型加长，在行驶中进行测试。测试得到的波形结果：车轮转动后，波形信号在示波器显示中心处的零伏平线上开始上下跳动，并随着车速的提高跳动越来越高。通常，波形在零伏线上下的跳变是非常对称的，车速传感器的信号的振幅随车速增加。速度越快波形幅值就越高，而且车速增加，波形频率也将增加，示波器将显示有较多的波形震荡。确定振幅、频率和形状等关键的尺度是正确的、可重复的、有规则的、可预测的。这是指波峰的幅值正常，两脉冲间的时间不变，形状是不变的且可预测的，尖峰高低不平是因传感的磁芯与磁轮组相碰所引起的，这可能是有传感器的轴衬或传动部件不圆造成的，尖峰丢失是具有损坏缺点的磁组轮造成的。不同形式的传感器，其波形的峰值电压和形状有轻微的差异。另外由于传感器内部是一个线圈，所以故障是与温度有关的，在大多数情况下波形会变得短很多，变形也很大，同时还可能设定故障码(DTC)，故障在示波器上显示的摇动线束，可以更进一步确定磁电式传感器是造成故障的根本原因。车速传感器信号输出最常见的故障是根本不产生信号，但如果驾驶汽车时波形是齐直的直线，那么应该先检查示波器和传感器的连线，确定电路有没有对地搭铁，确认零部件能否转动（塑料齿轮有没有咬死等），确认传感器气隙是否正常，然后再断定传感器。2）霍尔式车速传感器霍尔效应传感器在汽车应用中是十分特殊的，这主要是由于变速器周围空间位置冲突，霍尔效应传感器是固体传感器，它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。霍尔效应传感器或开关，由一个几乎完全闭合的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转子穿过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场。因此，叶片转子窗口的作用是开关磁场，使霍尔效应像开关一样地打开或关闭，这就是一些汽车厂商将霍尔效应传感器和其它类似电子设备称为霍尔开关的原因。该组件实际上是一个开关设备，而它的关键功能部件是霍尔效应传感器。其测试方法将驱动轮顶起，来模拟行使状态，也可以将汽车示波测试线加长进行行驶的测试。测试得到的波形结果：当车轮开始转动时，霍尔效应传感器开始产生一连串的信号，脉冲的个数将随着车速增加而增加，车速传感器的脉冲信号频率也将随车速的增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不变，车速传感器越高，在示波器上的波形脉冲也就越多。然而确认从一个脉冲到另一个脉冲的幅度，频率和形状是一致的，这就是说波形幅度要够大，通常等于传感器的供电电压。两脉冲间隔要一致，形状也要一致，且与预期的相同。要确定波形的频率与车速同步，并且占空比决无变化，还要观察如下内容：（1） 观察波形的一致性，检查波形顶部和底部尖角。（2） 观察幅度的一致性：波形高度应相等，因为给传感器的供电电压是不变的。有些实例表明波形底部或顶部有缺口或不规则，这里关键是波形的稳定性不变，若波形对地电位过高，则说明电阻过大或传感器接地不良。（3） 观察由行驶性能问题的产生和故障码出现而诱发的波形异常，这样可以确定与顾客反映的故障或行驶性能故障产生的根本原因直接有关信号问题。虽然霍尔效应传感器一般设计能在高至150的温度下运行，但它们的工作仍然会受到温度的影响，许多霍尔效应传感器会在一定的温度下会失效。（4） 如果示波器显示波形不正常，检查被干扰的线或连接不良的线束，检查示波器和连线，并确定有关部件转动正常。当示波器显示故障时，摇动线束，这可以提供进一步判断，以确认霍尔效应传感器是否是故障的根本原因。3）光电式车速传感器光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号（开关脉冲），发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。转盘上间断的孔可以开闭照射到光电三极管上的光源，进而触发光电三极管和放大器，使之像开关一样地打开或关闭输出信号。从示波器上观察光电式车速传感器输出波形的方法与霍尔式车速传感器完全一样，只是光电传感器有一个弱点，即它们对油或赃物在光通过转盘传递的干涉十分敏感，所以光电传感器的功能元件通常被设计成密封得十分好，但损坏的分电器或密封垫容器在使用中会使油或赃物进入敏感区域，这会引起行驶性能问题并产生故障码。2.3.3助力电动机助力电动机7是EPS系统的执行元件和关键部件，对EPS系统的性能有很大的影响，其驱动电路图如下图2-4所示。助力电动机的特性直接影响到EPS系统控制的难易程度和驾驶员的手感。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩，具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。EPS系统对助力电动机的基本要求是：应具有较高的可靠性，较大的功率，较低噪声和较小的振动，较低的摩擦转矩，较小的体积和重量；能够在各种转动情况下输出转矩；有良好的机械特性，在工作过程中，转矩波动应尽量要小；转动惯量应尽可能小；应能快速的反转。图2-4 助力电动机驱动电路图目前EPS系统的助力电动机通常有永磁直流电动机，直流无刷电动机和开关磁阻电动机等。直流有刷电动机技术成熟，控制器简单，成本低，但存在电刷容易磨损，功率密度低，由换向器的电火花产生的电磁干扰等缺点。直流无刷永磁电动机采用电子换向，减少了换向时的电火花，不需要经常维护以及具有无激磁损耗、较高的效率和功率密度，体积较小等特点而受到越来越多的关注。因此，开发适合EPS系统使用的低成本，高功率密度的直流无刷电动机是今后电动机的研究方向。2.3.4减速机构减速机构与电动机相连，电动机输出的扭矩经减速机构减速增扭后驱动转向轴，小齿轮或齿条，起到减速增扭作用，即用来增大电动机传递给转向器的转矩。EPS系统的减速机构主要形式有：循环球螺杆螺母，差动轮系机构，双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构等8。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。为降低噪声和减小振动，减轻EPS系统的自重，减速机构多采用树脂材料制成。为了保证EPS系统旨在预先设定的车速范围内起作用，有的EPS系统还配用离合器。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动分离。2.3.5电磁离合器电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。电磁离合器可分为：干式单片电磁离合器，干式多片电磁离合器（如图2-5所示），湿式多片电磁离合器，磁粉式离合器，多片摩擦式电磁离合器等。电磁离合器按工作方式又可分为：通电结合电磁离合器和断电结合电磁离合器。1-外连接件：2-衔铁：3-摩擦片组：4-磁轭：5-滑环：6-线圈：7-传动轴套图2-5 多片摩擦式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。此外，在EPS系统不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器状态区域9。电磁离合器具有以下特点：（1）高速响应：因为是干式类，所以扭力的传达很快，可以达到便捷的动作。（2）耐久性强：散热情况良好，而且使用了高级的材料，即使是在高频率，高能量的工作条件系统使用，也十分耐用。（3）组装维护容易：属于滚珠轴承内藏的磁场线圈静止形，所以不需要将中蕊取出也不必利用碳刷，使用简单，维护容易。（4）动作确实：使用板状弹片，虽有强烈震动亦不会产生松动，耐久性佳。2.3.6电控单元(ECU)ECU实际上是一个“电子控制单元”(Electronic Control Unit)10，一般是汽车内部系统控制模块的代名词。它是由输入电路、微机和输出电路等三部分组成，它的主要部分是微机，而核心件是CPU，其构成模块图如图2-6所示。ECU将输入信号转化为数字形式，根据存储的参考数据进行对比加工，计算出输出值，输出信号再经功率放大去控制若干个调节伺服元件，例如继电器和开关等。电控单元(ECU)是电控系统的核心，安装在轿车右前轮罩后板处，ECU一般采用通用且功能集成，开发容易的CPU；软件一般用C语言来编写，并且提供了丰富的驱动程序库和函数库，有编程器，仿真器，仿真软件，还有用于calibration的软件。博世，德尔福，电装，大陆的VDO等都是汽车ECU行业的领导者。图2-6 电控单元构成模块示意图电控单元(ECU)的功能是根据转向盘转角，转矩和车速信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制助力电动机的动作。此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能。ECU通过采集电动机的电流，发电机电压，发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时ECU将进行故障诊断分析。2.4电动助力转向系统的工作原理电动助力转向系统的控制框图如图2-7所示，工作流程图如图2-8所示。图2-7 电动助力转向系统控制框图电动助力转向系统的工作原理：汽车处于起动或者低速行驶状态时，操纵转向盘转向，装在转向柱上的转矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，并将此信号与车速信号同时输入电子控制器，处理器对输入信号进行运算处理，确定助力扭矩的大小和方向，从而控制电动机的电流和转向，电动机经离合器及减速机构将转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效11；当车速超过一定的临界值或者出现故障时，为保持汽车高速时的操控稳定性，EPS系统退出助力工作模式，转向系统转人手动转向模式。不转向的情况下，电动机不工作。电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。图2-8 电动助力转向系统工作流程图2.5电动助力转向系统的优点电动助力转向系统与传统的液压动力转向系统相比有以下优点12：（1）电动助力转向系统能在各种行驶工况下提供助力。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提高车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。（2）电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。（3）提高了汽车的燃油经济性，城市工况下燃油经济性可以提高3.5%，平均节省燃油3%。电动助力转向系统仅在汽车转向时才提供助力，不像传统的液压动力转向系统即使在不转向时，油泵也一直运转。（4）电动助力转向系统结构紧凑，零件数量较少，便于安装和装配，提高了劳动生产率。由于省去了装于发动机上的皮带轮和油泵，流出的空间可以用于安装其他部件。FIAT亚菲特汽车公司生产的Pinto采用了Delphi（是Windows平台下著名的快速应用程序开发工具Rapid Application Development，简称RAD）公司开发的电动助力转向系统，装车时间减少了80%左右。（5）电动助力转向系统取消了液压回路，不存在渗油和漏油问题，减少了对环境的污染，同时又节省了大量的转向助力油。（6）电动助力转向系统具有结构紧凑，质量轻，生产线装配好，自我诊断的功能，便于维修和保养，转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好。（7）电动助力转向系统具有良好的低温工作性能，即使在-40的环境下，电动助力转向系统也能很好地工作，具有更高的可靠性，安全性。（8）电动助力转向系统最大的优点就是整个系统的性能可以在不改变系统结构的情况下，通过改变系统的控制策略，编程来发现，从而满足不同的车型和不同的驾驶感觉的需要，通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生产和开发的周期，大大减低了开发的成本，提高了开发效率。由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。3电动助力转向系统的关键技术及电流控制3.1 电动助力转向系统的关键技术电动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面13：硬件技术主要涉及传感器、电机和ECU。传感器是整个系统的信号源，其精度和可靠性十分重要。电动机是整个系统的执行器，电动机性能好坏决定了电动助力转向系统的表现。ECU是整个系统的运算中心，因此ECU的性能和可靠性至关重要。软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来决定电机的目标电流，并跟踪该电流，使得电机输出相应的助力矩。故障诊断与保护程序用来监控系统的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。EPS系统的研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控制技术（包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制）以及EPS系统与整车性能等多方面的难题。（1）电动机驱动技术：EPS系统中电动机要求端电压低，而功率相对较高，所以电动机电流较大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困难，这是EPS系统开发的关键技术之一。（2）非接触传感器技术：EPS系统中的方向盘转矩传感器要求结构简单，工作可靠，价格便宜，精度适中。目前国外EPS系统中的转矩传感器多为非接触式（电磁感应式、光电式等），而接触式转矩传感器（滑动电阻式）应用较少。国内非接触式传感器价格较高，不适合用于EPS系统中，必须开发出一种符合以上要求的转矩传感器。（3）转向控制技术：EPS系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和减速器使转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制。避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时，为了更好的路感，必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力的大小和方向。目前国外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先进的控制策略，并取得了比较好的控制效果。（4）EPS系统与整车性能相匹配：汽车是由各子系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应的变化。因此，必须对EPS系统与其它子系统进行匹配，使整车性能达到最优。3.2 电动助力转向系统的电流控制EPS系统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Ts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I，然后电流控制器控制电动机的电流Icmd，使电动机输出目标助力矩。因此EPS系统的控制要解决两个问题：确定助力特性和跟踪该助力特性。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。电流控制策略如图3-1所示：EPS系统的上层控制器用来确定电动机的目标电流14。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。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（直线性助力特性图如图3-2所示）。其步骤如下：（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。在这一基本控制过程中，助力特性曲线确定EPS系统的控制目标，决定着EPS系统的性能。EPS系统的助力特性曲线属于车速感应型，在同一转向盘力矩输人下，电动机的目标电流随车速的增加而降低，能较好地兼顾轻便性与路感的要求。图3-1 电流控制策略图图3-2 直线性助力特性图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。驾驶员松开转向盘后，随着作用在转向盘上的力的减小，转向盘将在回正力矩的作用下回正。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：在低速行驶转向回正过程中，EPS系统H桥实行断路控制，目的是保持机械系统原有的回正特性；在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”。汽车高速行驶时，由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，必须采用阻尼控制；此外，转向盘转向后回到中间位置时，由于电动机的惯性存在，在不加其他控制情况下，电动助力转向系统的惯性比机械式转向系统的惯性大，转向回正时不容易收敛，此时，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时，只需将电动机输出为制动状态，就可使电动机产生阻尼效果。4电动助力转向系统的应用概况随着汽车技术的发展，人们逐渐追求安全、轻便、舒适的驾驶环境，汽车转向系统由普通转向系统向动力转向系统发展，动力转向装置分气动/液动助力转向和电动助力转向，其中电动助力转向装置EPS轻便简单、节能、清洁，备受人们青睐，逐渐有取代其它助力方式的趋势15。EPS系统是在机械式转向系统的基础上，依靠电动机提供辅助扭矩的动力转向系统。由于它有利于环保、安装方便、提高主动安全性、并且助力特性可以根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性。所以，一经出现就受到高度重视。在国外，EPS系统已部分取代传统液压动力转向系统，成为世界汽车技术发展的研究热点。由于目前汽车蓄电池输出功率的限制，使EPS系统助力电动机的扭矩有限，所以EPS系统最先应用在小型车和家庭轿车上。然而现在它已广泛应用于较大型车辆上，EPS系统应用到较大型车辆上的技术关键点是能提供大的辅助轴向力，因为中型或大型车辆需要的轴向力可达10000N，甚至更高。这种扩大要归功于社会对节能型转向系统的需求，而且由于控制技术的进步使电动助力转向器性能达到甚至超过液力转向器的性能。然而，在目前大多数汽车配装l2V电压系统的情况下，由于电动转向器的电机电流的限制，电机输出扭矩的增加受到了很大限制。为了解决这一难题，世界各大汽车制造商加大了研究力度，并且欧洲汽车制造商在研究配有42V电压系统的中型车辆上应用EPS系统方面走在了前头，而在拓展EPS系统的应用方面，日本的KOYO、NSK、HONDA及美国的DELPHI、TRW等公司已经开发了多种类型的EPS系统。总的来说，EPS系统是一种新型的动力转向器，它没有因电液或液力动力转向器的体积大、部件多、管路漏油等原因而造成的耗能高、污染环境，安全性差的缺点。因此，电动助力转向系统从1988年第1个EPS样品诞生至今的20多年时间里，快速完成了从实验室走向商品化，进而批量生产的过程。特别是近几年，随着汽车数量的大幅增加，能源和环保问题的日益突出，节能、环保的EPS系统受到了广大汽车厂家的欢迎16。4.1 电动助力转向系统国外应用概况4.1.1电动助力转向系统国外的发展历史国外从1979年开始研究电动助力转向系统，至今已有30多年的历史。之前一直没有取得大的进展，主要是因为EPS系统的成本太高。随着近几年来电子技术的快速发展，EPS系统的成本已大幅度地降低，再加上它所具有的优点，因而越来越受到人们的重视，并迅速迈向应用领域，部分取代了液压动力转向系统，当前已经在轻微型轿车、厢式车上得到广泛应用，并以每年增加数百万台的速度发展。电动助力转向系统在日本的微型轿车上最早得到应用，1988年日本铃木首次在其Carve车上装备了EPS系统，随后用在其Alto车上。接着，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi汽车系统公司、TRW公司、德国的ZF都研制出自己的EPS系统。例如：大发汽车公司在其Mira车上装备了EPS系统。三菱汽车公司则在其Monica车上装备了EPS系统，本田汽车公司的Accord车目前已经选装EPS系统，S2000轿车的动力转向也将倾向于选择EPS系统，Delphi汽车系统公司已经为大众的Polo、欧宝的318i以及菲亚特的Pinto开发出EPS系统。TRW从1998年开始，便投入了大量人力、物力和财力用于EPS系统的开发。他们最初针对客车开发出转向轴助力式EPS系统，如今小齿轮助力式EPS系统开发也已获成功。1999年3月，他们的EPS系统已经装备在轿车上，如Ford Fiesta和Mazda 323F等。MercedesBenz和SiemensAutomotive两大公司共同投资6500万英镑用于开发EPS系统，他们的目标是年产300万套，成为全球EPS系统制造商。EPS系统经过三十多年的发展，技术同趋完善，在国外，电动助力转向系统的应用范围正从最初的微型车向高级轿车，商务车上发展，助力形式从低速范围助力型向全速范围助力型方向发展。例如日本早期的EPS系统只在低速和停车转向时助力，后来发展的EPS系统不仅能在低速和停车时助力，还能在高速行驶时提高汽车的操纵稳定性。正是由于这一系列的优点，在世界汽车行业中，EPS系统的年增长量达130万到150万套，据美国天合(TRW)公司统计的数据表明，在世界范围内，电动转向器和电液转向器的使用会增加很快，2001年大约42%的安装在新车中的转向器是这种节能型的。即使是保守的估计，到2006年欧洲市场中电动转向器和电液转向器的份额会达到56%，到2015年新生产的汽车上将会都安装电动转向器。汽车采用EPS技术将使转向技术向线控转向技术大大前进了一步。随着42V电子系统在未来几年大规模地进入市场，它将会促进电动转向器应用于大型豪华汽车上。因此，电动助力转向技术的发展前景是非常广阔的。这也正是全球各大公司对其青睐的原因。4.1.2电动助力转向系统在本田雅阁的应用本田雅阁轿车的前轮载荷较大，所需要的转向辅助力也大，因此辅助力直接作用在齿条上。其装载的电动助力转向系统如图4-1所示：图4-1 本田雅阁轿车上的电动助力转向系统1）本田雅阁上的电动助力转向系统的优点如下：（1）效率可高达90%以上，液压动力转向效率一般在60%70%；（2）路感和回正性好，EPS系统结构简单，内阻小、回正性好，改善了汽车操纵稳定性；（3）能耗少，EPS系统只在转向时电机才提供助力，汽车油耗可降低3%左右；（4）系统便于集成，整体尺寸减小，结构简单，质量小；（5）可独立于发动机工作，EPS系统以蓄电池为能源，以电机为动力元件，与发动机无关；（6）省去了油泵和辅助管路，总布置更加方便；（7）对环境污染少，而液压助力转向系统液压管路接头存在油泄漏问题且液压管路不可回收；（8）装配性好，易于布置，由于EPS主要部件（电机、减速器、传感器、电控单元等）可集成在一起，便于整车布置和装配。2）本田雅阁上的电动助力转向系统的缺点如下：（1）直接助力式电动转向系统提供的辅助动力较小，难以用于大型车辆，主要用于轿车和轻型货车，对电动汽车、混合动力车、燃料电池车是最佳选择；（2）减速机构、电动机等部件会影响汽车的操纵稳定性，正确匹配整车性能至关重要；（3）使用电动机、减速机构和转矩传感器等部件，增加了EPS系统的成本。4.2电动助力转向系统国内应用概况相比之下，国内对电动助力转向技术的研究起步较晚。我国自主设计的EPS系统和国外的成熟产品相比，还有一定的差距，很多整车厂装配的电动助力转向系统的核心技术都依靠进口。但是我们正在奋起直追，逐步缩小自主开发的EPS系统与国外同类产品的技术差距。目前国内对电动助力EPS系统的研究，主要是针对微型轿车用“转向柱助力型”EPS系统展开的。在国内，很多科研院校和企业单位对电动助力转向进行了深入地研究。科研院校主要有：清华大学、北京理工大学，吉林大学、合肥工业大学、天津大学、华中科技大学、浙江大学、江苏大学和湖北汽车工业学院等，他们对EPS系统的模型、助力特性、控制策略等进行了理论方面的研究，这些研究都对下一步的电动助力转向的研究打下了一定的基础。国内已有株洲南方动力公司，广州跨越汽车零部件工贸公司等企业在小批量生产转向轴助力式电动转向器和试制其它电动转向器。然而，由于国内各大企业与研究机构对该项技术的控制理论与控制原理还没有完全掌握，仍处于探讨实践阶段。但是电动助力转向技术在国内的发展势头良好，到现在为止，国内已有10家大专院校和10家国有或民营企业立项或独自开发该产品，预计我国每年会以10万20万台速度发展。正是由于各方面电动转向研究的大量投入，该产品已接近成功，已有一部分产品开始装车调试。在汽车电动转向产品的开发中，充分体现了我国市场经济竞争的特点，一些大专院校和企业相结合，国有、民营企业齐上阵，这种各方面竞争的结果加快了开发的进度。2001年，昌河汽车厂开始将电动转向器装在北斗星高档微型箱式车，揭开了我国汽车转向器生产历史上新的一章，2002年该车型已有6万台配装电动转向器，即电动转向车己占该车型的60%了。昌河汽车厂也已开始在新车型艾迪尔上装电动转向器，广州本田飞度轿车、一汽丰田的卡罗拉轿车已装电动转向器，哈飞汽车厂也开始在新车型上装电动转向器，吉利在其多款轿车上也安装了电动转向器。另外，奇瑞QQ轿车、扬子皮卡车厂和很多微型箱式车厂，都准备安装电动转向。这充分说明装配EPS系统产品的市场和市场潜力是很大的。正因如此，国内对电动助力转向技术的研究不断地深入。我国汽车市场上早期应用的EPS系统是靠外资企业进口的，之后国内企业也开始进行研发，涌现了株洲易力达、浙江福林国润等一些内资企业。随着近两三年的发展，电动助力转向系统市场应用已经初具规模。据奥尔威咨询统计，2008年我国EPS系统生产企业总产量为大约111.9万套，维修和改装市场大约使用1万，库存大约有1万多。EPS系统与之前的技术成熟的液压转向系统相比，已经在市场上有一定的市场份额。尽管国内有多家企业在进行EPS系统研发试装，但是由于转向系统是汽车的必需件，国家对整车安全有非常严格的要求，所以EPS系统的稳定性和可靠性成为产业化进展的关键。目前国内EPS系统安装市场90%以上被外资企业占领，如捷太格特、昭和、采埃孚等，造成该现象有多方原因，但是根本原因在于国内产品能够满足可靠性需求的不多。据奥尔威咨询了解，美系的德尔福、天合、日系列的恩斯克都准备扩大或开始EPS系统的大规模量产，且配套车型延伸到自主品牌车型，加上韩系列EPS系统供应商万都，这些将对国内EPS研发生产企业构成威胁。本土EPS系统研发生产企业拥有技术知识产权，产品达到高稳定性是目前国内EPS系统行业发展的关键。这样才能在市场还有很大空间的情况下，和外资企业同台竞争，并为未来在汽车电子领域发展建立基础17。5电动助力转向系统的发展趋势汽车转向系统大致经历了无助力的纯机械转向(Ms)系统、有液压助力的液压助力转向(HPS)系统、随车速改变助力大小的电控液压助力转向(VCHPS)系统、由电动机直接驱动转向油泵的电动液压助力转向(EHPS)系统、纯粹靠电动机提供助力的电动助力转向(EPS)系统等发展历程。助力转向系统经过几十年的发展，技术日趋完善。今后，电动助力转向系统将进一步成熟。EPS系统未来的发展有两个方向：一是提高EPS系统的系统控制性能，以便于在中、高级轿车上使用，这就需要引入诸如转向盘转角、横摆角速度等量而不仅仅局限于以车速和转向盘转矩作为控制量，同时采用助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略以便提高EPS系统的性能；另一个是降低EPS系统的成本，提高系统各部件可靠性和耐用性。据TRW公司预测，到2010年全世界生产的每3辆轿车中就有一辆装备EPS系统，特别是低排放汽车(LEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)、电动汽车(EV)，这4大EV汽车将构成未来汽车发展的主体，这给EPS系统带来了更加广阔的应用前景。具体来说，未来电动助力转向系统主要从以下几个方面进一步发展18：1）传感器技术性能完善的电动助力转向系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向盘转速信号、电机电压信号、电机电流信号等。目前，传感器的成本是制约电动助力转向系统迅速市场化的主要因素，因此，设计和开发适合电动助力转向系统使用的性价比较高的传感器是未来技术发展的关键。2）合理助力特性的确定助力特性的好坏取决于转向的轻便性和路感。对于路感问题国内外还没有成熟的理论研究结果，研究手段还以试验为主。3）控制策略控制策略19是影响助力转向系统性能的关键因素之一，也是电动助力转向系统的核心技术之一。EPS系统能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还必须有良好的控制软件做支撑。随着智能控制技术的进一步发展，智能控制技术必将应用于EPS系统的开发。目前，国内外许多学者都在探讨将先进的控制理论应用于助力转向系统的研究，如鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和自适应控制理论等。今后，控制策略研究的重点主要集中在如何抑制电机的力矩波动、如何获得较好的路感、如