电动转向器

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、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“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。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3 实例新电动转向控制器的设计（东风汽车有限公司三吨车）3.1 设计目标：（1）所采用的电机：24V 412W 1140rpm 60A 4.1Nm；（2）明确电动转向力模型按理想电动转向助力模型。有了设定的模型，就要依靠控制器来实现它。如何在不同车速和不同方向盘转角下、控制器根据对传感器测量的扭矩信号、车速信号及发动机信号综合分析后，按一定规律（理想电动转向助力模型）向电机提供不同的控制电流。从而使电机提供不同的电机助力。使汽车在转向过程中在不同车速和不同转角下发挥电机最大优化的助力效果和阻尼效果；同时又必须实现各种不同的保护和补偿功能是控制器的控制目标。（3）按理想电动转向助力模型进行开发，可以确保汽车在高速行驶时转向有沉重感，彻底解决汽车高速发飘问题。（4）按主动回正要求设计控制器。这在DF3东风3吨货车及中高档轿车装车时证明是非常重要的。由于这样一类车型装备的电机都比较大，电机的功率一般都在300W、410W、甚至于500W以上，这些电机本身的空转力矩都比较大。有的达到2.5 4.5 Nm，试验中严重的影响整车转向回正效果，势必要求这些所装的电动转向具备主动回正功能。（5）解决回正摆头问题。由于采用了BI传感器，既提供了方向盘扭矩信号，也提供了方向盘转角信号。在汽车出现摆头时，该传感器就为控制器提供了一个方向盘零点，即直线行驶位置。在方向盘撒手回正过程中，当车轮出现第一个方向摆头时、回正角度超过零点，角度传感器就会出现相对零点的超越角度信号，控制器就会控制电机反向加力，阻止车轮继续转动；出现第二个方向回摆，回正角度超过零点，角度传感器就会再次出现相对零点的超越角度信号，控制器就会再次控制电机反向加力，阻止车轮继续转动；以后依然，直致车轮万全停止摆头。由于车轮的惯性和转向杆系刚性的关系，再加上连续生成的电机反向力矩不足以完全制止车轮停在零点，车轮可能还会继续出现摆头现象，但摆头的幅度将会大大的衰减，这就是我们的目的（见图2）。（6）采用与原车型类同的机械转向器结构，加装电动转向需要的蜗轮蜗杆减速器部分、传感器、电机、扭杆及转角限位结构，就组成了我的专利产品循环球电动转向器。该转向器壳体的连接部分必须与原转向器一样，确保该电动转向器能很方便的安装在该车型上。（7）该控制器必须满足电动转向控制器行业标准（报批稿）性能和可靠性的要求。3.2 DF3电动转向控制器的性能设计要求：（1） 防止高速发飘功能：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。该控制器设计时必须按理想的电动转向模型进行，该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，这样才能真正解决高速发飘问题，而且成本相对较低。（2） 主动回正功能如果驾驶员在转弯的过程中减小了施加在方向盘上的力矩，扭杆上的扭矩也相应减小。于是转向力在减小的同时，转向角度和转向的速度都相应的减小，回转速度也相应被精确地检测到。控制单元根据转向力、车速、发动机转速、转向角度、转向速度和存储在控制单元中的特性曲线图计算出电动机需要的必要的回正力，并控制电动机工作，促使车轮回到直线行驶的方向，即中心位置。（3） 制止摆头功能在方向盘撒手回正过程中，当车轮出现第一个方向摆头时、回正角度超过零点，角度传感器就会出现相对零点的超越角度信号，控制器就会控制电机反向加力，阻止车轮继续转动；出现第二个方向回摆，回正角度超过零点，角度传感器就会再次出现相对零点的超越角度信号，控制器就会再次控制电机反向加力，阻止车轮继续转动；可使汽车迅速制止摆头。（4） 维持直线行驶功能直线行驶功能是主动回正功能的一个扩展，当没有力矩作用在方向盘上时，系统将产生助力使车轮回复到中心位置。为实现直线行驶功能，又分为长时间法则和短时间法则两种不同的情况。东风汽车有限公司三吨汽车DF3电动转向控制器的设计要求已完全实现。经过四轮的道路试验证明是完全可行的。3.3 DF3电动转向控制器的保护设计要求（1）稳定与安全性设计在受到地面冲击或外界横向力（如侧风、爆胎）作用时产生反向力矩，保持方向稳定和恢复正常行驶。（2）无故障设计提高元器件安全系数，各部件必须经过严格出厂检测，实现误操作保护设计（保护性电路设计，个别系统中个别部位电压、电流和温度保护）。（3）失效保护设计防止单个元件损坏影响其它元器件正常工作（采用各种保护电路）；ECU失效后，可恢复机械转向器直接工作。（4）失电保护功能设计当汽车突然关闭电源时，控制器必须实现自我保护。（5）自检功能、故障存储和故障代码设计有相应的故障代码显示功能。（6）电源电压波动适应能力设计车载电源标称电压在15%范围内变化时，控制器应能正常工作。（7）一定的抗电流、电压过载能力设计电流过载+5%，电压过载25% 。除有保护功能外，还要考虑迅速恢复工作的能力。（8）有对不同阻抗（内阻、感抗、容抗）的电机适应能力，对调整有偏差的传感器（在一定范围内）能兼容的能力，又称容错、自学习能力的设计。（9）有一定的降低对外界无线电骚扰能力、抗外界对控制器的电磁干扰能力、抗静电放电产生的电骚扰能力。（10）对电机的温度补偿控制设计，解决由温度升高导致电机输出功率下降问题还不能完全达到此要求。（11）对机械转向部分机械磨擦的补偿控制设计，长时间工作导致机械磨损、造成间隙增大对EPS的性能是影响的这方面还有很大差距。三 电动转向器的分类：根据助力电机及其动力源的位置, 汽车电动转向（EPS）主要分成4种类型7种结构（见表1）。EPS 电动助力转向系统C-EPS 轴助力型传动轴助力式P-EPS 小齿轮助力型单轴小齿轮型 双轴小齿轮型 (异轴助力)R-EPS 齿条助力型电机轴和齿条轴轴向交叉布置电机轴和齿条轴轴向平行布置电机轴和齿条轴同轴布置（DD-EPS）S-EPS 循环球型输入轴助力式表 1电动转向器分类 aC-EPS b. P-EPS c. R-EPS d.DD-EPS 图 14 四种典型电动转向系统1 轴助力式C-EPS电动转向管柱C-EPS电动转向管柱（见图15）。它的减速机构连同电机、传感器一起安装在转向传动管柱中间，下端用传动轴与机械转向器相连。该管柱、下传动轴与机械转向器一起构成了轴助力式电动转向器装置。2 小齿轮助力的电动转向器P-EPS 电动转向器（见图16）显示的是广泛应用于轿车的小齿轮助力的电动转向器，它的减速机构连同电机、传感器一起安装在转向器的小齿轮位置，成为一个整体。图15 轴助力式C-EPS图 16 小齿轮助力式PEPS3 异轴小齿轮助力式电动转向器异轴小齿轮助力式电动转向器P-EPS（见图 17），显示的是另一种应用于轿车的小齿轮助力式电动转向器。它的减速机构连同电机、传感器一起安装在转向器的与小齿轮位置相对布置的另一侧，另有一套小齿轮，与之啮合的同一齿条上也有齿形，这样组合成为的一个整体。图 17 齿条助力式REPS（电机轴和齿条轴轴向交叉布置）4 同轴式齿条助力电动转向器同轴式齿条助力式电动转向器DD-EPS（见图 13），显示的也是另一种应用于轿车的齿条助力式电动转向器。它的结构不同于R-EPS，它的减速机构连同电机与齿条组成一体，电机包着齿条，线圈作转子，采用传统的转向器循环球螺杆螺母结构作减速器。图 18 齿条助力式DDEPS（同轴布置结构）5 循环球助力式电动转向器循环球助力式电动转向器S-EPS电动转向器（见图19、图20）显示的是皮卡汽车用的和为东风三吨货车专门设计的循环球电动转向器总成图。在循环球电动转向器S-EPS中，扭矩传感器，直流电机，减速装置和循环球机械转向器是安装成一体的。转向传动轴是独立的，它与机械转向器输入轴机械相连；而控制器与扭矩传感器、直流电机是用电线束相连的。 图 19 皮卡车S-EPS图20 东风三吨车S-EPS四 对控制器、电机、传感器等主要总成的要求1 控制器1.1 对控制器总成的要求。我提倡开发全功能控制器。主要强调四点：（1） 防止高速发飘功能：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。（2） 主动回正功能如果驾驶员在转弯的过程中减小了施加在方向盘上的力矩，扭杆上的扭矩也相应减小。于是转向力在减小的同时，转向角度和转向的速度都相应的减小，回转速度也相应被精确地检测到。控制单元根据转向力、车速、发动机转速、转向角度、转向速度和存储在控制单元中的特性曲线图计算出电动机需要的必要的回正力，并控制电动机工作，促使车轮回到直线行驶的方向，即中心位置。（3） 制止摆头功能在方向盘撒手回正过程中，当车轮出现第一个方向摆头时、回正角度超过零点，角度传感器就会出现相对零点的超越角度信号，控制器就会控制电机反向加力，阻止车轮继续转动；出现第二个方向回摆，回正角度超过零点，角度传感器就会再次出现相对零点的超越角度信号，控制器就会再次控制电机反向加力，阻止车轮继续转动；可使汽车迅速制止摆头。（4） 维持直线行驶功能直线行驶功能是主动回正功能的一个扩展，当没有力矩作用在方向盘上时，系统将产生助力使车轮回复到中心位置。为实现直线行驶功能，又分为长时间法则和短时间法则两种不同的情况。 当车辆受到持续的侧向力时，驾驶员将给方向盘一个力矩使车辆保持直线行驶状态。此时，控制单元根据转向力、车速、发动机转速、转向角度、转向速度和存储在控制单元中的特性曲线图计算出要保持直线行驶状态电动机需要提供的必要的力矩，并控制电动机工作，使车辆回到直线行驶状态，减轻驾驶员的工作强度。1.2 控制器的结构：控制器主要是由电路板（含CPU芯片、功率管）、接插件、散热块和控制器盒组成。电路板因厂家设计思路而异。控制器的关键在于功能、尺寸大小和寿命。如日本NSK公司为铃木公司开发的N4控制器相比原来开发的N3控制器有很大改进：电路板改为双层、散热块改为全底铝合金散热器、控制器尺寸改小为原来尺寸的一半、功能也有很大改进(见图21).图 21 日本铃木N4控制器1.3 控制器与保护功能1.3.1 控制器简介 控制器是由周边器件和主芯片（或单片机）组成。周边器件是一些功能器件，如执行、采样等，它们是电阻、传感器、桥式开关电路，以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件；单片机也称微控制器，是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起，而构成的计算机片。这就是电动自行车的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出现的高技术产品。控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能、功率开关器件电路及周边器件布局等，直接关系到整车的性能和运行状态，也影响控制器本身性能和效率。不同品质的控制器，用在同一辆车上，配用同一组相同充放电状态的电池，有时也会在续驶能力上显示出较大差别。1.3.2 控制器的型式 目前，电动转向器所采用的控制器电路原理基本相同或接近。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速，只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别。元器件和电路上的差异，构成了控制器性能上的不大相同。控制器从结构上分两种，我们把它称为分离式和整体式。（1）分离式 所谓分离式是指控制器单独安装的。控制器与电动转向器分离，一般安装在驾驶室内仪表盘下边。这种方式使控制器工作环境好的多，对控制器密封要求不必很高。（2）一体式所谓一体式是指控制器与减速器壳体合为一体，这种方式使控制器与电机间、与传感器间连线距离缩短。但有可能增加了对控制器密封和防水的要求。 1.3.3 控制器的保护功能 保护功能是对控制器中功率管、电源防止过放电，以及电机在运行中，因某种故障或误操作而导致电机可能引起的损伤等故障出现时，电路根据反馈信号采取的保护措施。电动转向基本的保护功能和扩展功能如下：（1） 自动断电（2） 欠压保护（3） 过流保护（4） 过载保护过载保护和过电流保护是相同的（5） 欠速保护仍然属于过流保护范畴，2 EPS电机电动转向所能匹配的电机有直流有刷电机和直流无刷电机两种。现在通用的是直流有刷电机（见图22）；在趋势上是发展无刷电机。2.1 直流有刷电机基本是一个汽车用普通直流有刷电机，长电枢，斜线槽，带一个电磁离合器。它的特点是结构简单、成本低,性能能满足电动转向要求,但是寿命和噪音均是存在的问题。而直流无刷电机在寿命和噪音方面有巨大的优势,但是由于必须配备相应电路、结构相应复杂，导致成本上升。我们在选用电机时则应根据使用经验，原车结构，匹配，电机性能（包括转速和噪音）以及成本诸因素确定。因为电动转向器安装位置附近空间小，所以对电机的尺寸有一定限制。一般来说电机尺寸小，功率大，性能好，特别是噪音低最受欢迎。对发展中型汽车电动转向的最大难题主要是电机的功率和尺寸，电机消耗电流大对蓄电池的容量也造成一定的问题。采用电磁离合器对汽车电动转向器的工作更有利，电动转向器工作时吸合，在出现了故障时电磁离合器自动脱开，一方面对直流电机起保护作用，一方面不影响机械转向器正常工作。对电机是否带电磁离合器有两种观点：一种认为带电磁离合器好，需要工作时电磁离合器吸合，不工作时电磁离合器断开，便于编制程序；电动转向器损坏时，电磁离合器断开，逆传动不受影响。另一种认为不带电磁离合器好，结构简单，因为采用大螺旋角蜗轮蜗杆机构，逆向传动阻力较小，对逆传动影响不大，编程相对简单了。图 22 EPS电机（带电磁离合器）2.2 国产EPS电机系列 国产EPS电机系列如下：已有常州凯宇汽车电机有限公司、乐清市吴林实业有限公司、重庆华宇有限公司、淄博汽车电机有限公司等，已经开发出和正在开发的有刷电机有6种之多。有刷电机：No电压V功率W最大电流A最大输出扭矩Nm备注112120251.2212170301.8312220352.2412300383.0512400454.0624300353.0724420454.0824550655.0948100151.01048200252.0无刷电机No电压V功率W最大电流A最大输出扭矩Nm备注112160302.0212300403.0324300403.02.3 发展无刷电机已是EPS电机必然的发展趋势在EPS 系统中，其核心是一个电动机变频调速系统。由于永磁同步电动机(PMSM)具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点，和直流电机相比，它没有机械换向器和电刷、与异步电动机相比，它不需要无功励磁电流，因而功率因数高，体积小，电流和定子电阻损耗小；且转子参数可测、具有角度传感器功能；定转子气隙大、控制性能好；无火花对电磁干扰小；因此无刷电机是汽车电动助力转向系统的首选。 永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估算电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压。这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。在要求高精度，高动态性能以及小体积的场合，应用PMSM电机伺服系统具有明显优势. 3 EPS传感器 传感器分类如下： 传感器有电位器式、电磁感应式、霍尔元件式、编码器式等。3.1. 电位器式传感器电位器式传感器是北斗星汽车安装铃木公司开发的一种成本较低的传感器的结构见图 23 ，其性能曲线见图 24。 图 23 电位计式传感器 图 24 电位计式传感器特性曲线这种扭矩传感器的信号来自于转向轴内部安装的一根扭杆两端在外力作用下产生的相对扭转角度,它的扭转角度和转向力成正比；扭矩传感器里面利用了碳膜电位计的结构，不过采用了导电槊料碳膜/陶瓷碳膜和钢丝碳刷/特殊切丝刷。由于这种扭矩传感器拥有足够的精度、结构简单、价格便宜，所以使用较广泛。这种扭矩传感器的精度为独立线性度0.3,重复性误差0.2。它的最输出为1.37V3.83V,它的中点为2.5V 。现存的电位计式传感器的第一大问题就是传感器的精度，独立线性度0.3,重复性误差0.2达不到要求。这主要是生产厂家出厂产品精度不能保证。现存的电位计式传感器的第二大问题就是传感器的零飘问题，这主要是装车时调整不够好，安装后固定不好，以至于汽车行驶一段时间出现零飘现象，使得汽车转向时出现一边轻一边重现象。只能从安装和调整解决。3.2 BI传感器在国外汽车电动转向装置里广泛采用的扭矩传感器是BI公司的电阻式结构（见图 25）。 图 25 LH3型相位差式传感器 这种专门为EPS设计的双路输出扭矩传感器（LH3型）的信号来自于转向轴上安装的两个可以相对转动圆盘，圆盘之间由扭杆（扭力弹簧）相联接。测量出转向手力作用下两个圆盘相对转动的角度（相位差），可以知道扭矩大小。该相位差与扭矩大小成正比例。同时它还有角度输出。这种扭矩传感器的输出扭矩精度为线性度3,相位差90，阻值范围4K30%，工作温度 40135。3.3. DC 传感器图 26 DC传感器结构图图27 电磁感应式传感器原理图五 EPS的匹配及有关问题探讨1 汽车轻量化问题汽车轻量化创新联盟，汽车在新的发展阶段。发改委要求建立的新平台。汽车轻量化是世界汽车发展的方向、是节省油料的一个因素。必须加以考虑。 一个汽车一个总成轻几公斤都是有很大的意义；可以说通过设计的改进使整车轻几公斤都是有很大意义的。2 改装EPS问题 改装EPS问题也是关系到省油的大问题。韩国万都公司的资料表明，改装EPS后节省燃料4.13%，这对汽车是一个很有意义的重大改进。3 电动转向器速比（1）对电动转向器输出扭矩影响很大。（2）对电机的成本影响很大。（3）对转向器圈数有影响，即对汽车转向灵敏性有影响。 （4）理想的转向器应该是变速比的。既解决了输出扭矩问题，又解决了转向灵敏性问题，唯一的问题是转向器成本提高了。4 匹配问题 用下面几个表说明一下： 图28 汽车电动转向匹配图表2车型电机匹配表 图29 电机选型图表3 我对车型与EPS匹配的建议表4 整车选型匹配表六 EPS的发展方向1 四轮驱动车辆的全轮电动转向实现四轮驱动车辆的全轮电动转向，提高车辆的转向性能、节省油料，提高环保性能。1.1 提高车辆行驶的操纵稳定性（1） 解决高速发 飘问题；（2） 解决回正摆头问题；1.2 提高车辆机动性（1） 双轴转向（异向）减小转弯半径；（2） 双轴转向（同向）实现蟹行移动；2 线控转向电子转向系统SBW(Steer-By-Wire) 2.1 概念 线控转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，改而由方向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。电子转向系统SBW(Steer-By-Wire)是汽车转向方面最为先进和前沿的技术之一，具有很多优点： 2.2 特点2.2.1 取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，因而取消了它们之间的机械约束和干涉，使之可以相对独立运动，因而可以实现传动比的任意设置，可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。同时还可以从信号中提出最能够反映汽车行驶状态的信息，作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅提供驾驶员有用信息，以减轻驾驶员的体力脑力负荷，提高“人-车闭环系统”对道路的跟踪特性。同时由于减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高。 2.2.2 电子转向系统采用了软件控制，因而可以把转向系统与其它主动安全设备如ABS、汽车动力学控制、防碰撞、轨道跟踪、自动导航以及自动驾驶等功能相结合，实现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性，且实现了ITS中的汽车辅助转向功能。 2.2.3 电子转向系统在实现上述操作性能上的突破的同时也带来了可观的经济性和环境效益。 2.2.4 电子转向系统是通过一个通用的执行器来调整转向的。要对汽车转向的动力性进行调整，必须使用一个转角传感器，这并不影响方向盘对车轮的快速调整。另一方面，一个力矩传感器也是必须的，它将对汽车转向的调整和自动驾驶起重要作用。因此，驾驶员通过提供到方向盘的力矩知道正确的方向，并通过进一步的引导控制系统来进行评估。 2.2.5 与“电子驾驶”和“电子停车”一起，它提供了把它们实际化的条件，并且把动力性和汽车控制统一到一个系统中。 2.2.6 对汽车生产商的好处。传统转向系中转向柱安装要求提供足够的空间(左手或右手驾驶)，而电子转向严格的控制了转向柱在发动机间隔内的自由度，表明了机械式的转向柱没有很好的利用发动机的空间。 SBW可以追溯到二十世纪六十年代末，当时德国Kasselmann等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接，由于电子和控制技术的制约，一直无法在实车上实现，到1990年左右，世界上各大汽车厂商、研发机构等先后对SBW深入研究，到目前为止，在一些概念车上安装了改系统，SBW预示着未来汽车的一个发展方向。 2.3 结构 SBW线控转向系统是由以下四部分构成的： （1） 模拟转向阻力的转向机构； （2） 线控转向系统控制器； （3） 自动转向执行机构拥有冗余执行电机的机构； （4） 控制线路。图30 全自动电动转向器 图31 半自动电动转向器图32 SBW模拟转向机构图33 SBW转向执行机构图34 国外线控转向系统附：电液助力转向电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统 1 EHPS(electro-hydraulic power steering)、电控液压助力转向 2 ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。EHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。ECHPS是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵汽车。 现代电液动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便性和稳定性达到最合适的平衡状态。 为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比。但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。 机械式转向器的设计目标是保证汽车在各种行驶条件下将转向盘上的手力保持在驾驶员能接受的合理范围内，同时保证适当的转向灵敏度。但是机械式转向器的结构特点注定“轻”与“灵”矛盾的存在(包括变传动比机械转向器)， 而电液助力转向系在一定程度上解决了这一矛盾。 EHPS相比传统HPS降低了能源损耗。但电液动力转向系统，不论ECHPS还是EHPS都与传统的HPS一样存在液压油泄漏问题。 电动助力转向系统 电动转向系统EPS(Electric Power Steering)把一个机械的系统和一个 电控的电动马达结合在一起形成的一个动力转向系统。与液压系统不同的是，助力改由电机提供，因此，要有一个力矩传感器来测量作用在方向盘上的力矩，由电子控制单元来计算所需要的力矩。作用在方向盘上的力矩曲线由一个电动马达来分配。通过电动马达提供转向所必须要的力，它通过一个减速器作用在转向柱上，在循环球式的传动装置中，直接作用在齿扇上的力太大，因此大多选用齿轮齿条转向器。根据助力位置不同分为三种形式：1、转向柱助力式.2、小齿轮助力式.3、齿条助力式. 由于EPS改由电机提供助力，助力大小由电控单元ECU实时调节与控制，可以较好解决汽车操纵时轻与灵的矛盾。 EPS及HPS在世界各地的需求趋势；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26.7%的安装在新车中的转向器是这种节能型的。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%。由于电动助力系统不仅可以提供汽车在高速下的操纵稳定性，还能减小转向系统的质量并节省能源，因而迎合了下一代汽车对环保的要求。根据汽车车型的不同，使用电动助力系统能够降低燃油费用达5%10%。但是由于目前汽车电源和电机本身的一些原因，限制了电动助力在大型汽车上的应用。随着未来技术的不断发展和进步，这一问题将会得到解决。未来转向系统将会是以电动助力为主导，其他形式为辅。