汽車中的EPS系統(tǒng)應(yīng)用分析

劉步豐

摘 要：本文綜述了汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS的發(fā)展，EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理。EPS具有節(jié)能、環(huán)保、成本低、易控制、結(jié)構(gòu)簡單、便于裝車等傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，成為轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向。

中圖分類號：U469文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2012)04(a)-0000-00

1EPS系統(tǒng)發(fā)展概況

轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)也是汽車很重要的一個組成部分，其性能好壞會直接影響車輛運行時的安全性和操縱穩(wěn)定性。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最初采用的是簡單的純機械機構(gòu)，后來出現(xiàn)了機械—液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS和電控—液壓助動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS，機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有特性決定了它們并不能同時滿足低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速操縱穩(wěn)定性的要求，隨著技術(shù)的發(fā)展，采用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子技術(shù)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS應(yīng)運而生。EPS系統(tǒng)最早是在1988年由日本的鈴木汽車公司研發(fā)的。目前現(xiàn)有的4種類型基于齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的EPS系統(tǒng)，分別是管柱式、齒輪式、雙小齒輪式和齒條助力式。

2 EPS系統(tǒng)的性能及特點

EPS系統(tǒng)能夠提供各種行駛狀態(tài)下的最佳助力，在停車或低速轉(zhuǎn)向時可以提供足夠的轉(zhuǎn)向助力，在高速轉(zhuǎn)向時減小助力并能夠保持良好的路感。EPS系統(tǒng)只是在汽車轉(zhuǎn)向時才會提供助力，這點不同于傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的油泵一直工作，這就可以平均節(jié)省燃油3%，從而提高了汽車的燃油經(jīng)濟性。EPS系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上很緊湊，零件的數(shù)量也減少很多，同時便于安裝和裝配，提高了勞動生產(chǎn)率。并在空間上大為節(jié)省，便于其他零部件的布置。EPS系統(tǒng)沒有了液壓回路，因而不存在漏油問題，減少了環(huán)境污染。另外，EPS系統(tǒng)具有很好的低溫工作性能，即使在零下40℃的極端環(huán)境下，EPS系統(tǒng)也能正常工作。

3 EPS的結(jié)構(gòu)及工作原理

電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS在不同車型上的結(jié)構(gòu)部件會不盡相同，但基本組成大同小異。它一般是由轉(zhuǎn)矩傳感器、電子控制單元ECU、電動機、電磁離合器、減速機構(gòu)和齒輪齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

EPS系統(tǒng)的基本工作原理是：駕駛員操縱方向盤進行轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩傳感器將作用于方向盤上的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、車速信號、扭矩信號輸入電子控制單元ECU，ECU則通過設(shè)定好的程序進行運算，計算出目標電流的大小和方向，輸入電動機，電動機產(chǎn)生相應(yīng)的助力扭矩和助力方向，再經(jīng)過減速機構(gòu)和離合器將扭矩傳遞給齒輪齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)，為駕駛員提供同向且合適的助力。當汽車處于直線行駛狀態(tài)時，EPS系統(tǒng)不提供助力，電動機停止工作，只有在汽車轉(zhuǎn)向時，系統(tǒng)才提供助力控制作用。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS可以實時地在不同的車速下為汽車轉(zhuǎn)向提供相適應(yīng)的助力，從而保證汽車可以在低速行駛時提供較大助力，使得輕便靈活，高速行駛時減少助力，使得操縱穩(wěn)定可靠。完整的 EPS 系統(tǒng)還會包括安全保護與故障診斷系統(tǒng)。當系統(tǒng)的某一部件發(fā)生故障時，可以斷開離合器使助力系統(tǒng)與機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分開，相當于僅有機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作，同時故障信號指示燈報警，保障了駕駛的安全性，同時在ECU中存儲電子部件的異常如電動機工作異常、車速傳感器異常、扭矩傳感器異常、蓄電池異常等。另外，EPS系統(tǒng)可以在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，通過改變系統(tǒng)的控制程序來實現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能的改變，從而可以滿足對不同工況、不同車型及不同駕駛員的轉(zhuǎn)向助力特性，可以大大減低開發(fā)成本，提高開發(fā)效率。

汽車在行駛過程中，方向盤是需要頻繁轉(zhuǎn)動的，也就是說，ECU要在各種工況下對電動機進行控制，另外，EPS系統(tǒng)在保證路感的前提下，要能夠隨車速等相關(guān)參數(shù)的變化提供相應(yīng)的助力，并且可以提供良好的回正控制能力，這些都是要通過控制電動機的電流大小來實現(xiàn)。因此，EPS系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是設(shè)計電動機的電流控制器。

EPS系統(tǒng)的電流控制過程為：電流控制器接收包括車速傳感器輸出的車速信號和扭矩傳感器輸出的方向盤扭矩信號，根據(jù)設(shè)計需要的助力特性確定電動機的目標電流，輸入到電動機的電流使電動機輸出目標助力轉(zhuǎn)矩。可見EPS系統(tǒng)控制時首先要解決確定助力特性和跟蹤該助力特性這兩個問題。其主要控制有：助力控制（包括汽車原地轉(zhuǎn)向助力控制和動態(tài)轉(zhuǎn)向助力控制）；阻尼控制（提高汽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性）；回正控制（使方向盤能夠更快、更準確地回正，避免方向盤產(chǎn)生不必要的抖動）。

4 EPS系統(tǒng)的技術(shù)難點

EPS系統(tǒng)在設(shè)計時主要有以下幾點需要在技術(shù)上進行深入研究：

1）如何確定合理的助力特性。汽車助力特性的好壞決定了轉(zhuǎn)向的輕便性和路感。助力特性對于不同的車型、不同的駕駛習慣都有不同的要求，而路感問題國內(nèi)外還沒有成熟的理論，研究手段主要是以試驗為主。2）如何選配合適的電動機。電動機的性能是影響轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)性能的重要因素，電動機與EPS系統(tǒng)的匹配，都將對轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等重要問題產(chǎn)生影響。有資料表明開關(guān)磁阻電機將成為EPS系統(tǒng)電機發(fā)展的方向。3）如何加強控制性能。 EPS系統(tǒng)能否獲得滿意的性能，除了應(yīng)有好的硬件保證外，還必須有優(yōu)質(zhì)的控制軟件做支撐。引入諸如轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度等量，加上車速和轉(zhuǎn)向盤力矩作為控制量，并隨著基于PID算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等控制策略研究，越來越高效的控制策略將會得到應(yīng)用。

5 結(jié)語

EPS系統(tǒng)以特有的優(yōu)越性而得到廣泛應(yīng)用，代表著汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向。EPS系統(tǒng)已經(jīng)較多地應(yīng)用在排量在1.6L以下的輕型轎車上，其性能及可靠性得到了廣泛的認可。有權(quán)威估計，未來的5年內(nèi)，全世界將有超過60%的轎車將把EPS系統(tǒng)作為標準配置。EPS系統(tǒng)也存在局限性，由于電動機的功率有限，則提供的轉(zhuǎn)向助力也會有限，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要有較大的驅(qū)動力時，EPS系統(tǒng)就會顯得力不從心了。所以EPS系統(tǒng)多用于小型汽車，目前已大量裝備到中高級轎車上，并逐漸向普通型轎車和小型商用汽車中發(fā)展。

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