電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)的應(yīng)用

胡培俊

（日本電產(chǎn)凱宇汽車電器 （江蘇）有限公司，江蘇 常州 213025）

現(xiàn)代汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)從最初的機(jī)械式轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向 （Hydraulic Power Steering，HPS）發(fā)展到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 （Electric Power Steering，EPS）技術(shù)。隨著微電子控制技術(shù)在汽車領(lǐng)域的廣泛使用，以及世界節(jié)能環(huán)保兩大主題的推廣，EPS的優(yōu)越性越來越突出，成為轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)內(nèi)容。早在1980年，國外就已經(jīng)研制成功EPS并裝車使用。據(jù)美國天合 （TRW）公司預(yù)測：到2015年，全球范圍內(nèi)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的裝車率將達(dá)到50%，中國對(duì)EPS的研究起步較晚，但目前已有十多家高等院校和科研單位正在進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的研究，并已取得了較大的進(jìn)展［1］。因此，作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力能源提供者，助力轉(zhuǎn)向電機(jī) （Electric Power Steeringmotor，以下簡稱為EPS電機(jī)）也成為研究的熱點(diǎn)。EPS系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

EPS電機(jī)是永磁直流電機(jī)，是通過永磁體建立勵(lì)磁磁場的直流電機(jī)。它除了具有普通電勵(lì)磁直流電機(jī)所具備的下垂的機(jī)械性能、線性的調(diào)節(jié)特性、調(diào)速范圍寬和便于控制等特點(diǎn)外，還具有體積小、效率高、用銅量少、結(jié)構(gòu)簡單和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 EPS電機(jī)的分類

EPS電機(jī)主要分為EPS有刷電機(jī) （主要用在中低端的乘用車上）和EPS無刷電機(jī) （主要裝配在中高端乘用車和商用車上）。目前在國內(nèi)EPS有刷電機(jī)已經(jīng)批量配套，EPS無刷電機(jī)目前仍處于研發(fā)階段，其主要難點(diǎn)在于控制器部分無法匹配，致使無法批量配套。

1.1 EPS有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

EPS有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由端蓋刷架組件、定子組件、轉(zhuǎn)子組件等部件組成。其中端蓋刷架組件接受控制器輸出的電流，并通過刷架組件將其輸送到轉(zhuǎn)子組件。轉(zhuǎn)子組件由軸、電樞片疊組、換向器、電樞繞組等零部件組成，通電后電樞繞組在磁場中形成切向力，使轉(zhuǎn)子組件轉(zhuǎn)動(dòng)。定子組件由機(jī)殼、磁瓦 （鐵氧體）等組成，為轉(zhuǎn)子組件旋轉(zhuǎn)提供永磁場。

1.2 EPS無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

EPS無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。由輸出軸、前端蓋、定子組件、轉(zhuǎn)子組件、線束組件、后端蓋組件、后蓋等零部件組成。其中定子組件由機(jī)殼、電樞片疊組、電樞繞組等組成，為轉(zhuǎn)子組件旋轉(zhuǎn)提供感應(yīng)磁場。轉(zhuǎn)子組件由軸、磁瓦，電樞片疊組、不銹鋼箍等組成，通過磁力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。接線架組件由定位支架、接線排等組成，接線架組件與控制電路連接，為電樞繞組提供開關(guān)電路。后端蓋組件由后端蓋、線束組件、位置傳感器等組成。位置傳感器通過檢測轉(zhuǎn)子組件位置，并將信號(hào)傳輸給控制電路，便于控制電路為電樞繞組提供準(zhǔn)確的開關(guān)電路。

1.3 EPS有刷電機(jī)和無刷電機(jī)區(qū)別

EPS有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，通電導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)部件中。EPS無刷電機(jī)采用電子換向，通電導(dǎo)體在定子中，通過控制板中的開關(guān)電路的通斷向電樞繞組通電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于無刷電機(jī)取消電刷和換向器等機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，同時(shí)其旋轉(zhuǎn)部件中無導(dǎo)體，因此EPS無刷電機(jī)比有刷電機(jī)具有更高的可靠性。

2 EPS電機(jī)的原理

2.1 EPS系統(tǒng)的工作原理

電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用電動(dòng)機(jī)作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等，由電子控制單元ECU驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成助力工作，其控制框圖如圖4所示。

不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)機(jī)不工作，EPS系統(tǒng)處于STANDY狀態(tài)。當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷檢測轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩，并由此產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入電子控制器，由控制器中的微機(jī)根據(jù)這些輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，即選定電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向的輔助動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力［1-2］。

2.2 EPS有刷電機(jī)的工作原理

EPS有刷電機(jī)是一種永磁直流有刷電機(jī)，其工作原理如圖5所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路向電機(jī)輸出電流時(shí)，通過刷架總成、換向器，到轉(zhuǎn)子組件上的電樞繞組，形成切向力，使轉(zhuǎn)子組件旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出輔助轉(zhuǎn)矩；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路輸出反向電流時(shí)，電樞繞組中的電流反向，形成反向切向力，使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出反向的輔助轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)采用了斜槽設(shè)計(jì)，提高了電機(jī)換向的靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)快速頻繁的換向。

2.3 EPS無刷電機(jī)的工作原理

EPS無刷電機(jī)工作原理如圖6所示。永磁無刷直流電機(jī)一般由電動(dòng)機(jī)本體、帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子、位置傳感器和電子換向電路組成。在無刷直流電機(jī)中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號(hào)，通過電子換相去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組聯(lián)接的相應(yīng)的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依次饋電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地送出信號(hào)，改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動(dòng)機(jī)的無接觸式換流過程的實(shí)質(zhì)。

3 EPS電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展

助力電機(jī)是EPS的動(dòng)力源，它的作用是根據(jù)ECU的控制指令輸出合適的助力轉(zhuǎn)矩。目前EPS的助力電機(jī)多采用直流有刷電機(jī)，這種電機(jī)的技術(shù)成熟、控制器簡單、成本低。因此短時(shí)間內(nèi)仍將在EPS電機(jī)中占據(jù)主導(dǎo)地位。有刷電機(jī)的電刷易磨損，功率密度較低，換向器的電火花容易產(chǎn)生電磁干擾。無刷電機(jī)采用電子換向，減少了換向時(shí)的電火花，不需要經(jīng)常維護(hù)，有較高的功率。因此，直流無刷電機(jī)更具有長遠(yuǎn)的競爭優(yōu)勢(shì)。

由于汽車車載電源的電壓大多為12 V，助力電機(jī)不能提供更大的助力轉(zhuǎn)矩以滿足商用車對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性的要求，而且隨著汽車上的電子裝置越來越多，若能采用42 V的蓄電池，則可以使電動(dòng)機(jī)在較低的輸出電流下獲得較高的輸出功率，既降低了EPS系統(tǒng)的能耗和發(fā)熱，還能改善系統(tǒng)的性能［1］。

隨著人們對(duì)汽車乘坐舒適性要求的提高，對(duì)汽車NVH （Noise—噪聲；Vibration—振動(dòng)；Harshness—不舒服的感覺）的研究也成為一個(gè)熱門項(xiàng)目。目前國內(nèi)裝配EPS系統(tǒng)大部分為C-EPS系統(tǒng)，電機(jī)處于駕駛室內(nèi)部，其噪聲和振動(dòng)會(huì)直接影響駕駛者的舒適性。國外EPS主機(jī)廠對(duì)EPS電機(jī)的NVH有詳細(xì)的要求；國內(nèi)主機(jī)廠雖然沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，但是對(duì)電機(jī)的噪聲已經(jīng)有較嚴(yán)格的測試要求。因此，EPS電機(jī)的減振、降噪將是EPS電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 EPS電機(jī)在汽車上的應(yīng)用與配套

自主品牌中，除榮威系列、奇瑞A3、夏利N5、吉利豪情、吉利美人豹等車型的部分高端車標(biāo)配EPS外，其他自主品牌車型均很少裝配EPS。而榮威系列和奇瑞A3是自主車的高端產(chǎn)品，價(jià)格偏高，消費(fèi)群體有限且容易偏向同價(jià)位的合資車；豪華版夏利N5的銷量不大；吉利豪情和吉利美人豹已經(jīng)停產(chǎn)。

合資車中標(biāo)配EPS的車型主要有：一汽大眾邁騰、一汽豐田皇冠、一汽豐田銳志、一汽豐田RAV4、上海大眾斯柯達(dá)明銳、東風(fēng)本田排量為2.0L的CR-V、廣汽豐田漢蘭達(dá)、上海大眾途觀等。這些高檔車型的市場銷量很大，且價(jià)格均在15萬元以上。

5 日本電產(chǎn)EPS電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用配套情況

電產(chǎn)EPS產(chǎn)品具有響應(yīng)速度快、波動(dòng)小、振動(dòng)小、回振阻力小、高效率、低噪聲、左右對(duì)稱性及產(chǎn)品的一致性高、高可靠性、高壽命等特點(diǎn)。也可根據(jù)客戶要求，提供滿足耐高低溫、防水等其他要求的產(chǎn)品。主要配套客戶有昌河鈴木、長安、福建東南、天津一汽等。

6 結(jié)語

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS具有卓越的操縱輕便性和穩(wěn)定性助力特性，隨著汽車工業(yè)對(duì)節(jié)能減排的要求，EPS將是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。

［1］雷瓊紅.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 （EPS）技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.機(jī)械工程師， 2009 （9）： 53-55.

［2］周淑輝，李幼德，李靜，等.汽車電子控制轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［J］.汽車電器， 2006 （11）： 1-5.

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