淺談電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

岳法，劉春梅

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

前言

汽車工業(yè)經(jīng)過(guò)100多年的高速歷史，已經(jīng)成為現(xiàn)代文明的主要標(biāo)志之一，也是許多國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017年，中國(guó)大陸地區(qū)汽車銷量為2888萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng) 3.04%。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為駕駛員直接操縱的系統(tǒng)，其性能的好壞，直接影響客戶感知，甚至?xí)Q定車輛在市場(chǎng)的表現(xiàn)，需要不斷進(jìn)行技術(shù)革新，滿足人們的需要。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering System, EPS)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將最新的電子技術(shù)和高性能電機(jī)的控制技術(shù)應(yīng)用于汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)，以蓄電池為能源，電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性。典型的EPS結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖[2]

由于EPS利于環(huán)保，安裝方便，提高了主動(dòng)安全性，并且助力特性可以根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)設(shè)計(jì)為可變助力特性，所以一經(jīng)出現(xiàn)就受到高度重視，成為汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。隨著汽車電源向48V的過(guò)渡，以及新能源汽車的推廣，EPS在車輛上的使用會(huì)越來(lái)越普及。

1 EPS發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)比近期三次國(guó)內(nèi)車展，展出車輛中 EPS車型占比由46%激增至81%，液壓助力（含電動(dòng)液壓）占比大幅下降，EPS已經(jīng)逐漸成為主流助力型式。

圖2 轉(zhuǎn)向助力型式變化

目前EPS主要有三種類型：管柱助力、小齒輪助力、齒條助力，使用范圍見(jiàn)圖3。

圖3 各類EPS應(yīng)用范圍

管柱助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(C-EPS)的助力電機(jī)布置在管柱上，通過(guò)管柱實(shí)現(xiàn)助力功能，能實(shí)現(xiàn)的助力較小。一般應(yīng)用在前軸載荷較小、機(jī)艙布置緊湊的小型車上。

齒輪助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(P-EPS)主要有兩種類型: 單齒輪助力和雙齒輪助力。單齒輪助力式適用于中級(jí)車，雙齒輪助力式適用于中高級(jí)車輛。它們的助力電機(jī)都安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，選配該種助力形式時(shí)還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置空間的影響因素。

齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(R-EPS)可以提供較大的助力轉(zhuǎn)向力矩，主要適用于大型的車輛: SUV、卡車等。其電機(jī)也安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，同樣也要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置空間和電機(jī)的可靠性問(wèn)題。

目前EPS已進(jìn)入批量應(yīng)用階段，一般EPS具備的功能主要包括三部分：

（1）常規(guī)助力

根據(jù)車速和轉(zhuǎn)角/扭矩信號(hào)，控制器對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控制，通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)助力，屬于EPS最基本的功能。圖4為助力曲線示意圖。

（2）回正控制

EPS根據(jù)轉(zhuǎn)角信號(hào)和車速信號(hào)，計(jì)算出車輛的側(cè)向加速度，再通過(guò)電機(jī)助力，產(chǎn)生與側(cè)向加速度相對(duì)應(yīng)的回正力矩。一般帶有轉(zhuǎn)角傳感器的EPS，回正控制比較好，殘余角較小。

圖4 助力曲線示意圖

（3）阻尼補(bǔ)償

在EPS運(yùn)行過(guò)程中，由于控制器采樣、電機(jī)感應(yīng)等，可能會(huì)引起系統(tǒng)的自激震蕩。路邊激勵(lì)也可能會(huì)使車輪產(chǎn)生擺振，從而引起轉(zhuǎn)向盤抖動(dòng)。為規(guī)避該問(wèn)題，引入了阻尼補(bǔ)償?shù)母拍?，根?jù)轉(zhuǎn)向力的變化率，產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速相反的扭矩，確保EPS系統(tǒng)穩(wěn)定性。

此外，EPS還具備良好的擴(kuò)展功能，能為其他功能模塊提供基礎(chǔ)，如自動(dòng)泊車、車道保持、無(wú)人駕駛、側(cè)風(fēng)補(bǔ)償?shù)取?/p>

目前國(guó)內(nèi)外供應(yīng)商對(duì)EPS的研究和應(yīng)用逐漸增加，國(guó)外TRW、ZF、蒂森克虜伯、捷太格特、昭和、萬(wàn)都、摩比斯等供應(yīng)商已經(jīng)推出了成熟的電動(dòng)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于各合資品牌車輛上。國(guó)內(nèi)方面，株洲易立達(dá)開(kāi)始研究較早，恒隆、豫北、新世寶、龍潤(rùn)等也已經(jīng)推出了批量應(yīng)用的有刷電機(jī)EPS，應(yīng)用無(wú)刷的電機(jī)的EPS也逐步推廣。

2 EPS發(fā)展趨勢(shì)

從目前應(yīng)用情況來(lái)看，未來(lái)EPS應(yīng)用的趨勢(shì)有三個(gè)方向：安全、高效環(huán)保、舒適。

EPS首先應(yīng)滿足整車安全性要求，保證成員安全，其次，隨著電子技術(shù)發(fā)展，EPS應(yīng)提供更寬廣的拓展功能，最后，EPS也有環(huán)保方面的需求。

下文對(duì)未來(lái)EPS發(fā)展趨勢(shì)做一些簡(jiǎn)單探討。

2.1 冗余設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為重要的車輛安全系統(tǒng)，必須保障可靠性，而隨著智能駕駛的逐漸普及，對(duì)EPS安全要求也越來(lái)越高，必須對(duì)EPS進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。如多ECU設(shè)計(jì)和信號(hào)自選模式等。多ECU設(shè)計(jì)是指系統(tǒng)內(nèi)存在兩個(gè)ECU，互為備份。其中一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，另外一個(gè)能及時(shí)接管，減少突然的助力失效，保證系統(tǒng)正常工作。在此基礎(chǔ)上，增加額外的扭矩和轉(zhuǎn)角傳感器，ECU可自主選擇所需扭矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)，即為信號(hào)自選模式，系統(tǒng)冗余度進(jìn)一步提升，安全性能更高。

2.2 48V電源

隨著電子設(shè)備在車輛上應(yīng)用的日益增加，傳統(tǒng)的12V電源已經(jīng)逐漸難以滿足需求，48V電源有望解決這一困擾。在節(jié)油減排的方面，48V系統(tǒng)也有著巨大優(yōu)勢(shì)，據(jù)歐洲廠商實(shí)測(cè)，搭載48V系統(tǒng)的車輛與傳統(tǒng)車輛相比可以降低13%的油耗。[3]

對(duì)于EPS而言，尤其是CEPS，電機(jī)布置空間較為緊張，對(duì)電機(jī)體積提出了苛刻要求。但受限于系統(tǒng)所需的輸出功率，電機(jī)進(jìn)一步小型化極為困難。提升電機(jī)工作電壓可在不加大電機(jī)體積的情況下增大電機(jī)輸出功率。另外，較小的輸出電流也有利于減少對(duì)電子芯片的沖擊，可提高其壽命。因此，采用48V電源將是EPS未來(lái)發(fā)展的方向。

目前歐洲已經(jīng)制定 48V電源系統(tǒng)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)汽車因采用高壓直流供電，可以方便實(shí)現(xiàn)到48V電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。[4]

2.3 多助力模式

EPS相對(duì)于HPS系統(tǒng)，最大的優(yōu)點(diǎn)是真正做到了隨速轉(zhuǎn)向，為駕駛員提供良好的駕駛感覺(jué)。但同一輛車輛，不同的駕駛員（性別、年齡、個(gè)性、身體狀況等），對(duì) EPS助力特性也有不同的要求，目前的EPS無(wú)法滿足每一個(gè)駕駛員的需求。若在ECU中存儲(chǔ)多種助力特性曲線，可形成多助力模式，由駕駛員根據(jù)各自駕駛習(xí)慣自由選擇，則可以最大化滿足駕駛員的需求。

多助力模式對(duì)硬件改動(dòng)較?。ㄔ黾舆x擇開(kāi)關(guān)），軟件及調(diào)教費(fèi)用較低，性價(jià)比高，未來(lái)推廣較為容易。目前現(xiàn)代勝達(dá)、IX35等車型上已經(jīng)配備多助力模式。

2.4 線控轉(zhuǎn)向

隨著車輛電氣化和智能化程度的提高，線控轉(zhuǎn)向（Steering By Wire,SBW）已經(jīng)成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，未來(lái)會(huì)取得廣泛應(yīng)用。所謂四輪轉(zhuǎn)向，是指取消轉(zhuǎn)向盤和車輪之間的機(jī)械連接裝置，使用控制信號(hào)連接，又稱為柔性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖5 SBW結(jié)構(gòu)原理圖[6]

SBW 的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器2將測(cè)得的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角信號(hào)傳遞給ECU，ECU 根據(jù)汽車車速、橫擺角速度、側(cè)向加速度和位移傳感器7測(cè)得的位移信號(hào)控制路感電機(jī)4生成反饋轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角，使駕駛員獲得良好的路感；同時(shí)，ECU向轉(zhuǎn)向電機(jī)5發(fā)出控制信號(hào)，使汽車按照駕駛員所期望的方向行駛[5]。通過(guò)對(duì)SBW傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以滿足汽車在較低車速下采用小的傳動(dòng)比以增加系統(tǒng)增益，而在較高車速下采用大的傳動(dòng)比以減小系統(tǒng)增益，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向路感和轉(zhuǎn)向靈敏性的完美結(jié)合。

線控轉(zhuǎn)向主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）能有效消除轉(zhuǎn)向干涉現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供了先決條件。

（2）系統(tǒng)在汽車上的布置更為靈活，轉(zhuǎn)向盤可以按需要布置（左右舵車型開(kāi)發(fā)難度進(jìn)一步降低）。

（3）可以取消管柱，對(duì)踏板等周邊件布置更為方便，也可以增加駕駛員腿部活動(dòng)空間。在碰撞中，消除了碰撞對(duì)駕駛員的潛在風(fēng)險(xiǎn)，安全性得到提高。

（4）消除了地面對(duì)轉(zhuǎn)向輪的沖擊，提高舒適性。

（5）EPS固有的優(yōu)點(diǎn)得到了保留（如燃油經(jīng)濟(jì)型、隨速轉(zhuǎn)向等）。

由于 SBW采用柔性連接，轉(zhuǎn)向盤和車輪之間取消了機(jī)械連接，且電子元器件易受電磁干涉，需要接受的信號(hào)較多，系統(tǒng)復(fù)雜，其可靠性和安全性是最亟待解決的。為保障安全，一般采用冗余設(shè)計(jì)的方法，如在系統(tǒng)中增加傳感器、電機(jī)、電源或備份機(jī)械結(jié)構(gòu)等，有效提高系統(tǒng)的可靠性。

如全球率先量產(chǎn)采用SBW的英菲尼迪Q50，就采用了備份機(jī)械機(jī)構(gòu)的方式（圖 6）。車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，不依靠傳統(tǒng)的機(jī)械連接，而是依靠三組電子控制單元（ECU）進(jìn)行控制，根據(jù)路況和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度和扭矩、車速進(jìn)行綜合計(jì)算，從而指揮轉(zhuǎn)向電機(jī)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。當(dāng)任意一個(gè)ECU被監(jiān)測(cè)到出現(xiàn)了問(wèn)題時(shí)，備用模式將激活離合器，恢復(fù)至傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)向模式，確保駕駛員可以掌控車輛。

圖6 英菲尼迪Q50 SBW

2.5 功能拓展

EPS作為一個(gè)電控系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)可以集成開(kāi)發(fā)。在滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本功能的前提下，提供功能擴(kuò)展，如車道保持、自動(dòng)泊車、無(wú)人駕駛、側(cè)風(fēng)補(bǔ)償?shù)取?/p>

車道保持模塊中，駕駛員偏離預(yù)定道路時(shí)，EPS將按照系統(tǒng)指令（若需要），駛?cè)胝_道路。

自動(dòng)泊車模塊需要EPS實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向，自動(dòng)控制轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)車輛停車入位。自動(dòng)泊車也可視為無(wú)人駕駛的初級(jí)階段。

在無(wú)人駕駛車輛中，EPS將按照系統(tǒng)的指令，及時(shí)準(zhǔn)確地改變車輛方向，真正代替駕駛員掌控車輛。

在車輛高速行駛時(shí)，如果有側(cè)風(fēng)干擾，車輛將偏離行駛方向，發(fā)生危險(xiǎn)，若此時(shí)通過(guò)EPS施加一個(gè)與側(cè)風(fēng)方向相反的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，可以糾正車輛方向，保持車輛直行，確保安全。

與ESC（車身控制系統(tǒng)）的集成。ESC會(huì)輸出轉(zhuǎn)向扭矩需求，EPS產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向扭矩，從而使車輛的制動(dòng)壓力快速提升，達(dá)到穩(wěn)定車輛的效果。ESC和EPS的匹配能最大化穩(wěn)定車輛和改善制動(dòng)效果。

3 總結(jié)

電動(dòng)化和智能化是車輛發(fā)展的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同樣遵循這一趨勢(shì)。隨著電器元器件價(jià)格的下降和EPS技術(shù)的成熟，EPS發(fā)展前景會(huì)更加光明。未來(lái)EPS會(huì)朝著安全、高效環(huán)保、舒適的方向發(fā)展，冗余設(shè)計(jì)、48V電源、多助力模式和部分拓展功能會(huì)得到快速逐步應(yīng)用。在解決線控轉(zhuǎn)向的可靠性和成本問(wèn)題后，線控轉(zhuǎn)向作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，逐漸普及在量產(chǎn)車型上。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊(cè))[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2000.

[2] 趙萬(wàn)忠等.新型汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展綜述[J].汽車工程學(xué)報(bào).2012.11.

[3]新浪汽車.48V系統(tǒng)將為汽車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)重大改變. http://auto.sina.com.cn/news/2014-03-24/11411281430.shtml.

[4] 王強(qiáng),張紅蓮.談汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展[J].農(nóng)家科技.2014.5.

[5] KOIZUMI R,KURATA F,YAMAMOTO M. Experimental Study of Lateral Acceleration Feedback Control with Steer-by-wire System[C]. SAE Technical Paper. 2010-01-0996.

[6] 申榮衛(wèi),陶炳全.汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2016.10.