EPS系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：EPS（電動助力轉(zhuǎn)向）系統(tǒng)是一種新興的汽車轉(zhuǎn)向助力形式，成為了很多汽車零部件制造商的研究熱點。EPS能使轉(zhuǎn)向變得輕便，提供良好的操控性能，提高了汽車燃油經(jīng)濟性和助力效果。助力特性靈活可變，易實現(xiàn)針對不同車速提供合適的手感，通過更改軟件中的助力參數(shù)即可進行助力特性微調(diào)。結(jié)構(gòu)簡單易維護，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量更輕，符合現(xiàn)代汽車輕量化設(shè)計理念。擴展性強，便于實現(xiàn)新功能，逐利特性完全由ECU控制，為汽車新技術(shù)的應用提供了平臺。

關(guān)鍵詞：電動助力;操控性;經(jīng)濟性;緊湊

1 EPS的優(yōu)勢

與非輔助、純液壓和混合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)具有一系列優(yōu)勢。EPS系統(tǒng)助力機構(gòu)不由發(fā)動機直接驅(qū)動，而是利用具有一系列轉(zhuǎn)向傳感器的電動機，不會占用發(fā)動機實時輸出動力，僅在轉(zhuǎn)向時消耗能量。轉(zhuǎn)向傳感器能感應到轉(zhuǎn)向位置和扭矩大小，軟件可以將這些信號轉(zhuǎn)換為電機輸出的信號。這是一種更加動態(tài)和節(jié)能的輔助轉(zhuǎn)向方法。EPS相對于其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向輕便快捷、能耗低、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、可靠性高的特點，顯著改善了汽車的操縱性，符合節(jié)能環(huán)保理念。EPS的優(yōu)勢包括減少大約3%的燃油消耗，節(jié)省很大的空間，更輕松的系統(tǒng)集成和能增強駕駛體驗的軟件。EPS能耗大約只占傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的1/12。由于系統(tǒng)內(nèi)部沒有油液，在制造使用及廢棄后都不會造成環(huán)境污染。此外，系統(tǒng)內(nèi)置的軟件可在EPS原型開發(fā)過程中實現(xiàn)高性能且易于調(diào)整。

2 EPS系統(tǒng)

一個高性能且功能強大的微控制器和功率半導體組合是實現(xiàn)高效可靠EPS的基礎(chǔ)，該組合使EPS的節(jié)能和降低二氧化碳排放達到新的水平。作為事關(guān)安全的重要部件，EPS組件必須具備可靠的協(xié)同工作能力。

EPS系統(tǒng)由扭矩傳感器等傳感器，ECU，電機和減速齒輪組成。扭矩傳感器感應方向盤的運動，ECU根據(jù)扭矩傳感器信號計算輔助力，電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力，減速齒輪增大轉(zhuǎn)向力矩并傳遞給轉(zhuǎn)向機構(gòu)。當前，根據(jù)成本，包裝和性能要求，可以在不同的細分市場中找到幾種不同類型的EPS系統(tǒng)（圖3），所有這些設(shè)計方案使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能實現(xiàn)眾多轉(zhuǎn)向功能，即基本轉(zhuǎn)向功能、增強型轉(zhuǎn)向功能和高級駕駛員輔助功能?；巨D(zhuǎn)向功能包含在一定的駕駛狀況下提供轉(zhuǎn)向助力和扭矩平衡（例如摩擦和慣量補償）等直接影響轉(zhuǎn)向手感的附加功能。

增強型轉(zhuǎn)向功能包含方向盤主動回正以及輔助直線行駛（路堤或持續(xù)的側(cè)風時給予必要的轉(zhuǎn)矩補償）。高級駕駛員輔助功能可以在某些情況下實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向的功能，例如自動泊車，拖車后備輔助，車道保持或復雜的駕駛員反饋，例如車道偏離警告。圖5是轉(zhuǎn)向柱式EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通常使用可折疊的安全柱，該單元包含在儀表板中。

3 EPS系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

3.1 基于CAN總線的EPS永磁無刷電機控制器設(shè)計

永磁無刷電機壽命長，運轉(zhuǎn)噪聲小，功率密度大，永磁同步電機采用正弦電壓驅(qū)動，轉(zhuǎn)矩撥動更小，轉(zhuǎn)向手感更加平順。通過軟件算法減少傳感器數(shù)量，通過CAN總線實現(xiàn)與其他系統(tǒng)信息共享。

3.2 基于未知輸入估計的EPS控制器設(shè)計

基于拉格朗日動力學模型制定具有未知輸入的最優(yōu)控制方法，從而消除了對扭矩傳感器的需求。結(jié)合非線性輔助曲線，未知輸入估計量和線性二次積分理論開發(fā)出一種新的控制器。與眾所周知的卡爾曼濾波器相比，使用未知輸入估計法具有良好的效果。所得的閉環(huán)響應能夠跟蹤不同速度下的非線性輔助曲線。揭示了一個顯著的特征，即，僅使用單個恒定增益就可以控制EPS系統(tǒng)。

3.3 基于扭矩信號的慣量補償方法

EPS的動態(tài)性能受輔助電機慣性的影響，為改善動態(tài)特性，要對電機慣性進行補償。助力電機角加速度信號可以通過扭矩信號獲得。分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)方程，建立慣量補償框圖。推到出從扭矩信號到角加速度信號的傳遞函數(shù)以補償轉(zhuǎn)子慣性?；贓PS基準模型驗證補償效果，分析相關(guān)參數(shù)對EPS動態(tài)性能的影響。結(jié)果顯示：由扭矩信號產(chǎn)生的角加速度比由角度信號產(chǎn)生的角加速度更加準確合理，且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)性能有了很大改善。這種方法的現(xiàn)實局限性是需要知道傳遞函數(shù)中的參數(shù)。

3.4 無電流傳感器的EPS驅(qū)動方法

采用表面貼裝式永磁同步電機建模和停滯時間補償?shù)姆椒p少由實際輸出電壓和電壓指令差異造成的計算電流誤差來實現(xiàn)無電流傳感器驅(qū)動方法。這種方法僅使用處理器算法，無需任何電壓感測電路硬件，例如濾波電路和電流傳感器反饋電路。對包含SPMSM，電機驅(qū)動系統(tǒng)和機械齒輪系統(tǒng)的EPS進行MATLAB仿真，驗證該方法的有效性。

參考文獻：

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作者簡介：鄭志誼（1989-），男，浙江開化人，碩士，實驗師，研究方向：汽車電控。