淺談電動賽車電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計

何宛芯　高天智　陳強　陸健發(fā)　胡澤華

摘 要：電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）是一種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是通過電機提供的輔助扭矩來影響動力轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)。EPS在原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控技術(shù)和傳感器，使得轉(zhuǎn)向性能更加便捷與完善。電子技術(shù)與轉(zhuǎn)矩傳感器的發(fā)展決定了電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的質(zhì)量與性能高低，同時其對電動機的尺寸大小及功率也有著較為苛刻的要求。轉(zhuǎn)向性能的好壞直接影響著車輛的安全與穩(wěn)定性。隨著電子技術(shù)的不斷進步，電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也將不斷發(fā)展完善，未來電子助力一定會成為主流的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。關(guān)鍵字：基本組成;工作原理;特點;電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分類;轉(zhuǎn)向設(shè)計與分析中圖分類號：U462.1 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-59-03

Abstract： Electronic power steering system （EPS） is a power steering system that affects power steering by the auxiliary torque provided by the motor.EPS added electronic control technology and sensor to the original steering system， making the steering performance more convenient and perfect.?The development of electronic technology and torque sensor determines the quality and performance of the electronic power steering system.The steering performance directly affects the safety and stability of the vehicle.?With the continuous progress of electronic technology， electronic power steering system will continue to develop and improve， the future electronic power will become the mainstream of the steering system.Keywords： Basic Composition; Working Principle; Characteristic; Classification Of Electronic Power Steering System; Turn To Design And AnalysisCLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-59-03

前言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)輕巧、布置緊湊、效率高、耗能少、經(jīng)濟環(huán)保等特點。與傳統(tǒng)的液壓式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)相比，更能減輕駕駛員的操作負擔(dān)提高操縱性能、舒適性和安全性。所以說電子助力系統(tǒng)在未來具有更大的發(fā)展?jié)摿εc優(yōu)勢。隨著社會科技的進步，生活水平的提高，人們對車輛的要求越來越高，這就需要我們對車的助力傳動系統(tǒng)來進行研究，提出優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向操縱性能的指標(biāo)，對各部件的選用和分析進行設(shè)計與仿真，研究結(jié)構(gòu)及參數(shù)的改變對轉(zhuǎn)向操縱性能指標(biāo)的影響，為優(yōu)化和創(chuàng)新轉(zhuǎn)向系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，以此來解決不同的需要。

1 EPS基本組成

電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡稱EPS（Electric Power Steering），系統(tǒng)部件由電子控制單元（簡稱ECU）、轉(zhuǎn)角速度傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器、動力轉(zhuǎn)向電動機及減速機構(gòu)等組成。

1.1 轉(zhuǎn)向速度傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器

傳感器是一種信號轉(zhuǎn)換裝置，可以將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，主要的作用是向汽車電腦提供各種工況信息。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器集成在方向盤下的時鐘彈簧內(nèi)，用來檢測方向盤的中間位置，轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)動角度和速度信號。輪速傳感器在ESP中起到檢測車輪旋轉(zhuǎn)速度，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸入到控制單元ECU中。

轉(zhuǎn)矩傳感器不斷測量出轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩信號，電控單元根據(jù)這些輸入信號，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，就是選定電動機的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動力的大小。

1.2 電子控制單元

由微處理器、存儲器、輸入/輸出接口（I/O）、電壓調(diào)節(jié)器以及輸入輸出信號處理電路組成。ECU的硬件和軟件之間用CAN總線聯(lián)系，在ECU上建立的控制系統(tǒng)，對汽車有高效的控制作用。

1.3 動力轉(zhuǎn)向電動機

動力轉(zhuǎn)向電動機是一個12V無刷式直流雙向電動機，額定電流為65A，動力轉(zhuǎn)向電動機通過安裝在轉(zhuǎn)向管柱殼上的渦輪和減速齒輪連接在轉(zhuǎn)向柱上。

1.4 減速機構(gòu)

減速機構(gòu)把電動機的輸出經(jīng)過減速增扭傳遞到動力輔助單元，實現(xiàn)助力。減速機構(gòu)設(shè)計是電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。

2 工作原理

當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向的時候，傳感器會探測到方向盤的力矩及其的轉(zhuǎn)動的方向，將這些信號傳遞到ECU，ECU會根據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)動方向、產(chǎn)生的力矩及車輛的速度數(shù)據(jù)來向電動機發(fā)出動作信號指令，使得電機輸出相應(yīng)的大小及方向的力矩，從而產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)向的效果。

當(dāng)汽車不轉(zhuǎn)向的時候，電控單元（ECU）不發(fā)出指令，電動機不工作。電控單元還會根據(jù)汽車的速度來給方向盤一個力矩，使得駕駛?cè)藛T有一個更好的操作環(huán)境，如圖1所示。

3 電動式EPS的特點

電動式EPS與傳統(tǒng)的液力式相比較，有以下幾點優(yōu)勢：

（1）其的助力性能更優(yōu)秀。

（2）效率更高。

（3）耗能少，不需要發(fā)動機驅(qū)動，減少了燃油的消耗。

（4）路感好，可以根據(jù)駕駛員的習(xí)慣來進行調(diào)整。

（5）回正性好，內(nèi)部阻力小。

（6）獨立于發(fā)動機工作，無論發(fā)動機處在什么狀態(tài)下，都可產(chǎn)生助力作用。

（7）應(yīng)用范圍廣泛，EPS可應(yīng)用在各種類型的汽車上。

（8）整車布置便捷，零部件少，尺寸小，利與裝配。

4 電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分類

電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）可以分為轉(zhuǎn)向管柱驅(qū)動 齒條傳動和齒輪驅(qū)動三種類型。這三種電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都有一個齒條齒輪轉(zhuǎn)向器。在轉(zhuǎn)向管柱驅(qū)動中，輔助電動機連接在轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)的轉(zhuǎn)向軸上;在齒條傳動中，電動機連接在轉(zhuǎn)向器的齒條上，用來提供轉(zhuǎn)向輔助;在齒輪驅(qū)動類型中，電動機是連接在轉(zhuǎn)向器驅(qū)動齒輪上。

4.1 轉(zhuǎn)向管柱驅(qū)動

轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向柱助力式EPS具有結(jié)構(gòu)簡單和維修方便的特點。助力電機安裝在轉(zhuǎn)向柱上，電機助力扭矩通過蝸輪蝸桿減速增扭后直接作用在轉(zhuǎn)向柱上。相對于 其他EPS，它對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改動最小，所 以最適合將以前生產(chǎn)的無助力效果的 純機械轉(zhuǎn)向汽車改裝成電動助力轉(zhuǎn)向汽 車。電機可以裝在轉(zhuǎn)向柱的任何位置，轉(zhuǎn)向柱式的成本最低，目前市場占有量較大。

4.2 齒條傳動

齒條助力式齒條助力式EPS電機、減速裝置套在齒條外側(cè)，通過錐齒輪和滾珠絲杠構(gòu)成二級減速機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)最緊湊，性能最好，電動機直接帶動進行齒條助力，助力效果最好，響應(yīng)時間最短，電動機的振動、噪聲都不容易傳遞給駕駛員。

4.3 齒輪驅(qū)動

齒輪助力式齒輪助力式EPS通過小齒輪和齒條嚙合，電機的助力扭矩傳輸在小齒輪軸上，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。與轉(zhuǎn)向柱式EPS相比，在不增加質(zhì)量的情況 下，增大了系統(tǒng)的剛度，不需要管柱部 件傳遞，電機可以提供更大的助力。它 安裝在駕駛室外，位于發(fā)動機室的下方，常受到塵土、泥巴和雨水等的腐蝕，要求ECU、電動機、傳感器等耐高溫、防水性能好。其技術(shù)要求比轉(zhuǎn)向柱式的高一些。

5 EPS控制系統(tǒng)設(shè)計和微處理器的選取與分析

電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一個多輸入多輸出的工作系統(tǒng)，需要快速反應(yīng)出駕駛?cè)藛T的操作，從而給駕駛?cè)藛T良好的操作體驗。車輛添加電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目的就是為了更輕便的轉(zhuǎn)向，在駕駛?cè)藛T轉(zhuǎn)向時提供助力輔助是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要功能。同時其也有其他方面的作用與要求，我們需要進行綜合的考慮與分析，做出取舍，使性能最大化。

車輛行駛過程中轉(zhuǎn)動方向盤時，電子控制單元就對電動機發(fā)出指令進行控制。根據(jù)轉(zhuǎn)向時工作狀況的不同，一般可以分為助力控制模式、回正控制模式、阻尼控制模式。電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會根據(jù)汽車行駛的工作狀況采用相應(yīng)的控制模式來控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，當(dāng)汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)矩，速度等數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，EPS的模式就會快速切換，這大大降低了駕駛員操作時的負擔(dān)，同時也提高了汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。

控制系統(tǒng)中芯片通過傳感器檢測轉(zhuǎn)矩信號和車速信號，計算出電流大小發(fā)送給傳感器，電流傳感器會將實際的電流反饋給單片機，再通過控制算法進行相應(yīng)的電流補償，最后單片機發(fā)出指令使助力系統(tǒng)提供助力。

選擇哪一款微處理器是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，微處理器在這里起著至關(guān)重要的作用.微處理器要承擔(dān)處理大量輸入和輸出信號的任務(wù)，而且還要實現(xiàn)高精度的實時控制，因此微處理器必須要能進行高速實時計算，高速實時輸入和輸出，多中斷響應(yīng)等功能。本次設(shè)計選用的是飛思卡爾MCUS12P系列具有16位的MCU，作為汽車電子領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，近年來，飛思卡爾也在積極拓展MCU產(chǎn)品鏈路，并不斷改進他們的性能。S12P就是其中最經(jīng)典的一款。S12P是一款能夠用8位的價格購得的16位構(gòu)架MCU，非常適合車身控制使用。其性能如下：

S12內(nèi)核，32MHz總線，具有ECC功能高達128K的片上閃存，高達6K的RAM，具有ECC功能的4KDataFlash，1個支持CAN2.0A/B協(xié)議的MSCAN模塊，1個支持LIN通信的SCI，1個SPI，8通道，16位定時器支持輸入捕捉、輸出比較、計數(shù)器和脈沖累積器功能，10通道，12位分辨率的連續(xù)逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ATD），帶有6通道8位的脈寬調(diào)制（PWM）模塊，帶內(nèi)部過濾器的鎖相環(huán)（IPLL）倍頻器，4-16MHz振幅控制的Pierce振蕩器，1MHz內(nèi)部RC振蕩器，自主定期中斷（API）。

6 結(jié)束語

電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過電控單元實現(xiàn)快速反應(yīng)，使轉(zhuǎn)向更加便捷省力，讓駕駛變得更加安全，操作更加穩(wěn)定，駕駛?cè)藛T開車時能有更好駕車體驗。在進行電子助力轉(zhuǎn)向的設(shè)計與研究時，我們要多角度的去考慮其的工作特性以達到所需的目標(biāo)。

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