電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)應(yīng)用及發(fā)展

崔國杰

(廣州汽車工程研究院，廣東 廣州 510640)

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車技術(shù)也與時俱進(jìn)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車重要的部件，從純機(jī)械手動驅(qū)動到動力液壓驅(qū)動和電子控制液壓驅(qū)動，再到電動助力機(jī)械驅(qū)動，助力轉(zhuǎn)向性能日益提高，滿足了消費者追求安全、舒適、輕便的駕駛需求。

1.1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向(MS)

機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用純粹的機(jī)械解決方案。為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向扭矩，方向盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)較多，方向盤直徑也較大，占用駕駛空間。無需消耗發(fā)動機(jī)動力，路感最好，但是路面沖擊較大，駕駛員的負(fù)擔(dān)較重。目前，只在A0級轎車及微型商用車上應(yīng)用。

1.2 液壓助力轉(zhuǎn)向(HPS)

為了減輕駕駛者的勞動強(qiáng)度，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加液壓加力裝置而形成了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power System，HPS)?？梢酝ㄟ^調(diào)整扭桿剛度和轉(zhuǎn)向閥的曲線獲得不同的助力特性，是目前應(yīng)用最廣泛的助力形式。

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減小了方向盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，降低了轉(zhuǎn)向操縱力，提高了響應(yīng)靈敏性;但是，在系統(tǒng)布置、裝配、密封性、能量消耗、磨損噪聲等方面存在不足。

1.3 電控液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS)

HPS只具有單一的助力特性曲線，且能量消耗大。為了克服這些缺點，在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加了電子控制和執(zhí)行元件，將車速信號引入到系統(tǒng)中，實現(xiàn)了車速感應(yīng)型助力特性。這類系統(tǒng)稱為電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power System，EHPS)。EHPS采用電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)整，從而可以減少部分能量消耗。

EHPS可以提供多條助力特性曲線，實現(xiàn)了隨速助力功能。但由于電控系統(tǒng)增加了成本，只在少數(shù)配置較高的車型中應(yīng)用。仍然存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一些缺點，如零部件數(shù)量較多，存在密封性、噪聲高、能量消耗大的問題。

1.4 電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)

在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加電動機(jī)、控制器和減速機(jī)構(gòu)等相關(guān)零件，依靠電動機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)向扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，稱為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power System，EPS)。

EPS與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較，有如下優(yōu)點:

(1)機(jī)械效率高，燃料消耗量低。據(jù)有關(guān)資料報道，EPS的燃料消耗量約為HPS的20%，可降低整車燃油消耗量的2% ～5%［1］。

(2)零件數(shù)量少，布置方便，質(zhì)量輕。與HPS相比，減少了轉(zhuǎn)向油泵及支架、轉(zhuǎn)向油管、轉(zhuǎn)向儲液罐等零部件，也無需加注轉(zhuǎn)向液。因此，減少了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零部件數(shù)量和質(zhì)量，易于系統(tǒng)在車輛的布置;減少了主機(jī)廠生產(chǎn)線的裝配時間，降低了零部件的物流成本。

(3)優(yōu)良的控制性能［2］。EPS可以進(jìn)行軟件編程。當(dāng)系統(tǒng)的電動機(jī)、傳感器、減速機(jī)構(gòu)等硬件設(shè)計完成之后，設(shè)計者僅需要改變存儲器中的助力特性曲線和控制算法，就可以調(diào)節(jié)和優(yōu)化方向盤的轉(zhuǎn)向特性、轉(zhuǎn)向手感、轉(zhuǎn)向靈敏度和汽車的穩(wěn)定性，獲得新的助力性能。在全車速范圍內(nèi)，實現(xiàn)了真正的隨速助力功能，提供了優(yōu)異的駕駛控制性能。

(4)優(yōu)異的轉(zhuǎn)向性能。EPS可以對駕駛員的手力和轉(zhuǎn)角信號做出快速而柔順的響應(yīng)，獲得較好的轉(zhuǎn)向感覺;系統(tǒng)具有魯棒性能，可抑制路面的干擾和傳感器噪聲，吸收道路的顛簸，提供適中的路感。

(5)利于整車CAN總線控制功能的應(yīng)用。EPS可以與主動懸架、ABS、車輪驅(qū)動力控制等系統(tǒng)結(jié)合，達(dá)到最優(yōu)的車輛行駛性能，為實現(xiàn)自動泊車系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

(6)可靠性高。EPS的部件，如傳感器、控制器等采用了無故障設(shè)計和失效保護(hù)設(shè)計等措施，確保系統(tǒng)安全可靠。

(7)應(yīng)用廣泛。目前，主要應(yīng)用于轎車，隨著新能源汽車的開發(fā)，電動汽車、混合動力汽車、然燃料電池車都會采用EPS，滿足整車的性能需求。

2 EPS系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

EPS系統(tǒng)一般由機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動機(jī)、離合器、扭矩傳感器和控制器車速傳感器等組成。目前較新的設(shè)計方案中，去掉了離合器這個零件。圖1為電動助力轉(zhuǎn)向的基本結(jié)構(gòu)。其工作原理如下:在操作方向盤時，扭矩傳感器根據(jù)輸入力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，控制器接收該電壓信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得轉(zhuǎn)向力的大小和方向盤轉(zhuǎn)動的速度和加速度;同時根據(jù)車速傳感器發(fā)出的脈沖信號測得車速，控制器ECU根據(jù)車速信號和扭矩信號進(jìn)行計算，產(chǎn)生相應(yīng)的目標(biāo)電流，從而控制助力電機(jī)輸出適當(dāng)?shù)闹Α?/p>

2.2 EPS的分類及特點

根據(jù)助力電機(jī)安裝位置的不同，EPS系統(tǒng)主要分為以下3種類型:轉(zhuǎn)向軸助力式(Column-EPS)、轉(zhuǎn)向齒條助力式(Rack-EPS)、轉(zhuǎn)向齒輪助力式(Pinion-EPS)。圖2為EPS的3種結(jié)構(gòu)形式。

轉(zhuǎn)向軸助力式EPS。電動機(jī)布置在駕駛艙內(nèi)，采用蝸輪蝸桿式減速機(jī)構(gòu)。由于駕駛艙環(huán)境較好，對電動機(jī)和控制器的高低溫性能要求較低，制造成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，技術(shù)難度小。因電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)與駕駛員距離近，其噪聲和振動是制造過程中控制的難點。另外，受轉(zhuǎn)向軸等零件的材料強(qiáng)度限制，助力扭矩較小。Column-EPS在A級以下轎車應(yīng)用較多，是目前應(yīng)用最廣泛的電動助力轉(zhuǎn)向形式。

轉(zhuǎn)向齒條助力式EPS。電機(jī)與齒條平行布置在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，采用渦輪滾珠絲杠式減速機(jī)構(gòu)。受發(fā)動機(jī)高溫的影響，對電動機(jī)和控制器的高低溫性能要求很高，技術(shù)難度大，加工制造成本高。可以提供很大的助力。

轉(zhuǎn)向齒輪助力式EPS。采用渦輪蝸桿式減速機(jī)構(gòu)，布置在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)。受發(fā)動機(jī)高溫的影響，對電動機(jī)和控制器的高低溫性能要求很高，技術(shù)難度大，加工制造成本較高?？商峁┍绒D(zhuǎn)向軸助力式EPS大的助力扭矩。

2.3 EPS的應(yīng)用情況

國內(nèi)最早采用轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的車型是昌河鈴木的北斗星，使用有刷直流電機(jī)，助力扭矩較小。自主品牌中，長安奔奔、奇瑞A3是較早采用轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的車型。日系車型中廣泛采用轉(zhuǎn)向軸助力式EPS，如豐田的卡羅拉、花冠、漢蘭達(dá)等，日產(chǎn)的騏達(dá)、頤達(dá)等，馬自達(dá)公司的馬自達(dá)2等。美國福特的嘉年華也采用轉(zhuǎn)向軸助力式EPS。大眾的斯柯達(dá)系列則采用轉(zhuǎn)向齒輪助力式EPS。

EPS的供應(yīng)商多數(shù)集中在日本企業(yè)，如JTEKT、NSK、昭和等。JTEKT是全球最大的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商，具有全系列EPS產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在豐田、本田、日產(chǎn)等公司的車型上。昭和、NSK也為多數(shù)日企配套。TRW是美國企業(yè)，其產(chǎn)品有兩大類:轉(zhuǎn)向軸助力式EPS和轉(zhuǎn)向齒條助力式EPS，主要客戶為福特和馬自達(dá)。萬都是韓國企業(yè)，主要客戶為現(xiàn)代和起亞。國內(nèi)開發(fā)EPS的供應(yīng)商有易力達(dá)、恒隆、豫北等。產(chǎn)量最大的是易力達(dá)，主導(dǎo)產(chǎn)品是轉(zhuǎn)向軸助力式EPS，其產(chǎn)品主要應(yīng)用在A0級轎車上，為國內(nèi)多數(shù)的自主品牌供貨，如長安奔奔mini、夏利等。

目前，國內(nèi)主機(jī)廠新開發(fā)的車型中，受國家環(huán)保法規(guī)的影響，多增加了EPS配置，以減少燃油消耗、提升整車的動力性。

3 EPS關(guān)鍵部件及性能分析

3.1 扭矩傳感器

扭矩傳感器的作用是采集駕駛員施加在方向盤上的力矩大小，把電壓信號經(jīng)過處理后發(fā)給ECU。該信號是EPS的主要控制信號之一，其準(zhǔn)確性和可靠性直接影響EPS的助力輸出特性。目前，車輛上應(yīng)用的EPS都具有扭矩傳感器。但是，這種傳感器無法檢測出方向盤轉(zhuǎn)動的角度和角速度。為了實現(xiàn)精確轉(zhuǎn)向控制，通常需要增加一個轉(zhuǎn)角傳感器，檢測方向盤轉(zhuǎn)動的角度和角速度?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器集成化，并采用非接觸結(jié)構(gòu)形式，如磁環(huán)－霍爾式、光電式等。既可以滿足EPS對制造成本、尺寸、精度和抗電磁干擾性等方面的要求，又能適應(yīng)汽車智能化和集成化的發(fā)展趨勢。

3.2 電動機(jī)

電動機(jī)的作用是根據(jù)ECU的控制指令輸出合適的助力扭矩，其性能直接影響汽車轉(zhuǎn)向時的駕駛員操作手感。它既是EPS的動力源，也是EPS的關(guān)鍵技術(shù)之一。對電機(jī)的要求有如下:控制性能良好、響應(yīng)快、波動小、尺寸小、可靠性高。目前，常用的電動機(jī)類型是有刷直流電機(jī)機(jī)、無刷直流電動機(jī)。直流電動機(jī)具有優(yōu)良的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。受限于國內(nèi)電機(jī)的制造水平和成本壓力，國內(nèi)EPS制造商多采用有刷直流電機(jī)。

3.3 控制器

ECU是控制器的核心，它根據(jù)各傳感器的輸入信號進(jìn)行計算分析，得出控制參數(shù)的最佳值，然后發(fā)出控制指令給電動機(jī)，控制其動作。常采用8位或16位單片機(jī)為核心硬件系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)硬件常采用PID控制［3］，增加魯棒性檢測，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。ECU的控制算法應(yīng)用較多的是比例加微分控制，它可以提高EPS的助力力矩、改善系統(tǒng)的跟隨響應(yīng)特性。

常見的EPS助力特性有直線型、折線型和曲線形3種。分別如圖3(a)、(b)、(c)所示。助力特性曲線一般分為3個區(qū)域:0～Td0為無助力區(qū)，也稱為死區(qū);Td0～Td為助力變化區(qū);Td≥Tdmax為助力保持區(qū)。Td0是EPS開始助力時的方向盤輸入力矩，Tdmax是EPS提供最大助力時的方向盤輸入力矩。直線型助力特性數(shù)據(jù)量最小，對CPU要求低，性能也較低，常用于A0級小車;折線型助力特性數(shù)據(jù)量較大，性能高于直線型，A級車應(yīng)用多;曲線型數(shù)據(jù)線最大，對CPU要求最高，常采用16位或32為CPU，助力性能最好，常用于較高配置的車型中。

4 EPS發(fā)展前景

1988年，日本鈴木公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo(現(xiàn)在的JTEKT)公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向軸助力式EPS系統(tǒng)，至今已經(jīng)有30年的歷史，EPS的技術(shù)日趨成熟。

稀土永磁材料極高的磁性能，加快了稀土永磁同步電機(jī)的發(fā)展，這種電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、質(zhì)量小、效率高、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)靈敏等優(yōu)點［4］。隨著稀土永磁材料和電子元器件制造工藝的發(fā)展，性價比不斷提高，稀土永磁電機(jī)必將取代傳統(tǒng)的電動機(jī)，占據(jù)EPS電機(jī)的主導(dǎo)地位。

汽車上電子裝置日益增多，如能采用24 V的蓄電池，則可以使電動機(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，又能改善系統(tǒng)的性能。

微電子技術(shù)的進(jìn)步，使32位微處理器的價格大幅下降。高性能處理器可以運行復(fù)雜的算法，如模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等，增加軟件的附屬功能，如自動泊車、防止車輛跑偏等輔助功能，并滿足實時性的要求。

EPS轉(zhuǎn)向助力特性的控制策略通常是電機(jī)助力電流控制。當(dāng)轉(zhuǎn)向參數(shù)變化時，方向盤的轉(zhuǎn)動力矩會隨之變化。以方向盤轉(zhuǎn)動力矩為目標(biāo)進(jìn)行控制，可以改善轉(zhuǎn)向輕便型和路感，加快轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度，進(jìn)一步提高行駛安全性。

目前，EPS的輸入信號，僅有車速信號和方向盤轉(zhuǎn)矩信號。當(dāng)把方向盤轉(zhuǎn)角信號、車身的橫擺角速度信號、車身的側(cè)傾角信號引入控制系統(tǒng)之后，并通過CAN總線與ABS/ESP、牽引力控制系統(tǒng)、側(cè)傾控制系統(tǒng)、雷達(dá)測距系統(tǒng)等結(jié)合在一起，讓車輛始終運行在安全閾值內(nèi)，將大幅提高整車的主動安全性。

全電動轉(zhuǎn)向技術(shù)(也稱為線控轉(zhuǎn)向，Steering-by-Wire)取消了方向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間的機(jī)械連接，完全通過電機(jī)來實現(xiàn)［5］。它由方向盤總成、控制器和前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。方向盤總成把轉(zhuǎn)向信號、轉(zhuǎn)動力矩、轉(zhuǎn)動角度、轉(zhuǎn)動速度等信號輸入給控制器;控制器對采集的信號進(jìn)行分析處理，然后發(fā)出指令，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)和轉(zhuǎn)向回正電機(jī)的工作，讓汽車實現(xiàn)轉(zhuǎn)向并提供給駕駛員相應(yīng)的路感?？刂破鬟€對駕駛員的操作指令和汽車運行狀態(tài)進(jìn)行判斷，必要時自動進(jìn)行駕駛控制，使汽車穩(wěn)定行駛。與EPS相比，全電動轉(zhuǎn)向技術(shù)提供更佳的操縱穩(wěn)定性，主動和被動安全性更高，轉(zhuǎn)向性能設(shè)計更自由。

5 結(jié)束語

綜上所述，汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有優(yōu)良的操縱輕便性和穩(wěn)定性，助力特性隨汽車行駛速度的變化而變化，是ESP的最大優(yōu)點。隨著EPS關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，EPS的性能將更加完善。同時，EPS與其他底盤電控系統(tǒng)結(jié)合，可以提高整車的操縱穩(wěn)定性，是汽車底盤電子技術(shù)的發(fā)展趨勢。

【1】苗立東，何仁，徐建平，等．汽車電動轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展綜述［J］．長安大學(xué)學(xué)報，2004，24(1):79 －81．

【2】李慧琪，李偉光，王元聰．汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．電腦與電信，2007(2):86 －87．

【3】王曉明．電動機(jī)的單片機(jī)控制［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002:73－84．

【4】王曉明，王玲．電動機(jī)的DSP控制－TI公司DSP應(yīng)用［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:185－186．

【5】于蕾艷，林逸，施國標(biāo)．汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)概述［J］．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007(5):3－6．