电动助力转向系统(EPS)应用及发展

2013-03-05崔国杰

汽车零部件 2013年4期

关键词：方向盘电动机扭矩

崔国杰

(广州汽车工程研究院，广东广州 510640)

1 转向系统概述

随着工业技术的发展，汽车技术也与时俱进。转向系统作为汽车重要的部件，从纯机械手动驱动到动力液压驱动和电子控制液压驱动，再到电动助力机械驱动，助力转向性能日益提高，满足了消费者追求安全、舒适、轻便的驾驶需求。

1.1 机械式转向(MS)

机械式转向系统采用纯粹的机械解决方案。为了产生足够大的转向扭矩，方向盘转动的圈数较多，方向盘直径也较大，占用驾驶空间。无需消耗发动机动力，路感最好，但是路面冲击较大，驾驶员的负担较重。目前，只在A0级轿车及微型商用车上应用。

1.2 液压助力转向(HPS)

为了减轻驾驶者的劳动强度，在机械转向系统基础上增加液压加力装置而形成了液压助力转向系统(Hydraulic Power System，HPS)。可以通过调整扭杆刚度和转向阀的曲线获得不同的助力特性，是目前应用最广泛的助力形式。

液压助力转向系统减小了方向盘转动的圈数，降低了转向操纵力，提高了响应灵敏性;但是，在系统布置、装配、密封性、能量消耗、磨损噪声等方面存在不足。

1.3 电控液压助力转向(EHPS)

HPS只具有单一的助力特性曲线，且能量消耗大。为了克服这些缺点，在液压助力转向系统中增加了电子控制和执行元件，将车速信号引入到系统中，实现了车速感应型助力特性。这类系统称为电动液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power System，EHPS)。EHPS采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可以调整，从而可以减少部分能量消耗。

EHPS可以提供多条助力特性曲线，实现了随速助力功能。但由于电控系统增加了成本，只在少数配置较高的车型中应用。仍然存在液压助力转向系统的一些缺点，如零部件数量较多，存在密封性、噪声高、能量消耗大的问题。

1.4 电动助力转向(EPS)

在机械转向系统的基础上，增加电动机、控制器和减速机构等相关零件，依靠电动机提供辅助转向扭矩的动力转向系统，称为电动助力转向系统(Electric Power System，EPS)。

EPS与传统的液压助力转向系统相比较，有如下优点:

(1)机械效率高，燃料消耗量低。据有关资料报道，EPS的燃料消耗量约为HPS的20%，可降低整车燃油消耗量的2% ～5%［1］。

(2)零件数量少，布置方便，质量轻。与HPS相比，减少了转向油泵及支架、转向油管、转向储液罐等零部件，也无需加注转向液。因此，减少了转向系统的零部件数量和质量，易于系统在车辆的布置;减少了主机厂生产线的装配时间，降低了零部件的物流成本。

(3)优良的控制性能［2］。EPS可以进行软件编程。当系统的电动机、传感器、减速机构等硬件设计完成之后，设计者仅需要改变存储器中的助力特性曲线和控制算法，就可以调节和优化方向盘的转向特性、转向手感、转向灵敏度和汽车的稳定性，获得新的助力性能。在全车速范围内，实现了真正的随速助力功能，提供了优异的驾驶控制性能。

(4)优异的转向性能。EPS可以对驾驶员的手力和转角信号做出快速而柔顺的响应，获得较好的转向感觉;系统具有鲁棒性能，可抑制路面的干扰和传感器噪声，吸收道路的颠簸，提供适中的路感。

(5)利于整车CAN总线控制功能的应用。EPS可以与主动悬架、ABS、车轮驱动力控制等系统结合，达到最优的车辆行驶性能，为实现自动泊车系统奠定了基础。

(6)可靠性高。EPS的部件，如传感器、控制器等采用了无故障设计和失效保护设计等措施，确保系统安全可靠。

(7)应用广泛。目前，主要应用于轿车，随着新能源汽车的开发，电动汽车、混合动力汽车、然燃料电池车都会采用EPS，满足整车的性能需求。

2 EPS系统的应用现状

2.1 EPS系统结构和工作原理

EPS系统一般由机械转向机构、电动机、离合器、扭矩传感器和控制器车速传感器等组成。目前较新的设计方案中，去掉了离合器这个零件。图1为电动助力转向的基本结构。其工作原理如下:在操作方向盘时，扭矩传感器根据输入力的大小产生相应的电压信号，控制器接收该电压信号，进行数据处理获得转向力的大小和方向盘转动的速度和加速度;同时根据车速传感器发出的脉冲信号测得车速，控制器ECU根据车速信号和扭矩信号进行计算，产生相应的目标电流，从而控制助力电机输出适当的助力。

2.2 EPS的分类及特点

根据助力电机安装位置的不同，EPS系统主要分为以下3种类型:转向轴助力式(Column-EPS)、转向齿条助力式(Rack-EPS)、转向齿轮助力式(Pinion-EPS)。图2为EPS的3种结构形式。

转向轴助力式EPS。电动机布置在驾驶舱内，采用蜗轮蜗杆式减速机构。由于驾驶舱环境较好，对电动机和控制器的高低温性能要求较低，制造成本低，系统稳定性高，技术难度小。因电机和减速机构与驾驶员距离近，其噪声和振动是制造过程中控制的难点。另外，受转向轴等零件的材料强度限制，助力扭矩较小。Column-EPS在A级以下轿车应用较多，是目前应用最广泛的电动助力转向形式。

转向齿条助力式EPS。电机与齿条平行布置在发动机舱内，采用涡轮滚珠丝杠式减速机构。受发动机高温的影响，对电动机和控制器的高低温性能要求很高，技术难度大，加工制造成本高。可以提供很大的助力。

转向齿轮助力式EPS。采用涡轮蜗杆式减速机构，布置在发动机舱内。受发动机高温的影响，对电动机和控制器的高低温性能要求很高，技术难度大，加工制造成本较高。可提供比转向轴助力式EPS大的助力扭矩。

2.3 EPS的应用情况

国内最早采用转向轴助力式EPS的车型是昌河铃木的北斗星，使用有刷直流电机，助力扭矩较小。自主品牌中，长安奔奔、奇瑞A3是较早采用转向轴助力式EPS的车型。日系车型中广泛采用转向轴助力式EPS，如丰田的卡罗拉、花冠、汉兰达等，日产的骐达、颐达等，马自达公司的马自达2等。美国福特的嘉年华也采用转向轴助力式EPS。大众的斯柯达系列则采用转向齿轮助力式EPS。

EPS的供应商多数集中在日本企业，如JTEKT、NSK、昭和等。JTEKT是全球最大的转向系统供应商，具有全系列EPS产品，广泛应用在丰田、本田、日产等公司的车型上。昭和、NSK也为多数日企配套。TRW是美国企业，其产品有两大类:转向轴助力式EPS和转向齿条助力式EPS，主要客户为福特和马自达。万都是韩国企业，主要客户为现代和起亚。国内开发EPS的供应商有易力达、恒隆、豫北等。产量最大的是易力达，主导产品是转向轴助力式EPS，其产品主要应用在A0级轿车上，为国内多数的自主品牌供货，如长安奔奔mini、夏利等。

目前，国内主机厂新开发的车型中，受国家环保法规的影响，多增加了EPS配置，以减少燃油消耗、提升整车的动力性。

3 EPS关键部件及性能分析

3.1 扭矩传感器

扭矩传感器的作用是采集驾驶员施加在方向盘上的力矩大小，把电压信号经过处理后发给ECU。该信号是EPS的主要控制信号之一，其准确性和可靠性直接影响EPS的助力输出特性。目前，车辆上应用的EPS都具有扭矩传感器。但是，这种传感器无法检测出方向盘转动的角度和角速度。为了实现精确转向控制，通常需要增加一个转角传感器，检测方向盘转动的角度和角速度。现在的发展趋势是扭矩传感器和转角传感器集成化，并采用非接触结构形式，如磁环－霍尔式、光电式等。既可以满足EPS对制造成本、尺寸、精度和抗电磁干扰性等方面的要求，又能适应汽车智能化和集成化的发展趋势。

3.2 电动机

电动机的作用是根据ECU的控制指令输出合适的助力扭矩，其性能直接影响汽车转向时的驾驶员操作手感。它既是EPS的动力源，也是EPS的关键技术之一。对电机的要求有如下:控制性能良好、响应快、波动小、尺寸小、可靠性高。目前，常用的电动机类型是有刷直流电机机、无刷直流电动机。直流电动机具有优良的机械特性和调节特性，且结构简单、运行可靠。受限于国内电机的制造水平和成本压力，国内EPS制造商多采用有刷直流电机。

3.3 控制器

ECU是控制器的核心，它根据各传感器的输入信号进行计算分析，得出控制参数的最佳值，然后发出控制指令给电动机，控制其动作。常采用8位或16位单片机为核心硬件系统。

控制系统硬件常采用PID控制［3］，增加鲁棒性检测，以提高系统的稳定性。ECU的控制算法应用较多的是比例加微分控制，它可以提高EPS的助力力矩、改善系统的跟随响应特性。

常见的EPS助力特性有直线型、折线型和曲线形3种。分别如图3(a)、(b)、(c)所示。助力特性曲线一般分为3个区域:0～Td0为无助力区，也称为死区;Td0～Td为助力变化区;Td≥Tdmax为助力保持区。Td0是EPS开始助力时的方向盘输入力矩，Tdmax是EPS提供最大助力时的方向盘输入力矩。直线型助力特性数据量最小，对CPU要求低，性能也较低，常用于A0级小车;折线型助力特性数据量较大，性能高于直线型，A级车应用多;曲线型数据线最大，对CPU要求最高，常采用16位或32为CPU，助力性能最好，常用于较高配置的车型中。

4 EPS发展前景

1988年，日本铃木公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo(现在的JTEKT)公司研发的转向轴助力式EPS系统，至今已经有30年的历史，EPS的技术日趋成熟。

稀土永磁材料极高的磁性能，加快了稀土永磁同步电机的发展，这种电机具有结构简单、运行可靠、质量小、效率高、转子转动惯量小、响应灵敏等优点［4］。随着稀土永磁材料和电子元器件制造工艺的发展，性价比不断提高，稀土永磁电机必将取代传统的电动机，占据EPS电机的主导地位。

汽车上电子装置日益增多，如能采用24 V的蓄电池，则可以使电动机在较低的输出电流下获得较高的输出功率，既降低了EPS系统的能耗和发热，又能改善系统的性能。

微电子技术的进步，使32位微处理器的价格大幅下降。高性能处理器可以运行复杂的算法，如模糊控制算法、神经网络控制算法等，增加软件的附属功能，如自动泊车、防止车辆跑偏等辅助功能，并满足实时性的要求。

EPS转向助力特性的控制策略通常是电机助力电流控制。当转向参数变化时，方向盘的转动力矩会随之变化。以方向盘转动力矩为目标进行控制，可以改善转向轻便型和路感，加快转向响应速度，进一步提高行驶安全性。

目前，EPS的输入信号，仅有车速信号和方向盘转矩信号。当把方向盘转角信号、车身的横摆角速度信号、车身的侧倾角信号引入控制系统之后，并通过CAN总线与ABS/ESP、牵引力控制系统、侧倾控制系统、雷达测距系统等结合在一起，让车辆始终运行在安全阈值内，将大幅提高整车的主动安全性。

全电动转向技术(也称为线控转向，Steering-by-Wire)取消了方向盘与转向车轮之间的机械连接，完全通过电机来实现［5］。它由方向盘总成、控制器和前轮转向机构组成。方向盘总成把转向信号、转动力矩、转动角度、转动速度等信号输入给控制器;控制器对采集的信号进行分析处理，然后发出指令，控制转向电机和转向回正电机的工作，让汽车实现转向并提供给驾驶员相应的路感。控制器还对驾驶员的操作指令和汽车运行状态进行判断，必要时自动进行驾驶控制，使汽车稳定行驶。与EPS相比，全电动转向技术提供更佳的操纵稳定性，主动和被动安全性更高，转向性能设计更自由。