电动助力转向电机的应用

2014-12-02胡培俊

汽车电器 2014年2期

胡培俊

（日本电产凯宇汽车电器（江苏）有限公司，江苏常州 213025）

现代汽车的转向系统已经从最初的机械式转向、液压助力转向（Hydraulic Power Steering，HPS）发展到电动助力转向（Electric Power Steering，EPS）技术。随着微电子控制技术在汽车领域的广泛使用，以及世界节能环保两大主题的推广，EPS的优越性越来越突出，成为转向技术研究的重点和热点内容。早在1980年，国外就已经研制成功EPS并装车使用。据美国天合（TRW）公司预测：到2015年，全球范围内电动助力转向器的装车率将达到50%，中国对EPS的研究起步较晚，但目前已有十多家高等院校和科研单位正在进行该项技术的研究，并已取得了较大的进展［1］。因此，作为转向系统的动力能源提供者，助力转向电机（Electric Power Steeringmotor，以下简称为EPS电机）也成为研究的热点。EPS系统简图如图1所示。

EPS电机是永磁直流电机，是通过永磁体建立励磁磁场的直流电机。它除了具有普通电励磁直流电机所具备的下垂的机械性能、线性的调节特性、调速范围宽和便于控制等特点外，还具有体积小、效率高、用铜量少、结构简单和运行可靠等优点。

1 EPS电机的分类

EPS电机主要分为EPS有刷电机（主要用在中低端的乘用车上）和EPS无刷电机（主要装配在中高端乘用车和商用车上）。目前在国内EPS有刷电机已经批量配套，EPS无刷电机目前仍处于研发阶段，其主要难点在于控制器部分无法匹配，致使无法批量配套。

1.1 EPS有刷电机的结构

EPS有刷电机结构如图2所示。由端盖刷架组件、定子组件、转子组件等部件组成。其中端盖刷架组件接受控制器输出的电流，并通过刷架组件将其输送到转子组件。转子组件由轴、电枢片叠组、换向器、电枢绕组等零部件组成，通电后电枢绕组在磁场中形成切向力，使转子组件转动。定子组件由机壳、磁瓦（铁氧体）等组成，为转子组件旋转提供永磁场。

1.2 EPS无刷电机的结构

EPS无刷电机结构如图3所示。由输出轴、前端盖、定子组件、转子组件、线束组件、后端盖组件、后盖等零部件组成。其中定子组件由机壳、电枢片叠组、电枢绕组等组成，为转子组件旋转提供感应磁场。转子组件由轴、磁瓦，电枢片叠组、不锈钢箍等组成，通过磁力带动转子转动。接线架组件由定位支架、接线排等组成，接线架组件与控制电路连接，为电枢绕组提供开关电路。后端盖组件由后端盖、线束组件、位置传感器等组成。位置传感器通过检测转子组件位置，并将信号传输给控制电路，便于控制电路为电枢绕组提供准确的开关电路。

1.3 EPS有刷电机和无刷电机区别

EPS有刷电机采用机械换向，通电导体在旋转部件中。EPS无刷电机采用电子换向，通电导体在定子中，通过控制板中的开关电路的通断向电枢绕组通电，实现电机的换向转动。由于无刷电机取消电刷和换向器等机械换向结构，同时其旋转部件中无导体，因此EPS无刷电机比有刷电机具有更高的可靠性。

2 EPS电机的原理

2.1 EPS系统的工作原理

电子控制动力转向系统是利用电动机作为助力源，根据转向参数和车速等，由电子控制单元ECU驱动电机完成助力工作，其控制框图如图4所示。

不转向时，电动机不工作，EPS系统处于STANDY状态。当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断检测转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制器，由控制器中的微机根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力［1-2］。

2.2 EPS有刷电机的工作原理

EPS有刷电机是一种永磁直流有刷电机，其工作原理如图5所示。当驱动电路向电机输出电流时，通过刷架总成、换向器，到转子组件上的电枢绕组，形成切向力，使转子组件旋转，电机转动，输出辅助转矩；当驱动电路输出反向电流时，电枢绕组中的电流反向，形成反向切向力，使电机反向转动，输出反向的辅助转矩。由于电机采用了斜槽设计，提高了电机换向的灵敏度，从而实现快速频繁的换向。

2.3 EPS无刷电机的工作原理

EPS无刷电机工作原理如图6所示。永磁无刷直流电机一般由电动机本体、带有电枢绕组的定子和永磁转子、位置传感器和电子换向电路组成。在无刷直流电机中，借助反映转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子换相去驱动与电枢绕组联接的相应的功率开关元件，使电枢绕组依次馈电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换流过程的实质。

3 EPS电机的应用和发展

助力电机是EPS的动力源，它的作用是根据ECU的控制指令输出合适的助力转矩。目前EPS的助力电机多采用直流有刷电机，这种电机的技术成熟、控制器简单、成本低。因此短时间内仍将在EPS电机中占据主导地位。有刷电机的电刷易磨损，功率密度较低，换向器的电火花容易产生电磁干扰。无刷电机采用电子换向，减少了换向时的电火花，不需要经常维护，有较高的功率。因此，直流无刷电机更具有长远的竞争优势。

由于汽车车载电源的电压大多为12 V，助力电机不能提供更大的助力转矩以满足商用车对转向轻便性的要求，而且随着汽车上的电子装置越来越多，若能采用42 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，还能改善系统的性能［1］。

随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高，对汽车NVH （Noise—噪声；Vibration—振动；Harshness—不舒服的感觉）的研究也成为一个热门项目。目前国内装配EPS系统大部分为C-EPS系统，电机处于驾驶室内部，其噪声和振动会直接影响驾驶者的舒适性。国外EPS主机厂对EPS电机的NVH有详细的要求；国内主机厂虽然没有明确的标准，但是对电机的噪声已经有较严格的测试要求。因此，EPS电机的减振、降噪将是EPS电机的发展趋势。