电动液压助力转向技术研究现状分析

解后循，高 翔

(1.浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000； 2.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引 言

随着汽车技术向安全、节能和环保方向发展，如何提高助力转向系统性能，降低系统能耗已成为转向系统设计人员和消费者关注的问题。

传统纯液压助力转向系统存在助力比固定、高速路感差及能源利用效率低等缺点；通过采用电磁阀对助力控制阀的流量进行控制，电液助力转向系统实现了变助力，提高了车辆的操纵路感，但由发动机驱动的液压泵输出流量基本恒定，系统仍造成大量的能源浪费[1]。

近年来，电动助力转向技术取得了较快的发展，在乘用车上也得到了较为广泛的应用。但由于使用的助力电机功率较小、控制方法复杂，且不具备人员长期习惯的液力感觉和路感[2]，使得其使用范围受到一定的限制；而液压助力系统具有输出力大，衰减振动，转向感觉平顺，可靠安全的优点[3]。对于中等功率(500～1 000 W)和大功率的伺服助力机构，液压方案仍为最佳选择[4]。

电动液压助力转向技术(EHPS)将成熟的电机控制技术与液压助力转向技术结合，既具有液压助力转向系统大助力及技术成熟可靠的特点，又具有电机的高效率、易控制优点[3]，适用于各种车型。控制器(ECU)根据方向盘转角和车速传感器等信号计算电动液压泵目标转速，驱动液压泵跟随目标转速以达到理想的助力要求。由于助力液压泵采用电机驱动，使得液压泵的运行状态与发动机工况无关，可以按照车辆转向所需的助力大小要求控制电动机的转速，获得降低系统能耗水平及提高转向助力性能的效果。

笔者对电动液压助力转向技术的研究现状进行了探讨并对亟需研究和解决的问题进行了分析。

1 国外研究概况

国外关于电动液压助力转向技术方面的文献较少，相关学者主要在以下方面进行了重点研究。

1.1 系统节能控制技术

1.1.1 单参数电机转速控制

20世纪80年代，为使液压泵的运行状态易于控制以实现降低系统能耗及可变助力的功能，国外学者开始研究由直流电机驱动的液压助力转向系统。E.F.JAMES等[5]对前轴载荷低于600 kg小型车辆使用电动液压助力转向系统的研发过程进行了详细介绍，该系统只采用单一车速信号对电动液压泵的转速进行开环控制，可根据车速变化而改变系统助力比，实现可变助力转向功能，改善车辆的操纵性能。由于液压泵的运行与发动机转速状态脱离，车速高时，液压泵转速降低，消耗功率降低。该系统的能源消耗约为发动机驱动油泵系统的35%。但在非转向工况，电机仍以正常转速运转，造成的能源浪费仍然较大。

20世纪90年代，系统得到了进一步发展，出现系统专用电控单元。为了进一步降低系统能耗，当没有转向操作时，系统对驱动电机的转速进行控制，降低了电机的转速和能耗[6]。

1.1.2 双参数电机转速控制

进入21世纪，研究者采用无刷直流电机驱动液压泵，提高了系统的可靠性和寿命；同时根据车速和方向盘角速度对电机转速进行控制，提高了系统对转向操纵的响应性能，在降低系统能耗同时，使得控制更加精确[7]。

TRW公司在我国率先为上海大众POLO轿车配备了该种EHPS系统。由于其良好助力转向性能，赢得了良好口碑。

1.1.3 系统能耗分析及多工况控制策略

P.E.PFEFFER等[8]通过建立系统能耗数学模型分析了影响能耗的主要因素，认为在非转向工况下系统的液压油压降对能源消耗具有重要影响。

为了进一步降低非转向工况系统的能耗，K.FUJITA[9]分析了不同行车工况下电动液压泵的节能策略，提出了适应多种驾驶工况的电动液压泵控制方式。

1.2 商用车电动液压助力转向系统研发

由于要求的助力系统功率较高，商用车的动力转向系统一般采用传统的液压助力转向系统，能源的利用效率较差，如何对其进行节能改造是其助力转向技术研究的主要方向。

V.V.KOKOTOVIC等[10]系统地介绍了电动液压助力转向系统主要部件及控制系统的数学建模方法，并对系统进行了仿真研究。S.H.RHYU等[11]介绍基于永磁同步电机的42VEHPS电动液压泵单元的研发过程。J.GESSAT[12]介绍了轻型商务车的大功率(1kW以上)EHPS系统系列产品的技术参数及应用实例。R.MCCANN等[13]则对某大型商用铰接车辆的电动液压助力转向系统控制策略进行了分析，根据该类车辆的转向力矩特点，研究对车辆铰接角度变化率进行反馈控制的方法。

2 国内研究现状

国内科研机构对电动液压助力转向技术的研究主要集中在3个方向。

2.1 系统助力特性

助力转向系统既要满足车辆转向操作的轻便性，又要使驾驶员在操纵时获得足够的“路感”，所以助力特性的设计是助力转向系统设计的基础。相关学者对此进行了研究，提出了几种助力特性设计方法。

2.1.1 助力转阀特性分析

高峰等[14]对分流式ECHPS助力转向系统进行数学建模，并对其转向力特性曲线进行了分析。郭晓林等[15]提出基于串、并联关系的等效液阻网络和分析方法，在此基础上，对典型液压助力转向系统助力特性进行了分析研究。

2.1.2 助力特性的分析和设计

惠晓丹[16]通过对多种助力特性曲线的特点进行分析，建议采用直线型助力特性曲线。赵金海[17]为满足紧急工况下的助力矩控制要求，提出一种基于方向盘角速度的附加力矩控制策略。刘亚辉等[18]提出基于“路感”的助力特性设计方法。仿真结果表明：所设计的助力特性，在保证高速工况有合适的操纵路感和车辆稳定性的前提下，能满足低速工况所需的转向操纵轻便性要求。

2.2 系统建模及控制技术

2.2.1 系统数学建模及仿真

石培吉等[19]建立了考虑液流动态摩擦效应的液压管路数学模型，提出了EHPS原地转向、行驶转向和直线行驶控制策略。王豪等[20]运用AMESim仿真软件对电动液压助力转向系统进行建模，采用车速及方向盘转动角速度作为系统控制参数。仿真结果表明，该系统具有高速工况小助力、低速工况大助力等特点，同时系统的转向助力随动性能及方向盘回正性能也得到了相应的提高。何仁等[21]介绍了一种电动液压助力转向系统仿真试验平台的研发，应用此试验平台对在农村道路驾驶工况下影响系统能耗的主要因素进行了研究。李强等[22]采用仿真和实车试验相结合的方法对电动液压助力转向系统的能耗进行分析，结果表明非转向工况下电机怠速损失是主要因素，转向工况下转向阀的功率损失是最大的。

2.2.2 电动液压泵控制技术

电动液压泵控制技术的研究包括两个方面：驱动电机目标转速的拟合及转速控制方法。

考虑控制系统硬件数据存储空间的限制，系统储存的为离散车速下的驱动电机目标转速，对中间车速下出现的电机目标转速盲区，朱佩等[23]提出了一种基于BP神经网络控制算法，优化得到所有车速下的电机目标转速，克服了转速盲区对助力效果的影响。李宏伟[24]通过仿真模拟，分析了具有助力死区补偿算法的转速双闭环PI控制，分析了电机转矩脉动原因。对电机驱动方法进行改进，仿真结果表明改进的控制方法提高了电动液压泵起动性能和实时响应性能；降低了电机转矩脉动，无刷直流电机运行平稳性得到了明显改善。

2.3 控制系统软硬件研发

目前国内还没有成熟的商用电动液压助力转向系统产品。部分研究人员进行了系统工程设计和试制的探索。

罗绍新等[25]研发了一种采用ARM微处理器的EHPS系统，系统采集方向盘角速度、方向盘转矩和车速信号，通过PWM斩波信号控制电动液压泵驱动电机的转速，控制系统的助力大小。高发廷[26]对中国重汽集团公司电动液压助力转向系统ECU软、硬件设计开发进行介绍，试验结果表明所设计的产品接近国外产品的水平，具有较大的商业化前景。

3 结语及展望

对电动液压助力转向技术的研究主要集中在系统控制策略分析、助力特性曲线分析、系统建模仿真、主要部件研发过程的介绍等方面；相关学者在涉及系统助力特性、电动液压泵特性设计及系统主要参数设计等方面时，主要以一些试验或经验数据做支撑，对产品设计的指导性不够，系统的设计理论和方法有待进一步研究和完善。

3.1 操纵“路感”的定义和量化

助力转向系统的主要功能是为驾驶员提供一个适当的转向助力矩，降低驾驶员操纵强度；同时方向盘必须给驾驶员一个适当的反馈力矩，即“路感”。虽然国内外学者对“路感”概念有所论述，但主要为定性分析，学界还没有公认、量化的定义，不能有效指导转向系统助力特性的设计，也不能对各种助力特性的设计方案进行客观公正的评价。

可见，如何对驾驶员的转向操纵“路感”进行定义和量化是助力特性设计的理论基础，具有非常重要的意义。

3.2 电动液压泵动态特性的评价

电动液压泵既要对驾驶员的转向操作快速响应，又要具有较高能源利用效率，降低油耗。如何实现上述目标，涉及到对电动液压泵的动态特性设计，主要内容包括不同转向工况下电动液压泵的目标转速及流量、电动液压泵设计及电机控制系统设计等；而涉及这方面的设计理论欠缺，开展对EHPS电动液压泵特性设计与评价方法的研究具有较高的工程应用价值。

3.3 电动液压助力转向系统优化设计

电动液压助力转向系统的设计需要考虑方向盘操纵轻便性、最佳路感反馈及最小能源消耗等多个方面的因素，是多参数的优化设计。

目前，有关电动液压助力转向系统的参数匹配优化设计的研究文献较少，现有文献也主要局限于对系统主要参数的选择方法及参数变化对系统性能的影响分析等，不能有效指导对系统的多目标参数优化匹配设计。该系统的多目标参数优化设计方法有待进一步的研究。

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