浅谈电动助力转向系统发展趋势

岳法，刘春梅

（北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101300）

前言

汽车工业经过100多年的高速历史，已经成为现代文明的主要标志之一，也是许多国家的支柱产业[1]。据中国汽车工业协会统计，2017年，中国大陆地区汽车销量为2888万辆，同比增长 3.04%。汽车转向系统作为驾驶员直接操纵的系统，其性能的好坏，直接影响客户感知，甚至会决定车辆在市场的表现，需要不断进行技术革新，满足人们的需要。

电动助力转向系统(Electric Power Steering System, EPS)是在机械转向系统的基础上，将最新的电子技术和高性能电机的控制技术应用于汽车的转向系统。它根据方向盘转矩信号和车速信号，以蓄电池为能源，电动机为动力，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操作，并获得最佳转向特性。典型的EPS结构见图1。

图1 EPS系统结构原理图[2]

由于EPS利于环保，安装方便，提高了主动安全性，并且助力特性可以根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，所以一经出现就受到高度重视，成为汽车技术发展的研究热点。随着汽车电源向48V的过渡，以及新能源汽车的推广，EPS在车辆上的使用会越来越普及。

1 EPS发展现状

对比近期三次国内车展，展出车辆中 EPS车型占比由46%激增至81%，液压助力（含电动液压）占比大幅下降，EPS已经逐渐成为主流助力型式。

图2 转向助力型式变化

目前EPS主要有三种类型：管柱助力、小齿轮助力、齿条助力，使用范围见图3。

图3 各类EPS应用范围

管柱助力式电动转向系统(C-EPS)的助力电机布置在管柱上，通过管柱实现助力功能，能实现的助力较小。一般应用在前轴载荷较小、机舱布置紧凑的小型车上。

齿轮助力式电动转向系统(P-EPS)主要有两种类型: 单齿轮助力和双齿轮助力。单齿轮助力式适用于中级车，双齿轮助力式适用于中高级车辆。它们的助力电机都安装在发动机舱，选配该种助力形式时还要考虑发动机舱布置空间的影响因素。

齿条助力式电动助力转向系统(R-EPS)可以提供较大的助力转向力矩，主要适用于大型的车辆: SUV、卡车等。其电机也安装在发动机舱，同样也要考虑发动机舱的布置空间和电机的可靠性问题。

目前EPS已进入批量应用阶段，一般EPS具备的功能主要包括三部分：

（1）常规助力

根据车速和转角/扭矩信号，控制器对电机电流进行控制，通过电机实现助力，属于EPS最基本的功能。图4为助力曲线示意图。

（2）回正控制

EPS根据转角信号和车速信号，计算出车辆的侧向加速度，再通过电机助力，产生与侧向加速度相对应的回正力矩。一般带有转角传感器的EPS，回正控制比较好，残余角较小。

图4 助力曲线示意图

（3）阻尼补偿

在EPS运行过程中，由于控制器采样、电机感应等，可能会引起系统的自激震荡。路边激励也可能会使车轮产生摆振，从而引起转向盘抖动。为规避该问题，引入了阻尼补偿的概念，根据转向力的变化率，产生一个与转向盘转速相反的扭矩，确保EPS系统稳定性。

此外，EPS还具备良好的扩展功能，能为其他功能模块提供基础，如自动泊车、车道保持、无人驾驶、侧风补偿等。

目前国内外供应商对EPS的研究和应用逐渐增加，国外TRW、ZF、蒂森克虏伯、捷太格特、昭和、万都、摩比斯等供应商已经推出了成熟的电动转向产品，并广泛应用于各合资品牌车辆上。国内方面，株洲易立达开始研究较早，恒隆、豫北、新世宝、龙润等也已经推出了批量应用的有刷电机EPS，应用无刷的电机的EPS也逐步推广。

2 EPS发展趋势

从目前应用情况来看，未来EPS应用的趋势有三个方向：安全、高效环保、舒适。

EPS首先应满足整车安全性要求，保证成员安全，其次，随着电子技术发展，EPS应提供更宽广的拓展功能，最后，EPS也有环保方面的需求。

下文对未来EPS发展趋势做一些简单探讨。

2.1 冗余设计

转向系统作为重要的车辆安全系统，必须保障可靠性，而随着智能驾驶的逐渐普及，对EPS安全要求也越来越高，必须对EPS进行冗余设计。如多ECU设计和信号自选模式等。多ECU设计是指系统内存在两个ECU，互为备份。其中一个发生故障时，另外一个能及时接管，减少突然的助力失效，保证系统正常工作。在此基础上，增加额外的扭矩和转角传感器，ECU可自主选择所需扭矩和转角信号，即为信号自选模式，系统冗余度进一步提升，安全性能更高。

2.2 48V电源

随着电子设备在车辆上应用的日益增加，传统的12V电源已经逐渐难以满足需求，48V电源有望解决这一困扰。在节油减排的方面，48V系统也有着巨大优势，据欧洲厂商实测，搭载48V系统的车辆与传统车辆相比可以降低13%的油耗。[3]

对于EPS而言，尤其是CEPS，电机布置空间较为紧张，对电机体积提出了苛刻要求。但受限于系统所需的输出功率，电机进一步小型化极为困难。提升电机工作电压可在不加大电机体积的情况下增大电机输出功率。另外，较小的输出电流也有利于减少对电子芯片的冲击，可提高其寿命。因此，采用48V电源将是EPS未来发展的方向。

目前欧洲已经制定 48V电源系统的相应标准。电动汽车因采用高压直流供电，可以方便实现到48V电源系统的转换。[4]

2.3 多助力模式

EPS相对于HPS系统，最大的优点是真正做到了随速转向，为驾驶员提供良好的驾驶感觉。但同一辆车辆，不同的驾驶员（性别、年龄、个性、身体状况等），对 EPS助力特性也有不同的要求，目前的EPS无法满足每一个驾驶员的需求。若在ECU中存储多种助力特性曲线，可形成多助力模式，由驾驶员根据各自驾驶习惯自由选择，则可以最大化满足驾驶员的需求。

多助力模式对硬件改动较小（增加选择开关），软件及调教费用较低，性价比高，未来推广较为容易。目前现代胜达、IX35等车型上已经配备多助力模式。

2.4 线控转向

随着车辆电气化和智能化程度的提高，线控转向（Steering By Wire,SBW）已经成为转向系统的发展方向，未来会取得广泛应用。所谓四轮转向，是指取消转向盘和车轮之间的机械连接装置，使用控制信号连接，又称为柔性转向系统。

图5 SBW结构原理图[6]

SBW 的结构原理图如图5所示。转动转向盘时，转矩、转角传感器2将测得的转矩、转角信号传递给ECU，ECU 根据汽车车速、横摆角速度、侧向加速度和位移传感器7测得的位移信号控制路感电机4生成反馈转矩、转角，使驾驶员获得良好的路感；同时，ECU向转向电机5发出控制信号，使汽车按照驾驶员所期望的方向行驶[5]。通过对SBW传动比进行优化设计，可以满足汽车在较低车速下采用小的传动比以增加系统增益，而在较高车速下采用大的传动比以减小系统增益，实现转向时转向路感和转向灵敏性的完美结合。

线控转向主要优点：

（1）能有效消除转向干涉现象，为实现自动控制提供了先决条件。

（2）系统在汽车上的布置更为灵活，转向盘可以按需要布置（左右舵车型开发难度进一步降低）。

（3）可以取消管柱，对踏板等周边件布置更为方便，也可以增加驾驶员腿部活动空间。在碰撞中，消除了碰撞对驾驶员的潜在风险，安全性得到提高。

（4）消除了地面对转向轮的冲击，提高舒适性。

（5）EPS固有的优点得到了保留（如燃油经济型、随速转向等）。

由于 SBW采用柔性连接，转向盘和车轮之间取消了机械连接，且电子元器件易受电磁干涉，需要接受的信号较多，系统复杂，其可靠性和安全性是最亟待解决的。为保障安全，一般采用冗余设计的方法，如在系统中增加传感器、电机、电源或备份机械结构等，有效提高系统的可靠性。

如全球率先量产采用SBW的英菲尼迪Q50，就采用了备份机械机构的方式（图 6）。车辆转向时，不依靠传统的机械连接，而是依靠三组电子控制单元（ECU）进行控制，根据路况和转向盘转动角度和扭矩、车速进行综合计算，从而指挥转向电机机构实现转向。当任意一个ECU被监测到出现了问题时，备用模式将激活离合器，恢复至传统的机械传动转向模式，确保驾驶员可以掌控车辆。

图6 英菲尼迪Q50 SBW

2.5 功能拓展

EPS作为一个电控系统，与其他系统可以集成开发。在满足转向系统基本功能的前提下，提供功能扩展，如车道保持、自动泊车、无人驾驶、侧风补偿等。

车道保持模块中，驾驶员偏离预定道路时，EPS将按照系统指令（若需要），驶入正确道路。

自动泊车模块需要EPS实现精准转向，自动控制转向盘转角，实现车辆停车入位。自动泊车也可视为无人驾驶的初级阶段。

在无人驾驶车辆中，EPS将按照系统的指令，及时准确地改变车辆方向，真正代替驾驶员掌控车辆。

在车辆高速行驶时，如果有侧风干扰，车辆将偏离行驶方向，发生危险，若此时通过EPS施加一个与侧风方向相反的转向盘转角，可以纠正车辆方向，保持车辆直行，确保安全。

与ESC（车身控制系统）的集成。ESC会输出转向扭矩需求，EPS产生相应的转向扭矩，从而使车辆的制动压力快速提升，达到稳定车辆的效果。ESC和EPS的匹配能最大化稳定车辆和改善制动效果。

3 总结

电动化和智能化是车辆发展的趋势，转向系统同样遵循这一趋势。随着电器元器件价格的下降和EPS技术的成熟，EPS发展前景会更加光明。未来EPS会朝着安全、高效环保、舒适的方向发展，冗余设计、48V电源、多助力模式和部分拓展功能会得到快速逐步应用。在解决线控转向的可靠性和成本问题后，线控转向作为转向系统发展的主要方向，逐渐普及在量产车型上。

[1] 陈家瑞.汽车构造(下册)[M].北京：机械工业出版社.2000.

[2] 赵万忠等.新型汽车动力转向技术发展综述[J].汽车工程学报.2012.11.

[3]新浪汽车.48V系统将为汽车产业带来重大改变. http://auto.sina.com.cn/news/2014-03-24/11411281430.shtml.

[4] 王强,张红莲.谈汽车电动助力转向系统特点及发展[J].农家科技.2014.5.

[5] KOIZUMI R,KURATA F,YAMAMOTO M. Experimental Study of Lateral Acceleration Feedback Control with Steer-by-wire System[C]. SAE Technical Paper. 2010-01-0996.

[6] 申荣卫,陶炳全.汽车转向技术现状与发展趋势.邢台职业技术学院学报.2016.10.