一种电动助力转向系统的研究与应用

肖文　程文娟

摘要：本文就某车型配备的电动助力转向系统（以下简称EPS系统）的应用，对EPS系统的设计应用和逻辑功能的实现进行分析描述。分别从EPS系统的结构组成，逻辑功能影响因素，逻辑设计以及逻辑功能实现等方面，对EPS系统进行剖析、介绍，以及保证EPS系统的设计满足汽车的使用需求。

关键词：电动助力转向；控制逻辑；逻辑功能

1 前言

汽车工业发展至今，对汽车主动安全性和经济性、环保等方面提出越来越高的要求。传统的液压动力转向系统（以下简称HPS系统）已经广泛应用于多数车辆上，HPS系统可以很好满足车辆转向快捷、轻便等方面的要求，但其自身弱点也日益显现。为满足车辆在低速转向轻便性和高车速稳定性而发展起来的电动助力转向技术，已经越来越广泛的应用在多种车辆上，并有逐渐取代HPS系统的趋势。EPS系统有效地解决了传统HPS系统对轻便性与路感的矛盾，改善了车辆的操纵稳定性能，同时还具有环保、节能的经济效益和社会效益。EPS系统的大量应用，能够充分体现出汽车向智能化发展、满足未来安全性要求和环保要求的发展趋势。

2 一种EPS系统结构及工作原理

某车型EPS系统主要由转向盘、转向管柱（包括电机，控制器和传感器）、中间轴、转向器等组成。该EPS系统在原机械转向系统的基础上，增加了扭矩传感器（TIS）、电机转角位置传感器（RPS）、电子控制单元（ECU）、电动机（MOTOR），以及减速机构等助力机构。某车型的EPS系统结构组成如下图1所示。

其工作原理为：当驾驶员转动方向盘时，扭矩传感器就开始不间断地检测输入端力矩，并把扭矩信号传输给电子控制单元ECU，ECU接到信号后，经过分析和处理，按程序指令的方式对电动机进行控制，通过改变电动机工作电流的大小和方向，实现对助力电机的实时精确控制，从而实现助力转向的目的。

3 EPS系统功能逻辑的设计

为保证该EPS系统的逻辑功能的实现，必须将相关影响因素按照要求转化成对应的电信号，以便EPS控制器识别处理。EPS系统自身控制器的处理的运算参数，一般从整车CAN网络和EPS系统内部传感器获得，确保分析数据的完整性。

某车型的EPS系统功能逻辑框图见下图2所示。

3.1 逻辑功能实现的影响因素

从上图2可以看出，该车型EPS系统ECU处理所需要的相关数据主要来自于整车电源，EPS系统内部扭矩传感器、电机转角位置传感器，EMS，ESC以及ICM。EPS ECU需要的具体详细的输入参数见下表1所示。

3.2 逻辑控制的设计

3.2.1 助力曲线的选择

助力控制算法的数学模型为一组车速下转矩与对应电机电流的助力特性非线性曲线，如下图3所示。该非线性曲线在感应速度的同时，每条曲线自身又感应高、低输入区域进行变化，是十分理想的特性曲线。

3.2.2 数据处理设计

逻辑控制的数据处理包括对上表1中各项内容参数的分析、处理。相关处理方法如下：

（1）电压处理

整车电源电压范围由Vmin～Vmax之间，关键节点分别为Vmin，V1，V2，V3，Vmax（由小到大依次排列）。

转向助力表现形式为，Vmin～V2无助力，V2～V3 30%～100%减少助力/全助力，V3～Vmax，无助力；

EPS ECU状态为，Vmin～V1不激活，V1～V2 激活等待KL30状态，V2～V3程序启动进行处理，V3～Vmax程序退出；

CAN通讯状态，Vmin～V1不激活，V1～Vmax通讯正常；

故障处理模式状态，Vmin～V1不激活，V1～Vmax通讯正常。

（2）点火信号处理

KL15上电时（≥V2时），ECU进入唤醒状态；唤醒后等待发动机转速进入工作模式，以后依据扭矩大小进行随车速助力；

工作状态KL15掉电时（﹤V2时），只要发动机转速信号正常，ECU仍然可以通过点火信号保持电路继续助力；

（3）发动机转速和ESC车速、轮速信号处理

车速有效：判断发动机转速数据和有效性，根据相应的数据实施预先设定的助力形式和助力值大小；

车速无效：提供最小助力。

（4）EPS内部信号处理

扭矩信号处理：通过实时监控、收集传感器主路和辅路电压数值并通过一定的处理策略，及时断开助力；

电机转角位置信号：通过实时监控、收集传感器电流电压值并通过逻辑处理，及时断开助力。

（5）故障灯控制处理

根据收集到的相关信号信息，判断EPS系统的初始化信息和故障信息，通过逻辑运算反馈相应的故障信息，最后在仪表上显示。

3.2.3 程序流程设计

该系统的程序流程图如图4所示。

4 EPS系统试验验证

4.1 EPS系统台架试验

该系统利用功能试验台进行台架试验。台架试验的测试项目有：①测试系统各个输入信号、检测精度是否达到设计要求；②模拟系统的实际工作状态，包括电机负载与实际车况，测试系统助力效果；③根据实验结果，优化控制算法及电路设计，确定参数最优。

系统运行时，EPS功能试验台采集并实时显示各种工作特性曲线，其界面图如图5所示。

4.2 整车试验调试

某车型在进行整车试验过程中，整个转向行程内转动方向盘，感觉转动过程平滑，无卡滞，无明显噪音或者振动，无明显手力不对称，至任意角度停止输入时不存在惯性延时现象。同时，通过对EPS系统进行的不断的改进，包括对硬件电路的反复优化以及对软件的反复修改调试，整车试验结果得到明显改善，助力效果明显，达到最初的设计要求。

5 结论

为提升汽车整车的性能，提高驾驶员驾驶的舒适性和安全性，减少环境污染，满足节能、环保性的要求，本文中呈现了一种车型的EPS的软、硬件设计以及应用思路，并充分进行了相关台架试验和整车试验。通过综合验证表明，开发的此款EPS系统助力效果明显，操作手感好，能够显著改善汽车的转向性能，且性能稳定，满足转向性能指标。该应用为后期EPS系统的开发也奠定了一定的基础。

参考文献：

[1]郭建新等. 电动助力转向系统的研究与开发[J]. 机械设计与制造，1999（5）.

[2]林逸.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J].公路交通科技，2001，18（3）：18—21.

[3]罗石，商高高.EPS電机驱动电路设计方案的研究[J].江苏大学学报，2004，25（6）：488—491.

[4]吴文江，季学武.电动转向控制系统跟踪性能研究[J].机械工程学报，2004，40（4）：77—80.

[5]吴锋，杨志家.电动助力转向系统控制策略的研究[J].汽车工程，2006，28（7）：666—680.