车辆助力转向系统研究进展

杨易嘉，程建兴

（仲恺农业工程学院机电工程学院，广州 510225）

0 引言

车辆助力转向系统的发展可以分为3 个发展阶段，第1 阶段以机械结构为主的助力转向（MS）系统，该阶段驾驶人员作为转向唯一动力源。第2 阶段因为液压控制技术的发展，有液压助力转向（HPS）、以机械为主的差速助力转向（MDPS）和液压差速助力转向（HDPS）系统，其中机械液压差速助力转向系统常用于履带车，人工不再是唯一转向动力源，相对第1 阶段的助力转向系统更省力。到了第3 阶段，由于电子电力技术和液压控制技术的发展，出现了电控液压助力转向（EHPS）系统和电动助力转向（EPS）系统，目前这两个系统在汽车领域应用广泛，但还存在各种问题有待解决。此外，因为目前电动车逐渐普及，在EPS基础上正在发展EDPS系统，该系统目前还存在容易导致轮胎寿命缩短、安全可靠性弱、驾驶员操纵不匹配等问题。从助力转向系统发展过程来看，整体正逐渐往轻量化、高效率、高集成性方向发展，更多地考虑了人、车、环境的有机结合。本文按机械结构占比程度，将各个阶段的转向系统统一分为以机械为主的助力转向系统和以电机控制为主的助力转向系统两种。简要介绍了4 种以机械结构为主的助力转向系统，着重介绍了以电机控制为主的EPS、EPHS、EDPS这3个系统研究现状，并对这3个系统进行性能对比。提出目前助力转向系统所面临的难题并对未来助力转向系统发展进行展望。

1 以机械为主的助力转向系统

1.1 MS系统

传统以机械为主转向（MS）系统由多种机械结构组成，如转向器、转向摇臂、转向万向节等。以驾驶员体力作为唯一的动力源，整体笨重且转向效率低，但可靠性好，其基本结构如图1所示。

1.2 HPS系统

传统液压助力转向（HPS）系统是机械转向系统与液压控制系统的结合，转向油泵的控制是系统的关键，HPS 系统基本结构如图2 所示。由于其机械结构原因，开发制造初期各个结构参数已经确定，无法针对路况进行调整。无论车辆是否处于转向状态在，液压泵总是持续工作，能耗大且不够环保。

图2 HPS系统的基本结构

1.3 MDPS系统

机械差速助力转向（MDPS）系统主要有纯机械差速器式、行星齿轮与转向离合器复合式这两种，主要应用于履带式车辆上[1]。纯机械差速器式，也叫单流差速式，其出现时间最早，通过降低一侧车轮速度和提高另一侧车轮速度来实现简单的差速转向功能。为了在一定程度上克服干扰因素带来的影响，国外早期针对转弯半径，提出改进的锥齿轮和直齿圆柱齿轮结合的差速器，该控制器可以在一定程度上增大转弯半径，提高转向性能，但机械传递效率不高。行星转向结构紧凑且简单，虽然转弯半径不高，但传动效率高，广泛运用于履带车、民用汽车、农机等领域[2-5]。其基本原理是转向内侧产生的再生功率能够传回到转向外侧进行功率补偿，降低了发动机功耗。但也存在两个缺点：一是对于农业、军事领域下大部分车辆需要用非标准的转弯半径，功耗大；二是转向机构需要频繁调节，加大了机械损耗，影响了车辆平均速度和操控稳定性等。

1.4 HDPS系统

机械液压差速助力转向（HDPS）系统的出现，代表着液压控制技术应用领域的重要一步。最早是在军事领域应用，二战期间德国RenkAG 公司研发出的LG600 首先装载这个系统。该系统的优点有占用小、体量轻、负载能力强等优点。其转向结合了液压和机械传动特性，通过液压泵的正负压控制转弯半径，实现连续可控的无级转向[6]。但制约该系统性能的问题还有待解决：一是使用的液压泵和马达成本较高，且控制精度要求也较高；二是液压传动效率不高，最多只能达到80%，最少50%甚至更低，大部分是因为机械结构之间的协作效率受各种因素影响，这些问题给驾驶人员转向带来很多困难。之后学者针对液压元件在转向时功率不足和弯道适用性问题进行研究，改进HDPS系统，但因为机械结构的根本缺陷问题，转向效率没有很大提高。由于机械结构之间联动而带来传动效率低下的问题，电传动技术应运而生。它有效地降低了材料合成和制作工艺带来的影响和燃油消耗。

2 以电控为主的助力转向系统

2.1 EHPS系统

在20 世纪90 年代初，电动液压控制（EHPS）系统开始开发，在国外起步较早。国内最早在2005 年开始研究电控液压系统相关内容[7-8]。西北农林科技大学霍立志等[9]开始农业拖拉机的电液助力转向（EHPS）系统的研究，将转向盘的转矩引入到系统中，实现了转矩感应型的液压助力转向，仿真结果表明系统在车辆低速作业的情况下具有良好的控制精度、快响应的特性，EHPS 系统的基本结构如图3 所示。为了提高助力转向系统的能量效率和可靠性，实现线传控制，侯占峰等[10]设计了一种由传统液压装置和电控比例溢流阀相结合的电液助力转向系统，系统系统助力转向具有较高的灵活性。转向系统与控制策略研究的关键是对于电控液压助力转向系统动态特性研究，李书霞等[11]设计了助力转向系统的机电液耦合动力学模型和搭建动态模拟实验平台，对非线性时变系统的瞬态响应进行求解，仿真结果与动态模拟测试结果吻合良好。谢一兵等[12]根据助力特性曲线模型绘制3 种（直线形、曲线行、折线行）特性曲线并进行对比分析和改进。为了解决车辆在非转向工况下助力电机处于运行状态导致能耗过大的问题，吕晗珺[13]提出了一种辅助蓄能器式的EHPS 系统，仿真结果表明该系统能够使车辆工作能耗降低。

图3 EHPS系统基本结构

大部分的学者都是以车辆中低速行驶情况为基础进行研究。在中低速情况下，EHPS可以提供比较大的转向助力，节约发动机能量，提高燃油经济性，比较适用于大型货车。但液压泵占用车辆体积较大，不具有轻便性。此外，液压油的使用不够环保。随着EPS 系统的优势慢慢显现，EHPS系统的改进正在慢慢向着EPS系统靠近。

2.2 EPS系统

EPS 系统根据助力电机装载位置不同可以分为转向轴式电动助力转向系统、齿轮式电动助力转向系统、齿条式电动助力转向系统[14]。其中转向轴式电动助力转向系统应用相当广泛，基本系统结构如图4 所示。曹景胜等[15]引入转向盘力矩和行车速度建立相应模型进行仿真，有效确定了最优的辅助转向电流。陈丹丹等[16]为了解决电机占用空间大、应用复杂等问题提出了一种变传动比转向系统。马铮等[17]对基于模型驱动架构（MDA）的EPS 系统的可靠性进行研究，提出一种系统可靠性评估办法，为系统开发前期提供参考。吴立群等[18]提出一种基于改进细菌觅食优化算法的功率优化控制策略，测试结果表明该控制器能够高效地降低助力电机消耗功率，降低转向能耗。Hung Y C[19]提出了一种基于非对称隶属函数的小波模糊神经网络（WFNN-AMF）和改进差分进化(IDE)算法的控制策略，提高了EPS系统的稳定性。

图4 EPS系统的结构

大部分学者的主要研究方向有助力电机、控制器、系统稳定性以及经济性等。其发展趋势主要在助力电机结构和转矩控制策略方面[20]。在助力电机结构方面尽可能低成本、高效率。在控制策略方面，在传统PID控制基础上结合各种控制策略应用于EPS系统，如遗传算法、神经网络控制等。EPS具有很好的随速助力转向特性，助力大小可控。此外该系统是纯电机助力，省去了EPHS系统所必须的机械结构，既节省能量，又保护环境。虽然EPS系统性能优越，但因助力功率有限，仅适用于中小型车辆，且电磁阀成本较高。未来将继续简化EPS结构，降低生产成本。

2.3 EDPS系统

随着电动车的普及应用，EDPS系统的研究逐渐受到重视。该系统与EPS 系统最主要的区别是不再采用助力电机直接控制方向盘转向扭矩。对电动轮进行电子差速控制一般有3 种作用，第一种作用是在转向时稳定车身防止车轮滑移率变高，提高行车安全性；第二种作用在复杂的道路下依据驾驶员习惯间接补偿方向盘扭矩故而减少转向能耗，提高能量利用率；第三种作用是防止因为机械转向结构故障造成的操作失误，采取后轮转矩控制策略进行修正。该系统一般以方向盘转矩和转角作为输入变量来控制两侧电动轮转矩对方向盘转矩进行补偿，可以有效提高电动车行驶稳定性、经济性、动力性等，EDPS系统基本结构如图5所示。

图5 差速助力转向系统结构

电子差速控制策略作为EDPS（Electric Differential Power Steering）系统的关键技术，国内外有许多学者对其进行研究。靳立强等[21-23]针对电动轮驱动系统构建受力分析图，进而提出了对驱动电机转矩模式控制，设计了一种汽车自适应电子差速控制方法。Tabbache B等[24]运用直接转矩控制策略对驱动电机进行控制，从鲁棒性和稳定性方面证明该自适应电子差速策略在无机械传感器情况下具有可行性。钟志华等[25]分析差动助力特性，设计了一种采用直接转矩控制策略对轮毂电机进行控制，仿真结果表明该控制器具有良好的稳定性，但该系统在机械转向结构失效时才有作用，应对不同的行驶情况较少。车辆在不同工况下进行转向，由于纵、侧向加速度的不确定，轮胎载荷在四轮间会发生偏移，使得同轴两驱动轮滑移率很难完全一致。为了解决这个问题，陈东团队和赵艳娥团队[26-27]在车辆进行转向时，考虑到轮胎载荷位移、轮胎中心和侧滑角的影响，相应地提出基于阈值和扭矩调控器的电子差速控制策略，但该控制策略却只能在达到一定阈值才能起作用，不具有很强的灵活性。Daya J 等[28]借助小波控制器控制无刷直流电机的转速。该控制器采用离散小波变换对实际转速与参考转速之间差值进行解析，仿真结果证明了小波控制器相较于PID控制器具有较优的稳定性。

从上述来看，可以根据是否以驱动轮滑转率为电子差速策略动态控制目标，电子差速控制策略分为自适应式、直接滑转率控制式、间接滑转率控制式3 种[29]。自适应式电子差速策略就是模仿机械差速器的同轴电动轮驱动力矩近似均等分配的原理，它虽然能实现电子差速，但对操作稳定性有负面影响。直接滑转率控制式电子差速策略轮胎滑移率的具体值都是基于阿克曼转向模型来计算得到的，但阿克曼转向原理是基于理想条件下车轮转速的关系，而实际应用中，车辆不是完全遵循阿克曼模型，在实际应用方面较为局限。间接滑转率控制式策略在车辆低速行驶且转向角不大的情况下适用，适用的范围不大。另外，间接滑转率控制和直接滑转率控制电子差速策略仅深入研究了车辆转弯情况下的差速问题，忽略了车辆行驶在凹凸不平的直道上的差速问题。

2.4 三种以电控为主的助力转向系统对比

综上所述，EHPS、EPS 和EDPS 三种转向系统各有优缺点，本文用表格方法对3种助力转向系统进行比对，如表1所示。3个系统都能够随车速大小提供相应的转向助力，但EHPS 系统随速助力大小变化趋势相对固定，在低速时转向特性变化不大，在高速时随速度增加助力大小减小，而其他两个系统在不同速度下的助力大小可调。EPHS 系统由于其机械结构的作用，驾驶时路感反馈更强，在凹凸不平的路面方向盘反馈较为明显。其制造总成本相对较低，在私家车和货车上都有应用，应用范围较广。但由于其结构复杂又使用液压泵，有液压油泄漏、液压油受冻、机械结构损耗等问题，不易维修。此外，在非转向状态，该系统的助力电机并不停止工作，能耗较大。其复杂的机械结构协作导致传动效率低，大概在60%～70%之间。EPS 系统省去了EPHS 系统的部分机械结构，采用纯电机助力，传动效率能达到90%以上。结构相对简单，故灵活性较高，易于维修。另外，没有使用液压油，使该系统更节能环保。但其电磁阀、电机要求苛刻，故成本较高。主要适用范围在中高级轿车。因为其助力电机功率有限，所以难以应用于大型客车和货车上，适用范围相对局限。目前研究人员正在努力研发适合大型客车和货运汽车的EPS系统。EDPS系统是在EPS 系统基础上发展而来，其继承了EPS 系统的大部分优点，都有着占用空间小、传动效率高等优点。此外，相较于其他两个系统，EDPS对于复杂路况的适应性更高，驾驶感更舒适。EDPS系统更多的是针对电动汽车的转向，使用高效的电子差速控制策略能有效降低能耗，更加节能环保。3种系统性能对比如表2所示。

表1 三种助力转向方式优缺点对比

表2 三种助力转向方式性能对比

3 以机械为主和以电控为主的助力转向系统对比

总体来看，以机械为主与以电控为主的的助力转向系统都有不同程度的减少驾驶员操作难度和提高车辆操纵性的优点。在转向操作方面，以机械为主助力转向系统由于机械结构的存在，整体传动效率通常在50%～70%，导致转向灵活性不高。以电控为主的助力转向系统，省去了机械差速器、转向等机械结构，总体重量减轻，采用线传技术使得整体传动效率高达90%[30]。在燃油消耗量方面，以机械为主助力转向系统比较依赖发动机，且整体结构笨重，燃油消耗量大。按以上分析，列出表格比较，如表3所示。

表3 以机械为主与以电控为主的助力转向系统对比

4 发展趋势与展望

随着电子电力技术的发展，因为占用空间、能耗、传动效率等因素，以机械为主的助力转向系统正逐渐淘汰，在履带式车辆中有小部分的应用。履带式车辆正逐渐抛弃效率低下的纯机械结构，更多地采用电控技术。目前EPS 系统在中小型汽车领域中大量车型都有应用，而EPHS在重型汽车领域应用较多，在小部分中小型汽车也有应用。EPS系统相较于EPHS系统有可靠性高、集成性好、占用空间小、能耗低的优点。但EPS由于电机功率问题还不能完全替代EPHS 系统。EPHS 系统由于其特性很好的适用于重型车辆，该系统整体发展正逐渐向EPS系统的功能特性靠拢，如最新的蓄能式电动液压助力转向系统，通过蓄能的方式确保车辆功耗需求同时实现了助力电机断续工作，达到节能的要求[30]。EDPS系统在国外有小部分应用，在国内还处于试验阶段，制约其发展最主要的还是差速控制策略不够成熟且对轮胎损耗较大，系统可靠性不高。针对以上问题对车辆转向系统提出以下4点展望。

（1）开展电动机与差速控制器的匹配研究，进一步提高转向效率。车辆系统的电动机通常要求工作电压低，额定电流、功率要足够大，而差速控制器要保证如何在有限的条件下实现电机控制效率最大化又能保证电机不过度损耗是有待深入研究的问题。此外，电机工作过程中，由于不同形式的能量转换，产生热量，有大量能量损耗，通过差速控制器进行有机调节能够抑制这问题。

（2）优化电子差速控制策略。在不降低控制策略控制效果的情况下，使控制策略轻量化，降低应用成本。电子差速控制策略的控制效果直接决定了车辆差速特性。目前有多种基于不同理论的电子差速控制策略，各有其优点，虽然新型控制理论控制效果良好，但实际工程应用成本高。优化电子差速控制策略，进一步推进该系统的实际工程应用。

（3）深入研究大功率电机，在重型车辆上避免使用不环保的液压控制技术，积极采用电机控制转向技术。随着全世界环境污染的加重，绿色能源的应用受到重视，目前大型货车、拖拉机等重型车辆普遍应用液压控制技术，主要受助力电机功率影响。若采用新能源应用于重型车辆使用频繁的场景，必将带来更多发展机遇。比如在农业领域避免使用液压控制技术，能降低农田污染，提高农作物产量。

（4）车辆助力转向系统不应只考虑转向轻便性而应更多地考虑驾驶员习惯和实际路况等复杂因素设计一种适应不同路况、不同驾驶员的智能控制策略。目前转向系统更多的针对转向便性与路感反馈的平衡，对于驾驶员习惯以及实际路况采取相应节能控制方式考虑较少。虽然现阶段的车辆助力转向系统技术相对成熟，但更多针对的是城市路况，针对田间路况较少。在农业生产领域中，田间道路复杂，采取有效的节能转向控制策略，可以节约能源，间接地提高农产品的产量以及总体农业生产效率。

5 结束语

从目前汽车助力转向系统的发展来看，整体发展趋势正逐渐朝向轻量化、高效率、高集成性方向，处理好人、车、环境的协调统一是其助力转向技术发展的关键之一。目前国内外车辆助力转向系统研究针对城市车辆应用领域研究较多，农业车辆应用领域研究相对较少。农业作为国家第一产业，应受到研究人员更多的重视。对于目前整个汽车研究领域来说，随着无人智能驾驶技术的发展，未来将更注重电机智能控制方面，不过多注重路感反馈的驾驶模式。