汽车电动助力式转向系统的现状与发展

关键词：电动助力转向；控制系统；电动驱动；传感器信息融合 中图分类号：TP271 文献标识码：A Development Status of Electric Power Steering LI Wei-guang1, LI Hui-qi2 ,WANG Yuan-cong1 (1. South China University of Technology GuangZhou 510640,China; 2. Guangdong Joinsun Elec & Ind. Co., Ltd. GuangZhou 510630,China) Abstract: This paper summarizes the development status of Electric Power Steering, and introduces the sorts, structure, principle, main components, technology parameters and performance traits of EPS. The ten- dency of EPS is also discussed. Key words: Electric Power Steering; control system; electric drive; syncretiztion of sensor information 1 引言 汽车助力转向依次经历了机械式转向系统、液压式转向系统、电控液压式转向系统等阶段，国际上已有一些大的汽车公司在探讨开发的下一代线控电动转向系统。在国外，各大汽车公司对汽车电动助力转向系统(Electric Power Steering - EPS，或称Electric Assisted Steering - EAS)的研究有20多年的历史。随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域，部分取代了传统液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering，简称HPS)[1]。 2 汽车电动助力式转向系统的国内外发展概况 自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，HPS给汽车带来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS)。1988年2月日本铃木公司首先在其Cervo车上装备EPSTM，随后又应用在Alto汽车上；1993年本田汽车公司在爱克NSX跑车上装备EPS并取得了良好的市场效果[4]；1999年奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS。上世纪九十年代初期，日本铃本、本田，三菱、美国Delphi汽车公司、德国ZF等公司相继推出了自己的EPS，TRW公司继推出 EHPS后也迅速推出了技术上比较成熟的带传动 EPS和转向柱助力式EPSTM，并装配在Ford Fiesta和Mazda 323F等车上，此后EPS技术得到了飞速的发展。 在国外，EPS已进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品，而我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，EPS的研究开发处于起步阶段。 3 汽车动力转向系统的分类及特点 汽车转向系统可按转向能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。动力转向系统根据动力源不同又可分为机械式的液压动力转向系、电控式液压助力转向系统(EHPS)和电动助力式动力转向系统(EPS)。 机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。无论车是否转向，系统总处于工作状态，能耗较高，又由于液压泵的压力很大，比较容易损害助力系统，且不易安装和维护。其共同缺点是结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。 EHPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。它采用的液压泵是一个电动泵，其工作状态是由电子控制单元根据车速、转向等信号计算出的理想状态，并控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求，但即使是最新的EH— PS也无法根除液压助力系统在布置、安装、密封性、操控性、能量消耗、磨损与噪音的固有缺陷。 新一代的EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机输出扭矩的大小和方向，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。它将电动机、离合器、减速装置、转向杆等各部件装配成一个整体，其结构紧凑、质量较轻，其可编程的转向助力特性使得转向操纵稳定性得到较大的提高。 4 EPS系统结构及其工作原理 电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但其基本原理是一致的。它一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构构成，其机构示意图如图1所示。 当转向轴转动时，扭矩传感器检将测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元ECU，ECU再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算，得出助力电动机的转向和助力电流的大小，完成转向助力控制，EPS系统控制框图如图2所示。 当汽车处于直线行驶状态时，EPS便处于 Standy状态，电动机停止工作，只有在汽车转向时，系统才实时的实现助力控制作用。 因而，EPS可以很容易的实现在全速范围内的最佳助力控制，在低速行驶时保证汽车的转向灵活轻便，在高速行驶时保证汽车转向稳定可靠。在系统的某一部件发生故障时，可以断开电磁离合器使助力系统脱离机械转向系统，并同时驱动故障信号指示灯，保障驾驶的安全性。所以，EPS可以在各种路况和车速下，给驾驶员提供一个安全、稳定、轻便、舒适的驾驶环境。 EPS的主要部件包括扭矩传感器、电动机、电子控制单元、减速机构和电磁离合器，其工作原理如下： (1)扭矩传感器 EPS控制系统的传感器信号包括转向盘转矩信号、汽车车速信号、汽车轴重信号、电机电流信号，前三者用于确定助力电机的助力转矩大小和方向，后者用于电机的闭环控制。这些信号用来作为EPS的输入信号，共同决定助力信号的输出。因此，传感器信息融合是EPS系统中的关键技术之一。 EPS中扭矩传感器主要有：电阻式转向传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器，也有通过在转向轴位置加一扭杆，通过测量扭杆的变形得到扭矩的大小和方向。电阻式转向传感器实际上是个滑动可变电阻器，当操作方向盘时，其电阻的变化最终经电路处理以电流的形式将转矩信号送至ECUTM。这种传感器价格低，但体积大，易于磨损，在早期EPS中应用较多。随着非接触式扭矩传感器成本的降低，越来越多的厂商转而采用这种精度高、体积小且寿命长的新型传感器。图3所示为KOYO公司研制的非接触式EPS扭矩传感器原理图，该装置由安装在输入轴上的探测环1和探测环2，安装在输出轴上的另一个探测环1，探测线圈和补偿线圈组成。当方向盘转动时，扭杆受转动力矩作用发生扭转，由于线圈生扭转，由于线圈固定不动，探测线圈与探测环之间的位置发生变化导致线圈磁阻改变，并最终反映扭矩的变化。 另外，还有美国Allegro Microsystems公司的磁环式霍尔速度传感器，它可将转向盘扭矩、转角、角速度等信息转化为电信号输出[7]。 (2)电动机 助力电动机是EPS系统的动力源，它根据 ECU输出的控制指令，在不同的工况下输出不同助力转矩，对整个EPS性能影响很大，因此需要具有良好的动态特性、调速特性和随动特性并易于控制，还要求输出波动小、低转速大转矩、转动惯量小、尺寸小质量轻等，因此，常采用无刷式永磁直流电动机。为改善操纵感、降低噪音和减少振动，在电动机转子外表面开出斜槽或螺旋槽，改变定子磁铁中心处或端部厚度，将定子磁铁设计成不等厚等[8]。 随着现代汽车技术的发展，汽车各部件越来越多的采用42V直流电源，因而，面向42V直流电的 EPS也逐渐成为汽车技术研究热点之一。采用42V直流电的EPS能在较低的输出电流同时保证有足够的输出功率，既降低系统的能耗和发热，又能改善系统的控制。 (3)电磁离合器 电动式EPS转向助力一般都是工作在一个设定的范围。当车速低于某一设定值时，系统提供转向助力，保证转向的轻便性；当车速高于某一设定值时，系统提供阻尼控制，保证转向的稳定性；而当车速处于两个设定值之间时，电动机停止工作，系统处于Standy状态，离合器分离，以切断辅助动力。另外，当EPS系统发生故障时，离合器应自动分离，此时仍可利用手动控制转向，保障系统的安全性。EPS系统中电磁离合器应用较多的为单片干式电磁离合器，其工作原理如图4所示。 (4)减速机构 减速机构是电动式EPS不可缺少的部件，它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。目前实用的减速机构有多种组合方式，采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，如图5所示，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。装配有离合器的EPS，多采用涡轮蜗杆减速机构，装配在减速机构的一侧。 (5)电子控制单元 电子控制单元ECU是整个EPS系统控制的核心，它根据扭矩传感器、车速传感器、轴重传感器以及电动机电流传感器等输入信号，进行分析计算，得出最佳控制参数，发出控制指令，控制电动机与电磁离合器的动作。EPS系统的控制算法也是系统控制性能的关键之一。此外，ECU还应具备安全保护与自我诊断功能。汽车行进中ECU不断采集各部件工作信号，一旦系统某部件工作异常，控制电磁离合器分离，同时进行故障诊断分析，输出显示故障信号。ECU有采用8位单片机系统，如采用Philips的87C552单片机HJ，也有采用美国TI公司TMS320LF2407 DSP芯片[11]。 5 EPS性能及特点 (1)助力特性 早期的EPS只在汽车低速时提供助力，在车速高于设定值时，EPS停止工作，属于低速型。这类系统控制算法相对简单，对系统硬件要求低，不能改善汽车高速行驶时的操纵稳定性，而且当车速在设定临界切换值附近时，转向助力转矩发生突变，给驾驶员带来了潜在的危险性。现在研究多的是在全速型的EPS，它在任何车速下都提供助力，既兼顾了低速时操纵灵活性，也实现了高速时操纵稳定性，但系