电动助力转向系的设计详解

1、引言

电动助力转向系统（EPS,Electric Power Steering）是未来转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种工况下都能提供转向助力的特点。正是这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和Delphi Sagiaw （萨吉诺）转向系统，而Delphi Sagiaw （萨吉诺）转向系统又代表着转向系统发展的前沿。她是一个于20世纪50年代把液压助力转向系统推向市场的，从此以后，Delphi转向发展了技术更加成熟的液压助力系统，使大部分的商用汽车和约50%的轿车装备有该系统。现在,Delphi转向系统又领导了汽车转向系统的一次新革命--电动助力转向系统。

电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。

该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号，与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。

EPS在日本最先获得实际应用，1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。

电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流，与其它转向系统相比，该系统突出的优势体现在：

（1）降低了燃油消耗。

（2）增强了转向跟随性。

（3）改善了转向回正特性。

（4）提高了操纵稳定性。

（5）提供可变的转向助力。

（6）采用"绿色能源"，适应现代汽车的要求。

（7）系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。  （8）生产线装配性好。

2、转向系统机械部分的结构及工作条件进行分析

2.1转向系统机械部分的结构

电动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面。

硬件技术主要涉及传感器、电机和ECU。传感器是整个系统的信号源，其精度和可靠性十分重要。电机是整个系统的执行器，电机性能好坏决定了系统的表现。ECU是整个系统的运算中心，因此ECU的性能和可靠性至关重要。

软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来决定电机的目标电流，并跟踪该电流，使得电机输出相应的助力矩。故障诊断与保护程序用来监控系统的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。

杆的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂（或转向节臂）。它所受的力既有拉力，也有压力，因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的，以保证工作可靠。直拉杆的典型结构如图2-1所示。在转向偏转或因悬架弹性变形而向相对于车架跳动时，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，上述三者间的连接都采用球销。

图2-1  转向系统的结构简图

3左转向横拉杆 4又转向横拉杆 5左梯形臂 6右梯形臂 10齿轮齿条式转向器

电助力转向系统的工作原理如下：首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。

电动助力转向系统（EPS）作为传统液压系统的替代产品已经进入汽车制造领域。与先前的预测相反，EPS不仅适用于小型汽车，而且某些12V中型汽车也适于安装电动系统。EPS系统包含下列组件：转矩传感器，检测转向轮的运动情况和车辆的运动情况；电控单元，根据转矩传感器提供的信号计算助力的大小；电机，根据电控单元输出值生成转动力；减速齿轮，提高电机产生的转动力，并将其传送至转向机构。

车辆系统控制算法输入信息是由汽车CAN总线提供的(例如转向角和汽车速度等等)。电机驱动还需要其它信息，例如电机转子位置(电机传感器提供)和相电流(电流传感器提供)。电机由四个MOSFET控制。由于微控制器无法直接驱动MOSFET的大型栅电容，因此需要采用驱动IC形式的接口。出于安全考虑，完整的电机控制系统必须实施监控。将电机控制系统集成在PCB上，通常包含一个继电器，该继电器可作为主开关使用，在检测出故障的情况下，断开电机与电控单元。

微控器(μC)必须控制EPS系统的直流有刷电机。微控器根据转矩传感器提供的转向轮所需转矩信息，形成一个电流控制回路。为了提高系统的安全水平，该微控器应有一个板载振荡器，这样即使在外部振荡器出现故障的情况下，亦可确保微控器的性能，同时还应具备片上看门狗。英飞凌公司的XC886集成了所有重要的微控器组件，其它安全特性可通过软件实现，如果必须执行IEC61508等行业安全标准规范，就不得不完成各种诊断和自检任务，因而会增加微控器的工作负荷。目前不同客户采用的转矩传感器与转子位置传感器差别很大。他们采用不同的测量原理，如分解器、电磁共振器、基于传感器的集成巨磁阻(IGMR)。

功率级的作用是开关电机电流。该功率级具有两个功能：驱动IC控制和保护MOSFET，MOSFET本身又可负责开关电流。MOSFET和分区(例如驱动IC与MOSFET结合在一个器件或多个器件内)由电机功率决定。

微控器的PWM输出端口提供的驱动电流和电压太低，无法直接与MOSFET栅极实现连接。驱动IC的作用是提供充足的电流，为MOSFET的栅极进行充电和放电，使其在20kHz的条件下正常实现开关，同时保证为高低侧MOSFET提供高栅源电压Vgs，确保获得低导通电阻。如果高侧MOSFET处于开通状态，源极电位就接近电池电平。要想使MOSFET到达标称导通电阻，栅源电压需高于8V。MOSFET完全导通所需的最理想的电压是10V或以上，因此所需的栅极电位就比电池电压高出10V。电荷泵是确保该功能最大程度降低MOSFET功耗(即使低电池电压条件下)的电路。图2说明，英飞凌驱动IC即使在8V电池电压条件下，其低高侧MOSFET的栅源电压也可达到11V。这将确保在低电池电压条件下，获得低功耗和高系统效率。

电荷泵设计的其它关键特性是可以根据不同PWM模式的要求，实现极低(低至1%)和极高的占空比(高至100%)。驱动IC的另一个重要功能是检测短路情况，避免损坏MOSFET。受影响的MOSFET将关闭，诊断结果提交给微控器。电流水平可实现调节。

MOSFET通常应用在一个多半桥拓扑结构内，由驱动IC控制。根据ISO7637规定，在12V电网中，电池电压通常可高达16V。在选择MOSFET电压级别时，必须针对二极管恢复过程中所出现的感应瞬变现象提供足够的安全边际(Ls x dl/dt，Ls代表杂散电感，dl/dt代表开关时的电流斜率)。在低dl/dt和低杂散电感的系统中，可使用30V MOSFET，但通常最好使用40V的MOSFET，可提供更高的安全边际。最新的40V MOSFET技术采用D2PAK(TO263)封装在2mm和180A条件下，以及采用较小的DPAK(TO252)装封在低于4mm和90A的条件，可提供极低的导通电阻，使EPS系统设计具备极高的功率密度和效率。

2.2电动助力转向系统的类型

根据助力电动机助力位置不同，可分为转向轴式电动助力转向系统（C-EPS：Column-EPS）、齿轮轴式电动助力转向系统（P-EPS:Pinion-EPS）及齿条轴式电动助力转向系统（R-EPS：Rack-EPS）。

转向轴助力式EPS的电动机固定在转向轴的一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向，如图2-2所示。

图2-2 转向轴助力式EPS

齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向，如图2-3所示。与转向轴助力式相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车。其助力控制特性方面增加了难度。

图2-3  齿轮助力式EPS

齿条助力式EPS的电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力，如图2-4所示。与转向器小齿轮助力式相比，齿条助力式可以提供更大的转向力，适用于大型车。对原有的转向传动机构有较大的改变。

图2-4  齿条助力式EPS

2.3转向系统机械部分工作条件

电动助力转向系统的基本组成包括扭距传感器、车速传感器、控制单元（ECU）、电动机、减速机构和离合器等，如图2-5所示。

图2-5电动助力转向系统结构图

在EPS系统中，传感器主要应用了扭距传感器、转速传感器、速度传感器。扭距传感器时刻检测转向盘的运动状况，将驾驶员转动转向盘的方向、角度、信息传送给控制单元作输入信号。转速传感器用于测量转向盘的旋转速度，速度传感器测量车辆的行驶速度，两者的测量结果同样送到控制单元作为输入。

控制单元是EPS系统的核心部分，也是EPS系统研究的重点。目前普遍将控制单元设计为数字化，一般以一个八位或十六位微处理器为核心，外围集成A/D电路、输入信号接口电路、报警电路、电源。要求具有简单计算、查表、故障诊断处理、储存、报警、驱动等功能。

电动机的功能是根据控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的动力源。电动机对EPS的性能有很大的影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机很重要。不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。在现有设计中电动机主要采用直流电动机和无刷永磁式电动机，驱动电路根据采用的电动机和控制策略不同而不同。

EPS的减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。常采用涡轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。

EPS的离合器，装在减速机构的一侧，是为了保证EPS只有在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时离合器将自动分离。

由图2-5可见，电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上增加信号

传感装置、控制单元和转向助力机构。EPS的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成。输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构—离合器与主力电动机相连。驾驶者在操纵转向盘时，给输入轴输入了一个角位移，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，扭距传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单元；与此同时，车速传感器检测到的车速信号页输入电控单元，电控单元综合转向盘的输入力矩、转向方向以及车速等信号，判断是否需要力矩以及力矩的方向。若需要力矩，则依照既定的助力控制策略来计算电动机助力转矩的大小并输出相应的信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机输出相应的转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴起助力作用，从而完成实时控制助力转向；若出现故障或超出设定值则停止给电动机供电，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免转向系统受电动机惯性力矩的影响。系统转为人工手动助力。工作过程如图2-6所示。

图2-6电动助力转向系统工作过程图

3、电动助力转向系统对汽车操纵稳定性评价指标分析

3.1 EPS典型助力曲线

EPS的助力特性具有多种曲线形式，图3-1为三种典型的EPS助力特性曲线。这里将图中助力曲线分为三个区，0≤Td≤Td0区为无助力区，Td0≤Td≤Tdmax区为助力变化区。

图3-1  EPS典型助力曲线

3.1.1直线型助力特性

图3-1-a为直线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成线性关系。该助力特性曲线可以用下列函数表示

式中，I为电机的目标电流；Imax为电机工作的最大电流；Td为方向盘的输入扭矩；K（V）为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；Td0为转向系统开始助力时的方向盘输入扭矩，Tdmax为转向系统提供最大助力时的方向盘输入扭矩。

3.1.1折线型助力特性

图3-1-b所示为典型的折线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成分段型关系，该助力特性曲线可以用下列函数表示。

式中，K1（V），K2（V）分别为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；Td1为助力特性曲线梯度由K1（V）变为K2（V）时的方向盘输入扭矩。

3.1.1曲线型助力特性

图3-1-c为典型曲线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘输入扭矩成非线性关系，该助力特性曲线用以下函数表示。

比较上述三种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性曲线有利于实现连续、均匀助力，但控制复杂、调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间，从设计、调整和实用的角度看，采用直线型助力特性可以基本满足实际需要。

3.2转向系统受力分析

EPS系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、点击的助力矩和整个转向系统所受的阻力矩。驾驶员在转向时作用在方向盘上的操纵力，同时在EPS系统的电动机助力下，通过转向机构克服转向阻力矩，从而实现对汽车的转向。转向时驾驶员作用在方向盘上的作用力以及电动机作用的助力矩大小与汽车整个转向系统所受的阻力矩有关。

（1）驾驶员的操纵力

驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况：一、改变汽车行驶方向是驾驶员作用在转向盘上的切向力；二、保持汽车行驶方向不变(包括直线运动和固定某个方向的于东)时驾驶员保持方向盘不动的力。这种在车轮转向角位置保持不变，行车时驾驶员作用在转向盘上的力称为方向盘把持力。

（2）EPS的阻力矩

按产生的来源不同，EPS的阻力矩大体上可分为“绕主销的主力矩”和“转向系的阻力矩”两大部分。这些转向阻力距的各组成部分都随转向盘转角、车速、轮胎偏离角、转向盘转动角速度和车辆侧偏角变化而变化。

转向系阻力矩主要包括“转向系摩擦力矩”，“转向系复原力矩”和“转向系惯性力矩”三部分。“转向系摩擦力矩”主要指转向系的各部分之间的干摩擦阻力矩的总和。“转向系复原力矩”主要由转向系内回位弹簧、内橡胶衬套等弹性变形引起的回复力产生的。“转向系惯性力矩”主要由转向系内各部分在运动过程转速的变化所形成的。

“绕主销的阻力矩”大部分是由路面和轮胎间的转矩形成的，它受路面状态、轮胎特性、车轮定位参数和负荷等的影响，随着车速和转向轮偏离角的变化而变化。

通常“绕主销的阻力矩”按汽车不同的行车方式，分成“原地转向阻力矩”和“行车转向阻力局”两种。原地转向：指静止不动的汽车进行转向时，首先是轮胎发生扭转变形，继之以轮胎和路面之间发生滑移，称这一情况所产生的转向阻力矩为原地转向阻力矩。目前常用的经验公式如下：

行车转向阻力矩指对行驶的汽车进行转向时产生的阻力矩。行车转向比原地转向车速增加了，接地面积滚动成分增加，转向阻力矩也突然减小。不过，车辆如以更高的车速转向行驶，由于轮胎发生偏离形成自动回正力矩，促使轮胎平面和轮胎行进方向趋向一致。这样行车转向中所受转向阻力距就大致和原地转向时相仿。高速行车中，由轮胎偏离角所引起的转向阻力矩是随主销后倾角增大而增大的。

因此影响“绕主销的阻力矩”的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、摩擦系数等。显然，负荷愈大，轮胎气压愈低，原地转向阻力矩也将愈大。同时轮胎和路面间的摩擦系数增大，原地转向阻力矩也将增大。

（3）“电动机阻力矩”是电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系施加的力矩。它的大小由EPS的ECU根据传感器传来的车速和力矩信号来决定。

4、汽车电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响

4.1转向路感

汽车转向的轻便性与路感时相互矛盾的，一般驾驶员都希望车辆转向时力“轻”些好，即在转向时系统提供很大的助力，这样可以减少驾驶员的体力消耗，但转向太“轻”又不好，因为转向力中还包含着前轮侧向力的信息，使汽车的运动状态（包括车轮与路面的附着状态）与驾驶员手上的力有一种对应关系，这就是“路感”,如果这种“路感”很清晰，驾驶员就会感到“心中有数”，有把握地操纵汽车，所以转向力又不能太小。确切地说，转向力中雨前轮侧向力有对应关系的那部分（回正力矩部分）不能太小，而与前轮侧向力无关的各种摩擦力矩则越小越好。

汽车转向轻便性是对低速行驶时（如原地转向）提出的要求，而路感则是针对汽车高速行驶时提出。使驾驶员感到此种力反馈及其差别。清晰的路感，对驾驶员非常重要，特别是在高速行驶时，它能够给驾驶员提供一种正确判断车轮与路面附着情况的信息，让驾驶员心中有数，以便在不同的道路条件下，采用合适的运行方式（高速，转向和制动），确保车辆的行驶安全。因此，在某种意义上说，路感实际上是给与驾驶员操纵汽车的一种安全感，做到心中有数、防患于未然。通常，路感按汽车的行驶状态或转向盘的位置，可与分高速直线行驶、转向和回正过程的路感。

4.2转向灵敏度

转向灵敏度对汽车操纵十分重要，它是衡量汽车操纵性能的主要指标，反应了汽车队对转向动作的响应快慢。它可以采用汽车的侧向加速度对转角的微分来表示，也可用汽车的横摆角速度与转角之比来表示。这里选择从转向盘转角到汽车的横摆角速度的传递函数来表示转向灵敏度，因为更能直接体现电动助力转向系统和汽车系统的综合性能。

若助力电动机电枢电流与扭矩传感器检测值成比例，即采用电流控制方法。扭距传感器的测试值为，则有

式中

根据转向灵敏度的定义，可得转向灵敏度函数

4.3转向回正能力

在汽车行驶中驾驶员进行转向时，回正力矩能够使转向盘自动地回到中间位置，这有助于驾驶员回正方向，但有时回正力矩会带来过多的冲击，使得转向稳定性变差。传统的助力转向系统能通过它的惯性和自身的摩擦产生一些阻尼效果，但却是很被动。相反，在EPS系统中可以通过控制助力电机来获得适当的阻尼效果。另一方面，转向系统内部摩擦损失力矩过大时，又就会阻碍转向盘的回正。就此，提出一种通过控制电机提供回复助力，可以获得良好的回正能力。

回正特性控制策略可分为两种算法。一种为回正算法，其主要功能是使转向轮快速而准确的回到中心位置，尤其是当内部摩擦阻碍回正时；另一种是主动阻尼算法，它可使转向轮在阻尼作用下很好的回位而避免出现冲击振动。为达到此目的，研究中采用如下的PID控制器。

式中，u2为回正时电机控制信号；Ｋ３Ｋ４Ｋ５是控制器的增益。

当方向盘转角大时，式中的P1部分产生较大的回正转矩或回复助力转矩，以便帮助回正，而当回正过急时，微分部分产生主动阻尼控制，避免回正冲击振动和超调，因此，可以通过调整控制器的增益系数来获得不同的回正特性。

5、结论

本文对电动助力转向系统动力学模型、各可变参数对电动助力转向系统性能的主要评价指标的影响、助力特性曲线的研究以及对电动助力转向系统对操纵稳定性能的影响进行了分析，得到以下主要结论：

（1）影响电动助力转向系统性能的主要评价指标：转向路感和转向灵敏度的因素很多，在进行EPS系统设计时，应综合考虑这些影响因素。但是有一些因素（如电动机的电气参数、各部件的粘性摩擦系数等）是不可以任意选择的。因此要想获得较好的转向系统性能，就必须改变EPS各可变参数以获得最佳的转向系统性能。

（2）装备有电动助力转向系统的汽车要保持稳定，必须使得电动机转动惯量、扭矩传感器刚度、助力机构传动比、控制器助力增益满足由Louth判据得到的两个稳定性条件。

通过研究，本文得到了一些有益的结论，但由于时间和条件的限制，认为还有进一步的工作要做。论文中对相关软件的运用还不是很熟练，还需要大量的时间和努力去完成每一个可变系数对电动助力转向系统变化的仿真，在以后的学习中要不断加强这个方面的研究以确保对目标仿真快速准确有效地完成。