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EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ElectricPowerSteering 縮寫(xiě)EPS 是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS HydraulicPowerSteering 相比 EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn) EPS主要由扭矩傳感器 車速傳感器 電動(dòng)機(jī) 減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元 ECU 等組成 優(yōu)點(diǎn) 1 降低了燃油消耗 2 增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性 3 改善了轉(zhuǎn)向回正特性 4 提高了操縱穩(wěn)定性 5 提供可變的轉(zhuǎn)向助力 6 可變轉(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速 結(jié)構(gòu) 分相器型扭矩傳感器 轉(zhuǎn)角傳感器 轉(zhuǎn)向齒輪單元無(wú)電刷式馬達(dá)減速機(jī)構(gòu) 系統(tǒng)邏輯圖 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成包括扭距傳感器 車速傳感器 控制單元 ECU 電動(dòng)機(jī) 減速機(jī)構(gòu)和離合器等 控制單元是EPS系統(tǒng)的核心部分 也是EPS系統(tǒng)研究的重點(diǎn) 目前普遍將控制單元設(shè)計(jì)為數(shù)字化 一般以一個(gè)八位或十六位微處理器為核心 外圍集成A D電路 輸入信號(hào)接口電路 報(bào)警電路 電源 要求具有簡(jiǎn)單計(jì)算 查表 故障診斷處理 儲(chǔ)存 報(bào)警 驅(qū)動(dòng)等功能 電動(dòng)機(jī)的功能是根據(jù)控制單元的指令輸出適宜的輔助扭矩 是EPS的動(dòng)力源 電動(dòng)機(jī)對(duì)EPS的性能有很大的影響 是EPS的關(guān)鍵部件之一 所以EPS對(duì)電動(dòng)機(jī)很重要 不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩 波動(dòng)小 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 尺寸小 質(zhì)量輕 而且要求可靠性高 易控制 EPS的減速機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)相連 起減速增扭作用 常采用渦輪蝸桿機(jī)構(gòu) 也有采用行星齒輪機(jī)構(gòu) ESP工作原理 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常由扭距傳感器 車速傳感器 電子控制單元ECU 電動(dòng)機(jī) 減速機(jī)構(gòu)等組成 轉(zhuǎn)矩傳感器 檢測(cè)轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)情況和車輛的運(yùn)動(dòng)情況 電控單元 根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器提供的信號(hào)計(jì)算助力的大小 電機(jī) 根據(jù)電控單元輸出值生成轉(zhuǎn)動(dòng)力 減速齒輪 提高電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力 并將其傳送至轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí) 扭距傳感器測(cè)出施加于轉(zhuǎn)向軸的扭矩 并產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào) 與此同時(shí) 車速傳感器測(cè)出汽車的車速 也產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào) 這兩個(gè)信號(hào)被送往電子控制單元 經(jīng)過(guò)電子控制單元分析處理后 輸出給電動(dòng)機(jī)一個(gè)合適的電流以產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩 經(jīng)減速機(jī)構(gòu)施加在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上 得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獨(dú)立于汽車發(fā)電機(jī)而蓄電池提供動(dòng)力 不受發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響 EPS的分類 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照電動(dòng)機(jī)布置位置的不同 可以分為 轉(zhuǎn)向柱助力式 齒輪助力式 齒條助力式 直接助力式四種 轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器 C EPS 的助力電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱的一側(cè) 通過(guò)減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連 直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向 圖2 這種形式的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 易于安裝 齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器 P EPS 的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與小齒輪相連 直接驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向 圖3 由于助力電機(jī)不是安裝在乘客艙內(nèi) 因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的助力扭矩 而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲 該類型轉(zhuǎn)向器可用于中型車輛 以提供較大的助力 齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器 R EPS 的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)則直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力 圖4 由于助力電機(jī)安裝于齒條上的位置比較自由 因此在汽車的底盤(pán)布置時(shí)非常方便 同時(shí) 同C EPS和P EPS相比 可以提供更大的助力值 所以一般用于大型車輛上 關(guān)鍵技術(shù) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括硬件和軟件兩個(gè)方面 硬件技術(shù)主要涉及傳感器 電機(jī)和ECU 傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)源 其精度和可靠性十分重要 電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行器 電機(jī)性能好壞決定了系統(tǒng)的表現(xiàn) ECU是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算中心 因此ECU的性能和可靠性至關(guān)重要 軟件技術(shù)主要包括控制策略和故障診斷與保護(hù)程序兩個(gè)部分 控制策略用來(lái)決定電機(jī)的目標(biāo)電流 并跟蹤該電流 使得電機(jī)輸出相應(yīng)的助力矩 故障診斷與保護(hù)程序用來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行 并在必要時(shí)發(fā)出警報(bào)和實(shí)施一定的保護(hù)措施 轉(zhuǎn)向 扭矩傳感器 分相器型 扭矩傳感器檢測(cè)到扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)變形 將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)并輸出至EPSECU 轉(zhuǎn)向主軸 輸入軸 扭轉(zhuǎn)桿 分相器單元1 小齒輪軸 輸出軸 齒條軸 分相器單元2 至EPSECU 工作原理 扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)后使兩個(gè)分相器單元產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)角度 轉(zhuǎn)向主軸 輸入軸 小齒輪軸 輸出軸 分相器單元2 轉(zhuǎn)子部分 分相器單元1 轉(zhuǎn)子部分 分相器單元2 轉(zhuǎn)子部分 分相器單元1 轉(zhuǎn)子部分 扭矩傳感器檢測(cè)方法 定子部分 轉(zhuǎn)子部分 定子部分 信號(hào)A 信號(hào)B 每個(gè)分相器單元輸出兩個(gè)相位差相差90度的信號(hào)來(lái)檢測(cè)相對(duì)角度 分相器單元 定子部分 分相器單元 轉(zhuǎn)子部分 輸出信號(hào) V 信號(hào)A 信號(hào)B 手動(dòng) 自動(dòng) 當(dāng)靜止時(shí)分相器單元的轉(zhuǎn)子部分輸出定值信號(hào) 分相器單元 定子部分 分相器單元 轉(zhuǎn)子部分 輸出信號(hào) V 信號(hào)A 信號(hào)B 轉(zhuǎn)向時(shí)節(jié)轉(zhuǎn)子部分的兩個(gè)分相器單元產(chǎn)生相對(duì)角度 分相器單元1輸出信號(hào) t t 分相器單元2輸出信號(hào) t t EPSECU根據(jù)兩個(gè)分相器單元的相對(duì)位置決定對(duì)EPS馬達(dá)提供多少電壓 轉(zhuǎn)向馬達(dá)電壓 EPSECU 1 2 1 2 馬達(dá) 無(wú)電刷 馬達(dá)與齒條軸共軸 由轉(zhuǎn)角傳感器 定子及轉(zhuǎn)子組成 齒條軸 轉(zhuǎn)子 線圈 定子 磁體 馬達(dá) 轉(zhuǎn)角傳感器 馬達(dá) 無(wú)電刷 線圈 定子 帶磁體轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)角傳感器檢測(cè)凸臺(tái) 齒條軸 轉(zhuǎn)角傳感器 轉(zhuǎn)角傳感器 分相器型 通過(guò)檢測(cè)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度防止扭矩波動(dòng) 轉(zhuǎn)角傳感器 凸臺(tái) 轉(zhuǎn)子 齒條軸 輸出信號(hào) V 信號(hào)A 信號(hào)B EPS運(yùn)作轉(zhuǎn)向力矩與轉(zhuǎn)向助力輸出電流之間的關(guān)系 轉(zhuǎn)向助力輸出電流 車速 轉(zhuǎn)向力矩 高 低 EPS運(yùn)作EPS控制包括如下功能 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)分析 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩與助力矩之間的理想關(guān)系應(yīng)具備以下幾點(diǎn) 1 在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩很小的區(qū)域內(nèi)希望助力矩越小越好 甚至不施加助力 2 在低速行駛低速轉(zhuǎn)向過(guò)程中 為使轉(zhuǎn)向輕便 助力效果應(yīng)當(dāng)明顯 3 原地轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩相當(dāng)大 此時(shí)應(yīng)盡可能發(fā)揮較大的助力轉(zhuǎn)向效果 且助力矩增幅應(yīng)較大 助力矩增加到一定值時(shí)應(yīng)保持恒定 以免助力電動(dòng)機(jī)因負(fù)荷過(guò)大而出現(xiàn)故障 4 隨著車速的增升高 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩很小時(shí)不助力的區(qū)域應(yīng)增大 6 形式轉(zhuǎn)向時(shí) 助力矩增加到一定值時(shí)也應(yīng)保持恒定 以便駕駛員駕駛時(shí)可以明顯感到路面反力的增加 知道安全駕駛 8 助力矩不能大于同工礦下無(wú)助力時(shí)的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng) 即助力矩應(yīng)小于轉(zhuǎn)向阻力局 9 各區(qū)段過(guò)度要平滑 以避免操舵力出現(xiàn)跳躍感 3 2EPS典型助力曲線EPS的助力特性具有多種曲線形式 圖3 1為三種典型的EPS助力特性曲線 這里將圖中助力曲線分為三個(gè)區(qū) 0 Td Td0區(qū)為無(wú)助力區(qū) Td0 Td Tdmax區(qū)為助力變化區(qū) 12 EPS典型助力曲線 影響電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo) 1 轉(zhuǎn)向路感和轉(zhuǎn)向靈敏度的因素很多 在進(jìn)行EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)綜合考慮這些影響因素 但是有一些因素 如電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù) 各部件的粘性摩擦系數(shù)等 是不可以任意選擇的 因此要想獲得較好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能 就必須改變EPS各可變參數(shù)以獲得最佳的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能 2 裝備有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車要保持穩(wěn)定 必須使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 扭矩傳感器剛度 助力機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比 控制器助力增益滿足由Louth判據(jù)得到的兩個(gè)穩(wěn)定性條件 3 通過(guò)運(yùn)用MATLAB不同工況下的仿真 檢驗(yàn)了助力特性滿足穩(wěn)定性的要求 理論上驗(yàn)證了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響