交通運輸畢業(yè)設計（論文）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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1、 河南農(nóng)業(yè)大學 本科生畢業(yè)論文（設計） 題 目 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀及 發(fā)展趨勢 學 院 機電工程學院 專業(yè)班級 交通運輸07級3班 學生姓名 指導教師 撰寫日期：2011年 5 月 10 日 摘 要 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的關(guān)鍵部件，研究其

2、發(fā)展現(xiàn)狀和應用趨勢具有重要意義。本文首先介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能、特點，并對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了分類，對比分析了各類型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點；之后詳細介紹了典型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及優(yōu)點，闡述了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其電流控制原理；本文重點探究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國內(nèi)外應用發(fā)展現(xiàn)狀，預測了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，指出電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)是未來汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的主流發(fā)展方向；最后對未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)-線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)點進行了分析，并預測其在未來動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)主導地位，對提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全性能意義重大。 關(guān)鍵詞：汽車；電動助力轉(zhuǎn)向；工作原理；應用現(xiàn)

3、狀；發(fā)展趨勢；線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 朗讀 顯示對應的拉丁字符的拼音 31 Electric Power Steering System Application Situation and the Development Trend Abstract Electric power steering system is a key component of automotive chassis, there is of great significance to research its development status and application trends,

4、 This paper firstly introduces the performance and features of all kinds of electric power steering system, then classifies them and contrastive analyses the advantages and the disadvantages of which. After the detailed introduce of structure, working principle and advantages for typical electric po

5、wer steering system, the key technology and the principles of current control of which are all described. Based on the application and development status of electric power steering system at home and abroad , this paper forecasts the further growing trends of which, and points out the mainstream dev

6、elopment direction of automotive power steering technology is electric power steering technology Finally, the structure, working principle and advantages of wire control steering system in future are analyzed, which will be in dominant in the field of power steering , and great significance to impro

7、ve the safety performance of steering system. Key Words：Car; Electric Power Steering; Working Principle; Application Status; Development Tendency; Wire Control Steering System 目 錄 1引言 1 2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜述 2 2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能及特點 2 2.1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點 2 2.1.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能 2 2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 3 2.3電動助力

8、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 4 2.3.1 扭矩傳感器 5 2.3.2車速傳感器 6 2.3.3助力電動機 8 2.3.4減速機構(gòu) 9 2.3.5電磁離合器 9 2.3.6電控單元(ECU) 10 2.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 11 2.5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點 12 3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及電流控制 13 3.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 13 3.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電流控制 14 4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應用概況 16 4.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國外應用概況 17 4.1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國外的發(fā)展歷史 17 4.1.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在本田雅閣的應用 18

9、 4.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)應用概況 19 5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 20 6未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)—線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 22 6.1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 22 6.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 23 6.3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點 24 7結(jié)束語 25 參考文獻 26 致謝 28 1引言 目前，助力轉(zhuǎn)向（動力轉(zhuǎn)向）已成為絕大多數(shù)車輛的一項標準配置。顧名思義，助力轉(zhuǎn)向就是利用外部能源通過助力裝置協(xié)助駕駛員改變及恢復汽車行駛方向，減輕轉(zhuǎn)向盤操縱力矩并獲得一定路感的裝置。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Manual Steering，簡稱MS）、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic P

10、ower Steering，簡稱HPS）、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS），電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡稱EPS）四個基本發(fā)展階段[1]。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝電機驅(qū)動單元構(gòu)成的，隨著汽車性能的不斷提高，不但要求低速和駐車時的轉(zhuǎn)向輕便性，同時也要求汽車高速時的操縱穩(wěn)定性。然而機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都不能同時滿足低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速操縱穩(wěn)定性的要求。為了解決轉(zhuǎn)向系統(tǒng)“輕”與“靈”的矛盾，采用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子技術(shù)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應運而生。電動

11、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理為：駕駛員在操縱方向盤進行轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)距電壓信號、轉(zhuǎn)動方向和車速信號等，并根據(jù)信號向電動機控制器發(fā)出指令，使電動機輸出相應大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動力。汽車不轉(zhuǎn)向時，電子控制單元不向電動機控制器發(fā)出指令，這時電動機不工作。 另外EPS系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)具有能耗小，污染少，節(jié)油，省空間等一系列優(yōu)點，EPS系統(tǒng)的主要目的是提供助力、改善汽車轉(zhuǎn)向性能、協(xié)助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作[2]。應用日益廣泛的新一代的EPS系統(tǒng)是利用直

12、流電動機作為動力源，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等信號，控制電動機輸出扭矩的大小和方向，使之得到一個與工況相適應的轉(zhuǎn)向作用力。它將電動機、電磁離合器、減速裝置、轉(zhuǎn)向桿等各部件裝配成一個整體，其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量較輕，可編程的轉(zhuǎn)向助力特性使得轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性得到較大的提高。據(jù)美國TRW（天合）汽車集團官員估計，至2010年全世界三分之一的轎車將應用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在中型和大型客車上也會得到漸漸的應用，并且電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)漸漸作為標準配置應用于各種類型的汽車上。由此可以預見，在各種車型上電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取代傳統(tǒng)機械/液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必然趨勢。 2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜述 隨著人們生活水平的提高汽車

13、成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚墓ぞ?，汽車已?jīng)進入普通生活家庭。作為汽車的一個重要組成部分，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，如何設計汽車的轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車生產(chǎn)廠家和科研機構(gòu)的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛?cè)巳?，汽車的操縱設計顯得尤為重要。因為現(xiàn)在的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不但要求低速和駐車時的轉(zhuǎn)向輕便性，同時也要求汽車高速時的操縱穩(wěn)定性[3]。然而機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都不能同時滿足低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速操縱穩(wěn)定性的要求。為了解決轉(zhuǎn)向系統(tǒng)“輕”與“靈”的矛盾，采用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子技術(shù)的電動助

14、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應用而生，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)代表未來汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向之一，因其自身的特點及優(yōu)點而越來越受到人們的關(guān)注，成為今后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點。 2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能及特點 2.1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點 EPS就是英文(Electric Power Steering)的縮寫，即電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝了電動機及減速機構(gòu)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器和ECU電控單元而成，是一種直接依靠電動機提供輔助轉(zhuǎn)矩扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電動助力機直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)

15、動機上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點。 2.1.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點使它具有以下性能[4]： 1）助力特性 早期的EPS系統(tǒng)只在汽車低速時提供助力，在車速高于設定值時，EPS系統(tǒng)就停止工作，屬于低速型。這類系統(tǒng)控制算法相對簡單，對系統(tǒng)硬件要求低，不能改善汽車高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，而且當車速在設定臨界切換值附近時，轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變，給駕駛員帶來了潛在的危險性?，F(xiàn)在研究多的是在全速型的EPS系統(tǒng)，它在任何車速下都提供助力，既兼顧了低速時操縱靈活性，也實現(xiàn)了高速時操縱穩(wěn)定性，但系統(tǒng)控制

16、算法相對復雜，對控制系統(tǒng)的硬件要求相對高些。例如Pinto和Mira采用的是全速型EPS系統(tǒng)，Alto和Monica采用的是低速型EPS系統(tǒng)。EPS系統(tǒng)采用微電子控制技術(shù)，利用軟件算法控制電動機動作，可以通過調(diào)整控制參數(shù)獲得最優(yōu)的回正特性，并能增強轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的隨動性。 2）操縱靈活性與穩(wěn)定性 汽車駕駛操作靈活性與穩(wěn)定性體現(xiàn)在停車泊位、低速行駛以及高速行駛時的轉(zhuǎn)向性能。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕便靈活與路感是一對相互制約的關(guān)系，轉(zhuǎn)向助力大而轉(zhuǎn)向力小則轉(zhuǎn)向輕便，但轉(zhuǎn)向力過小又導致缺乏“路感”，特別是高速行駛時，駕駛員會感到汽車“飄”，從而又影響到操縱的穩(wěn)定性；轉(zhuǎn)向力過大又會感到操縱不輕便。EPS系

17、統(tǒng)的引入可以較好的解決上述矛盾，在EPS控制系統(tǒng)中，可以通過完善控制算法在不同工況下提供相應的助力特性，能通過修改相應控制參數(shù)達到調(diào)整修改控制輸出特性，并且具有較大的靈活性。 3）節(jié)能環(huán)保 試驗表明，EPS系統(tǒng)還具有高效節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點。與傳統(tǒng)HPS系統(tǒng)相比，沒有系統(tǒng)要求的常運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向油泵，且電動機只是在需要轉(zhuǎn)向時才接通電源，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低，還消除了由于轉(zhuǎn)向油泵帶來的噪音污染。在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有EPS系統(tǒng)的汽車燃油消耗降低了2.5%，在使用轉(zhuǎn)向情況下，降低了5.5%。此外，EPS系統(tǒng)的重復利用率高，組件的95%可以再回收利用，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回收利用率只有85

18、%。 4）安全性 EPS系統(tǒng)控制的核心ECU具有故障自診斷功能，當ECU檢測到某一組件工作異常，如系統(tǒng)各傳感器、電動機、電磁離合器、電源系統(tǒng)及汽車點火系統(tǒng)等發(fā)生故障時，ECU便能立即控制電磁離合器分離，使電動機停止助力，顯示相應故障代碼，轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向，按普通轉(zhuǎn)向控制方式工作，以確保行車安全可靠。 2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 早期開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都是低速，駐車轉(zhuǎn)向助力型。目前現(xiàn)有的4種類型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都是基于齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的，按照助力電動機的安裝位置不同可以分為：轉(zhuǎn)向柱助力型，小齒輪助力型，雙小齒輪助力型和齒條助力型[5]。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型圖如圖2-1所示：

19、轉(zhuǎn)向軸助力式 齒輪助力式 齒條助力式 圖2-1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型圖 （1）轉(zhuǎn)向柱助力型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力電動機安裝在轉(zhuǎn)向柱上，電動機助力轉(zhuǎn)矩通過蝸桿蝸輪減速增扭后直接加在轉(zhuǎn)向柱上。其優(yōu)點是電動機可以安裝在轉(zhuǎn)向柱的任何位置，成本相對其他幾種類型最低；缺點是對電動機的轉(zhuǎn)矩波動和對駕駛員手感影響較大。 （2）小齒輪助力型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力電動機通過小齒輪與齒條嚙合，電動機的助力轉(zhuǎn)矩直接加在小齒輪軸上。優(yōu)點：剛性好，轉(zhuǎn)向路感好。 （3）雙小齒輪助力型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向齒條上安裝有兩個小齒輪，一個小齒輪與轉(zhuǎn)向盤相連，助力電動機

20、通過另外一個小齒輪與齒條嚙合，為齒條提供助力。優(yōu)點是：可以提供相對較大的助力。 2.3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通常由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電子控制器、電動機、電磁離合器和減速機構(gòu)等組成[6]。如圖2-2： 圖2-2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2.3.1 扭矩傳感器 如圖2-3所示，扭矩傳感器又稱轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩傳感器，用來實時檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向，即轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)向盤的位置，并將信號輸送到電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電控單元(ECU)，它是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制信號之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是

21、決定電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能否占領(lǐng)市場的關(guān)鍵因素。扭矩傳感器的精度問題決定了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能可靠性，因此，加速開發(fā)研究性能可靠，成本低廉的扭矩傳感器十分重要。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要是電位計式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型；而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進行折中，難以實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強、剛度相對較高，易實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取應根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。

22、 圖2-3 扭矩傳感器圖 隨著EPS系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對扭矩傳感器的精度、可靠性和響應速度提出了跟高的要求。EPS系統(tǒng)扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢： （1）測試系統(tǒng)向微型化、數(shù)字化、智能化、虛擬化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展； （2）從單功能向多功能發(fā)展。包括自補償、自修正、自適應、自診斷、遠程設定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶； （3）向著小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器的檢測部分可以通過結(jié)構(gòu)的合理設計和優(yōu)化來實現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導體部件、電阻到一個單獨的IC部件上，減少外部部件的數(shù)量； （4）由靜態(tài)測試向動態(tài)在線檢測方向發(fā)展。 2.3.2車速傳感器 車速傳感器用來檢

23、測電控汽車的車速的大小，控制電腦用這個輸入信號來控制發(fā)動機怠速，自動變速器的變扭器鎖止，自動變速器換檔及發(fā)動機冷卻風扇的開閉和巡航定速等其它功能。車速傳感器的輸出信號可以是磁電式交流信號，也可以是霍爾式數(shù)字信號或者是光電式數(shù)字信號，車速傳感器通常安裝在驅(qū)動橋殼或變速器殼內(nèi)，車速傳感器信號線通常裝在屏蔽的外套內(nèi)，這是為了消除有高壓電火線及車載電話或其他電子設備產(chǎn)生的電磁及射頻干擾，用于保證電子通訊不產(chǎn)生中斷，防止造成駕駛性能變差或其它問題。在汽車上磁電式及光電式傳感器是應用最多的兩種車速傳感器，在歐洲、北美和亞洲的各種汽車上比較廣泛采用磁電式傳感器來進行車速(VSS)、曲軸轉(zhuǎn)角(CKP)和凸輪軸

24、轉(zhuǎn)角(CMP)的控制，同時還可以用它來感受其它轉(zhuǎn)動部位的速度和位置信號等，例如壓縮機離合器等。車速傳感器安裝在變速箱上，根據(jù)車速的變化，把主副兩個系統(tǒng)的脈沖信號傳送給ECU，由于是兩個系統(tǒng)，因此信號的可靠性提高了。 1）磁電式車速傳感器 磁電式車速傳感器是一個模擬交流信號發(fā)生器，它們產(chǎn)生交變電流信號，通常由帶兩個接線柱的磁芯及線圈組成。這兩個線圈接線柱是傳感器輸出的端子，當由鐵質(zhì)制成的環(huán)狀翼輪（有時稱為磁組輪）轉(zhuǎn)動經(jīng)過傳感器時，線圈里將產(chǎn)生交流電壓信號。磁組輪上的逐個齒輪將產(chǎn)生一一對應的系列脈沖，其形狀是一樣的。輸出信號的振幅（峰對峰電壓）與磁組輪的轉(zhuǎn)速成正比，即與車速大小成正比，信號的頻

25、率大小表現(xiàn)于磁組輪的轉(zhuǎn)速大小。傳感器磁芯與磁組輪之間的氣隙大小對傳感器的輸入信號的幅度影響極大，如果在磁輪組上去掉一個或多個齒數(shù)就可以產(chǎn)生同步脈沖來確定上止點的位置。這會引起輸出信號頻率的改變，而在齒數(shù)減少時輸出信號幅度也會改變，發(fā)動機控制電腦或點火模塊正是靠這個同步脈沖信號來確定觸發(fā)電火時間或燃油噴射時刻的。 磁電式車速傳感器的測試方法：可以將系統(tǒng)驅(qū)動輪頂起，來模擬行駛時的條件，也可以將汽車示波器的測試線型加長，在行駛中進行測試。測試得到的波形結(jié)果：車輪轉(zhuǎn)動后，波形信號在示波器顯示中心處的零伏平線上開始上下跳動，并隨著車速的提高跳動越來越高。通常，波形在零伏線上下的跳變是非常對稱的，車速傳

26、感器的信號的振幅隨車速增加。速度越快波形幅值就越高，而且車速增加，波形頻率也將增加，示波器將顯示有較多的波形震蕩。確定振幅、頻率和形狀等關(guān)鍵的尺度是正確的、可重復的、有規(guī)則的、可預測的。這是指波峰的幅值正常，兩脈沖間的時間不變，形狀是不變的且可預測的，尖峰高低不平是因傳感的磁芯與磁輪組相碰所引起的，這可能是有傳感器的軸襯或傳動部件不圓造成的，尖峰丟失是具有損壞缺點的磁組輪造成的。不同形式的傳感器，其波形的峰值電壓和形狀有輕微的差異。 另外由于傳感器內(nèi)部是一個線圈，所以故障是與溫度有關(guān)的，在大多數(shù)情況下波形會變得短很多，變形也很大，同時還可能設定故障碼(DTC)，故障在示波器上顯示的搖動線束，

27、可以更進一步確定磁電式傳感器是造成故障的根本原因。車速傳感器信號輸出最常見的故障是根本不產(chǎn)生信號，但如果駕駛汽車時波形是齊直的直線，那么應該先檢查示波器和傳感器的連線，確定電路有沒有對地搭鐵，確認零部件能否轉(zhuǎn)動（塑料齒輪有沒有咬死等），確認傳感器氣隙是否正常，然后再斷定傳感器。 2）霍爾式車速傳感器 霍爾效應傳感器在汽車應用中是十分特殊的，這主要是由于變速器周圍空間位置沖突，霍爾效應傳感器是固體傳感器，它們主要應用在曲軸轉(zhuǎn)角和凸輪軸位置上，用于開關(guān)點火和燃油噴射電路觸發(fā)，它還應用在其它需要控制轉(zhuǎn)動部件的位置和速度控制電腦電路中。霍爾效應傳感器或開關(guān)，由一個幾乎完全閉合的包含永久磁鐵和磁極部

28、分的磁路組成，一個軟磁鐵葉片轉(zhuǎn)子穿過磁鐵和磁極間的氣隙，在葉片轉(zhuǎn)子上的窗口允許磁場不受影響的穿過并到達霍爾效應傳感器，而沒有窗口的部分則中斷磁場。因此，葉片轉(zhuǎn)子窗口的作用是開關(guān)磁場，使霍爾效應像開關(guān)一樣地打開或關(guān)閉，這就是一些汽車廠商將霍爾效應傳感器和其它類似電子設備稱為霍爾開關(guān)的原因。該組件實際上是一個開關(guān)設備，而它的關(guān)鍵功能部件是霍爾效應傳感器。其測試方法將驅(qū)動輪頂起，來模擬行使狀態(tài)，也可以將汽車示波測試線加長進行行駛的測試。測試得到的波形結(jié)果：當車輪開始轉(zhuǎn)動時，霍爾效應傳感器開始產(chǎn)生一連串的信號，脈沖的個數(shù)將隨著車速增加而增加，車速傳感器的脈沖信號頻率也將隨車速的增加而增加，但位置的占空

29、比在任何速度下保持恒定不變，車速傳感器越高，在示波器上的波形脈沖也就越多。然而確認從一個脈沖到另一個脈沖的幅度，頻率和形狀是一致的，這就是說波形幅度要夠大，通常等于傳感器的供電電壓。兩脈沖間隔要一致，形狀也要一致，且與預期的相同。 要確定波形的頻率與車速同步，并且占空比決無變化，還要觀察如下內(nèi)容： （1） 觀察波形的一致性，檢查波形頂部和底部尖角。 （2） 觀察幅度的一致性：波形高度應相等，因為給傳感器的供電電壓是不變的。有些實例表明波形底部或頂部有缺口或不規(guī)則，這里關(guān)鍵是波形的穩(wěn)定性不變，若波形對地電位過高，則說明電阻過大或傳感器接地不良。 （3） 觀察由行駛性能問題的產(chǎn)生和故障碼出

30、現(xiàn)而誘發(fā)的波形異常，這樣可以確定與顧客反映的故障或行駛性能故障產(chǎn)生的根本原因直接有關(guān)信號問題。雖然霍爾效應傳感器一般設計能在高至150℃的溫度下運行，但它們的工作仍然會受到溫度的影響，許多霍爾效應傳感器會在一定的溫度下會失效。 （4） 如果示波器顯示波形不正常，檢查被干擾的線或連接不良的線束，檢查示波器和連線，并確定有關(guān)部件轉(zhuǎn)動正常。當示波器顯示故障時，搖動線束，這可以提供進一步判斷，以確認霍爾效應傳感器是否是故障的根本原因。 3）光電式車速傳感器 光電式車速傳感器是固態(tài)的光電半導體傳感器，它由帶孔的轉(zhuǎn)盤兩個光導體纖維，一個發(fā)光二極管，一個作為光傳感器的光電三極管組成。一個以光電三極管為

31、基礎(chǔ)的放大器為發(fā)動機控制電腦或點火模塊提供足夠功率的信號，光電三極管和放大器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號（開關(guān)脈沖），發(fā)光二極管透過轉(zhuǎn)盤上的孔照到光電二極管上實現(xiàn)光的傳遞與接收。轉(zhuǎn)盤上間斷的孔可以開閉照射到光電三極管上的光源，進而觸發(fā)光電三極管和放大器，使之像開關(guān)一樣地打開或關(guān)閉輸出信號。 從示波器上觀察光電式車速傳感器輸出波形的方法與霍爾式車速傳感器完全一樣，只是光電傳感器有一個弱點，即它們對油或贓物在光通過轉(zhuǎn)盤傳遞的干涉十分敏感，所以光電傳感器的功能元件通常被設計成密封得十分好，但損壞的分電器或密封墊容器在使用中會使油或贓物進入敏感區(qū)域，這會引起行駛性能問題并產(chǎn)生故障碼。 2.3.3助力電動機

32、助力電動機[7]是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件和關(guān)鍵部件，對EPS系統(tǒng)的性能有很大的影響，其驅(qū)動電路圖如下圖2-4所示。助力電動機的特性直接影響到EPS系統(tǒng)控制的難易程度和駕駛員的手感。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，具有良好的動態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機具有線性的機械特性和調(diào)速特性。EPS系統(tǒng)對助力電動機的基本要求是：應具有較高的可靠性，較大的功率，較低噪聲和較小的振動，較低的摩擦轉(zhuǎn)矩，較小的體積和重量；能夠在各種轉(zhuǎn)動情況下輸出轉(zhuǎn)矩；有良好的機械特性，在工作過程中，轉(zhuǎn)矩波動應盡量要??；轉(zhuǎn)動慣量應盡可能小；應能快速的反轉(zhuǎn)。 圖2-4 助力電動機驅(qū)動電路圖 目前EPS

33、系統(tǒng)的助力電動機通常有永磁直流電動機，直流無刷電動機和開關(guān)磁阻電動機等。直流有刷電動機技術(shù)成熟，控制器簡單，成本低，但存在電刷容易磨損，功率密度低，由換向器的電火花產(chǎn)生的電磁干擾等缺點。直流無刷永磁電動機采用電子換向，減少了換向時的電火花，不需要經(jīng)常維護以及具有無激磁損耗、較高的效率和功率密度，體積較小等特點而受到越來越多的關(guān)注。 因此，開發(fā)適合EPS系統(tǒng)使用的低成本，高功率密度的直流無刷電動機是今后電動機的研究方向。 2.3.4減速機構(gòu) 減速機構(gòu)與電動機相連，電動機輸出的扭矩經(jīng)減速機構(gòu)減速增扭后驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸，小齒輪或齒條，起到減速增扭作用，即用來增大電動機傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。EPS系統(tǒng)的

34、減速機構(gòu)主要形式有：循環(huán)球螺桿螺母，差動輪系機構(gòu)，雙行星齒輪減速機構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機構(gòu)等[8]。由于減速機構(gòu)對系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對稱性方面對其提出了較高的要求。為降低噪聲和減小振動，減輕EPS系統(tǒng)的自重，減速機構(gòu)多采用樹脂材料制成。為了保證EPS系統(tǒng)旨在預先設定的車速范圍內(nèi)起作用，有的EPS系統(tǒng)還配用離合器。當車速達到某一值時，離合器分離，電動機停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向。另外，當電動機發(fā)生故障時，離合器將自動分離。 2.3.5電磁離合器 電磁離合器靠線圈的通斷電來控制離合器的接合與分離。電磁離合器可分為：干式單片電磁離合器，干式多片電磁離

35、合器（如圖2-5所示），濕式多片電磁離合器，磁粉式離合器，多片摩擦式電磁離合器等。電磁離合器按工作方式又可分為：通電結(jié)合電磁離合器和斷電結(jié)合電磁離合器。 1-外連接件：2-銜鐵：3-摩擦片組：4-磁軛：5-滑環(huán)：6-線圈：7-傳動軸套 圖2-5 多片摩擦式電磁離合器 電磁離合器是保證電動助力只在預定的范圍內(nèi)起作用。當車速、電流超過限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時，離合器便自動切斷電動機的電源，恢復手動控制轉(zhuǎn)向。此外，在EPS系統(tǒng)不助力的情況下，離合器還能消除電動機的慣性對轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不加轉(zhuǎn)向助力時駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域[9

36、]。 電磁離合器具有以下特點： （1）高速響應：因為是干式類，所以扭力的傳達很快，可以達到便捷的動作。 （2）耐久性強：散熱情況良好，而且使用了高級的材料，即使是在高頻率，高能量的工作條件系統(tǒng)使用，也十分耐用。 （3）組裝維護容易：屬于滾珠軸承內(nèi)藏的磁場線圈靜止形，所以不需要將中蕊取出也不必利用碳刷，使用簡單，維護容易。 （4）動作確實：使用板狀彈片，雖有強烈震動亦不會產(chǎn)生松動，耐久性佳。 2.3.6電控單元(ECU) ECU實際上是一個“電子控制單元”(Electronic Control Unit)[10]，一般是汽車內(nèi)部系統(tǒng)控制模塊的代名詞。它是由輸入電路、微機和輸出電路等

37、三部分組成，它的主要部分是微機，而核心件是CPU，其構(gòu)成模塊圖如圖2-6所示。ECU將輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，根據(jù)存儲的參考數(shù)據(jù)進行對比加工，計算出輸出值，輸出信號再經(jīng)功率放大去控制若干個調(diào)節(jié)伺服元件，例如繼電器和開關(guān)等。電控單元(ECU)是電控系統(tǒng)的核心，安裝在轎車右前輪罩后板處，ECU一般采用通用且功能集成，開發(fā)容易的CPU；軟件一般用C語言來編寫，并且提供了豐富的驅(qū)動程序庫和函數(shù)庫，有編程器，仿真器，仿真軟件，還有用于calibration的軟件。博世，德爾福，電裝，大陸的VDO等都是汽車ECU行業(yè)的領(lǐng)導者。 圖2-6 電控單元構(gòu)成模塊示意圖 電控單元(ECU)的功能是根據(jù)轉(zhuǎn)向盤

38、轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩和車速信號，進行邏輯分析與計算后，發(fā)出指令，控制助力電動機的動作。此外，ECU還有安全保護和自我診斷功能。ECU通過采集電動機的電流，發(fā)電機電壓，發(fā)動機工況等信號判斷其系統(tǒng)工作狀況是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，助力將自動取消，同時ECU將進行故障診斷分析。 2.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制框圖如圖2-7所示，工作流程圖如圖2-8所示。 圖2-7 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制框圖 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理：汽車處于起動或者低速行駛狀態(tài)時，操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向，裝在轉(zhuǎn)向柱上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷檢測作用于轉(zhuǎn)向柱扭桿上的扭矩，并將此信號與車速信號同時輸入電子控制器，處理器對

39、輸入信號進行運算處理，確定助力扭矩的大小和方向，從而控制電動機的電流和轉(zhuǎn)向，電動機經(jīng)離合器及減速機構(gòu)將轉(zhuǎn)矩傳遞給牽引前輪轉(zhuǎn)向的橫拉桿，最終起到為駕駛?cè)藛T提供輔助轉(zhuǎn)向力的功效[11]；當車速超過一定的臨界值或者出現(xiàn)故障時，為保持汽車高速時的操控穩(wěn)定性，EPS系統(tǒng)退出助力工作模式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)人手動轉(zhuǎn)向模式。不轉(zhuǎn)向的情況下，電動機不工作。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很容易實現(xiàn)在不同的車速下實時的為汽車轉(zhuǎn)向供不同的助力效果，保證汽車在低速行駛時輕便靈活，高速行駛時穩(wěn)定可靠。 圖2-8 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作流程圖 2.5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點[12]

40、： （1）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能在各種行駛工況下提供助力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力大小可以通過軟件方便的調(diào)整。在低速時，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以提供較大的轉(zhuǎn)向助力，提高車輛的轉(zhuǎn)向輕便性；隨著車速的提高，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向助力可以逐漸減小，轉(zhuǎn)向時駕駛員所需提供的轉(zhuǎn)向力將逐漸增大，這樣駕駛員就感受到明顯的“路感”，提高了車輛穩(wěn)定性。 （2）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速時轉(zhuǎn)向盤能夠精確的回到中間位置，而且可以抑制高速回正過程中轉(zhuǎn)向盤的振蕩和超調(diào)，兼顧了車輛高、低速時的回正性能。 （3）提高了汽車的燃油經(jīng)濟性，城市工況下燃油經(jīng)濟性可以提高3.5%，平均節(jié)省燃

41、油3%。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅在汽車轉(zhuǎn)向時才提供助力，不像傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即使在不轉(zhuǎn)向時，油泵也一直運轉(zhuǎn)。 （4）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，零件數(shù)量較少，便于安裝和裝配，提高了勞動生產(chǎn)率。由于省去了裝于發(fā)動機上的皮帶輪和油泵，流出的空間可以用于安裝其他部件。FIAT亞菲特汽車公司生產(chǎn)的Pinto采用了Delphi（是Windows平臺下著名的快速應用程序開發(fā)工具Rapid Application Development，簡稱RAD）公司開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，裝車時間減少了80%左右。 （5）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了液壓回路，不存在滲油和漏油問題，減少了對環(huán)境的污染，同時又節(jié)省了大量的轉(zhuǎn)向

42、助力油。 （6）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，生產(chǎn)線裝配好，自我診斷的功能，便于維修和保養(yǎng)，轉(zhuǎn)向助力大小可以通過軟件調(diào)整，能夠兼顧低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的操縱穩(wěn)定性，回正性能好。 （7）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的低溫工作性能，即使在-40℃的環(huán)境下，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也能很好地工作，具有更高的可靠性，安全性。 （8）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是整個系統(tǒng)的性能可以在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，通過改變系統(tǒng)的控制策略，編程來發(fā)現(xiàn)，從而滿足不同的車型和不同的駕駛感覺的需要，通過程序的設置，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易與不同車型匹配，可以縮短生產(chǎn)和開發(fā)的周期，大大減低了開發(fā)的成本，提高了開發(fā)效率

43、。 由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有上述多項優(yōu)點，因此近年來獲得了越來越廣泛的應用。 3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及電流控制 3.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括硬件和軟件兩個方面[13]： 硬件技術(shù)主要涉及傳感器、電機和ECU。傳感器是整個系統(tǒng)的信號源，其精度和可靠性十分重要。電動機是整個系統(tǒng)的執(zhí)行器，電動機性能好壞決定了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的表現(xiàn)。ECU是整個系統(tǒng)的運算中心，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程序兩個部分?？刂撇呗杂脕頉Q定電機的目標電流，并跟蹤該電流，使得電機輸出相應的助力矩。故障診斷與保護程序用來

44、監(jiān)控系統(tǒng)的運行，并在必要時發(fā)出警報和實施一定的保護措施。 EPS系統(tǒng)的研究開發(fā)涉及電動機的驅(qū)動技術(shù)、非接觸式傳感器技術(shù)、轉(zhuǎn)向控制技術(shù)（包括助力控制、回正控制、阻尼模式和慣性控制）以及EPS系統(tǒng)與整車性能等多方面的難題。 （1）電動機驅(qū)動技術(shù)：EPS系統(tǒng)中電動機要求端電壓低，而功率相對較高，所以電動機電流較大，這給驅(qū)動單元的電子器件選擇和電路設計帶來一定的困難，這是EPS系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 （2）非接觸傳感器技術(shù)：EPS系統(tǒng)中的方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器要求結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價格便宜，精度適中。目前國外EPS系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩傳感器多為非接觸式（電磁感應式、光電式等），而接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器（滑動電阻

45、式）應用較少。國內(nèi)非接觸式傳感器價格較高，不適合用于EPS系統(tǒng)中，必須開發(fā)出一種符合以上要求的轉(zhuǎn)矩傳感器。 （3）轉(zhuǎn)向控制技術(shù)：EPS系統(tǒng)在原有的機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加了電機和減速器使轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的慣性增大，為此必須引入慣性控制和阻尼控制。避免在電機開始助力和結(jié)束助力時對轉(zhuǎn)向操縱產(chǎn)生影響。同時，為了更好的路感，必須根據(jù)汽車的行駛速度和轉(zhuǎn)向狀態(tài)確定合理的助力的大小和方向。目前國外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先進的控制策略，并取得了比較好的控制效果。 （4）EPS系統(tǒng)與整車性能相匹配：汽車是由各子系統(tǒng)組成的既相互聯(lián)系又相互制約的有機整體，當汽車某個子系統(tǒng)改變時，整車性能也產(chǎn)生了相應的變

46、化。因此，必須對EPS系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)進行匹配，使整車性能達到最優(yōu)。 3.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電流控制 EPS系統(tǒng)的電流控制方式控制過程為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的輸Ts和車速傳感器的輸出V由助力特性確定電動機的目標電流I，然后電流控制器控制電動機的電流Icmd，使電動機輸出目標助力矩。因此EPS系統(tǒng)的控制要解決兩個問題：確定助力特性和跟蹤該助力特性。整個控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來根據(jù)基本助力特性及其補償調(diào)節(jié)，進行電動機目標電流的決策；下層控制器通過控制電動機電樞兩端的電壓，跟蹤目標電流。電流控制策略如圖3-1所示： EPS系統(tǒng)的上層控制器用來確定電動機的目標電流[14

47、]。根據(jù)EPAS的特點，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。 1）助力控制 助力控制是在轉(zhuǎn)向過程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速機構(gòu)把電機轉(zhuǎn)矩作用到機械轉(zhuǎn)向系（轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式（直線性助力特性圖如圖3-2所示）。其步驟如下： （1） 輸入由車速傳感器測得的車速信號； （2） 輸人由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測得的轉(zhuǎn)向盤力矩大小和方向； （3） 根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤力矩，由助力特性得到電動機目標電流； （4） 通過電動機電流控制器控制電動機輸出力矩。 在這一基本控制過程中，助力特性曲線確定EPS系統(tǒng)的控制目標，決定著EPS系統(tǒng)的性能。EPS系統(tǒng)的助

48、力特性曲線屬于車速感應型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸人下，電動機的目標電流隨車速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。 圖3-1 電流控制策略圖 圖3-2 直線性助力特性圖 2）回正控制 當汽車以一定速度行駛時，由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。隨著車速的提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，二者綜合作用使得回正性能提高。駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤將在回正力矩的作用下回正。在轉(zhuǎn)向盤回正過程中，有兩種情況需要考慮： （1）回正力矩過大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào)； （2）回正力矩過小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間

49、位置。對前一種情況，可以利用電動機的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況需要對助力進行補償，以增加回正能力。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬?nèi)容有：在低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂?，目的是保持機械系統(tǒng)原有的回正特性；在高速行駛轉(zhuǎn)向回正時，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制。 3）阻尼控制 阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會有通常說的“飄”的感覺，這給駕駛帶來很大的危險。為提高高速行駛時駕駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進行阻尼控制，適當加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速

50、行駛時手感的“穩(wěn)重”。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性比機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時，只需將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機產(chǎn)生阻尼效果。 4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應用概況 隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸追求安全、輕便、舒適的駕駛環(huán)境，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由普通轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展，動力轉(zhuǎn)向裝置分氣動/液動助力轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向，其中電動助力

51、轉(zhuǎn)向裝置EPS輕便簡單、節(jié)能、清潔，備受人們青睞，逐漸有取代其它助力方式的趨勢[15]。 EPS系統(tǒng)是在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依靠電動機提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于它有利于環(huán)保、安裝方便、提高主動安全性、并且助力特性可以根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)設計為可變助力特性。所以，一經(jīng)出現(xiàn)就受到高度重視。在國外，EPS系統(tǒng)已部分取代傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點。由于目前汽車蓄電池輸出功率的限制，使EPS系統(tǒng)助力電動機的扭矩有限，所以EPS系統(tǒng)最先應用在小型車和家庭轎車上。然而現(xiàn)在它已廣泛應用于較大型車輛上，EPS系統(tǒng)應用到較大型車輛上的技術(shù)關(guān)鍵點是能提供大的輔助軸向力，因為

52、中型或大型車輛需要的軸向力可達10000N，甚至更高。這種擴大要歸功于社會對節(jié)能型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求，而且由于控制技術(shù)的進步使電動助力轉(zhuǎn)向器性能達到甚至超過液力轉(zhuǎn)向器的性能。然而，在目前大多數(shù)汽車配裝l2V電壓系統(tǒng)的情況下，由于電動轉(zhuǎn)向器的電機電流的限制，電機輸出扭矩的增加受到了很大限制。 為了解決這一難題，世界各大汽車制造商加大了研究力度，并且歐洲汽車制造商在研究配有42V電壓系統(tǒng)的中型車輛上應用EPS系統(tǒng)方面走在了前頭，而在拓展EPS系統(tǒng)的應用方面，日本的KOYO、NSK、HONDA及美國的DELPHI、TRW等公司已經(jīng)開發(fā)了多種類型的EPS系統(tǒng)。 總的來說，EPS系統(tǒng)是一種新型的動力轉(zhuǎn)向

53、器，它沒有因電液或液力動力轉(zhuǎn)向器的體積大、部件多、管路漏油等原因而造成的耗能高、污染環(huán)境，安全性差的缺點。因此，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從1988年第1個EPS樣品誕生至今的20多年時間里，快速完成了從實驗室走向商品化，進而批量生產(chǎn)的過程。特別是近幾年，隨著汽車數(shù)量的大幅增加，能源和環(huán)保問題的日益突出，節(jié)能、環(huán)保的EPS系統(tǒng)受到了廣大汽車廠家的歡迎[16]。 4.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國外應用概況 4.1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國外的發(fā)展歷史 國外從1979年開始研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，至今已有30多年的歷史。之前一直沒有取得大的進展，主要是因為EPS系統(tǒng)的成本太高。隨著近幾年來電子技術(shù)的快速發(fā)展，E

54、PS系統(tǒng)的成本已大幅度地降低，再加上它所具有的優(yōu)點，因而越來越受到人們的重視，并迅速邁向應用領(lǐng)域，部分取代了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，當前已經(jīng)在輕微型轎車、廂式車上得到廣泛應用，并以每年增加數(shù)百萬臺的速度發(fā)展。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在日本的微型轎車上最早得到應用，1988年日本鈴木首次在其Carve車上裝備了EPS系統(tǒng)，隨后用在其Alto車上。接著，日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi汽車系統(tǒng)公司、TRW公司、德國的ZF都研制出自己的EPS系統(tǒng)。例如：大發(fā)汽車公司在其Mira車上裝備了EPS系統(tǒng)。三菱汽車公司則在其Monica車上裝備了EPS系統(tǒng)，本田汽車公司的Accord

55、車目前已經(jīng)選裝EPS系統(tǒng)，S2000轎車的動力轉(zhuǎn)向也將傾向于選擇EPS系統(tǒng)，Delphi汽車系統(tǒng)公司已經(jīng)為大眾的Polo、歐寶的318i以及菲亞特的Pinto開發(fā)出EPS系統(tǒng)。TRW從1998年開始，便投入了大量人力、物力和財力用于EPS系統(tǒng)的開發(fā)。他們最初針對客車開發(fā)出轉(zhuǎn)向軸助力式EPS系統(tǒng)，如今小齒輪助力式EPS系統(tǒng)開發(fā)也已獲成功。1999年3月，他們的EPS系統(tǒng)已經(jīng)裝備在轎車上，如Ford Fiesta和Mazda 323F等。Mercedes．Benz和SiemensAutomotive兩大公司共同投資6500萬英鎊用于開發(fā)EPS系統(tǒng)，他們的目標是年產(chǎn)300萬套，成為全球EPS系統(tǒng)制造

56、商。 EPS系統(tǒng)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，技術(shù)同趨完善，在國外，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應用范圍正從最初的微型車向高級轎車，商務車上發(fā)展，助力形式從低速范圍助力型向全速范圍助力型方向發(fā)展。例如日本早期的EPS系統(tǒng)只在低速和停車轉(zhuǎn)向時助力，后來發(fā)展的EPS系統(tǒng)不僅能在低速和停車時助力，還能在高速行駛時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。正是由于這一系列的優(yōu)點，在世界汽車行業(yè)中，EPS系統(tǒng)的年增長量達130萬到150萬套，據(jù)美國天合(TRW)公司統(tǒng)計的數(shù)據(jù)表明，在世界范圍內(nèi)，電動轉(zhuǎn)向器和電液轉(zhuǎn)向器的使用會增加很快，2001年大約42%的安裝在新車中的轉(zhuǎn)向器是這種節(jié)能型的。即使是保守的估計，到2006年歐洲市場中電動轉(zhuǎn)向器

57、和電液轉(zhuǎn)向器的份額會達到56%，到2015年新生產(chǎn)的汽車上將會都安裝電動轉(zhuǎn)向器。汽車采用EPS技術(shù)將使轉(zhuǎn)向技術(shù)向線控轉(zhuǎn)向技術(shù)大大前進了一步。隨著42V電子系統(tǒng)在未來幾年大規(guī)模地進入市場，它將會促進電動轉(zhuǎn)向器應用于大型豪華汽車上。 因此，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展前景是非常廣闊的。這也正是全球各大公司對其青睞的原因。 4.1.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在本田雅閣的應用 本田雅閣轎車的前輪載荷較大，所需要的轉(zhuǎn)向輔助力也大，因此輔助力直接作用在齒條上。其裝載的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖4-1所示： 圖4-1 本田雅閣轎車上的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1）本田雅閣上的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點如下： （1）效率可高

58、達90%以上，液壓動力轉(zhuǎn)向效率一般在60%~70%； （2）路感和回正性好，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)阻小、回正性好，改善了汽車操縱穩(wěn)定性； （3）能耗少，EPS系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)向時電機才提供助力，汽車油耗可降低3%左右； （4）系統(tǒng)便于集成，整體尺寸減小，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量??； （5）可獨立于發(fā)動機工作，EPS系統(tǒng)以蓄電池為能源，以電機為動力元件，與發(fā)動機無關(guān)； （6）省去了油泵和輔助管路，總布置更加方便； （7）對環(huán)境污染少，而液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓管路接頭存在油泄漏問題且液壓管路不可回收； （8）裝配性好，易于布置，由于EPS主要部件（電機、減速器、傳感器、電控單元等）可集成在一起，便于整

59、車布置和裝配。 2）本田雅閣上的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點如下： （1）直接助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的輔助動力較小，難以用于大型車輛，主要用于轎車和輕型貨車，對電動汽車、混合動力車、燃料電池車是最佳選擇； （2）減速機構(gòu)、電動機等部件會影響汽車的操縱穩(wěn)定性，正確匹配整車性能至關(guān)重要； （3）使用電動機、減速機構(gòu)和轉(zhuǎn)矩傳感器等部件，增加了EPS系統(tǒng)的成本。 4.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)應用概況 相比之下，國內(nèi)對電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究起步較晚。我國自主設計的EPS系統(tǒng)和國外的成熟產(chǎn)品相比，還有一定的差距，很多整車廠裝配的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)都依靠進口。但是我們正在奮起直追，逐步縮小自主開

60、發(fā)的EPS系統(tǒng)與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)差距。目前國內(nèi)對電動助力EPS系統(tǒng)的研究，主要是針對微型轎車用“轉(zhuǎn)向柱助力型”EPS系統(tǒng)展開的。在國內(nèi)，很多科研院校和企業(yè)單位對電動助力轉(zhuǎn)向進行了深入地研究?？蒲性盒Ｖ饕校呵迦A大學、北京理工大學，吉林大學、合肥工業(yè)大學、天津大學、華中科技大學、浙江大學、江蘇大學和湖北汽車工業(yè)學院等，他們對EPS系統(tǒng)的模型、助力特性、控制策略等進行了理論方面的研究，這些研究都對下一步的電動助力轉(zhuǎn)向的研究打下了一定的基礎(chǔ)。國內(nèi)已有株洲南方動力公司，廣州跨越汽車零部件工貿(mào)公司等企業(yè)在小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向軸助力式電動轉(zhuǎn)向器和試制其它電動轉(zhuǎn)向器。然而，由于國內(nèi)各大企業(yè)與研究機構(gòu)對該項技術(shù)的

61、控制理論與控制原理還沒有完全掌握，仍處于探討實踐階段。 但是電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展勢頭良好，到現(xiàn)在為止，國內(nèi)已有10家大專院校和10家國有或民營企業(yè)立項或獨自開發(fā)該產(chǎn)品，預計我國每年會以10萬～20萬臺速度發(fā)展。正是由于各方面電動轉(zhuǎn)向研究的大量投入，該產(chǎn)品已接近成功，已有一部分產(chǎn)品開始裝車調(diào)試。在汽車電動轉(zhuǎn)向產(chǎn)品的開發(fā)中，充分體現(xiàn)了我國市場經(jīng)濟競爭的特點，一些大專院校和企業(yè)相結(jié)合，國有、民營企業(yè)齊上陣，這種各方面競爭的結(jié)果加快了開發(fā)的進度。2001年，昌河汽車廠開始將電動轉(zhuǎn)向器裝在北斗星高檔微型箱式車，揭開了我國汽車轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)歷史上新的一章，2002年該車型已有6萬臺配裝電動轉(zhuǎn)向器，即

62、電動轉(zhuǎn)向車己占該車型的60%了。昌河汽車廠也已開始在新車型艾迪爾上裝電動轉(zhuǎn)向器，廣州本田飛度轎車、一汽豐田的卡羅拉轎車已裝電動轉(zhuǎn)向器，哈飛汽車廠也開始在新車型上裝電動轉(zhuǎn)向器，吉利在其多款轎車上也安裝了電動轉(zhuǎn)向器。另外，奇瑞QQ轎車、揚子皮卡車廠和很多微型箱式車廠，都準備安裝電動轉(zhuǎn)向。這充分說明裝配EPS系統(tǒng)產(chǎn)品的市場和市場潛力是很大的。正因如此，國內(nèi)對電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究不斷地深入。 我國汽車市場上早期應用的EPS系統(tǒng)是靠外資企業(yè)進口的，之后國內(nèi)企業(yè)也開始進行研發(fā)，涌現(xiàn)了株洲易力達、浙江福林國潤等一些內(nèi)資企業(yè)。隨著近兩三年的發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場應用已經(jīng)初具規(guī)模。據(jù)奧爾威咨詢統(tǒng)計，20

63、08年我國EPS系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)總產(chǎn)量為大約111.9萬套，維修和改裝市場大約使用1萬，庫存大約有1萬多。EPS系統(tǒng)與之前的技術(shù)成熟的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，已經(jīng)在市場上有一定的市場份額。盡管國內(nèi)有多家企業(yè)在進行EPS系統(tǒng)研發(fā)試裝，但是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的必需件，國家對整車安全有非常嚴格的要求，所以EPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性成為產(chǎn)業(yè)化進展的關(guān)鍵。目前國內(nèi)EPS系統(tǒng)安裝市場90%以上被外資企業(yè)占領(lǐng)，如捷太格特、昭和、采埃孚等，造成該現(xiàn)象有多方原因，但是根本原因在于國內(nèi)產(chǎn)品能夠滿足可靠性需求的不多。 據(jù)奧爾威咨詢了解，美系的德爾福、天合、日系列的恩斯克都準備擴大或開始EPS系統(tǒng)的大規(guī)模量產(chǎn)，且配套車型延伸

64、到自主品牌車型，加上韓系列EPS系統(tǒng)供應商萬都，這些將對國內(nèi)EPS研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)構(gòu)成威脅。本土EPS系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)擁有技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品達到高穩(wěn)定性是目前國內(nèi)EPS系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。這樣才能在市場還有很大空間的情況下，和外資企業(yè)同臺競爭，并為未來在汽車電子領(lǐng)域發(fā)展建立基礎(chǔ)[17]。 5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致經(jīng)歷了無助力的純機械轉(zhuǎn)向(Ms)系統(tǒng)、有液壓助力的液壓助力轉(zhuǎn)向(HPS)系統(tǒng)、隨車速改變助力大小的電控液壓助力轉(zhuǎn)向(V~CHPS)系統(tǒng)、由電動機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向油泵的電動液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS)系統(tǒng)、純粹靠電動機提供助力的電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)等發(fā)展歷程。助力轉(zhuǎn)向

65、系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)日趨完善。今后，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進一步成熟。EPS系統(tǒng)未來的發(fā)展有兩個方向：一是提高EPS系統(tǒng)的系統(tǒng)控制性能，以便于在中、高級轎車上使用，這就需要引入諸如轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度等量而不僅僅局限于以車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩作為控制量，同時采用助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略以便提高EPS系統(tǒng)的性能；另一個是降低EPS系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)各部件可靠性和耐用性。據(jù)TRW公司預測，到2010年全世界生產(chǎn)的每3輛轎車中就有一輛裝備EPS系統(tǒng)，特別是低排放汽車(LEV)、混合動力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)、電動汽車(EV)，這4大EV汽車將構(gòu)成未來汽車發(fā)展的主體，這

66、給EPS系統(tǒng)帶來了更加廣闊的應用前景。具體來說，未來電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要從以下幾個方面進一步發(fā)展[18]： 1）傳感器技術(shù) 性能完善的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號、電機電壓信號、電機電流信號等。目前，傳感器的成本是制約電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場化的主要因素，因此，設計和開發(fā)適合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性價比較高的傳感器是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。 2）合理助力特性的確定 助力特性的好壞取決于轉(zhuǎn)向的輕便性和路感。對于路感問題國內(nèi)外還沒有成熟的理論研究結(jié)果，研究手段還以試驗為主。 3）控制策略 控制策略[19]是影響助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，也是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。EPS系統(tǒng)能否獲得滿意的性能，除了應有好的硬件保證外，還必須有良好的控制軟件做支撐。隨著智能控制技術(shù)的進一步發(fā)展，智能控制技術(shù)必將應用于EPS系統(tǒng)的開發(fā)。目前，國內(nèi)外許多學者都在探討將先進的控制理論應用于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，如魯棒控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡控制理論和自適應控制理論等。今后，控制策略研究的重點主要集中在如何抑制電機的力矩波動、如何獲得較好的路感、如