EPS电动助力转向系

EPS电动助力转向系统•电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，缩写EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统HPS（HydraulicPowerSteering）相比，EPS系统具有很多优点。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。•优点：•（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]。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。结构分相器型扭矩传感器转角传感器转向齿轮单元•无电刷式马达•减速机构•系统逻辑图电机反馈电流目标电流车速增大MCU控制软件模块转向轴助力控制算法电机减速器总成转矩传感器车速传感器点火信号发动机转速TVWGI•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，•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。•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ESP工作原理•电动助力转向系统通常由扭距传感器、车速传感器、电子控制单元ECU、电动机、减速机构等组成。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,当转动转向盘时，扭距传感器测出施加于转向轴的扭矩，并产生一个电信号；与此同时，车速传感器测出汽车的车速，也产生一个电信号。这两个信号被送往电子控制单元，经过电子控制单元分析处理后，输出给电动机一个合适的电流以产生相应的扭矩，经减速机构施加在转向机构上，得到一个与工况相适应的转向作用力。电动助力转向系统独立于汽车发电机而蓄电池提供动力，不受发动机工作的影响。EPS的分类•电动助力转向系统按照电动机布置位置的不同，可以分为：转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式、直接助力式四种•转向柱助力式电动助力转向器(C-EPS)的助力电机固定在转向柱的一侧，通过减速增扭机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向(图2)。这种形式的电动助力转向系统结构简单紧凑、易于安装。•齿轮助力式电动助力转向器(P-EPS)的助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向(图3)。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。该类型转向器可用于中型车辆，以提供较大的助力。•齿条助力式电动助力转向器(R-EPS)的助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力(图4)。由于助力电机安装于齿条上的位置比较自由，因此在汽车的底盘布置时非常方便。同时，同C-EPS和P-EPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型车辆上。关键技术•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。转向•扭矩传感器(分相器型)–扭矩传感器检测到扭转杆扭转变形，将其转变为电子信号并输出至EPSECU转向主轴(输入轴)扭转杆分相器单元1小齿轮轴(输出轴)齿条轴分相器单元2至EPSECU•工作原理：扭转杆扭转后使两个分相器单元产生一个相对角度转向主轴(输入轴)小齿轮轴(输出轴)分相器单元2(转子部分)分相器单元1(转子部分)分相器单元2(转子部分)分相器单元1(转子部分)•扭矩传感器检测方法定子部分转子部分定子部分信号A信号B•每个分相器单元输出两个相位差相差90度的信号来检测相对角度分相器单元(定子部分)分相器单元(转子部分)tt输出信号(V)信号A信号B手动自动•当静止时分相器单元的转子部分输出定值信号分相器单元(定子部分)分相器单元(转子部分)tt输出信号(V)信号A信号B–转向时节转子部分的两个分相器单元产生相对角度[分相器单元1输出信号]tt[分相器单元2输出信号]tt•EPSECU根据两个分相器单元的相对位置决定对EPS马达提供多少电压转向马达电压EPSECU121-2•马达(无电刷)–马达与齿条轴共轴,由转角传感器、定子及转子组成齿条轴转子线圈定子磁体马达转角传感器•马达(无电刷)线圈定子带磁体转子转角传感器检测凸台齿条轴转角传感器•转角传感器(分相器型)–通过检测马达的旋转角度防止扭矩波动转角传感器凸台转子齿条轴tt输出信号(V)信号A信号B•EPS运作–转向力矩与转向助力输出电流之间的关系转向助力输出电流车速转向力矩高低项目功能基本控制根据转向力矩值及车速大小计算得到所需输出电流控制马达运转惯性补偿控制当驾驶员开始操作方向盘时改善马达的启动效果转向复位控制当方向盘从极限位置向回转动时，EPS提供复位助力控制衰减控制当车辆高速过弯时调节助力输出，以防止车身出现较大摇摆变压器增压控制对EPSECU的电压进行增压，当驾驶员未对方向盘进行任何操作时或车辆保持直线行驶时该电压保持在0伏。当驾驶员对方向盘进行操作时根据负载大小以27~34伏的电压对输出助力进行可变控制系统过热保护控制根据电流大小及其作用时间估计马达温度。如果温度超出规定范围系统将对输出电流进行限制，以防止马达过热EPS运作EPS控制包括如下功能电动助力转向系统对汽车操纵稳定性评价指标分析•转向驱动力矩与助力矩之间的理想关系应具备以下几点：•（1）在转向驱动力矩很小的区域内希望助力矩越小越好，甚至不施加助力。•（2）在低速行驶低速转向过程中，为使转向轻便，助力效果应当明显。•（3）原地转向时的转向阻力矩相当大，此时应尽可能发挥较大的助力转向效果，且助力矩增幅应较大，助力矩增加到一定值时应保持恒定，以免助力电动机因负荷过大而出现故障。•（4）随着车速的增升高，转向驱动力矩很小时不助力的区域应增大。•（6）形式转向时，助力矩增加到一定值时也应保持恒定，以便驾驶员驾驶时可以明显感到路面反力的增加，知道安全驾驶。•（8）助力矩不能大于同工矿下无助力时的转向驱动，即助力矩应小于转向阻力局。•（9）各区段过度要平滑，以避免操舵力出现跳跃感。•3.2EPS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[12]。EPS典型助力曲线影响电动助力转向系统性能的主要评价指标•（1）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。•（3）通过运用MATLAB不同工况下的仿真，检验了助力特性满足稳定性的要求，理论上验证了电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响。