電動(dòng)轉(zhuǎn)向器

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1、電動(dòng)轉(zhuǎn)向器（EPS） 一、電動(dòng)轉(zhuǎn)向的基本概念 1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向是一種簡(jiǎn)稱，它有別于電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向。前者指的是一種純電機(jī)助力轉(zhuǎn)向裝置，后者指的是一種電控液壓助力轉(zhuǎn)向裝置。一般講電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力裝置包含電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的機(jī)械部分、控制器、電機(jī)和傳感器等。在不同結(jié)構(gòu)的電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力裝置中它們的相對(duì)關(guān)系是不同的。通常多數(shù)電動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)把轉(zhuǎn)向器的機(jī)械部分、減速機(jī)構(gòu)、電機(jī)和傳感器安裝在一起、控制器另外安裝、用電線束把它們與蓄電池(電源)連接在一起的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱之為電動(dòng)轉(zhuǎn)向器。也有把控制器和轉(zhuǎn)向器機(jī)械部分安裝在一起的結(jié)構(gòu)。

2、 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器是一種通過(guò)電機(jī)為駕駛員操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力的裝置。這種助力的大小是由控制器（ECU）通過(guò)PWM方式輸出電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的。 通過(guò)控制器的控制可以在駕駛員操縱汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中向電機(jī)提供最理想的電流，從而控制電機(jī)提供最佳助力進(jìn)行工作。 ECU采集的信號(hào)來(lái)自扭矩傳感器、車速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)。 扭矩傳感器的信號(hào)來(lái)自于轉(zhuǎn)向軸內(nèi)部安裝的一根扭桿、其兩端在外力作用下產(chǎn)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度,反映到扭矩傳感器上，轉(zhuǎn)向力的扭矩大小與扭桿的扭轉(zhuǎn)角度和成正比； 車速傳感器安裝在轎車變速器上，也可以直接從電子儀表盤上取得，它反映的是變化的汽車行駛速度。發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)取自發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈。

3、 由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）只需電源而不用液壓源，與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較省略了許多元件，沒(méi)有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲(chǔ)油罐等，零件數(shù)目少，布置方便，重量輕。二者相比電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對(duì)生產(chǎn)成本較低。但電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的開(kāi)發(fā)由于涉及到芯片的選型、程序的開(kāi)發(fā)和算法、控制邏輯的確定、電路板的設(shè)計(jì)和制造工藝，所以開(kāi)發(fā)的成本較高。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器無(wú)需在不轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)油泵，因此電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車各種行駛條件下均可節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)能

4、源3～5%左右，韓國(guó)萬(wàn)都公司的資料明確提出裝了EPS后百公里油耗節(jié)省了4.13%，節(jié)省了油耗——省油；由于不再采用液壓助力，不再采用油介質(zhì)、無(wú)液體泄漏損失、減少了油污染的可能，也節(jié)省了液壓油，同時(shí)改善了環(huán)境——環(huán)保。因此在近年得到迅速的推廣，也是今后汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。 電動(dòng)轉(zhuǎn)向可以稱之為“精確助力轉(zhuǎn)向”，就是在汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中，該轉(zhuǎn)向器根據(jù)不同車速、方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，準(zhǔn)確的提供各種行駛路況下的最佳轉(zhuǎn)向助力或阻尼，這都是在計(jì)算機(jī)（ECU）控制下實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)轉(zhuǎn)向器是在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)施

5、對(duì)電機(jī)電流大小的變化控制，實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向助力。所以它能精確的實(shí)現(xiàn)人們預(yù)先設(shè)置的在不同車速、不同轉(zhuǎn)彎角度所需要的不同大小的轉(zhuǎn)向助力和阻尼，甚至于提供主動(dòng)回正能力。 2 當(dāng)前汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要是針對(duì)汽車行駛過(guò)程中操縱穩(wěn)定中的兩大問(wèn)題進(jìn)行的，即汽車高速行駛過(guò)程中產(chǎn)生的方向盤發(fā)飄和行駛過(guò)程中方向盤撒手回正時(shí)產(chǎn)生的前輪擺頭現(xiàn)象。 液壓助力轉(zhuǎn)向雖然解決了汽車轉(zhuǎn)向輕便性問(wèn)題，低速時(shí)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)很輕便，但高速行駛時(shí)方向盤太輕，就造成了駕駛員發(fā)飄的感覺(jué)。新型轉(zhuǎn)向油泵雖然可以作到高速轉(zhuǎn)向時(shí)油泵流量下降，但高速行駛時(shí)并不保證發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下的油泵亦處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)工況，因此不能徹底解決汽車高速行駛

6、發(fā)飄的問(wèn)題。由于汽車行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向阻力是變化的。有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時(shí)由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺(jué)，容易造成轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時(shí)要適當(dāng)減低助力，甚至于加大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，這種阻力的變化應(yīng)該平滑過(guò)渡。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過(guò)控制助力電機(jī)，降低高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向助力，增大轉(zhuǎn)向手力，甚至于加大回正時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問(wèn)題，而且成本相對(duì)較低。 行駛過(guò)程中產(chǎn)生的前輪擺頭現(xiàn)象都是由于轉(zhuǎn)向過(guò)程中方向盤撒手回正、轉(zhuǎn)向輪是在車輪回正力的作用下自由回正的，車輪本身存在回正慣性，所以車輪在回正過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)圍繞直線原點(diǎn)位置的逐步衰減的擺頭現(xiàn)

7、象。由于擺頭現(xiàn)象對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響很大，所以大家一直在對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究。電動(dòng)轉(zhuǎn)向的出現(xiàn)為解決這一問(wèn)題提供了條件。國(guó)內(nèi)目前研制的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、特別是控制器的開(kāi)發(fā)中，高水平的控制器已經(jīng)具有增加轉(zhuǎn)向軸回正阻力的能力，對(duì)從方向盤到車輪的整個(gè)彈性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)增加了系統(tǒng)的阻尼，能使方向盤撒手回正時(shí)產(chǎn)生的擺頭現(xiàn)象衰減的快一些。要想真正解決擺頭問(wèn)題就必須采用帶角度信號(hào)的扭矩傳感器。我們完全可以在原有單片機(jī)CPU的基礎(chǔ)上接受角度信號(hào)，在車輪回到直線原點(diǎn)位置時(shí)使計(jì)算機(jī)控制電機(jī)反向助力制止車輪在慣性作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這就使汽車大角度車輪回正擺頭現(xiàn)象大大減小，小角度車輪回正基本不擺頭?？梢哉f(shuō)在相當(dāng)程度上解決了擺頭

8、問(wèn)題。BI公司已經(jīng)生產(chǎn)了這種傳感器，國(guó)內(nèi)已有企業(yè)開(kāi)始使用這種傳感器。 當(dāng)前由于電機(jī)的功率、扭矩及尺寸的限制，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多用于輕、微型轎車、旅行車，小型卡車（皮卡車）。隨著新的電動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)研發(fā)，未來(lái)將逐步推廣到中高級(jí)轎車和輕型卡車上。由于目前安裝電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的市場(chǎng)正在增加，未來(lái)潛在的市場(chǎng)也較廣大；電動(dòng)轉(zhuǎn)向器性能好、成本低，必將受到汽車廠家的歡迎。 3 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器主要包括以下七個(gè)部份： ——控制器（ECU） ——扭矩（角度）傳感器 ——直流電機(jī)（帶電磁離合器）和減速裝置 ——轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸 ——機(jī)械轉(zhuǎn)向器部分 ——EPS顯示燈 ——線束及接插件

9、 圖1 典型C-EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 圖2 典型P-EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向器（速騰轎車） 4 電動(dòng)轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)，有以下幾方面： ——提高了汽車操縱穩(wěn)定性 ——有較好的汽車轉(zhuǎn)向輕便性 ——有較好的汽車安全性 ——降低了發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗 ——節(jié)省了油料 ——減少了污染 ——提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低溫工作性能 二、電動(dòng)轉(zhuǎn)向的基本原理和框圖 汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向基本原理是方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)扭矩傳感器給控制器一個(gè)扭矩信號(hào)（也可以認(rèn)為是角度信號(hào)或轉(zhuǎn)動(dòng)速度信號(hào)，這些都是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)處理出來(lái)的）。通過(guò)車速傳感器給控制器一個(gè)車速信號(hào)，控制器則根據(jù)此二信號(hào)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的力模型對(duì)直流電機(jī)及電磁離合器實(shí)施控制

10、。通過(guò)控制改變電機(jī)電流的大小，從而改變輸出力矩。該輸出力矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)放大后直接作用于轉(zhuǎn)向器輸入軸，對(duì)操縱手力起助力作用。 汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向器動(dòng)作原理框圖如下： 圖 3 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器原理框圖 圖4 EPS流程圖 汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵在于控制器（ECU）控制程序的設(shè)計(jì)，而ECU控制程序應(yīng)該按什么力模型來(lái)設(shè)計(jì)，這是我們要研究的。按車速調(diào)整助力一般有兩種方式，我們認(rèn)為全程調(diào)速比半程調(diào)速優(yōu)越性更大，更有利于對(duì)轉(zhuǎn)向全過(guò)程進(jìn)行控制。 1 對(duì)助力和調(diào)速曲線的探討 1.1三種助力曲線比較 什么是最合理的助力曲線？圖5理想的助力曲線，轉(zhuǎn)向力的變化最柔

11、和，路感最好，滿足了。圖6鈴木的助力曲線，低速轉(zhuǎn)向力下降的太快。圖7半程的助力曲線高速無(wú)助力，也無(wú)阻尼可言，這是一種早期電動(dòng)轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)模式。 圖5 圖6 圖7 1.2 理想的調(diào)速曲線 圖8 理想的調(diào)速曲線 圖8 是理想的調(diào)速曲線，低速時(shí)助力大、方向盤轉(zhuǎn)向輕便。隨車速提高助力逐漸減小，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)稍感沉重。高速時(shí)逐漸無(wú)助力、甚至增加轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼，使得方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)沉重、開(kāi)車有穩(wěn)定的感覺(jué)。增加助尼的辦法是較多的，利用增加反向電流的方法、改變電機(jī)接線的方法等都是可行的。 1.3 理想

12、的轉(zhuǎn)向手力—車速曲線 圖9 理想的轉(zhuǎn)向手力—車速曲線 圖9理想的轉(zhuǎn)向手力—車速曲線，它顯示了原地或低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力應(yīng)在5Nm左右，太輕也不行，駕駛員不習(xí)慣。高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力應(yīng)在8Nm左右，稍有沉重感，駕駛員高速行駛時(shí)感到方向盤操縱很穩(wěn)定。這是經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)。當(dāng)然不同車型要求不同，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際行駛試驗(yàn)、由駕駛員確定這些數(shù)據(jù)，控制器的設(shè)計(jì)師應(yīng)作相應(yīng)設(shè)定參數(shù)調(diào)整，使之更符合實(shí)際車型、實(shí)際行駛工況。 2 理想的電動(dòng)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向手力模型 根據(jù)研究動(dòng)力轉(zhuǎn)向多年的經(jīng)驗(yàn)，我們提出電動(dòng)轉(zhuǎn)向理想的轉(zhuǎn)向手力模型。該模型遵循汽車轉(zhuǎn)向原理和要求操縱穩(wěn)定性，隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)手力變化和在不同車速時(shí)有以下規(guī)律：

13、（1）方向盤力矩增大，電機(jī)電流（扭矩）按一定規(guī)律增大； （2）方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加； （3）隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，換向時(shí)不得出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。 隨汽車車速增大，電機(jī)電流（扭矩）按一定規(guī)律減小； 圖10 電動(dòng)轉(zhuǎn)向的調(diào)速曲線 圖10 就是我們?cè)O(shè)計(jì)的電動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向手力按速度變化的特性。該特性設(shè)計(jì)的是否合理就是看能不能在低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，在高速時(shí)應(yīng)當(dāng)加大轉(zhuǎn)向手力，從而解決高速時(shí)操縱穩(wěn)定性問(wèn)題。曲線形狀應(yīng)為在40～50公里/時(shí)以下車速時(shí)，助力均應(yīng)較大，可有較小的下降；而在70～80公里/時(shí)以上車速時(shí)，助力應(yīng)較小，且有較小的下降。在中間車速過(guò)渡段應(yīng)有一個(gè)圓滑雙曲線

14、的過(guò)渡，保證駕駛員全過(guò)程操縱平滑。其下降助力比應(yīng)為100：30，在高速時(shí)仍應(yīng)保持30%助力。 圖11 理想電動(dòng)轉(zhuǎn)向模型（平面圖） 圖11 就是我們?cè)O(shè)計(jì)的電動(dòng)轉(zhuǎn)向器任意車速時(shí)的手力特性。該特性是否合理就是看其形狀是否利于駕駛員操縱。根據(jù)動(dòng)力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)知道，在等剛度載荷作用下，在較小角度轉(zhuǎn)向時(shí)，此時(shí)地面轉(zhuǎn)向阻力較小，助力應(yīng)增加的較緩；在較大角度轉(zhuǎn)向時(shí)，此時(shí)地面轉(zhuǎn)向阻力較大，助力應(yīng)增加的快一些，因此它仍然應(yīng)是兩個(gè)2次曲線的組合圓滑曲線，中間應(yīng)有一段自由間隙。 圖12 理想轉(zhuǎn)向手力力模型 （立體圖） 轉(zhuǎn)向力特性和速度特性相結(jié)合應(yīng)該是如圖12 所示的立體曲線圖。它顯示的就是我們提出

15、的電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的理想的轉(zhuǎn)向手力模型。χ軸為扭矩座標(biāo)，у軸為車速座標(biāo)，z軸為負(fù)載座標(biāo)。在每一個(gè)車速上都有一個(gè)轉(zhuǎn)向特性，該模型就是不同車速下無(wú)數(shù)轉(zhuǎn)向力特性組合成的。對(duì)于轎車低速時(shí)轉(zhuǎn)向手力矩應(yīng)控制在5Nm以內(nèi)，而在高速時(shí)轉(zhuǎn)向手力矩應(yīng)控制在7～8Nm左右。這是一個(gè)比較合理的力模型。 該模型的平面表示方法如圖10所示，用一組不同車速的曲線表示。 1 理想的曲線——每一個(gè)車速時(shí)都要接近液壓轉(zhuǎn)向器手力特性，應(yīng)為圓滑、對(duì)稱的曲線； 2 真正實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向力調(diào)節(jié)功能，在0~40公里/小時(shí)段范圍轉(zhuǎn)向手力較輕，80~120公里/小時(shí)段范圍轉(zhuǎn)向手力較重，中間為兩段曲線圓滑的過(guò)渡區(qū)。 3 在曲線的邊緣實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)向力的控

16、制。0車速和低速最大為5Nm,高速最大為8Nm 4 全部模型的空間曲面應(yīng)是連續(xù)和光滑的． 該模型的意義在于以下幾點(diǎn)： （1） 可以直觀的用來(lái)表示電動(dòng)轉(zhuǎn)向理想的轉(zhuǎn)向助力模型。清楚的表明了轉(zhuǎn)向手力與輸出載荷、車速與輸出載荷的關(guān)系。 （2） 可以用數(shù)學(xué)的方法逼近這條曲線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS控制器的控制。 （3） 我們的最大愿望是能用插值法或插值法加數(shù)學(xué)逼近的方法快速實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS控制器的控制。 已有國(guó)內(nèi)某課題組利用了這個(gè)理想轉(zhuǎn)向手力力模型采用了插值法完成了他們的B樣條插值法經(jīng)MATLAB編程、調(diào)試和運(yùn)行，得到車速扭矩曲線，手力扭矩曲線以及助力特性三維曲面圖（見(jiàn)圖7）。當(dāng)然目前還不夠完

17、善，這就需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)模型不斷加以修改，要通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)，對(duì)這條曲線的局部形狀進(jìn)行修改，盡快完善這一算法。 我們可以提出這個(gè)理想轉(zhuǎn)向手力力模型完整的邊界數(shù)據(jù)，并可根據(jù)這些邊界數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)方法完善成整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。 圖13 用MATLAB編程算出的助力特性曲線線、三維曲面圖 （a）車速—扭矩曲線 （b）手力—扭矩曲線 （c）EPS助力特性三維曲面 3 實(shí)例 新電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器的設(shè)計(jì)（東風(fēng)汽車有限公司三噸車） 3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)： （1）所采用的電機(jī)：24V 412W 1140rpm 60A 4.1Nm； （2）明確電動(dòng)轉(zhuǎn)向力模型

18、——按理想電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力模型。有了設(shè)定的模型，就要依靠控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)它。如何在不同車速和不同方向盤轉(zhuǎn)角下、控制器根據(jù)對(duì)傳感器測(cè)量的扭矩信號(hào)、車速信號(hào)及發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)綜合分析后，按一定規(guī)律（理想電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力模型）向電機(jī)提供不同的控制電流。從而使電機(jī)提供不同的電機(jī)助力。使汽車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中在不同車速和不同轉(zhuǎn)角下發(fā)揮電機(jī)最大優(yōu)化的助力效果和阻尼效果；同時(shí)又必須實(shí)現(xiàn)各種不同的保護(hù)和補(bǔ)償功能是控制器的控制目標(biāo)。 （3）按理想電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以確保汽車在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向有沉重感，徹底解決汽車高速發(fā)飄問(wèn)題。 （4）按主動(dòng)回正要求設(shè)計(jì)控制器。這在DF3東風(fēng)3噸貨車及中高檔轎車裝車時(shí)證明是非常重要的。由于這

19、樣一類車型裝備的電機(jī)都比較大，電機(jī)的功率一般都在300W、410W、甚至于500W以上，這些電機(jī)本身的空轉(zhuǎn)力矩都比較大。有的達(dá)到2.5 ~ 4.5 Nm，試驗(yàn)中嚴(yán)重的影響整車轉(zhuǎn)向回正效果，勢(shì)必要求這些所裝的電動(dòng)轉(zhuǎn)向具備主動(dòng)回正功能。 （5）解決回正擺頭問(wèn)題。由于采用了BI傳感器，既提供了方向盤扭矩信號(hào)，也提供了方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)。在汽車出現(xiàn)擺頭時(shí)，該傳感器就為控制器提供了一個(gè)方向盤零點(diǎn)，即直線行駛位置。在方向盤撒手回正過(guò)程中，當(dāng)車輪出現(xiàn)第一個(gè)方向擺頭時(shí)、回正角度超過(guò)零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)出現(xiàn)相對(duì)零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；出現(xiàn)第二個(gè)方向回?cái)[，回正角度超過(guò)零點(diǎn)，

20、角度傳感器就會(huì)再次出現(xiàn)相對(duì)零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)再次控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；以后依然，直致車輪萬(wàn)全停止擺頭。由于車輪的慣性和轉(zhuǎn)向桿系剛性的關(guān)系，再加上連續(xù)生成的電機(jī)反向力矩不足以完全制止車輪停在零點(diǎn)，車輪可能還會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)擺頭現(xiàn)象，但擺頭的幅度將會(huì)大大的衰減，這就是我們的目的（見(jiàn)圖2）。 （6）采用與原車型類同的機(jī)械轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，加裝電動(dòng)轉(zhuǎn)向需要的蝸輪蝸桿減速器部分、傳感器、電機(jī)、扭桿及轉(zhuǎn)角限位結(jié)構(gòu)，就組成了我的專利產(chǎn)品——循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器。該轉(zhuǎn)向器殼體的連接部分必須與原轉(zhuǎn)向器一樣，確保該電動(dòng)轉(zhuǎn)向器能很方便的安裝在該車型上。 （7）該控制器必須滿足電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（報(bào)

21、批稿）性能和可靠性的要求。 3.2 DF3電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器的性能設(shè)計(jì)要求： （1） 防止高速發(fā)飄功能： 由于汽車行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向阻力是變化的。有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時(shí)由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺(jué)，容易造成轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時(shí)要適當(dāng)減低助力，甚至于加大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，這種阻力的變化應(yīng)該平滑過(guò)渡。該控制器設(shè)計(jì)時(shí)必須按理想的電動(dòng)轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行，該電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過(guò)控制助力電機(jī)，降低高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向助力，增大轉(zhuǎn)向手力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問(wèn)題，而且成本相對(duì)較低。 （2） 主動(dòng)回正功能 如果駕駛員在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中減小了施加在方向盤上的力矩，扭

22、桿上的扭矩也相應(yīng)減小。于是轉(zhuǎn)向力在減小的同時(shí)，轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向的速度都相應(yīng)的減小，回轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)被精確地檢測(cè)到。控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度和存儲(chǔ)在控制單元中的特性曲線圖計(jì)算出電動(dòng)機(jī)需要的必要的回正力，并控制電動(dòng)機(jī)工作，促使車輪回到直線行駛的方向，即中心位置。 （3） 制止擺頭功能 在方向盤撒手回正過(guò)程中，當(dāng)車輪出現(xiàn)第一個(gè)方向擺頭時(shí)、回正角度超過(guò)零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)出現(xiàn)相對(duì)零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；出現(xiàn)第二個(gè)方向回?cái)[，回正角度超過(guò)零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)再次出現(xiàn)相對(duì)零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)再次控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)

23、轉(zhuǎn)動(dòng)；可使汽車迅速制止擺頭。 （4） 維持直線行駛功能 直線行駛功能是主動(dòng)回正功能的一個(gè)擴(kuò)展，當(dāng)沒(méi)有力矩作用在方向盤上時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生助力使車輪回復(fù)到中心位置。為實(shí)現(xiàn)直線行駛功能，又分為長(zhǎng)時(shí)間法則和短時(shí)間法則兩種不同的情況。 東風(fēng)汽車有限公司三噸汽車DF3電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器的設(shè)計(jì)要求已完全實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)四輪的道路試驗(yàn)證明是完全可行的。 3.3 DF3電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器的保護(hù)設(shè)計(jì)要求 （1）穩(wěn)定與安全性設(shè)計(jì)——在受到地面沖擊或外界橫向力（如側(cè)風(fēng)、爆胎）作用時(shí)產(chǎn)生反向力矩，保持方向穩(wěn)定和恢復(fù)正常行駛。 （2）無(wú)故障設(shè)計(jì)——提高元器件安全系數(shù)，各部件必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格出廠檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)誤操作保護(hù)設(shè)計(jì)（保護(hù)

24、性電路設(shè)計(jì)，個(gè)別系統(tǒng)中個(gè)別部位電壓、電流和溫度保護(hù)）。 （3）失效保護(hù)設(shè)計(jì)——防止單個(gè)元件損壞影響其它元器件正常工作（采用各種保護(hù)電路）；ECU失效后，可恢復(fù)機(jī)械轉(zhuǎn)向器直接工作。 （4）失電保護(hù)功能設(shè)計(jì)——當(dāng)汽車突然關(guān)閉電源時(shí)，控制器必須實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。 （5）自檢功能、故障存儲(chǔ)和故障代碼設(shè)計(jì)——有相應(yīng)的故障代碼顯示功能。 （6）電源電壓波動(dòng)適應(yīng)能力設(shè)計(jì)——車載電源標(biāo)稱電壓在±15%范圍內(nèi)變化時(shí)，控制器應(yīng)能正常工作。 （7）一定的抗電流、電壓過(guò)載能力設(shè)計(jì)——電流過(guò)載+5%，電壓過(guò)載±25% 。除有保護(hù)功能外，還要考慮迅速恢復(fù)工作的能力。 （8）有對(duì)不同阻抗（內(nèi)阻、感抗、容抗）的電機(jī)適

25、應(yīng)能力，對(duì)調(diào)整有偏差的傳感器（在一定范圍內(nèi)）能兼容的能力，又稱容錯(cuò)、自學(xué)習(xí)能力的設(shè)計(jì)。 （9）有一定的降低對(duì)外界無(wú)線電騷擾能力、抗外界對(duì)控制器的電磁干擾能力、抗靜電放電產(chǎn)生的電騷擾能力。 （10）對(duì)電機(jī)的溫度補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)，解決由溫度升高導(dǎo)致電機(jī)輸出功率下降問(wèn)題——還不能完全達(dá)到此要求。 （11）對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)向部分機(jī)械磨擦的補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)，長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致機(jī)械磨損、造成間隙增大對(duì)EPS的性能是影響的——這方面還有很大差距。 三 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的分類： 根據(jù)助力電機(jī)及其動(dòng)力源的位置, 汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向（EPS）主要分成4種類型7種結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表1）。 EPS 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

26、 C-EPS 軸助力型 傳動(dòng)軸助力式 P-EPS 小齒輪助力型 單軸小齒輪型 雙軸小齒輪型 (異軸助力) R-EPS 齒條助力型 電機(jī)軸和齒條軸軸向交叉布置 電機(jī)軸和齒條軸軸向平行布置 電機(jī)軸和齒條軸同軸布置（DD-EPS） S-EPS 循環(huán)球型 輸入軸助力式 表 1電動(dòng)轉(zhuǎn)向器分類 a．C-EPS b. P-EPS c. R-EPS d.DD-EPS 圖 14 四種典型電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1 軸助力式C-EPS——電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱 C-EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱（見(jiàn)圖15）。它的

27、減速機(jī)構(gòu)連同電機(jī)、傳感器一起安裝在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)管柱中間，下端用傳動(dòng)軸與機(jī)械轉(zhuǎn)向器相連。該管柱、下傳動(dòng)軸與機(jī)械轉(zhuǎn)向器一起構(gòu)成了軸助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器裝置。 2 小齒輪助力的電動(dòng)轉(zhuǎn)向器 P-EPS 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器（見(jiàn)圖16）顯示的是廣泛應(yīng)用于轎車的小齒輪助力的電動(dòng)轉(zhuǎn)向器，它的減速機(jī)構(gòu)連同電機(jī)、傳感器一起安裝在轉(zhuǎn)向器的小齒輪位置，成為一個(gè)整體。 圖15 軸助力式C-EPS 圖 16 小齒輪助力式P－EPS 3 異軸小齒輪助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器 異軸小齒輪助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器P-EPS（見(jiàn)圖 17），顯示的是另一種應(yīng)用于轎車的小齒輪助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器。它的減速機(jī)構(gòu)連同電機(jī)、傳感器一起安裝在轉(zhuǎn)向器

28、的與小齒輪位置相對(duì)布置的另一側(cè)，另有一套小齒輪，與之嚙合的同一齒條上也有齒形，這樣組合成為的一個(gè)整體。 圖 17 齒條助力式R－EPS（電機(jī)軸和齒條軸軸向交叉布置） 4 同軸式齒條助力電動(dòng)轉(zhuǎn)向器 同軸式齒條助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器DD-EPS（見(jiàn)圖 13），顯示的也是另一種應(yīng)用于轎車的齒條助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器。它的結(jié)構(gòu)不同于R-EPS，它的減速機(jī)構(gòu)連同電機(jī)與齒條組成一體，電機(jī)包著齒條，線圈作轉(zhuǎn)子，采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器循環(huán)球螺桿螺母結(jié)構(gòu)作減速器。 圖 18 齒條助力式DD－EPS（同軸布置結(jié)構(gòu)） 5 循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器 循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器S-EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向器（見(jiàn)圖19

29、、圖20））顯示的是皮 卡汽車用的和為東風(fēng)三噸貨車專門設(shè)計(jì)的循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器總成圖。在循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器S-EPS中，扭矩傳感器，直流電機(jī)，減速裝置和循環(huán)球機(jī)械轉(zhuǎn)向器是安裝成一體的。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸是獨(dú)立的，它與機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸入軸機(jī)械相連；而控制器與扭矩傳感器、直流電機(jī)是用電線束相連的。 圖 19 皮卡車S-EPS 圖20 東風(fēng)三噸車S-EPS 四 對(duì)控制器、電機(jī)、傳感器等主要總成的要求 1 控制器 1.1 對(duì)控制器總成的要求。 我提倡開(kāi)發(fā)全功能控制器。主要強(qiáng)調(diào)四點(diǎn)： （1） 防止高速發(fā)飄功能： 由于汽車行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向阻力是變化的

30、。有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時(shí)由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺(jué)，容易造成轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時(shí)要適當(dāng)減低助力，甚至于加大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，這種阻力的變化應(yīng)該平滑過(guò)渡。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過(guò)控制助力電機(jī)，降低高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向助力，增大轉(zhuǎn)向手力，甚至于加大回正時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問(wèn)題，而且成本相對(duì)較低。 （2） 主動(dòng)回正功能 如果駕駛員在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中減小了施加在方向盤上的力矩，扭桿上的扭矩也相應(yīng)減小。于是轉(zhuǎn)向力在減小的同時(shí)，轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向的速度都相應(yīng)的減小，回轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)被精確地檢測(cè)到?？刂茊卧鶕?jù)轉(zhuǎn)向力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向

31、速度和存儲(chǔ)在控制單元中的特性曲線圖計(jì)算出電動(dòng)機(jī)需要的必要的回正力，并控制電動(dòng)機(jī)工作，促使車輪回到直線行駛的方向，即中心位置。 （3） 制止擺頭功能 在方向盤撒手回正過(guò)程中，當(dāng)車輪出現(xiàn)第一個(gè)方向擺頭時(shí)、回正角度超過(guò)零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)出現(xiàn)相對(duì)零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；出現(xiàn)第二個(gè)方向回?cái)[，回正角度超過(guò)零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)再次出現(xiàn)相對(duì)零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)再次控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；可使汽車迅速制止擺頭。 （4） 維持直線行駛功能 直線行駛功能是主動(dòng)回正功能的一個(gè)擴(kuò)展，當(dāng)沒(méi)有力矩作用在方向盤上時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生助力使車輪回復(fù)到中心位置。

32、為實(shí)現(xiàn)直線行駛功能，又分為長(zhǎng)時(shí)間法則和短時(shí)間法則兩種不同的情況。 ? ?? 當(dāng)車輛受到持續(xù)的側(cè)向力時(shí)，駕駛員將給方向盤一個(gè)力矩使車輛保持直線行駛狀態(tài)。此時(shí)，控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度和存儲(chǔ)在控制單元中的特性曲線圖計(jì)算出要保持直線行駛狀態(tài)電動(dòng)機(jī)需要提供的必要的力矩，并控制電動(dòng)機(jī)工作，使車輛回到直線行駛狀態(tài)，減輕駕駛員的工作強(qiáng)度。 1.2 控制器的結(jié)構(gòu)： 控制器主要是由電路板（含CPU芯片、功率管）、接插件、散熱塊和控制器盒組成。電路板因廠家設(shè)計(jì)思路而異?？刂破鞯年P(guān)鍵在于功能、尺寸大小和壽命。 如日本NSK公司為鈴木公司開(kāi)發(fā)的N4控制器相比原來(lái)開(kāi)發(fā)的N3控制器

33、有很大改進(jìn)：電路板改為雙層、散熱塊改為全底鋁合金散熱器、控制器尺寸改小為原來(lái)尺寸的一半、功能也有很大改進(jìn)(見(jiàn)圖21). 圖 21 日本鈴木N4控制器 1.3 控制器與保護(hù)功能 1.3.1 控制器簡(jiǎn)介 控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機(jī)）組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開(kāi)關(guān)電路，以及輔助單片機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐吠瓿煽刂七^(guò)程的器件；單片機(jī)也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號(hào)語(yǔ)言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開(kāi)關(guān)電路功率管導(dǎo)通或截止、通過(guò)方波控制功率管的的導(dǎo)通時(shí)間以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電路、輸入輸出端口等集成在一起，

34、而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)片。這就是電動(dòng)自行車的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出現(xiàn)的高技術(shù)產(chǎn)品。 控制器的設(shè)計(jì)品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率開(kāi)關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整車的性能和運(yùn)行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。不同品質(zhì)的控制器，用在同一輛車上，配用同一組相同充放電狀態(tài)的電池，有時(shí)也會(huì)在續(xù)駛能力上顯示出較大差別。 1.3.2 控制器的型式 目前，電動(dòng)轉(zhuǎn)向器所采用的控制器電路原理基本相同或接近。有刷和無(wú)刷直流電機(jī)大都采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速，只是選用驅(qū)動(dòng)電路、集成電路、開(kāi)關(guān)電路功率晶體管和某些相關(guān)功能上的差別。元器件和電路上的差異，構(gòu)成了控制器性能上的不大

35、相同?？刂破鲝慕Y(jié)構(gòu)上分兩種，我們把它稱為分離式和整體式。 （1）分離式? 所謂分離式是指控制器單獨(dú)安裝的?？刂破髋c電動(dòng)轉(zhuǎn)向器分離，一般安裝在駕駛室內(nèi)儀表盤下邊。這種方式使控制器工作環(huán)境好的多，對(duì)控制器密封要求不必很高。 （2）一體式? 所謂一體式是指控制器與減速器殼體合為一體，這種方式使控制器與電機(jī)間、與傳感器間連線距離縮短。但有可能增加了對(duì)控制器密封和防水的要求。 1.3.3 控制器的保護(hù)功能 保護(hù)功能是對(duì)控制器中功率管、電源防止過(guò)放電，以及電機(jī)在運(yùn)行中，因某種故障或誤操作而導(dǎo)致電機(jī)可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時(shí)，電路根據(jù)反饋信號(hào)采取的保護(hù)措施。電動(dòng)轉(zhuǎn)向基本的保護(hù)功能和

36、擴(kuò)展功能如下： （1） 自動(dòng)斷電? （2） 欠壓保護(hù)? （3） 過(guò)流保護(hù)? （4） 過(guò)載保護(hù)?——過(guò)載保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)是相同的 （5） 欠速保護(hù)?——仍然屬于過(guò)流保護(hù)范疇， 2 EPS電機(jī) 電動(dòng)轉(zhuǎn)向所能匹配的電機(jī)有直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)兩種?，F(xiàn)在通用的是直流有刷電機(jī)（見(jiàn)圖22）；在趨勢(shì)上是發(fā)展無(wú)刷電機(jī)。 2.1 直流有刷電機(jī)基本是一個(gè)汽車用普通直流有刷電機(jī)，長(zhǎng)電樞，斜線槽，帶一個(gè)電磁離合器。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,性能能滿足電動(dòng)轉(zhuǎn)向要求,但是壽命和噪音均是存在的問(wèn)題。而直流無(wú)刷電機(jī)在壽命和噪音方面有巨大的優(yōu)勢(shì),但是由于必須配備相應(yīng)電路、結(jié)構(gòu)相應(yīng)復(fù)雜，導(dǎo)致成本上升。

37、 我們?cè)谶x用電機(jī)時(shí)則應(yīng)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，原車結(jié)構(gòu)，匹配，電機(jī)性能（包括轉(zhuǎn)速和噪音）以及成本諸因素確定。因?yàn)殡妱?dòng)轉(zhuǎn)向器安裝位置附近空間小，所以對(duì)電機(jī)的尺寸有一定限制。一般來(lái)說(shuō)電機(jī)尺寸小，功率大，性能好，特別是噪音低最受歡迎。 對(duì)發(fā)展中型汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向的最大難題主要是電機(jī)的功率和尺寸，電機(jī)消耗電流大對(duì)蓄電池的容量也造成一定的問(wèn)題。 采用電磁離合器對(duì)汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的工作更有利，電動(dòng)轉(zhuǎn)向器工作時(shí)吸合，在出現(xiàn)了故障時(shí)電磁離合器自動(dòng)脫開(kāi)，一方面對(duì)直流電機(jī)起保護(hù)作用，一方面不影響機(jī)械轉(zhuǎn)向器正常工作。 對(duì)電機(jī)是否帶電磁離合器有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為帶電磁離合器好，需要工作時(shí)電磁離合器吸合，不工作時(shí)電磁離合器斷開(kāi)，

38、便于編制程序；電動(dòng)轉(zhuǎn)向器損壞時(shí)，電磁離合器斷開(kāi)，逆?zhèn)鲃?dòng)不受影響。另一種認(rèn)為不帶電磁離合器好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴捎么舐菪俏佪單仐U機(jī)構(gòu)，逆向傳動(dòng)阻力較小，對(duì)逆?zhèn)鲃?dòng)影響不大， 編程相對(duì)簡(jiǎn)單了。 圖 22 EPS電機(jī)（帶電磁離合器） 2.2 國(guó)產(chǎn)EPS電機(jī)系列 國(guó)產(chǎn)EPS電機(jī)系列如下： 已有常州凱宇汽車電機(jī)有限公司、樂(lè)清市吳林實(shí)業(yè)有限公司、重慶華宇有限公司、淄博汽車電機(jī)有限公司等，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出和正在開(kāi)發(fā)的有刷電機(jī)有6種之多。 有刷電機(jī)： No 電壓V 功率W 最大電流A 最大輸出扭矩Nm 備注 1 12 120 25 1.2 2 12 1

39、70 30 1.8 3 12 220 35 2.2 4 12 300 38 3.0 5 12 400 45 4.0 6 24 300 35 3.0 7 24 420 45 4.0 8 24 550 65 5.0 9 48 100 15 1.0 10 48 200 25 2.0 無(wú)刷電機(jī) No 電壓V 功率W 最大電流A 最大輸出扭矩Nm 備注 1 12 160 30 2.0 2 12 300 40 3.0 3 24 300 4

40、0 3.0 2.3 發(fā)展無(wú)刷電機(jī)已是EPS電機(jī)必然的發(fā)展趨勢(shì) 在EPS 系統(tǒng)中，其核心是一個(gè)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高等特點(diǎn)，和直流電機(jī)相比，它沒(méi)有機(jī)械換向器和電刷、與異步電動(dòng)機(jī)相比，它不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，因而功率因數(shù)高，體積小，電流和定子電阻損耗?。磺肄D(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、具有角度傳感器功能；定轉(zhuǎn)子氣隙大、控制性能好；無(wú)火花對(duì)電磁干擾?。灰虼藷o(wú)刷電機(jī)是汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的首選。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般通過(guò)檢測(cè)或估算電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來(lái)控制定子電流或電壓。這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直

41、流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對(duì)于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡(jiǎn)化。在要求高精度，高動(dòng)態(tài)性能以及小體積的場(chǎng)合，應(yīng)用PMSM電機(jī)伺服系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì). 3 EPS傳感器 傳感器分類如下： 傳感器有電位器式、電磁感應(yīng)式、霍爾元件式、編碼器式等。 3.1. 電位器式傳感器 電位器式傳感器是北斗星汽車安裝鈴木公司開(kāi)發(fā)的一種成本較低的傳感器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 23 ，其性能曲線見(jiàn)圖 24。 圖 23 電位計(jì)式傳感器 圖 2

42、4 電位計(jì)式傳感器特性曲線 這種扭矩傳感器的信號(hào)來(lái)自于轉(zhuǎn)向軸內(nèi)部安裝的一根扭桿兩端在外力作用 下產(chǎn)生的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度,它的扭轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)向力成正比；扭矩傳感器里面利用了碳膜電位計(jì)的結(jié)構(gòu)，不過(guò)采用了導(dǎo)電槊料碳膜/陶瓷碳膜和鋼絲碳刷/特殊切絲刷。由于這種扭矩傳感器擁有足夠的精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，所以使用較廣泛。 這種扭矩傳感器的精度為獨(dú)立線性度≤0.3％,重復(fù)性誤差≤0.2％。它的最輸出為1.37V～3.83V,它的中點(diǎn)為2.5V 。 現(xiàn)存的電位計(jì)式傳感器的第一大問(wèn)題就是傳感器的精度，獨(dú)立線性度≤0.3％,重復(fù)性誤差≤0.2％達(dá)不到要求。這主要是生產(chǎn)廠家出廠產(chǎn)品精度不能保證。 現(xiàn)存的

43、電位計(jì)式傳感器的第二大問(wèn)題就是傳感器的零飄問(wèn)題，這主要是裝車時(shí)調(diào)整不夠好，安裝后固定不好，以至于汽車行駛一段時(shí)間出現(xiàn)零飄現(xiàn)象，使得汽車轉(zhuǎn)向時(shí)出現(xiàn)一邊輕一邊重現(xiàn)象。只能從安裝和調(diào)整解決。 3.2． BI傳感器 在國(guó)外汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置里廣泛采用的扭矩傳感器是BI公司的電阻式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 25）。 圖 25 LH3型相位差式傳感器 這種專門為EPS設(shè)計(jì)的雙路輸出扭矩傳感器（LH3型）的信號(hào)來(lái)自于轉(zhuǎn)向軸上安裝的兩個(gè)可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，圓盤之間由扭桿（扭力彈簧）相聯(lián)接。測(cè)量出轉(zhuǎn)向手力作用下兩個(gè)圓盤相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度（相位差），可以知道扭

44、矩大小。該相位差與扭矩大小成正比例。同時(shí)它還有角度輸出。 這種扭矩傳感器的輸出扭矩精度為線性度±3％,相位差90°，阻值范圍4KΩ±30%，工作溫度 －40～135℃。 3.3. DC 傳感器 圖 26 DC傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖27 電磁感應(yīng)式傳感器原理圖 五 EPS的匹配及有關(guān)問(wèn)題探討 1 汽車輕量化問(wèn)題 汽車輕量化創(chuàng)新聯(lián)盟，汽車在新的發(fā)展階段。發(fā)改委要求建立的新平臺(tái)。 汽車輕量化是世界汽車發(fā)展的方向、是節(jié)省油料的一個(gè)因素。必須加以考慮。 一個(gè)汽車一個(gè)總成輕幾公斤都是有很大的意義；可以說(shuō)通過(guò)設(shè)計(jì)的改進(jìn)使整車輕幾公斤都是有很大意義的。 2

45、 改裝EPS問(wèn)題 改裝EPS問(wèn)題也是關(guān)系到省油的大問(wèn)題。 韓國(guó)萬(wàn)都公司的資料表明，改裝EPS后節(jié)省燃料4.13%，這對(duì)汽車是一個(gè)很有意義的重大改進(jìn)。 3 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器速比 （1）對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器輸出扭矩影響很大。 （2）對(duì)電機(jī)的成本影響很大。 （3）對(duì)轉(zhuǎn)向器圈數(shù)有影響，即對(duì)汽車轉(zhuǎn)向靈敏性有影響。 （4）理想的轉(zhuǎn)向器應(yīng)該是變速比的。既解決了輸出扭矩問(wèn)題，又解決了轉(zhuǎn)向靈敏性問(wèn)題，唯一的問(wèn)題是轉(zhuǎn)向器成本提高了。 4 匹配問(wèn)題 用下面幾個(gè)表說(shuō)明一下： 圖28 汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向匹配圖 表2車型電機(jī)匹配表

46、 圖29 電機(jī)選型圖 表3 我對(duì)車型與EPS匹配的建議 表4 整車選型匹配表 六 EPS的發(fā)展方向 1 四輪驅(qū)動(dòng)車輛的全輪電動(dòng)轉(zhuǎn)向 實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)車輛的全輪電動(dòng)轉(zhuǎn)向，提高車輛的轉(zhuǎn)向性能、節(jié)省油料，提高環(huán)保性能。 1.1 提高車輛行駛的操縱穩(wěn)定性 （1） 解決高速發(fā) 飄問(wèn)題； （2） 解決回正擺頭問(wèn)題； 1.2 提高車輛機(jī)動(dòng)性 （1） 雙軸轉(zhuǎn)向（異向）——減小轉(zhuǎn)彎半徑； （2） 雙軸轉(zhuǎn)向（同向）——實(shí)現(xiàn)蟹行移動(dòng)； 2 線控轉(zhuǎn)向電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)SBW(Steer-By-Wire)　　

47、 2.1 概念 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，改而由方向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和主控制器ECU三個(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)SBW(Steer-By-Wire)是汽車轉(zhuǎn)向方面最為先進(jìn)和前沿的技術(shù)之一，具有很多優(yōu)點(diǎn)： 　　 2.2 特點(diǎn) 2.2.1 取消了方向盤和轉(zhuǎn)向車

48、輪之間的機(jī)械連接，通過(guò)軟件協(xié)調(diào)它們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，因而取消了它們之間的機(jī)械約束和干涉，使之可以相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，因而可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的任意設(shè)置，可以根據(jù)車速和駕駛員喜好由程序根據(jù)汽車的行駛工況實(shí)時(shí)設(shè)置傳動(dòng)比。同時(shí)還可以從信號(hào)中提出最能夠反映汽車行駛狀態(tài)的信息，作為方向盤回正力矩的控制變量，使方向盤僅僅提供駕駛員有用信息，以減輕駕駛員的體力腦力負(fù)荷，提高“人-車閉環(huán)系統(tǒng)”對(duì)道路的跟蹤特性。同時(shí)由于減少了機(jī)構(gòu)部件數(shù)量，而減少了從執(zhí)行機(jī)構(gòu)到轉(zhuǎn)向車輪之間的傳遞過(guò)程，使系統(tǒng)慣性、系統(tǒng)摩擦和傳動(dòng)部件之間的總間隙都得以降低，從而使系統(tǒng)的響應(yīng)速度和響應(yīng)的準(zhǔn)確性得以提高。 　　

49、 2.2.2 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用了軟件控制，因而可以把轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與其它主動(dòng)安全設(shè)備如ABS、汽車動(dòng)力學(xué)控制、防碰撞、軌道跟蹤、自動(dòng)導(dǎo)航以及自動(dòng)駕駛等功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的整體控制，提高汽車整體穩(wěn)定性，且實(shí)現(xiàn)了ITS中的汽車輔助轉(zhuǎn)向功能。 　　 2.2.3 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上述操作性能上的突破的同時(shí)也帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益。 　　

50、 2.2.4 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)通用的執(zhí)行器來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)向的。要對(duì)汽車轉(zhuǎn)向的動(dòng)力性進(jìn)行調(diào)整，必須使用一個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器，這并不影響方向盤對(duì)車輪的快速調(diào)整。另一方面，一個(gè)力矩傳感器也是必須的，它將對(duì)汽車轉(zhuǎn)向的調(diào)整和自動(dòng)駕駛起重要作用。因此，駕駛員通過(guò)提供到方向盤的力矩知道正確的方向，并通過(guò)進(jìn)一步的引導(dǎo)控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行評(píng)估。 　　 2.2.5 與“電子駕駛”和“電子停車”一起，它提供了把它們實(shí)際化的條件，并且把動(dòng)力性和汽車控制統(tǒng)一到一個(gè)系統(tǒng)中。 　　

51、 2.2.6 對(duì)汽車生產(chǎn)商的好處。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系中轉(zhuǎn)向柱安裝要求提供足夠的空間(左手或右手駕駛)，而電子轉(zhuǎn)向嚴(yán)格的控制了轉(zhuǎn)向柱在發(fā)動(dòng)機(jī)間隔內(nèi)的自由度，表明了機(jī)械式的轉(zhuǎn)向柱沒(méi)有很好的利用發(fā)動(dòng)機(jī)的空間。 　　 SBW可以追溯到二十世紀(jì)六十年代末，當(dāng)時(shí)德國(guó)Kasselmann等試圖將轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間通過(guò)導(dǎo)線連接，由于電子和控制技術(shù)的制約，一直無(wú)法在實(shí)車上實(shí)現(xiàn)，到1990年左右，世界上各大汽車廠商、研發(fā)機(jī)構(gòu)等先后對(duì)SBW深入研究，到目前為止，在一些概念車上安裝了改系統(tǒng)，SBW預(yù)示著未來(lái)汽車的一個(gè)發(fā)展方向。 　　

52、 2.3 結(jié)構(gòu) SBW線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由以下四部分構(gòu)成的： （1） 模擬轉(zhuǎn)向阻力的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)； （2） 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器； （3） 自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)——擁有

53、冗余執(zhí)行電機(jī)的機(jī)構(gòu)； （4） 控制線路。 圖30 全自動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器 圖31 半自動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器 圖32 SBW模擬轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 圖33 SBW轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖34 國(guó)外線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 附：電液助力轉(zhuǎn)向 電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1 EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向 2 ECHPS(electronically controlled hydraulic powe

54、r steering)。 EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其特點(diǎn)是原來(lái)有發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，節(jié)省了燃油消耗。 ECHPS是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控裝置構(gòu)成的。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)設(shè)計(jì)為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。 　　 現(xiàn)代電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要通過(guò)車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，控制電液轉(zhuǎn)換裝置改變動(dòng)力轉(zhuǎn)向的助力特性，使駕駛員的轉(zhuǎn)向手力根據(jù)車速和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或轉(zhuǎn)急彎時(shí)能以很小的轉(zhuǎn)向手力進(jìn)行操作，在高速行駛時(shí)能以稍重的轉(zhuǎn)向手力進(jìn)行穩(wěn)

55、定操作，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達(dá)到最合適的平衡狀態(tài)。 為了保證轉(zhuǎn)向輕便性，要求增大轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比。但是，增大角傳動(dòng)比雖然可以減小轉(zhuǎn)向盤上的手力，但同時(shí)也造成汽車對(duì)操縱的反應(yīng)減慢，甚至有可能導(dǎo)致駕駛員沒(méi)有能力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行緊急避障等轉(zhuǎn)向操作，即不夠“靈”。 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證汽車在各種行駛條件下將轉(zhuǎn)向盤上的手力保持在駕駛員能接受的合理范圍內(nèi)，同時(shí)保證適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向靈敏度。但是機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)注定“輕”與“靈”矛盾的存在(包括變傳動(dòng)比機(jī)械轉(zhuǎn)向器)， 而電液助力轉(zhuǎn)向系在一定程度上解決了這一矛盾。 　　 EHPS相比傳統(tǒng)HPS降低了能源損耗。但電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不論ECHPS還是EHPS

56、都與傳統(tǒng)的HPS一樣存在液壓油泄漏問(wèn)題。 　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 　　電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(Electric Power Steering)把一個(gè)機(jī)械的系統(tǒng)和一個(gè) 　　電控的電動(dòng)馬達(dá)結(jié)合在一起形成的一個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與液壓系統(tǒng)不同的是，助力改由電機(jī)提供，因此，要有一個(gè)力矩傳感器來(lái)測(cè)量作用在方向盤上的力矩，由電子控制單元來(lái)計(jì)算所需要的力矩。作用在方向盤上的力矩曲線由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)來(lái)分配。通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)提供轉(zhuǎn)向所必須要的力，它通過(guò)一個(gè)減速器作用在轉(zhuǎn)向柱上，在循環(huán)球式的傳動(dòng)裝置中，直接作用在齒扇上的力太大，因此大多選用齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。根據(jù)助力位置不同分為三種形式：1、轉(zhuǎn)向柱助力式.2、小齒輪助力式.3、齒條

57、助力式. 　　由于EPS改由電機(jī)提供助力，助力大小由電控單元ECU實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，可以較好解決汽車操縱時(shí)輕與靈的矛盾。 　　 EPS及HPS在世界各地的需求趨勢(shì)；數(shù)據(jù)表明，在世界范圍內(nèi)，電動(dòng)轉(zhuǎn)向器和電液轉(zhuǎn)向器的使用會(huì)增加很快，2001年大約26.7%的安裝在新車中的轉(zhuǎn)向器是這種節(jié)能型的。到2006年歐洲市場(chǎng)中電動(dòng)轉(zhuǎn)向器和電液轉(zhuǎn)向器的份額會(huì)達(dá)到56%。由于電動(dòng)助力系統(tǒng)不僅可以提供汽車在高速下的操縱穩(wěn)定性，還能減小轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的質(zhì)量并節(jié)省能源，因而迎合了下一代汽車對(duì)環(huán)保的要求。根據(jù)汽車車型的不同，使用電動(dòng)助力系統(tǒng)能夠降低燃油費(fèi)用達(dá)5%～10%。但是由于目前汽車電源和電機(jī)本身的一些原因，限制了電動(dòng)助力在大型汽車上的應(yīng)用。隨著未來(lái)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，這一問(wèn)題將會(huì)得到解決。未來(lái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將會(huì)是以電動(dòng)助力為主導(dǎo)，其他形式為輔。