1、#*汽车 EPS 系统原理从上世纪 50 年代出现了汽车助力转向系统以来,经历了机械式、液压式、电控液压式等阶段,80 年代人们开始研制电子控制式电动助力转向系统,简称 EPS(ElectricPowerSteering)。EPS 在机械式助力转向系统的基础上,用输入轴的扭矩信号和汽车行驶速度信号控制助力电机,使之产生相应大小和方向的助力,获得最佳的转向特性。EPS 用仅在转向时才工作的助力电机替代了在汽车运行过程中持续消耗能量的液压助力装置,简化了结构, 降低了能耗,动态地适应不同的车速条件下助力的特性,操作轻便,稳定性和安全性好,同时, 不存在油液泄漏和液压软管不可回收等问题。可以说,EP
2、S 是集环保、节能、安全、舒适为一体的机电一体化设计。电动助力转向系统 EPS 是当前世界最发达的转向助力系统 ,20 世纪 80 年代, 日本铃木公司#*首次开发。因其具有独特的按需助力、随动跟踪、反映路感、节能高效、环保免维护、系统成本低等一系列优点,在中小排量汽车中即将以较大产品份额取代液压助力转向总成(HPS)。与传统的转向系统相比较,汽车电动助力转向系统(EPS)结构简单, 灵活性好,能充分满足汽车转向性能的要求,在操作的舒适性、安全性和节能、环保等方面显示出显著的优越性。EPS 的特点及工作原理(1)EPS 系统的特点。随着电子技术的发展,电子技术在汽车上的应用越来越广泛。电动助力
3、转向已成为汽车动力转向系统的发展方向。由于采用动力转向可以减少驾驶员手动转向力矩,改善汽车的转向轻便性, 因此在商用车、中高级轿车和轻型车上得到广泛的应用。传统的动力转向系大多采用固定放大倍数的液压动力转向,缺点是不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。为了克服以上缺点, 研制出电子控制液压动力转向系(EHPS),使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。但EHPS 系统结构更复杂、价格更昂贵,而且效率低、能耗大。EPS 是一种机电一体化的新一代汽车智能转向助力系统。与液压动力转向系统(HPS) 相比,有如下优点:1 效率高 ,HPS 系统效率一般为 60%70%,而 EPS 系统效率可
4、达 90%以上;2 能耗少 ,对于 HPS 系统,汽车燃油消耗率增加 4%6%;而 EPS 系统汽车燃油消耗率仅增加0.5%左右;3 路感好 ,使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力;4 回正性好 ,EPS 系统内部阻力小,可得到最佳的回正特性;5 对环境污染少,EPS 对环境几乎没有污染;6 可以独立于发动机工作,EPS 系统只要电源电力充足,即可产生助力;#*7 应用范围广 ,尤其对于环保型的纯电动汽车,EPS 系统为其最佳选择。(2)EPS 工作原理。EPS 原理是控制模块根据扭矩传感器和汽车速度传出的信号,确定转向助力的大小和方向, 并驱动电机辅助转向操作,如图 1 所示1。EPS
5、系统由控制模块、转向柱管、电机成、扭矩传感器、汽车速度传感器(VSS)及抑噪器等部件组成。控制模块的基本控制原理为:转向时,扭矩通过输入轴传递到扭力杆,输入轴和输出轴之间的旋转方向角度出现偏差,这些角度变化转换为扭矩传感器电压变化, 并传送到控制模块。#*1.转向盘 2.输入轴 3.扭力杆 4.控制模块 5.电机 6.离合器 7.输出轴 8.中间传动轴9.下传动轴 10.转向齿条11.横拉杆 12.车轮图 1 EPS 转向系统控制模块根据扭矩传感器检测到的扭矩信号和车速信号以及反馈电机电压和电流信号,判断汽车的转向状态,向驱动单元发出控制指令,给电机一定占空比的电压,使电机按方向盘转动的角度和
6、方向产生相应大小的辅助力,通过蜗轮蜗杆传递给输出轴, 协助驾驶员进行转向操纵。#*(3)P/S 控制模块结构简介。P/S 控制器按功能可分为微电脑、A/D 转换器和 I/O 装置; 按模块可分为微处理器、扭矩传感器信号处理模块、电源及电源控制模块、直流永磁电机 PWM 驱动模块、电磁离合器驱动模块、发动机转速信号处理模块、扭矩传感器信号处理模块、车速信号处理模块及 EPS灯处理模块等组成。其主要功能是控制转向助力的大小和方向,此外, 还有自我诊断功能和安全防护功能。如图 2 所示。当接通 12V 稳压电源,打开点火开关,此时 EPS 控制器电路板进入自检状态。当 EPS 灯亮3s 后熄灭、电机
7、工作 1s 后停止。则表示 EPS 控制器电路板自检已通过。否则,则表示 EPS控制器电路板自检未通过。P/S 控制模块根据输入的扭矩电压、车速信号及发动机信号, 产生脉冲调宽信号(PWM), 确定电机的输出扭矩。EPS 关键技术1 控制模块控制原理#*控制电机电流信号的原理如图 3 所示,控制单元采用了闭环反馈调节,利用 PID 调节器,将电机的实际电流反馈回来与来自单片机的目标电流相比较,经过转换从而得到控制电机的斩波信号,该信号经过电机驱动电路可驱动电机进行转向助力。控制电枢电流采用了电流反馈,使得电机的目标电流和实际工作电流之间的误差减少到足够小,从而使系统能够很快达到稳定状态。2 E
8、PS 大负荷输出中存在的问题EPS 如用于大排量的汽车,所用的电机功率必然加大,转动惯量和摩擦力矩随之增大,这不仅影响轮胎回正性,还会使转向时有粘滞感,助力跟随性差。解决这些问题的方法是在控制电路中加上惯量补偿和摩擦补偿。电机功率越大,在电压一定的情况下,电流增大,会导致电路温度过高 ,影响电子器件的正常工作。另外,电机功率越大,噪音增大,EPS 的电机装在驾驶室内, 会影响驾驶员的舒适性。(1)摩擦力矩。在永恒直流电机中,摩擦力矩的主要来源有 2 个:1 电刷和轴承的机械摩擦; 2#*磁通损失大的电机需要电刷和换向器有较大的接触面,这样才能减少电阻, 增加磁通密度,从而使电机输出功率增大,但
9、也导致了摩擦力矩的增大。(2)电机的惯量补偿和摩擦补偿。实际需要的电机电流是助力电流、惯性补偿电流、阻尼补偿电流和摩擦补偿电流之和。电机电流用这些补偿电流来校正自己,从而提供较精确的实际需要电流。其助力电流的大小随车速的提高而减小。惯量补偿大大改善了转向时的响应性,可是导致的阻尼问题会影响转向的稳定性, 在高速情况下最为明显。阻尼补偿、摩擦补偿、惯性补偿均与电机转速相关,在补偿中必须给定, 但考虑到电机的转速与电机的感应电压有一定的比例关系,因此不需要额外的传感器即可检测到。3 电机总成特点EPS 系统采用的电机为直流伺服电机,其主要特点有以下几个方面: 1 调速范围广,易于平滑调节; 2 过
10、载、启动及制动转矩大 ; 3 易于控制,可靠性高; 4 调速时能量损耗小; 5 加载时力矩平滑; 6 噪音小。EPS 的助力大小,取决于电机的大小、电流大小及减速机构的减速比。对于那些大排量的汽车,由于助力大,需大功率的电机,如果电机太大,转动惯量大,会导致助力跟随性差, 因此,EPS的使用范围受电机功率的限制。在不同的车速、不同的输入转向力,其电机助力电流的大小是不一样的, 在低车速时,助力电流大,高车速时,助力电流小,当车速达到某一数值时,则停止助力,如图 4 所示。所有车速范围的助力电流大小,靠预先设定的助力曲线来实现。#*4 输入输出扭矩特性EPS 性能的好坏,通过在台架上测出各种车速
11、下的输入输出扭矩特性曲线表现出来, 如图 5所示。根据汽车的转向特性,在不同的车速下,输入输出扭矩特性曲线是不一样的。车速越低,助力越大;反之,助力越小。#*输入力矩输出力矩特性通过以下几个指标衡量:(1)输入力矩与输出力矩的比例关系。输出力矩与输入力矩的比值越大,其助力效果越明显。在车身前轴质量大、车速较低的情况下,输出力矩与输入力矩的比值需要加大; 反之,输出力矩与输入力矩的比值需要减小。输出力矩与输入力矩的比值通过预先设定的程序来控制。但是,最大输出力矩受电机功率的限制。(2)两侧不同输入力矩/最大输出力矩差异。图 5 中的 |a-b|就是两侧不同输入力矩 /最大输出力矩差值。#*该数值
12、越小,说明其正向助力与反向助力的对称性好;数值越大,会导致正反向助力大小不一,使驾驶员在转向时感到一个方向手感重,另一方向手感轻,严重时导致方向老是往一边跑。(3)输入输出力矩曲线的波动。图 5 中的 X 值是输入输出力矩曲线的波动量,X 值越小, 助力越平稳,驾驶员的手感越好。影响测量曲线波动量的因素主要有以下几个方面:1 滑块在输入输出轴上运动的灵活性。灵活性越好,X 值越小;这与输入输出轴运动副光洁度有关;2 控制程序在电流的反馈与各种补偿过程中,如果参数选择不当,使其控制信号波动太大,导致 X 值波动大;3 扭矩传感器电阻膜分布的均匀性越好,X 值波动越小;4 蜗轮蜗杆传动的平稳性;5
13、 电机工作的稳定性。(4)滞后现象。图 5 中的 Y 值是输入输出特性曲线的滞后,Y 值越小,转向系在回位时的跟随性越好。影响 Y 值大小的主要因素有以下 3 个方面:1 与滑块在输入输出轴上运动的摩擦力大小有关,摩擦力越大,Y 值越大;2 与电机的机械摩擦、惯性矩等因素有关,机械摩擦、惯性矩越大,Y 值越大;3 与蜗轮蜗杆传动的摩擦力和齿型啮合参数有关。(5)曲线异常。图 5 中的 c、d 曲线属于助力异常,这种情况是绝对不允许出现的, 这种异常情况与控制模块、扭矩传感器及扭力杆及电机故障有关。5 扭矩传感器本转向器的扭矩传感系统采用接触式电位器来感受电信号。扭矩传感系统由输入轴、输出轴、扭力杆、滑块、钢球及扭矩传感器组成,它获得方向盘操作力大小和方向的信号, 并把它们转换为电压值,将它们传递到控制模块。该结构的优点在于扭力杆产生的微小的扭转角度,通过螺旋球槽、钢球和滑块后, 将扭转角度位移转换并放大成滑块的轴向位移。与非接触式的光电传感器相比,结构简单, 造价低廉。其缺点是对输出轴的螺旋球槽及滑块滚珠槽精度要求高,为了减小滑块的轴向间隙, 其球槽采
