电动助力转向系统在乘用车上的应用研究【字数：7485】
摘 要
电动助力转向系统具有一系列的优势，诸如更轻的重量、更小的体积、安装维修的便利性以及节能环保的优势所在。除此之外，该系统还对于汽车的操纵性能变化和舒适性与否，以及安全性的保障都有很好的优势。一般来说该系统大都应用于商用车车型上。但是针对乘用车而言，电动转向系统的研究和文献都寥寥无几，因此对于其内在机理进行深入的探讨，力求探究电动助力转向系统在乘用车上的应用非常重要，对于国内的汽车产业发展和技术水平提高有很多的帮助。
本文主要是研究乘用车的电动助力转向系统的关键技术，力争为乘用车的电动助力转向系统带来更好的设计，帮助其开发，并且为其发展铺垫理论的基础。本文的主要内容：对于电动助力转向系统发展的背景进行概述，归纳了乘用车电动转向系统的关键技术、国内外现状以及本文的研究内容。其后对电动转向系统组成设计的助力特性曲线以及各部分的特点和选用案例进行研究，根据乘用车的助力传动耦合机构设计乘用车EPS系统，进行硬件选用与分析；然后依据不同的EPS特点，分析其应用类型和范围，最后针对乘用车上的EPS应用工况，分析并且对于乘用车上面所应用的电动助力转向系统的传动耦合机构进行设计，从而分析其转向的特征和技术难点，最终辅助提供控制理论，为乘用车上的EPS系统的应用奠定技术支持。
关键词：电动转向系统；乘用车；应用
第一章 绪 论
第一节 课题背景
近年来中国汽车行业快速发展，已成为全球第一的汽车市场，2015年汽车产销量突破2500万辆，创世界历史新高，已经七年蝉联全球第一。人们对汽车的安全性能和节能环保的要求也越来越高，作为汽车主动安全的代表技术，电动助力转向系统也成为了各大车企和相关高校、科研机构的研究热点课题。但该系统具有前沿的电子电力技术和高性能高效的电机控制技术，若能更好的应用到乘用车上，必然能够明显提升驾驶舒适感，改善汽车的操作体验，并且很大程度上减少污染与其它转向系统对比，该系统有很多好处：
1）能减少燃料损失
而电动助力转向系统在这方面有两大优势，（1）按需供给助力，根据实际工况，收集车速与转向力矩的信息，再提供可变助力，能量消耗更为合理。（2）寒冷天气下也不需要预热，反应更快，冷启动能力强的同时也节省了大量能量。（3）结构更为简单，省去了油泵，油管等液压附件，减轻系统重量，从而减少油耗，提高燃油经济性。
能加强转向跟随性一般来说，该系统的助力电机和机构都是直接相连的，这种结构能够直接使得能量施加到车轮转向上面。这就能很大程度上让系统更加减振，而且还能维持车轮的反向转动和前轮摆振。因此电动转向系统的抗扰动能力大幅提升，与液压助力转向系统相比比较，旋转力矩通过电机产生，液压助力转向系统的迟滞效应消除了，转向车轮对转向盘的跟随能力得到提高。
能改善转向回正性能到目前为止，助力转向系统的性能已经发展到了瓶颈，电动助力转向系统的独有的回正特性打破了这一格局。当司机转动方向盘到一定角度后再松开，该系统可以自动调整车轮回到中间位置。从最低车速开始上涨，一直到达最高车速的过程中，基于灵活的变成都能得到电机的不同转矩特性，从而提升动力系统的转向能力，提供了与汽车实际工况相适应的转向回正特性。在传统的液压助力转向系统中，想要达到改善这一特性的目的，必须改变底盘的机械结构，十分困难。
4）能增加稳定性
测试汽车在高速行驶时的转向特性可以判断汽车的操纵稳定性。采用这种测试方法，迫使正在高速行驶的汽车产生侧倾角，在非常短的自动回正过程中，由于微机控制的应用，车辆具备有了很高的稳定性，驾驶员有更舒适的驾驶快感。
5）能带来转向助力
转向助力由电机而来。在车速的范围中，软件编程和硬件控制都能改变可变转向力转向盘输入力矩和车速决定了可变转向力的大小。在诸如原地转向，低速或者是高速行驶时，它都可以给提供可靠的，可控性好的路感，而且使得在停车场操作汽车更加容易。对于电动助力转向系统来说，只需要改写控制模块中的既定程序，对助力特性进行设置，花费很小。
6）绿色环保，符合现代汽车技术发展趋势
“最洁净“的电能是电动助力转向系统的能源，完全替代了液压装置，避免了液压助力转向系统液体状态油易发生泄漏的问题，可以说这种系统符合了“绿色化”的时代潮流。
7）结构简单，占地小
EPS结构上相对简单，省去了液压泵，管路等部件。并且电机，转向机，减速机构可做成一个整体结构，这样整个转向系统显得精简，紧凑，质量轻。通过简单的程序调制操作能适应多种车型，可模块化开发，节省开发周期。
8）生产装配好
电动助力转向系统结构简单，零件数目少，没有液压系统常见的油管、油泵、流量控制阀，储油罐等部件，从而减少了装配的工作量，缩减了装配时间，提升了装配效率。作为显而易见的汽车转向系统未来的主要的发展方向，毫无疑问将极大地挑战并终将取代前三种具有一定历史的转向系统。
第二节 电动助力转向系统概述
上世纪五十年代开始，助力转向系统就在不断的发展之中，一直历经机械助力转向系统、液压助力转向系统和电动助力转向系统三个历程，而且还在不断的向着智能化发展。
对于电动助力转向系统而言，它是在机械式转向系统的背景下发展的，在上面通过添加电机驱动单元，便能使得汽车的助力能更好的提供，汽车的转向性能大幅度提高，使得驾驶员的转向操作更加简单。相对液压助力转向而言，EPS系统的优势主要包括少能耗、少污染、少燃料、省空间等等。而且还有着非常广泛的应用。目前的乘用车上大都应用液压助力转向系统，乘用车的电动助力转向系统在国内外还没有相关的研究与应用。
（一）电动助力转向的主要组成及助力形式
转向管柱助力式电动助力转向系统是一种非常常见的电动助力转向系统，因此下面以该款式作为研究案例，分析其具体包括的组成部分（图1.1）：
图1.1 EPS结构示意图
1、机械转向器
对于EPS系统而言，其是专门应用于汽车上的，作为汽车机械的重要关键，他的机械部分所用的就是机械转向器。这和普通的机械转向并无二致。
扭矩传感器该部分一般在转向柱或转向器上进行安装，主要的目的就是监控方向和转矩。对于很多电动助力转向系统的应用产品而言，其扭矩传感器上会有转向盘的角度检测仪，目的是了解转向盘的角度情况，从而帮助控制器进行汽车的转向控制。
3、车速传感器
顾名思义，车速传感器就是传递车速的一种部件，一般用来了解汽车的行驶情况，其主要的控制单元是依据车速变化而控制转向助力大小的。
4、电子控制单元（控制器）ECU（Electronic Control Unit）
对于汽车而言，控制器是大脑。也是核心。控制器中包括控制单元和动力单元，其中控制单元是控制助力大小情况的，而动力单元是为了了解控制指令，从而驱动电机运转的。
5、电动机及其附属机构
电动机及其附属机构是动力单元的驱动负载，对于驱动信号而言，必须要输出转矩，在减速装置的情况下施加助力转向系统，最终实现助力的过程。一般而言，选择的电动机大都是永磁直流电机或无刷直流电机两种。其中前者的电机具有紧凑的结构、更长的寿命和更高的效率这些优势，目前的应用已经越来越广泛。而且对于EPS系统而言，需要安装电磁离合器或转矩限制器才是更好的，这能确保电机在危险状态下能迅速断开运转。
电动助力转向系统的助力部位一般是不同的，在转向器上的位置不同，称呼的名字也不尽相同。一般包括如下四种助力形式：如转向管柱助力式、小齿轮助力式、齿条轴助力式以及双小齿轮助力式（图1.2）。
图1-2 不同助力形式的EPS系统
电机一般安装的位置也是不尽相同的，电机的要求也一般有所差别。对于电机而言，在转向柱助力式EPS系统下，一般处于环境较好的驾驶室内，因此具有小体积的优势，能提升腿部活动空间，便于驾驶员的形式。而且电机的噪声要求一般较高。另外三种的款式的电机处于发动机室内但环境较恶劣，体积和噪声的要求没有那么严格，因此更适用于载荷大的汽车。
对乘用车而言，载荷比轻中型商用汽车小很多，所需的电机助力远远小于轻中型商用汽车，并且转向器结构与安装部位不同，因此必须要依托乘用车的实际工况进行研究和分析，了解其具体的激烈，而且最终分析设计适合于乘用车工况的电机助力传动机构，使得其更有保障。
（二）研究意义
选题目的：与传统液压助力转向系统相比，EPS具有较高的节能环保、操稳性和安全性等特点，因此在汽车上得到越来越多的应用。对EPS应用及发展的研究具有重要的意义。
选题意义：随着汽车安全、舒适、节能与环保要求的提高，电动助力转向系统（EPS）已经在汽车上得到了比较广泛的应用。为了解决新车型开发前期EPS选型与设计问题，文章对不同类型和结构的EPS的特点和应用进行了分析，并对EPS关键技术和发展趋势加以说明。为汽车电动助力转向设计提供了一种方法，对EPS研究开发具有一定的指导意义。
国内外发展现状EPS系统的优势有很多，上世纪八十年代左右开始，就已经出现了一大批国外跨国汽车集团供应商进行相关系统的开发和研制。而且有不少的厂商开始应用这一系统并且进行销售。
比如1988年的时候，日本的Suzuki公司就首次应用了电动助力转向系统，应用的车辆叫做Cervo微型车款式，完成了初步试验。之后再两年左右的时间内，日本实现了小型乘用车的电动助力转向系统应用的商业化处理。对于日本的诸多车企而言，随着技术的发展，EPS系统的应用已经开始逐步普及，技术也更加成熟，在1990年到1997年的八年时间之内，日本Honda公司发展了超过六待的新技术。而且很多其他的公司也开始应用这一系统，比如NSK公司、DENSO公司和Koyo Seiko公司等等，都在轿车上对于自主研发的EPS系统进行了安装和销售。如下图的齿条助力式的电动助力转向系统就是NSK公司的关键产品。且该产品应用在了跑车上。自此
之后，日本的三菱、本田和大发等众多的知名公司，都开始研制自主的电动助力转向系统产品。
图1.3 安装于NSX的EPS系统
欧美公司对于电动助力转向系统的研究也十分的深入，虽然他们的研究时间比日本相对来说较晚，但是发展速度快，在1997年的时候，美国的知名汽车公司TRW和Delphi等开始推出了自主电动助力系统的产品。其中后者还将自身的系统供应给了Fiat公司的Punto款式车辆上，在2000年左右一度成为其车辆的标准装备系统。后来，包括美国的、德国的和英国的一大批公司都开始进入电动助力转向系统的产品研发和布局中来。
不止有很多大型的的汽车公司对于电动助力转向系统进行研发，而且还有很多的零部件供应商对于该系统费劲心思。如有很多的芯片开发商一直都在致力于研发专用芯片和解决方案来提升转向系统的性能，加强对其的检测。从而优化质量，遇到问题也会专门的提出完整的解决方案。
据相关资料了解代，我国国内也是有可观数量的厂家和科研单位，他们也在努力地开发EPS系统，如：以天津大学来说，在团队的努力下，顺利研发了以采用16位单片机的EPS控制器样品；北京理工大学开发出了以车用EPS控制器；南方航空动力机械设备厂将以开发出的EPS系统，开始运用在昌河爱迪尔车型上进行小批量装车等。除此之外，这些厂家和科研单位在研究和开发中，也是有样品问世，如：江苏大学、华中科技大学、浙江世宝方向机有限公司等。
为了能够更好地将国内进行研发的EPS进行产业画，有些厂家进行了起草了相应的行业规则，主要是依据国家施行的标准，以《汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法（征求意见稿）》，只为能够让电动助力系统的研发与设计，在试验中能够遵照合理的规范。从这些，足以说明：不论是国内的学者，还是技术界等，都对EPS进入产业化的极其重视。
对于电动助力转向系统技术，是结合了现代控制技术、机电一体化及现代电子技术等高校技术的融合，才有了如今技术的现世。将它进行与传统液压动力转向进行相比，是占有多处优点，而在未来的前景发展中，对EPS的运用及范围，也会进一步被开拓，以此定为标准件能够被装备在汽车上，并让动力转向领域，在未来占据主导地位。
目前，国内所有研发单位所进行的电动助力转向系统的研究，都是针对乘用车的，而且都没有大规模产业化，还有很长的道路要走。本课题的研究，主要是针对乘用车的，纵观国内外来看，是没有此类的产品和技术信息，说明在未来的发展中，是具有很大的创新空间。同时，说明对此类产品一旦研发成功，就可将
乘用车电动助力转向系统大规模装备应用到国内生产属于同类车型上。这种必将为以后产业的规模创造价值和经济条件。
第三节 乘用车电动转向系统的关键技术
（1）控制器硬件开发
控制器是EPS系统核心部件，控制器硬件直接影响到汽车EPS系统可靠性和汽车安全。EPS控制器对工作环境要求较高，尤其是布置在发动机舱内的控制器必须保证在-40~l30℃甚至更高的温度下稳定工作；同时控制器要求具有较高的密封和振动特性；另外，EPS在工作的过程中会产生较大的电流突变，并且EPS工作在较高电磁干扰环境，因此EPS控制器硬件开发要求较高的电磁兼容性设计词。
（2）控制策略开发
EPS系统，是以非线性和多输入多输出系统进行控制，在设定控制策略中的要求是：1）对驾驶员操作扭矩，能够快速被定位，以及精准追踪，实现基本助力特性；2）良好的路感；3）有效抑制助力电机扭矩波动；4）减小路面干扰和传动系误差等对系统性能的影响；5）控制系统的鲁棒性。为此。对于EPS系统来说，有这么多的设定控制策略，主要目的是为了能够多个控制目标，以及实现综合控制。
（3）助力电机
EPS系统在助力电机中，对性能的影响是很大，主要它是属于EPS的关键部件之一，所以EPS对助力电机的要求是挺高的。随着EPS逐渐在中高级轿车上的运用，要求助力电机具备低转速大扭矩、惯量小、扭矩波动小、体积小及噪声小等性能要求，因此高性能的直流无刷电机被广泛采用。
（4）减速传动机构
助力电机为高速低扭矩输出，因此EPS必须对其进行减速增扭处理。目前EPS中常见的减速机构为蜗轮蜗杆，蜗轮蜗杆减速机构由于其体积小和减速比大，在EPS上得到广泛运用，但其传动效率较低和磨损严重等因素成为影响EPS性能的重要因素，因此设计结构优化、传动比理想与材料合适的减速机构，减小系统尺寸和噪声对提高传动效率非常重要。
（5）系统标定
一旦传统液压助力转向在设计的过程中，参数被确定过后，就不能再进行对该系统的调节和控制。而EPS助力大小可由控制器进行实时调节与控制，可通过实车标定提供最佳的转向特性。因此，EPS系统需要根据不同车型与不同客户需求等因素，对控制参数进行调整，即系统标定。系统标定不单需要数据库的支持，更需要富有经验的标定工程师和主观评价人员操作完成。
（6）故障诊断
EPS作为汽车安全系统，故障诊断是EPS系统的关键技术之一。当控制器、车辆信号、传感器信号或助力电机等部件出现故障时，EPS系统一方面需要及时警示驾驶员故障状态并记录准确的故障信息，另一方面需要采用冗余容错控制方法，根据故障程度及等级，保证系统基本工作以确保驾驶安全。
第四节 研究内容及方法
通过分析乘用车EPS系统现状，本文研究内容如下：
第一章对介绍了电动助力转向系统及发展现状和趋势，提出了本课题的研究意义，阐述了乘用车电动助力转向系统的关键技术及本文的研究内容。
第二章表述的是乘用车内部电动助力转向系统的组成设计和案例分析情况，对于其助力特性匹配进行了概述，且对其各部分特点及选用进行了比较，尤其是针对电动机和扭矩传感器进行了案例分析情况和匹配分析。
第三章主要是介绍了乘用车EPS的分类和应用特点，详细介绍了其具体的选择原理。
第四章针对EPS系统在乘用车上的应用进行了分析和讨论，分别针对乘用车的工况，以及其与乘用车的对比分析，来明确乘用车上的EPS系统情况，其次针对电动助力转向系统的特征进行减数，对其技术难点和发展前景进行简要的探讨。
最后对于上文的所有内容进行了一个简要的论述，从而成为结束语。
第二章 EPS组成设计及与案例分析
第一节 引言
EPS系统相比于液压助力转向系统的一个主要特点是转向操作特性可以通过软件加以改进。这是因为调节EPS系统的助力特性是通过控制助力电流来实现的，而液压助力转向系统的助力特性则是由阀的结构决定，调节困难。国外著名的EPS生产厂商都有一套自己的EPS系统匹配方法，如KOYO公司的EPS系统根据车速信号和转向盘转矩信号查找助力表格，得到该行驶工况下的助力电流；并通过测量电机两端的电压和电枢电流对电机转速和角加速度进行估计，进而实现对不同转向状态的判断和控制。其中，当电动机的电枢转动惯量稍大时，为提高紧急转向时转向盘的快速跟踪性，需要进行惯性补偿控制；当转向系统内部摩擦影响到转向性能时，需要进行摩擦补偿控制：为提高汽车高速行驶时的稳定性，又需要进行阻尼补偿控制。另外，为避免电动机持续以较大电流助力时不会烧坏半导体器件，要求EPS系统具有温度自我保护功能。
EPS系统的匹配工作主要是对助力特性、电动机、扭矩传感器的匹配，将匹配好的器件装配到目标车上，并通过调整助力特性曲线，实现合理的汽车转向特性。EPS系统还应具有在线故障诊断功能和安全保护措施。
第二节 EPS助力特性的匹配
对于EPS助力系统而言，其助力特性的匹配是较为重要的。助力特性的概念主要指的是转向助力的力矩根据汽车的受力情况变换的一种规律，是与汽车运动过程中的扭矩和车速紧密相连的。助力特性一般会关乎于电动助力转向系统的转向的轻便性、路感和回正性等关键要素。对于液压助力转向系统来说，一般助力大小会与液压油的压力呈现正相关。电动助力转向系统则不尽相同，因为电动助力转向系统的助力大小一般与直流电动机的电流大小呈现正相关状态。一般描绘其逐利特性的是电流和转向盘的运动状态的关系曲线，如电流与扭矩的和电流与车速的变化关系。电动助力转向系统的助力特性不但能跟随转向盘扭矩随之变化，还能在车速变化途中不断调整转向轻便性、路感和回正性的各种关系。
一般匹配助力特性的关键参数都是包括如下几条，首先要如何选用其助力特性曲线的型式、其次是助力开始过程中的转向盘的扭矩，还有的就是其最大助力扭矩和助力特性曲线的斜率等等。
EPS开始助力的最大助力扭矩，转向盘扭矩是需要在合适范围之内的，不能过重，也不能过轻。为了使驾驶员保持这种对转向盘的施力感，应根据人的感觉灵敏度，设置一个助力作用临界值，当转向盘输入力矩小于该值时不进行助力。
（2）EPS能提供的最大助力转矩。对于助力电动机而言，其扭矩总是有限的，一般在最大电流的时候实现。所以输入最大转矩需要匹配合理数值，不能超过驾驶员体力要求，而且需要匹配汽车自身的EPS系统和整车。
（3）助力增益系数。对于直线型助力特性曲线来说，助力增益系数就是在某一特定的车速范围内的助力直线的斜率，是一个定值。
助力特性曲线一般会以车速感应型助力特性曲线的形态呈现。主要有以下三种。
图2.1 三种助力特性曲线
一、直线型助力特性曲线
图2.1a为直线型助力特性曲线，能看出助力大小和转盘的扭矩是呈现直线的线性关系的。其代表函数主要如下:
式中：I——电动机目标电流；
Imax——电动机最大工作电流；
T—转向盘输入力矩；
Td0——系统开始助力时转向盘输入力矩；
Tdmax——系统提供最大助力时转向盘输入力矩；
Kv——助力特性曲线系数。
二、折线型助力特性曲线
图2.1b为折线型助力特性曲线，由图中可以看出，在助力变化区内，助力大小与转向盘扭矩成分段线性关系。该助力特性曲线可用下式函数表示：
式中：Td1折线型助力特
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