汽车电动助力转向系统电控单元的研究待研究

1、汽车电动助力转向系统电控单元的研究类别：汽车电子   阅读：2098 ->摘要：设计了一款采用PIC16F877单片机为电子控制单元核心的汽车电动助力转向系统,全文详细介绍了该系统的工作原理和硬件组成,重点对各传感器信号的采集处理电路、电动机的驱动电路、离合器和继电器的控制电路、电机电流的采样电路等进行了研究设计。实验表明,该系统具有输出扭矩平稳、转向控制灵敏、抗干扰性强、稳定性高等优点。 关键词：单片机；电子控制单元；电动机；传感器 1 引言 随着电子控制技术的发展及其在汽车领域的广泛应用, 电动助力转向系统（Electric Power Steering, 简称E

2、PS越来越成为目前汽车电子技术研究的热点之一。与传统的转向系统相比，EPS系统结构简单，灵活性大，可以获得理想的操纵稳定性，能动态地适应汽车行驶状况的变化，在操纵舒适性、安全性、环保、节能、易于维修等方面也充分显示了其优越性1。目前, 电动助力转向已部分取代液压助力转向并获得广泛应用，如日本的大发、三菱、本田汽车公司，美国的Delphi汽车系统公司，德国的ZF公司等都相继研制出各自的EPS并装配使用。国内对EPS 系统的研究起步较晚，仅有清华、华中科大、吉林大学、合肥工大等高校开展了系统结构的方案设计、系统建模和动力学分析等研究，但处在理论探索、实验研究阶段。国内部分汽车厂商如重庆长安、南昌昌

3、河、东风、一汽等与高校联合研究，也都处在研制的初级阶段，未达到实用程度2。 2 EPS系统的硬件组成及工作原理 2.1 EPS的硬件组成 EPS是一种直接依靠电力提供辅助扭矩的动力转向系统，结构如图2-1所示，它由电子控制单元(ECU控制电机提供助力，系统主要由电子控制单元、扭矩传感器、转角传感器、车速传感器(可与其他系统共用、直流电机、离合器、电磁继电器、减速机构和转向机构等组成。 图2-1 EPS系统结构图 2.2 EPS的工作原理 当汽车点火开关闭合时，ECU上电开始对EPS系统进行自检，自检通过后，闭合继电器和离合器，EPS系统便开始工作，当方向盘转动时，位于转向轴上的转角传感器和扭矩

4、传感器把测得方向盘上的角位移和作用于其上的力矩传递给ECU，ECU根据这两个信号并结合车速等信息，控制电机产生相应的助力，实现在全速范围内最佳控制：在低速行驶时，减轻转向力，保证汽车转向灵活、轻便，在高速行驶时，适当增加阻尼控制，保证转向盘操作稳重、可靠。 3 基于PIC单片机的ECU系统设计 图3-1 ECU系统结构原理图 3.1 ECU工作原理 系统的控制核心为PIC16F877单片机，控制单元结构如图3-1所示。整个系统由车载12V蓄电池供电，ECU工作时，扭矩、转角、车速、温度等传感器把采集到的信号经过输入接口电路处理后送至单片机的相应端口, 单片机根据系统助力特性和相应算法对这些数据

5、分析处理,以确定助力电流的大小和方向，并通过单片机的PWM口发出脉冲指令和相应的换向控制端口发出换向指令，通过驱动电路和H桥电路控制直流电动机工作。在电动机的驱动电路上设有电流传感器，该传感器把检测到的电机实际工作电流通过电流探测电路反馈到单片机，单片机再根据相应的控制算法对电机实现闭环控制。如EPS系统工作出现异常,单片机将驱动EPS灯亮进行报警提示，同时断开继电器、离合器，退出电动助力工作模式，转为人工手动助力模式3。 3.2 PIC16F877单片机简介 该款机型是美国Microchip公司生产的8位RISC结构的单片机，具有高速数据处理的特性(执行速度可达120ns，PIC16F877

6、内部自带看门狗定时器、具有256Bytes的EEPROM、8k空间的FLASH存储器、8路10位AD转换功能、2个脉宽调制CCP模块、在线烧录调试（ISP）功能，宽电压工作，可靠性高。PIC16F877有8级深度的硬件堆栈，RAM区的每个Byte位都可以寻址，有4条专用的位操作指令和2条移位指令。 3.3 直流电动机的选择 无刷直流电机在控制特性、效率、转矩脉冲、制造成本等方面，具有明显的优势。本项目采用永磁式无刷直流电机做为驱动源。 3.4 扭矩、转角传感器的选择 本文采用意大利BI公司的扭矩、位置复合传感器，该传感器除了提供扭矩信号外，还提供方向盘位置信号，为回正和阻尼逻辑的开发提供了便利

7、。 3.5 电动机驱动控制电路的设计 电动机驱动控制电路必须能够高精度、快速地调整电动机的转速和输出转矩，从而满足EPS系统实时性和可靠性的要求。本项目中后向通道的核心控制采用脉宽调制（PWM）控制H桥电路。直流电机PWM控制方式有多种，根据电机工作的实际需要和系统的整体要求，本项目采用受限单极可逆PWM控制模式，主要优点在于可以避免开关管同臂导通，运行可靠性高、不需附加延时电路、开关频率相对较高，特别适用于大功率、大转动惯量、可靠性要求较高的直流电机控制的场合。 3.5.1 电机驱动电路 电动机的驱动电路主要包括FET桥式电路、FET基极驱动电路、电机驱动线路上的电流传感器和继电器构成。 F

8、ET桥式电路主要由四个大功率MOSFET功率管组成，要求功率管具有良好的开关特性、能承受较大的驱动电流、且具有较长的使用寿命，根据电机的功率参数及功率管的极限参数和电特性，我们采用四个相同的N沟道IRFP250功率管来构成H桥电路。 FET基极驱动电路选用MOSFET专用栅极集成电路IR2109作为核心模块，该芯片是一种单通道、栅极驱动、高压高速功率器件，采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目大大减少，控制了电路板的体积，降低了成本，提高了系统可靠性4。驱动电路如图3-2所示，两个IR2109的IN端为驱动H桥同臂上下两个功

9、率管的信号脉冲输入端，分别通过具有高速性能的6N137光电耦合器接至PIC16F877单片机的两个PWM脉冲输出端口；两个SD端分别与单片机的一个I/O口相连，控制电机停车操作；每个芯片的HO和LO端分别与同桥臂的功率管相连，控制电机转速；VB端通过自举二极管UF1005与+12V电源相连，为了阻断特殊电路中所承受的全部电压，此处选用具有超快恢复特性的二极管UF1005。 图3-2 电机驱动电路 3.5.2 电机电流采样电路 系统进行电流采样有两方面用途，一是为电动机提供保护；二是通过电流传感器反馈电枢电流的信号，以便对电枢电流进行闭环控制。标准电阻是一种常用的电流传感器，由于其简单可靠、阻值

10、稳定、精度高、频响好、输出电压直接比例于所流过的电流，在 PWM 系统中应用相当广泛。标准电阻一般采用锰铜或硅锰铜制成。在采样电路中，选用AD626把采样信号放大10的n倍送至单片机相应端口，具体电路如图3-3。 图3-3 电机电流采样电路 3.6 继电器控制电路 如下图3-4所示，CPU控制信号经CPU端口PSP0输出后，开关管 Q1导通并驱动功率三极管 Q12，使继电器通电并闭合节点，继电器节点闭合后可给电机、离合器供电。CPU输出的高低电平信号分别控制继电器的合开操作。 图3-4 继电器控制电路设计 4 结论 本文在对EPS系统的原理和助力控制过程的分析基础上，对 EPS 控制系统的硬件

11、电路进行了研究设计，提出了采用受限单极性可逆PWM控制模式控制直流电机；探索了在汽车电动助力转向系统中,低压、低速、大电流永磁式无刷直流电机的控制方法。采用精密电阻进行电机电流采样的方法，实现了对直流电机输出扭矩的闭环控制。在完成了硬件电路设计和软件编程后，按照预定的助力特性曲线，对EPS系统进行了台架试验，试验结果表明：电子控制单元信号采集的实时性较高，对电机闭环控制的跟随性较好，整个系统具有良好的电动助力特性，硬件部分的抗干扰能力和可靠性都很高。 创新点 1、采用PIC16F877单片机为电子控制单元核心。 2、采用受限单极可逆PWM控制模式控制直流电机。 参考文献 1 Nakayama

12、T，Suda FThe present and future of electric power steeringJInt Jof Vehiche Design, 1994，15：243254 2于建成.电动助力转向系统的研究与开发D.大连理工大学：车辆工程，2005，03-24：2-5。 3艾宝莹.混合建模式电动助力转向系统主动控制J.微计算机信息, 2007，02：311-312。 4赵庆松.基于ARM的直流电机调速系统的设计与实现J.微计算机信息，2007，02：173-175。 电动助力转向系统(EPS电机驱动电路的设计上网时间：2008-11-02 中心论题： 简介EPS系

13、统基本结构及工作原理 EPS控制系统具体电机控制电路的设计 电机驱动电路台架试验表明电动机的助力转矩对方向盘转矩有良好的跟踪性能 解决方案： 利用MC9S12系列单片机作为高性能的微控制器 采用脉宽调制（PWM）控制H桥电路实施对直流电动机的控制 电源倍压电路中采用NE555定时器满足电源需求 一、EPS系统基本结构及工作原理电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）是未来转向系统的发展方向。该系统由电动机直接提供转向助力，具有调整简单、装置灵活以及无论在何种工况下都能提供转向助力的特点。EPS最为突出的是该系统可在不更换系统硬件的情况下，通过改变控制器软件的设

14、计，十分方便地调节系统的助力特性，使汽车能在不同车速下获得不同的助力特性，以满足不同工况下驾驶员对路感的要求。电动助力转向系统（EPS）主要包括传感器、控制器和执行器三大部件。传感器将采集到的信号经过相应处理后输人到控制器，控制器运行内部控制算法，向执行器发出指令，控制执行器的动作，系统结构如图1所示。其工作原理为：在操纵方向盘时，转矩传感器根据输人转向力矩的大小，产生出相应的电压信号，由此电动式动力系统就可以检测出操纵力的大小，同时，根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再控制电动机的电流，形成适当的转向助力。二、EPS控制系统硬件电路设计微控制器的选择MOTOROLA公司的MC9S12

15、系列单片机是基于16位HCS12 CPU及0.5m制造工艺的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，是根据当前汽车的要求设计出来的一个系列。它使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境。设计方案采用MC9S12DP256单片机，其主频高达25 MHz，同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI，3个同步串行通信口SPI，8通道输人捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/0口（其中20个具有

16、外部中断及唤醒功能）、兼容CAN2.OA/B协议的5个CAN模块以及一个内部IC总线模块；片内拥有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，资源十分丰富。硬件电路总体框架电动助力转向系统的硬件电路主要包括以下模块：MC9S12DP256微控制器、电源电路、信号处理电路、直流电机功率驱动模块、故障诊断模块与显示模块、车速传感器、扭矩传感器、发动机点火信号、电流及电流传感器等接人处理电路，另外还有电磁离合器等，EPS系统的硬件逻辑框架如图2所示。电机控制电路设计直流电动机是EPS系统的执行元件，电机的控制电路在系统设计中有着特殊的地位。在本系统中采用脉宽调制（

17、PWM）控制H桥电路实施对直流电动机的控制，由4个功率MOSFET组成，如图3所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驱动电路简单，工作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。系统采用4个International Reetifier公司生产的IRF3205型MOSFET功率管组成H桥路的4个臂。IRF3205具有8 m导通电阻、功耗小、耐压达55V、最大直流电流110A、满足EPS系统对MOSFET功率管低压（正常工作不超过15V）大电流（额定电流30 A）的要求。      1H桥上侧桥臂MOSFET功率管驱动电路设计上侧

18、桥臂的MOSFET功率管驱动电路如图4所示，其中Qa/Qb为上侧桥臂的功率MOSFET a管或b管，vdble为倍压电源电路提供的电源电压。当MOSFET的控制信号a（b）为高电平时，Q1和Q2导通，电源通过Q2，D1以及R5与C1的并联电路向Qa充电，直至Qa完全导通，Q3截止。当Qa导通时，忽略Qa的漏极和源极之间的电压降，则Qa的源极电压等于蓄电池电源电压。此时，Qa的栅源极电压降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE为2N2907的集一射极饱和导通电压，其典型值为0.4V，VF为D1的正向导通压降，其典型值为0.34V，Vbat为蓄电池电压。为保证器件可靠导通，降

19、低器件的直流导通损耗，VGS不低于l0V。因此需设计高效的倍压电源电路，以保证Vdble的值足够大，满足功率MOSFET的驱动要求。如果蓄电池电压为12V时，Vdble12V0.34V0.4V10V=22.74V。 当MOSFET的控制信号a（b）管为低电平时，Q1和Q2均截止，Q3导通，Qa的栅源极电压通过R5与C1的并联电路及Q3迅速释放，直至Qa关断。Qa关断时，连接其栅-源之间的电阻R6使其栅-源电压为零。IRF3205的导通门限电压为24V，OV的栅源极电压能够使其关断。2下侧桥臂的功率MOSFET管驱动电路下侧桥臂的功率MOSFET驱动电路如图5所示，其中Qc/Qd为下侧桥臂的功率

20、MOSFET的c管或d管。当MOSFET的控制信号c（d）为高电平时，Q1导通，Q2截止，Q1的栅极电压通过R3与C1组成的并联电路、D及Q1迅速释放，Qc/Qd关断。 当MOSFET的控制信号c（d）低电平时， Q1截止，Q2导通，电源通过Q2以及R3与C，组成的并联电路对Qc的栅极充电，直至Qc完全导通。当Qc导通时，其栅源极电压等于电源电压减去Q2的集射极饱和导通电压，而电源电压又等于蓄电池电压减去1N5819二极管的正向导通电压。所以，Qc的栅源极电压VGS=（Vbat-VCE-VF），当蓄电池电压为12V，取各参数为典型值得Qc的栅-源极电压为11.26V，满足IRF3205的栅极驱

21、动（10V）所需的电压。蓄电池倍压工作电源由于上侧桥臂的MOSFET功率管的栅-源电压必需大于22.74V，而蓄电池电压只有12V。因此需要设计蓄电池倍压电源，产生二倍于蓄电池电压的电源电压，提供给H桥a、b功率管的驱动电路，保证高侧MOSFET功率管能够完全导通。电源倍压电路如图6所示，NE555定时器工作于多谐振荡器模式，于引脚3产生幅值等于NE555的供电电压，频率为1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl和D2构成电荷泵电路。当NE555引脚3输出高电平时，由于电容电压不能突变，C3正极电压为24V或接近24V，并通过D2向C4充电，使C4电压为24V或接近24V。由于

22、受电路的工作效率、二极管D1和D2上的正向电压降以及负载能力的限制，使得系统输出电压低于供电电压的2倍，即供电电压为12V时，输出电压低于24V，当供电电源为12V时，倍压电源电压约为22.9V，大于Vdb1（22.74V），可以满足需要。三、电机驱动电路台架试验根据电动转向控制系统对稳定性和跟踪性的需要，采用最优H二控制器编制电动转向系统控制程序，并在汽车电动转向试验台上进行台架模拟试验，车速信号用模拟车速传感器发出的脉冲信号代替网。图7为中等车速转向助力时，测量的方向盘转矩（T）和助力电动机电流（I）变化曲线。从图7中可以看出，在转向过程中，助力电动机电流随着方向盘转矩的变化而变化，电动机

23、电流的变化趋势和方向盘转矩的变化趋势相吻合，表明电动机的助力转矩对方向盘转矩有良好的跟踪性能。转向操作时，无助力滞后感，转向平稳，表明转向系统具有良好的跟踪性能和操纵稳定性。四、结论与展望MC9S12系列16位单片机片内资源丰富，对于一般的简单应用，只需一片单片机加少量围电路即可。开发的直流电机电路经初步试验，性能良好，可基本满足电动助力系统转向系统的需要。文中只介绍电动助力转向系统硬件电路设计的基本框架，为获取良好的控制效果，电动助力转向系统将不仅仅局限于依据车速和扭矩这2个基本的信号进行电动助力转向系统的研制，转向角、转向速度、横向加速度及前轴重力等多种信号在未来的电动助力转向系统中可能都

24、是要考虑的因素。1 引言    ADAMS机械系统自动化动力学分析软件，是由美国机械动力公司开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析软件中名列前茅。它为用户提供了强大的建模、仿真环境，具有十分强大的运动学和动力学分析功能，其应用覆盖汽车、工程机械、铁道、船舶、航空航天等行业1。ADAMS可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。首先建立运动部件，用约束将它们连接，而后通过装配成为系统，再利用外力或运动将他们驱动，形成仿真模型在机械及车辆系统设计研究过程中，除了对样机进行建模、仿真分析和数据处理外，还要对样机的各种特

25、性进行深入分析。转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到车辆的舒适性和安全性。运用ADAMS软件强大的动力学仿真优势，导入转向系统PRO/ENGINEER三维模型，在模型上施加力/力矩和运动激励，最后执行不同工况的运动仿真模拟，所得的结果近似转向系统工作的实际情况。动力学仿真软件ADAMS和Pro/E对复杂机械系统进行动力学仿真，解决了ADAMS在建模方面不利的缺点，是一种较实用的仿真方案。2 EPS系统工作原理    EPS系统是继液压助力转向（Hydraulic Power Steering，简称HPS）系统后产生的一种新型动力转向系统。HPS系统已发

26、展了半个多世纪，其技术已相当成熟。但随着汽车微电子技术的发展，对汽车节能性和环保性要求不断提高，该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显，不能完全满足时代发展的要求2。EPS系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，EPS系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中EPS将成为转向系统主流。EPS系统纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强，解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低

27、下的问题，是转向系统的一次革命3。EPS系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，由机械式转向装置、驱动电机、减速器、扭矩、扭矩传感器及控制单元等组成，EPS系统结构与原理如图1所示。        EPS系统根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的反馈伺服系统。其基本的工作原理如下：该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号，与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所

28、需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。图1 EPS系统工作原理图3 汽车EPS系统减速机构设计    减速比是减速机构最重要的参数，它对EPS系统以及整车的性能都有很大的影响。选择这个参数要同时考虑电动机的性能指标以及转向系统的特殊工况。转向系统的工作特点是：转向盘速度范围很大,可以从保舵到每秒数圈4。作为助力转向系统,应该在这个转向速度范围内都能够提供助力,其最低要求就是至少不能阻碍转向动作。图2 EPS系统减速传动机构图 &#

29、160;  如图2所示的减速传动机构中，设齿轮3、5齿数为z3、z5，齿轮3的转速为n3，齿轮5的转速为n5，行星架H的转速为nH，由轮系的传动比有       整理得         由此可知，该方案中行星架H的转速即前轮等效到转向轴转速，其值为手动转向速度和电动机转速的合成，该方案具有两个自由度，当手动转向速度n3确定，而电动机转速改变时，合成得到的转臂输出转速nH也随之改变，因此可通过独立地调整电动机的转速来获得不同的转臂H输出转速nH，故此方案下转

30、向灵敏性可调5。4 动力学仿真分析方法研究1 建立EPS系统三维实体模型    零部件或者系统的建模过程中需要注意其单位和密度的设定，由于其要与ADAMS相结合，可以选择“ ”，Pro/E提供的工具可以计算各零部件的质量和转动惯量6。由于在多数情况下，Pro/E中图形和ADAMS环境单位不统一，装配体的单位也需要设定。ADAMS/View为用户提供了非常丰富的基本几何体建模工具，但是应用它建立汽车EPS系统的三维模型相对于Pro/E等专用建模软件来说还是极不方便。EPS系统中，对于减速机构中所用的轮系，则按照轮系配齿方法和轮系强度设计确定建模所需参数。所有参数确定

31、完毕，利用Pro/Engineer建立模型如图3所示。图3 汽车EPS系统三维实体模型2 Mech/Pro环境定义刚体、简单约束和参考坐标    Mech/Pro是MDI公司为ADAMS开发的Pro/E专用程序接口，可以进行比较简单的仿真分析。由于转换到ADAMS环境后，图形的许多几何特征会丢失，所以应将某些约束在Mech/Pro环境下借助完整的几何特征添加，对于需要在ADAMS中添加约束的，也要考虑能否在Mech/Pro环境下添加参考坐标。3 转换到ADAMS环境添加必要的约束和受力情况       

32、利用Mech/Pro菜单下的InterfaceADAMS/View完成向ADAMS环境的转换，其类型可设为render或SLA格式。并应用其建模工具，施加特殊力、子过程等较复杂的模型特性。4 检验和修正仿真模型    在ADAMS环境下进行仿真，并将获得的仿真结果与样机的结果向比对，若不一致则修改相应的参数定义。5 结束语        本文深入研究了EPS系统工作原理，建立了EPS系统三维模型，该模型采用了轮系构成减速机构，然后探讨了将Pro/E图形转换到ADAMS环境中进行仿真分析的方法，应用该方法能

33、够避免直接在ADAMS软件中建立模型的诸多缺陷，更好地发挥了ADAMS软件在动力学分析方面的优势，为EPS系统的设计及优化提供了良好的依据。 参考文献1 郑凯，胡仁喜，陈鹿民编著. ADAMS 2005机械设计高级应用实例. 北京：机械工业出版社，20062 Yuji Kozaki, Goro Hirose, Shozo Sekiya and Yasuhiko Miyaura. Electric Power Steering(EPSR. Motion & Control,1999(6：9163 李书龙. 汽车电动助力转向系统的研究与开发：硕士学位论文. 江苏：东南大学4 彭文

34、生，李志明，黄华梁主编. 机械设计. 北京：高等教育出版社，20025 杨芬，周春国等. 电动助力转向传动机构的建模与仿真分析. 机械科学与技术，2008.27（6）：7887926 朱金波编著. 中文版Pro/Engineer Wildfire 3.0工业产品设计完全掌握. 北京：兵器工业出版社，2007汽车电动助力转向系统EPS原理详解时间：2009-02-26 12:50:06 来源：中国汽车电子网 作者： 1、综述     电动助力转向系统EPS(electricpowersteering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

35、助力转向系统HPS(hydraulicpowersteering相比,EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。    EPS系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。      

36、                图1  EPS结构图    如图1所示，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。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元,再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩,最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此扭矩传感器是

37、EPS系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。    2、电位计式扭矩传感器    电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。    2.1EPS中扭杆式扭矩传感器的结构、原理    扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是

38、检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为

39、了电压信号。    2.扭杆式扭矩传感器的设计    扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件，因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接，另外的一端通过径向销（直径D）与转向输出轴连接，基本结构如图2所示。          图2 圆柱截面扭杆结构图    扭杆细齿形渐开线花键端部结构外直径    d0=(1.151.25d,长度L=（0.50.7）d

40、，为了避免过大的应力集中，采用过度圆角时，半径R=（35）d，扭杆的有效长度为l，d为扭杆有效长度的直径。    扭杆的扭转刚度k是扭杆的一个重要的物理量，可以参照下面的公式计算。    当其受到扭矩的时候，其扭转的切应力和变形角分别为：其扭转刚度为：   其中d-扭杆直径，有效长度，Ip惯性矩，Zi抗扭截面系数                 &

41、#160;             图3    如图3为某扭矩传感器扭杆的试验曲线，曲线的斜率即为扭转刚度k。    扭杆式扭矩传感器在早期的EPS中应用比较多，但由于是接触式的，工作时产生的摩擦使其易磨损，影响其精度，将会被逐步淘汰。    、金属电阻应变片的扭矩传感器    传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩

42、产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换：传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。弹性轴是敏感元件，在45度和135度的方向上产生最大压应力和拉应力，这个时候承受的主应力和剪应力相等，其计算公式为：式中主应力，此时与相等     p-轴截面极矩    测量电桥可以采用半导体电阻应变片，并将它们接成差动全桥,其输出电压正比于扭转轴所受的扭矩。应变片的电阻R1=R2=R3=R4R0,可以得到下面的式子：轴材料的弹性模量     u电桥的供电电压     S电阻应变片的灵敏度系数    放大电路采用仪器用放大电路，它由专用仪器用放大电路构成，也有三只单运放电路组合而成，放大倍数为K，放大后的电压为：为了使一起具有高精度，必须使灵敏度系数为常数。    在金属电阻应变片的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是：    (1弹性轴的工作区域不应该大于弹