《汽车电器与电子技术》第章汽车电动助力转向系统

第十章

汽车电动助力转向系统

1.概述2.电动助力转向系统结构和工作原理3.电动助力转向系统的简单模型与运动特性4.电动助力转向的控制方法5.电动助力转向系统实例和检修6.电动助力转向系统性能台架试验

传统的转向系统不能很好的解决转向时“轻”与“灵”的矛盾。即高的转向灵敏性和好的操纵轻便性不可兼得。为解决这一矛盾，除采取尽量减轻自重、选择最佳轴荷分配、提高转向系统传动效率、减小主销后倾角、选择最佳转向器速比曲线等措施外，通常都采用助力转向方式。

1.助力转向的产生背景一.概述2.助力转向的概念

助力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。是一种以驾驶员操纵方向盘（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输出信号的伺服机构。

3.助力转向双动伺服机构

图1助力转向双动伺服机构4.助力转向系统的类型

电子控制式液压助力转向系统（EHPS）

传统液压助力转向系统（HPS）电动助力转向系统（EPS）

5.对助力转向系统的要求

助力转向系统应达到如下要求：（1）能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。而行车转向的操纵力应不大于250N。（2）转向灵敏性好。助力转向的灵敏度是指在转向器操纵下，转向助力器产生助力作用的快慢程度。助力作用快，转向就灵敏。（3）具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘应可自动回正；驾驶员应有良好的“路感”。（4）要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向盘的转角保持一定的关系，并能使转向车轮保持在任意偏转角位置上。（5）工作可靠。当助力转向失效或发生故障时，应能保证通过人力进行转向操纵。6.电动助力转向系统（EPS）

EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元（ECU）完成助力控制。图2电动助力转向系统结构示意图1－转向盘2－转向轴3－电动机4－离合器5－齿条6－小齿轮7－横拉杆8－输出轴9－减速机构10－转矩传感器电动助力转向系统（EPS）与液压助力转向系统（HPS）相比，具有以下优点：（1）助力性能优

（2）效率高

（3）耗能少

（4）“路感”好

（5）回正性好

（6）对环境污染少

（7）可以独立于发动机工作

（8）应用范围广

（9）装配性好易于布置二.电动助力转向系统结构及工作原理图3转矩传感器基本原理图转矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小与方向。在线圈的U、T两端施加连续的脉冲电压信号Ui，当转向杆上的转矩为零时，在V、W两端的电位差Uo＝0。如果转向杆上存在转矩时，定子与转子的相对转角不为零，此时转子与定子间产生角位移θ。各个极靴的磁通产生差别，电桥失去平衡，在V、W之间出现电位差。这个电位差与杆的扭转角θ和输入电压Ui成比例。若比例系数为k则有由V、W两端的电位差Uo就可以知道转向盘杆的扭转角，从而便可以知道转向盘杆的转矩。扭杆式电位计转矩传感器基本原理2.1电动助力转向系统结构

(1)转矩传感器：(2)车速传感器:车速传感器常采用电磁感应式传感器，安装在变速箱上。该传感器根据车速的变化，把主副两个系统的脉冲信号传送给ECU，由于是两个系统，因此信号的可靠性提高了。(3)电动机:

EPS的动力源是电动机，通常采用无刷永磁式直流电动机，其功能是根据ECU的指令产生相应的输出转矩。转向助力用的电动机需要正反转控制。一种比较简单适用的转向助力电动机正反转控制电路如图4所示。

图4电动机正反转控制电路a1端得到输入信号时电动机有电流通过而正转a2端得到输入信号时电动机有电流通过而反转控制三极管基极电流信号触发端(4)离合器：离合器采用干式电磁式离合器，其功能是保证EPS在预先设定的车速范围内闭合。当车速超出设定车速范围时，离合器断开，电动机不再提供助力，转入手动转向状态。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动断开。图5电磁离合器工作原理图1－滑环2－线圈3－压板4－花键5－从动轴6－主动轮7－滚珠轴承工作原理:当电流通过滑环进入离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主动轮压紧，电动机的动力经过电机轴、主动轮、压板、花键、从动轴传给执行机构。(5)减速机构:减速机构是用来增大电动机的输出转矩。

(6)电子控制单元（ECU）：EPS的电子控制单元通常是一个8位单片机系统，是由一个8位单片机，另加一个256字节的RAM、4KRAM及一个D/A转换器组成。其工作过程是当转矩信号和车速信号输入单片机后，单片机根据这些信号计算出最优化助力转矩，然后输出此值给D/A转换器，输出电流指令信号给电机控制电路，由控制电路以决定电动机作用的大小和方向。ECU还具有安全保护和故障诊断功能。

如图2所示，不转向时，助力电动机不工作；当方向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出作用于转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号；同时，由车速传感器测出的汽车车速，也产生一个电压信号。这两路信号均被传输到电子控制单元（ECU），经过其运算处理后，由ECU向电动机和离合器发出控制指令，即向其输出一个适合的电流，在离合器结合的同时使电动机转动产生一个转矩，该转矩经与电动机连在一起的离合器、减速机构减速增矩后，施加在输出轴上，输出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力。2.2电动助力转向系统的工作原理三.电电动助助力转转向系系统的的简单单模型型与运运动特特性图6电电动动助力力转向向系统统动态态模型型转向轴轴：依据牛牛顿运运动定定理，，系统统的运动方方程为齿条轴轴：电动机机：3.1电动动助力力转向向系统统动态态模型型的建建立(1)(2)(3)式中Mm为为电动动机的的电磁磁转矩矩，其其值决决定于于电动机机的给给定电电流大大小。在本本系统统的计计算中中，Mm值值由转转矩传传感器器给出出，可可表示示如下下：——转转向助助力增增益。。值定义义了转转向路路感，，合理理选择择Ka可得得到不不同的的转向向路感感。(4)3.2电动动助力力转向向系统统特性性分析析(1)转转向阻阻力的的简简化——弹弹性系系数；；Fr——路路面对对轮胎胎产生生的随随机扰扰动。。在实际际计算算中，，Fr作为为一随随机信信号加加人到到系统统中，，使计计算更更接近近于实实际情情况。。(2)助助力转转矩Ma分析析Ma与车速速和转转向盘盘的输输入转转矩有有关：：式中Md——转转向盘盘转矩矩；v———汽车速速度。。在不同同汽车车速度度下，，Ma－Md为为一族族非线线性曲曲线，，该族族曲线线表征征了电电动助助力转转向系系统的的助力力特性性。(5)(6)在实际际控制制系统统中，，转向向助力力Ma如下式式所示示。θm、x在实际际的应应用中中不易易测得得，其其值最最终决决定于于Md，而而Md则可可由转转矩传传感器器测得得。该族非非线性性的助助力曲曲线由由不同同的助助力增增益Ka决定。。由于于不同同车型型的参参数不不同，，在不不同车车速下下所需需要提提供的的助力力值大大小不不同。。依据据对已已有实实车参参数的的拟合合，提提出了了Ka与车速速v的关系系表示示如下下t、k———为系系数，，根据据不同同车型型以及及不同同电动动助力力转向向系统统取不不同的的值。。(7)(8)Ka随车车速v的增大大而成成指数数减小小。增大Ka，相相应地地增加加了电电机提提供的的转向向助力力。因因此，，Ka描述述了驾驾驶员员的转转向路路感。。由于不不同类类型的的汽车车的转转向路路感不不同，，所以以式中中的函函数关关系应应当根根据不不同车车型具具体确确定。。3.3Ka值分分析Ka值的的选取取必须须满足足式（（4））中规规定的的条件件。如如果该该值过过大，，易引引起系系统的的不稳稳定。。对式（（l））～式式（3）及及式（（5））进行行拉普普拉斯斯变换换后，，得到到以下下传递递函数数：(9)该传递递函数数Hc定义了了转向向系统统的跟跟随性性能。。通过过对多多项式式Ac（s）的分分析，，可得得系统统稳定定的条条件：：的所所有根根的实实部为为负。。式中：：由赫尔尔维茨茨稳定定判据据可知知：ΔΔ3>0，，Δ5>0。。由这这两个个不等等式可可得到到：式（10）中后后两项含含有小参参数Jm、rs，所以以Ka可可表示为为由此式可可以看出出，助力力增益Ka的取取值只有有满足式式（11）时该该系统才才能稳定定工作。。(10)(11)3.4助助力特性性图分析析以装有齿齿轮轴驱驱动型电电动助力力转向系系统的中中型轿车车为研究究对象。。各参数数如表1所示：：rs

6.67mm

18.3311764741.90表1输入信号号为Md，输出出信号为为Ma。根据据式（1）～式式（5））及式（（7）～～式（8），通通过对三三自由度度动态模模型仿真真，得到到如图7所示的的顺时针针转向助助力特性性图，逆逆时针助助力特性性图与其其左右对对称。图7电电动助力力转向系系统助力力特性该助力特特性图有有如下特特点：（1）随随着Ka值的不不同，得得到不同同的助力力曲线Ma-Md。Ka值越大大，提供供的转向向助力相相应增加加，即随随着车速速的变化化，该系系统能够够提供不不同的助助力特性性。（2）在在转向转转矩较小小的区域域，提供供的转向向助力较较小或为为零，且且在不同同车速时时，提供供的助力力时机不不同，这这就保持持了较好好的转向向路感；；在常用用的快速速转向行行驶区间间，助力力效果明明显，转转向轻便便，降低低了驾驶驶员劳动动强度。。（3）不不同车速速时，提提供的转转向助力力增益不不同。原原地转向向或车速速较低时时转向助助力增益益较大，，转向最最轻便。。（4）当当转向盘盘转矩Md≥7（（N.m）时，，助力力力矩Ma将保持持不变。。这与如如图10-9所所示的力力矩传感感器输出出特性有有关。当当其转角角大于8°（Md＝7N.m））时，输输出电压压不再发发生变化化，相应应助力转转矩Md也不会会发生变变化。这这使得电电动机电电流不致致过大而而烧毁电电机。图8转转矩传传感器输输出特性性（5）改改变不同同的电动动助力转转向系统统的参数数，应用用该方法法，可得得到不同同的助力力特性。。四.电动动助力转转向的控控制方法法4.1电电动助力力转向的的控制原原理电子控制制电动动动力转向向的控制制系统如如图9所所示。该该系统的的核心是是一个有有4KBROM和256KBRAM的的8位微微机。图9电电子控控制电动动助力转转向的控控制系统统4.2电电动助力力转向的的控制策策略EPS系系统可以以对转向向过程中中的每个个环节（（转向、、回正正、中间间位置））进行精精确控制制，从而而提高汽汽车转向向助力性性能。微微机可以以根据各各种传感感器的信信号，判判断转向向状态，，选择执执行不同同控制模模式，根根据这些些要求，，制定EPS的的控制策策略。★助力控制制助力控制制是在转转向过程程（转向向角增大大）中为为减轻转转向盘的的操纵力力，通过过减速机机构把电电机转矩矩作用到到机械转转向系（（转向轴轴、齿轮轮、齿条条）上的的一种基基本控制制模式。。助力控控制的驱驱动方式式为（参见图4电动机机控制电电路图）：使三三极管V1导通通，V2、V3管截截止，V4管斩斩波。该该控制利利用电机机转矩和和电机电电流成比比例的特特性，由由转向盘盘转矩传传感器检检测的转转矩信号号和由车车速传感感器检测测的车速速信号输输入控制制器单片片机中，，根据预预制的不不同车速速下“转转矩－电电机助力力目标电电流表””，确定定出电机机助力的的目标电电流，通通过对反反馈电流流与电机机目标电电流相比比较，利利用PID调节节器进行行调节，，输出PWM信信号到驱驱动回路路以驱动动电机产产生合适适的助力力。★回正控制制回正控制制是为改改善转向向回正特特性的一一种控制制模式。。回正控控制主要要用于低低速行驶驶，此时时电动机机控制电电路实行行断路，，即四个个三极管管均处于于截止状状态，保保持机械械系统原原有的回回正特性性。对于于高速行行驶，为为防止转转向回正正超调，，采用阻阻尼控制制方式。。★阻尼控制制阻尼控制制是汽车车运行时时为提高高高速直直线行驶驶稳定性性的一种种控制模模式。汽汽车高速速行驶时时，如果果转向过过于灵敏敏，会影影响汽车车的行驶驶稳定性性，为提提高直线线行驶的的稳定性性，在死死区范围围内进行行阻尼控控制。电机理想模型型的基本方方程为：：（11））式中u（t）、——分别为为电机的的端电压压和电枢枢电流；；ω（t）——电机转转速；Ra、La———分别为电电机等效效内阻和和电感；；KE——电动动势常数数。EPS系系统中所所用电机机的电枢枢电感很很小，产产生的感感应电动动势可忽忽略不计计。若将将电机两两端短路路，则有有因此，用用一定占占空比的的PWM信号在在电动机机控制电电路内部部使电机机短路，，电机旋旋转产生生的反电电动势形形成阻碍碍电机继继续旋转转的阻尼尼转矩，，改变占占空比，，即改变变了阻尼尼转矩的的大小。。（12））4.3电电动助助力转向向的控制制逻辑图10助助力电电动机控控制逻辑辑4.4电电动助助力转向向的控制制流程图11控制制软件流程图图五.电动助力力转向系统实实例和检修5.1富士士重工电动助助力转向系统统1)系统的的结构特点图12控控制系统的电电路框图核心是一个有有8k字节ROM和256字节RAM的8位单单片机10位10位2)系统控控制过程系统控制过程程一般包括助助力转矩控制制过程和安全全功能有关的的控制过程。。控制过程是：：转矩和转向角角信号经过A/D转换器器后输入计算机机，计算机根根据这些信号号和车速计算算出最优化的助力力转矩。电子控制器器将输出的数数字量经D/A转换器转转换为模拟量，再将其输入入电流控制电路路。电流控制电电路把来自计计算机的电流流指令值同电电机电流实际际值进行比较较，并产生一一个差值信号。该差值信号号被送到电机机驱动电路，，便向电动机机提供控制电电流并驱动动动力装置。3）控制系统统的功能（1）控制助助力转矩的功功能图13全电电子控制的助助力转向系统统助力转矩特特性曲线系统还可根据据转向转矩变变化率、转向向角速度和转转向角进行控控制，以改善善瞬态转向灵灵敏度.图14控控制功能框图图该系统具有回回正作用装置置，可根据转转角传感器输输入的信号，，产生回正作作用力，使转转向轮返回到到中间位置。。（2）自诊断断和安全功能能当出现任何一一种故障时，，系统均可显显示出相应的的故障代码。。系统有30多种故障检检查项目，如如果同时出现现两个或多个个故障时，系系统可依次显显示其故障代代码。4.全电子子控制电动助助力转向系统统的特点全电子控制的的动力助力转转向系统的转向作用力控控制范围宽，并能根据驾驾驶条件设置置最优化的转向向作用力特性性，其特点主要要是：（1）可以十十分灵活地修修改转矩、转转向角和车速速信号的软件控制逻辑辑，并能自由地地设置转向助助力特性。（2）根据转转向角进行回回复控制和根根据转向角速速度进行阻尼尼控制，可提提供最优化的转向向返回特性。（3）由于仅仅当需要时电电机才运行，，所以动力损耗和燃燃料消耗均可可降到最低。（4）利用电电机惯性的质质量阻尼效应应可以使转向轴的颤动动降到最小。5.2三菱菱“米尼卡””车电子控制制电动助力转转向系统(ECPS)1－车速传感感器2－－速度表引出出电缆的部位位3－传传动轴4－车速信号号（主）5－车速宿宿号（副）6－ECPS电子子控制器7－副驾驶员员脚下部位8－电动动机9－－扭杆10－齿条11－点点火电源12－蕾电电池13—发电信号号14－－指示灯电流流15－提高怠怠速电流16－电动动机电流17－离合合器电流18－转矩矩信号（主））19－－转矩信号（（副）20－离合器器21－电动机机齿轮22－传动齿齿轮23－小齿轮24－点点火开关25－熔断断丝26－转矩传感感器27－转向器齿齿轮总成28－交流发发电机（L端端子）29－指示灯灯30－怠速速提高电阀31－发发动机电子控控制器32－电动机机与离合器图15三三菱“米尼卡卡”车ECPS的结构原原理图16电电子控制器电电路示意图1－点火开关关（IGI））2－交交流发电机（（L端子）3－易熔熔线4－－电动机与离离合器4.1－电动动机4.2－离合器器5－转矩传传感器5.1－副传传感器5.2－主传传感器6－自我修正正控制7－发电检测测8－电电源电路9－电流极极性控制10－驱动动电路11－中间、、转向、操纵纵力的检测，，主、副转矩矩传感器之差差12－－8位单片机机13－－传感器、执执行部件故障障检测14－电动机机工作检测15－车车速、加减速速基准车速的的对比，主副副车速传感器器之差16－自诊断断测用端子17－二二极管18－车速传传感器图17ECPS的控控制方框图a.在发动机机已被起动时时，交流发电机机L端子的电电压加到电子子控制器上。。当检测到发发动机处于起起动姿态时，，动力转向系系统转为工作作状态。b.行车时车速高于30km/h时时，转换成普普通的转向控控制，离合器器处于分离状状态。车速低于27km/h时时，ECPS的电子控制制器又输出离离合器信号和和电动机电流流，普通转向向控制又转换换为动力转向向的工作方式式。六.电动助力力转向系统性性能台架试验验进行电动助力力转向系统性性能台架试验验的目的是求求出在变负载载条件下描述述电动助力转转向系统性能能的主要特性性曲线，即表表征电机转矩矩（电流）、、转向盘转矩矩和车速三者者之间的关系系曲线。在进进行电动助力力转向系统性性能试验之前前，需要对电电机电流传感感器、转矩传传感器进行标标定。6.1电动动助力转向系系统性能试验验台图17电电动助力转向向系统性能试试验台试验对象:电电机为直流永永磁式的转向向轴轴助力式的的EPS.额定功率180w，额定电压12v，额定电流30A，额定转矩1.1Nm，，额定转速1200r/min，用蜗轮蜗杆减减速器速比15：l。图18控控制器信号接接口图1—点火信号号2—车车速3——转矩传感器器电源正4—未用5—故障障指示灯6—离合器器正7——发动机转速速8—转矩主信信号9——转矩传感器器电源负10—转矩矩故障判断11—离离合器负12—故障障码接口13——电电视视正正14——电电视视负负15——电电池池正正16——电电池池负负按接接口口定定义义，，正正确确地地接接入入有有关关信信号号，，当当控控制制器器检检测测到到发发动动机机点点火火信信号号后后，，便便进进行行自自检检，，包包括括对对转转向向盘盘转转矩矩、、车车速速、、发发动动机机转转速速以以及及蓄蓄电电池池电电压压等等信信号号进进行行检检测测。。如如果果上上述述信信号号正正常常，，控控制制程程序序开开始始运运行行，，安安全全继继电电器器及及电电磁磁离离合合器器吸吸合合，，控控制制器器进进入入工工作作状状态态。。当驾驾驶驶员员转转动动转转向向盘盘时时，，转转矩矩传传感感器器将将转转向向盘盘转转矩矩信信号号送送到到控控制制器器，，控控制制器器根根据据转转矩矩、、车车速速信信号号和和反反馈馈电电流流信信号号进进行行处处理理运运算算后后，，将将控控制制信信号号输输出出到到驱驱动动单单元元，，驱驱动动电电机机产产生生合合适适的的助助力力转转矩矩，，辅辅助助驾驾驶驶员员完完成成转转向向操操作作。。6.2电电机机电电流流传传感感器器的的标标定定图19反反馈馈精精密密电电阻阻标标定定曲曲线线助力力电电流流是表表征征电电动动助助力力转转向向系系统统助助力力特特性性的的重重要要参参数数之之一一。。被试试电电动动助助力力转转向向系系统统的的ECU，，在在其其与与电电机机电电枢枢连连接接的的回回路路中中串串联联一一精密密电电阻阻，通通过过运运放放电电路路测测量量该该电电阻阻两两端端电电压压即即得得到到参参与与控控制制计计算算的的反反馈馈电电流流值值。。该该精精密密电电阻阻R的的标标定定曲曲线线如如图图19所所示示，，通通过过线线性性拟拟合合可可得得该该电电阻阻的的阻阻值值约约为为4.5mΩΩ。。6.3转转矩矩传传感感器器输输出出特特性性电动助力力转向系系统根据据作用在在转向盘盘上的转转矩信号号和车速速信号控控制电机机产生相相应的助助力转矩矩，因此此转矩传传感器的的输出特特性（转转向盘输输入转矩矩Ts与输出出电压U0的关系系）对电电动助力力转向系系统性能能至关重重要，进进行转矩矩传感器器输出特特性试验验时，固固定转向向管柱下下端，将将转矩标标定盘固固定在转转向盘上上，左右右连续加加载和卸卸载，测测得该系系统转矩矩传感器器输出电电压与加加载转矩矩Ts的关系系。图20转转矩矩传感器器输出特特性输出特性性呈良好好的线性性关系6.4电电动助助力转向向系统