电动助力转向系统设计剖析
电动助力转向系的设计1引言电动助力转向系统(EPS,Electric Power Steering)是未来转向系统的发展方向。该系统 由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、 液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整 简单、装配灵活以及在多种工况下都能提供转向助力的特点。正是这些优点，电动助力转向 系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系 统。电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的 当属TRW转向系统和Delphi Sagiaw (萨吉诺)转向系统，而Delphi Sagiaw (萨吉诺)转 向系统又代表着转向系统发展的前沿。她是一个于20世纪50年代把液压助力转向系统推向 市场的，从此以后，Delphi转向发展了技术更加成熟的液压助力系统，使大部分的商用汽车 和约50%的轿车装备有该系统。现在Delphi转向系统又领导了汽车转向系统的一次新革命 -电动助力转向系统。电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速 传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。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。EPS在日本最先获得实际应用，1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制 式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助 力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的 大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司， 德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。电动助力转向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，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未 来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流，与其它转向系统相比，该系统突出的优 势体现在：(1) 降低了燃油消耗。(2) 增强了转向跟随性。(3) 改善了转向回正特性。(4) 提咼了操纵稳定性。(5) 提供可变的转向助力。(6) 采用"绿色能源”，适应现代汽车的要求。(7) 系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。(8) 生产线装配性好。2转向系统机械部分的结构及工作条件进行分析21转向系统机械部分的结构 电动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面。硬件技术主要涉及传感器、电机和ECU。传感器是整个系统的信号源，其精度和可靠 性十分重要。电机是整个系统的执行器，电机性能好坏决定了系统的表现。ECU是整个系 统的运算中心，因此ECU的性能和可靠性至关重要。软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来决定电机的 目标电流，并跟踪该电流，使得电机输出相应的助力矩。故障诊断与保护程序用来监控系统 的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。杆的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂（或转向节臂）。它所受的力既 有拉力，也有压力，因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的，以保证工作可靠。直拉杆的 典型结构如图2-1所示。在转向偏转或因悬架弹性变形而向相对于车架跳动时，转向直拉杆 与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，上述三者间的连接 都采用球销。电助力转向系统的工作原理如下：首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵 力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU； ECU根据内 置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助 力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力 矩，实现车辆的转向。电动助力转向系统（EPS）作为传统液压系统的替代产品已经进入汽车制造领域。与先 前的预测相反，EPS不仅适用于小型汽车，而且某些12V中型汽车也适于安装电动系统。 EPS系统包含下列组件：转矩传感器，检测转向轮的运动情况和车辆的运动情况；电控单元， 根据转矩传感器提供的信号计算助力的大小；电机，根据电控单元输出值生成转动力；减 速齿轮，提高电机产生的转动力，并将其传送至转向机构。车辆系统控制算法输入信息是由汽车CAN总线提供的（例如转向角和汽车速度等等）。 电机驱动还需要其它信息，例如电机转子位置（电机传感器提供）和相电流（电流传感器提供）。 电机由四个MOSFET控制。由于微控制器无法直接驱动MOSFET的大型栅电容，因此需要 采用驱动IC形式的接口。出于安全考虑，完整的电机控制系统必须实施监控。将电机控制 系统集成在PCB上，通常包含一个继电器，该继电器可作为主开关使用，在检测出故障的 情况下，断开电机与电控单元。微控器（“ C）必须控制EPS系统的直流有刷电机。微控器根据转矩传感器提供的转向轮 所需转矩信息，形成一个电流控制回路。为了提高系统的安全水平，该微控器应有一个板载 振荡器，这样即使在外部振荡器出现故障的情况下，亦可确保微控器的性能，同时还应具备 片上看门狗。英飞凌公司的XC886集成了所有重要的微控器组件，其它安全特性可通过软 件实现，如果必须执行IEC61508等行业安全标准规范，就不得不完成各种诊断和自检任务， 因而会增加微控器的工作负荷。目前不同客户采用的转矩传感器与转子位置传感器差别很大。他们采用不同的测量原理，如分解器、电磁共振器、基于传感器的集成巨磁阻IGMR）。 功率级的作用是开关电机电流。该功率级具有两个功能：驱动IC控制和保护MOSFET, MOSFET本身又可负责开关电流。MOSFET和分区（例如驱动IC与MOSFET结合在一个器 件或多个器件内）由电机功率决定。微控器的PWM输出端口提供的驱动电流和电压太低，无法直接与MOSFET栅极实现 连接。驱动IC的作用是提供充足的电流，为MOSFET的栅极进行充电和放电,使其在20kHz 的条件下正常实现开关，同时保证为高低侧MOSFET提供高栅源电压Vgs，确保获得低导 通电阻。如果高侧MOSFET处于开通状态，源极电位就接近电池电平。要想使MOSFET到 达标称导通电阻，栅源电压需高于8V。MOSFET完全导通所需的最理想的电压是10V或以 上，因此所需的栅极电位就比电池电压高出10V。电荷泵是确保该功能最大程度降低MOSFET功耗（即使低电池电压条件下）的电路。图2说明，英飞凌驱动IC即使在8V电池 电压条件下，其低高侧MOSFET的栅源电压也可达到11V。这将确保在低电池电压条件下， 获得低功耗和高系统效率。电荷泵设计的其它关键特性是可以根据不同PWM模式的要求，实现极低（低至1%）和 极高的占空比（高至100%）。驱动IC的另一个重要功能是检测短路情况，避免损坏MOSFET。 受影响的MOSFET将关闭，诊断结果提交给微控器。电流水平可实现调节。MOSFET通常应用在一个多半桥拓扑结构内，由驱动IC控制。根据ISO7637规定，在 12V电网中，电池电压通常可高达16V。在选择MOSFET电压级别时，必须针对二极管恢 复过程中所出现的感应瞬变现象提供足够的安全边际（Ls x dl/dt, Ls代表杂散电感，dl/dt代 表开关时的电流斜率）。在低dl/dt和低杂散电感的系统中，可使用30V MOSFET，但通常最 好使用40V的MOSFET，可提供更高的安全边际。最新的 40V MOSFET技术采用 D2PAK（TO263封装在2mm和180A条件下，以及采用较小的DPAK（TO252装封在低于4mm 和90A的条件，可提供极低的导通电阻，使EPS系统设计具备极高的功率密度和效率。 22电动助力转向系统的类型根据助力电动机助力位置 不同，可分为转向轴式电动助力转向系统（C-EPS : Column-EPS）、齿轮轴式电动助力转向系统（P-EPS:Pinion-EPS）及齿条轴式电动助力转向 系统（R-EPS： Rack-EPS）。转向轴助力式EPS的电动机固定在转向轴的一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接 驱动转向轴助力转向，如图2-2所示。输入書（转向轴） 扭铤传感器车轮小齿雜输岀轴 （转向轴?控制单兀电机黒浦控制'动力开关两罔牟遠信号' 图2-2转向轴助力式EPS齿轮助力式ePs的电动一动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向，如图2-3所示。与转向轴助力式相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车。其助力控制特性方面增加了难度。转向盘输入轴扭矩传感器转矩信号车範 小齿轮拉杆n年速信号 控制单元电机电流控制齿条图2-3齿轮助力式EPS齿条助力式EPS的电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力，如图2-4所示。与转向 器小齿轮助力式相比，齿条助力式可以提供更大的转向力，适用于大型车。对原有的转向传 动机构有较大的改变。转向盘图2-4齿条助力式EPS23转向系统机械部分工作条件电动助力转向系统的基本组成包括扭距传感器、车速传感器、控制单元（ECU）、电动 机、减速机构和离合器等，如图2-5所示。在EPS系统中，传感器主要应用了扭距传感器、转速传感器、速度传感器。扭距传感 器时刻检测转向盘的运动状况，将驾驶员转动转向盘的方向、角度、信息传送给控制单元作 输入信号。转速传感器用于测量转向盘的旋转速度，速度传感器测量车辆的行驶速度，两者 的测量结果同样送到控制单元作为输入。控制单元是EPS系统的核心部分，也是EPS系统研究的重点。目前普遍将控制单元设 计为数字化，一般以一个八位或十六位微处理器为核心，外围集成A/D电路、输入信号接 口电路、报警电路、电源。要求具有简单计算、查表、故障诊断处理、储存、报警、驱动等 功能。电动机的功能是根据控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的动力源。电动机 对EPS的性能有很大的影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机很重要。不仅要 求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。在 现有设计中电动机主要采用直流电动机和无刷永磁式电动机，驱动电路根据采用的电动机和 控制策略不同而不同。EPS的减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。常采用涡轮蜗杆机构，也有采用行星 齿轮机构。EPS的离合器，装在减速机构的一侧，是为了保证EPS只有在预先设定的车速行驶范 围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。 另外，当电动机发生故障时离合器将自动分离。由图2-5可见，电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上增加信号传感装置、控制单元和转向助力机构。EPS的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成。 输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行 星齿轮减速机构一离合器与主力电动机相连。驾驶者在操纵转向盘时，给输入轴输入了一个 角位移，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，扭距传感器将扭杆所受到的扭矩转 化为电压信号输入电控单元；与此同时，车速传感器检测到的车速信号页输入电控单元，电 控单元综
