汽车EPS系统原理

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,EPS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1EPS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。2EPS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,其球槽采用螺旋滚动副,并且,其光洁度要求高,因此加工难度大。如采取普通的球轴承槽,会使滑块装配后其轴向间隙太大,导致扭矩传感器信号失真。另外,扭矩传感器结构采用主路辅路2路输出,只有2路电压之和在规定的范围内时,控制器才会工作。保证了信号采集的真实性和可靠性。电动助力转向系统(EPS)完全取消了液压部件，整个系统由机械转向系统加上扭矩传感器、车速传感器、电机传感器、ECU、助力电机、离合器、减速器等组成。基本工作原理是:转向盘转动时，扭矩传感器将检测到转向盘上的扭矩信号和转向信号传给ECU，ECU同时接受车速信号，据此决定助力电机的基本助力电流，然后一般还生成电机惯性补偿电流和阻尼补偿电流总电流作为电机目标电流。通过ECU内部的电机驱动电路对电机进行扭矩控制。根据电机布置位置不同，电动助力转向系统可分为:转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种。转向柱助力式EPS的电机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴进行助力转向。齿轮助力式EPS的电机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式EPS的电机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。------------------------------------------------------电动助力转向系统(EPS)是一种直接依靠电力提供辅助扭矩的动力转向系统,它由电动机提供助力,助力大小由电控单元(ECU)控制。其基本原理是:当转动方向盘时,扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩并产生一个电信号,与此同时,车速传感器测出汽车的车速也产生一个电信号,ECU根据这两个信号,通过已知的助力特性曲线产生目标电流,并对目标电流适当调整,输出给电动机一个合适的电流以产生相应的扭矩,经减速机构施加在转向机构上,得到一个与工况相适应的转向。电动机的目标电流是根据助力特性曲线来确定的。1助力特性和助力特性曲线的概念助力特性是指助力随汽车运动状况和受力状况(车速和转向盘手力)变化而变化的规律。对液压动力转向,助力与液压油压力成正比,故一般用液压油压力与转向盘力矩(及车速)的变化关系曲线来表示助力特性。对于电动助力转向,助力与直流电动机电流成比例,故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。不管采取什么样的助力特性一般都要满足特点:(1)车速很小或者车速很大时要灵活变动助力力矩大小,使驾驶员有良好路感。(2)助力曲线的过渡要尽量平滑,避免过渡助力。(3)助力特性曲线的参数可以进行灵活调整,以适应不同的路况,不同驾驶员。(4)转向盘转动很小时,助力效果应该不明显,甚至不起作用。电动机助力随着车速和转向手力或转向角大小的变化而变化,此变化