汽车电子控制转向技术的发展趋势

汽车电子控制转向技术的发展趋势随着电子技术的迅速发展，电子技术在汽车上的应用范围不断扩大。汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS）、电动液压助力转向系统（ElectricHydraulicPowerSteering，简称EHPS）发展到如今的更为节能及操纵性能更为优越的电动助力转向系统（ElectricalPowerSteering，简称EPS）。EHPS和EPS等助力系统在汽车上的采用，改善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶员的转向负担，然而汽车转向系统始终处于机械传动阶段，由于转向传动比固定，汽车转向特性随车速变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。如果转向盘与转向轮通过控制信号连接，即采用电子转向系统（Steering-By-WireSystem，简称SBWS），转向盘转角和汽车前轮转角之间关系（汽车转向的角传递特性）的设计就可以得到改善，从而降低驾驶员的操纵负担，改善人—车闭环系统性能。本文综述了电子控制转向技术的发展、原理，并探讨了该项技术的发展趋势。一、电子控制转向系统的发展概况自1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步。在20世纪80年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。但是动力转向系统的技术革新都是基于液压动力转向系统的，无法消除HPS系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到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，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚[1]。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Lueas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。如大发汽车公司在其Mira车上装备了EPS，三菱汽车公司在其Minica车上装备了EPS，本田汽车公司在Accord车上装备了EPS。Delphi公司已经为大众的Polo、菲亚特Punto开发出EPS[2]。本田还在其AcuraNXS赛车上装备了EPS[3]。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在WagonR+车上的EPS是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统[4]。由Delphi公司为Funte车开发的EPS为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。早在20世纪60年代末，德国Kasselmann等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接（即电子转向系统），但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。奔驰公司于1990年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车F400Carving上。世界其他各大汽车厂家、研发机构（包括Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW等）以及日本的光洋（Koyo）精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。日本Koyo技术研究所根据他们自己的研究试验结果，利用电子转向系统进行主动控制的汽车，在摩擦系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移线、侧向风试验中基本按照预定的轨迹行驶，比传统转向系统在路线跟踪性能上有较大的提高。在对开路面上进行制动试验也能基本保证汽车的直线行驶，制动距离也大大缩短。日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。他们从人—车闭环系统特性出发，设计了理想的转向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化，并重点研究了驾驶员角控制特性和力控制特性对汽车主动安全性的影响。宝马汽车公司的概念车BMWZ22，应用了SBWS和BBW（Brake-By-Wire）技术，转向盘的转动范围减少到了160°，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。要在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。随着蓄电池技术的发展和42V电子设备在汽车上的应用，全电子转向系统将应用到中型和重型车上。目前，42V电源已经在一些概念车上得到应用，通用的“自主魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42V电源。国内动力转向器目前还处于机械—液压动力转向阶段，对于电动助力转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用的电动助力转向系统和电子转向系统。二、EPS的组成原理和分类（一）EPS的组成电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。系统通常由转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等组成[5]。Alto汽车电子控制动力转向系统的组成如图1所示。（二）EPS的原理电子控制动力转向系统是利用电动机作为助力源，根据转向参数和车速等，由微机完成助力工作的，其原理可概述如下。不转向时，电动机不工作；当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断检测转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制器，由控制器中的微机根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。电子控制电动助力转向控制系统的核心是一个4kBROM和256kBRAM的8位微机。转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的提高，通过微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。点火开关的通断（on/off）信号经A/D转换接口送入微机，当点火开关断开时，电动机和离合器不能工作。微机控制指令经D/A转换后送入电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转方向和离合器的结合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机，将电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。（三）EPS分类根据电动机驱动部位的不同，将电动助力转向系统分为3类：转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式[6-10]。图1为转向轴助力式转向系统。其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑，所测取的转矩信号与控制直流电动机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该形式可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种:一种是电动机做成中空的。齿条从中穿过，电动机的动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂，价格高，维修也困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。电动机动力经另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。三、电子转向系统电子转向系统（Steering-By-WireSystem，SBWS）由转向盘模块、转向执行模块和主控制器（ECU）3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成，如图2所示。转向盘模块包括转向盘、转向盘转角传感器、转矩传感器和转向盘回正力矩电动机。其主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量转向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器;同时接收主控制器送来的力矩信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行模块由前轮转角传感器、转向执行电动机、转向电动机控制器和前轮转向组件等组成。其主要功能是接收主控制器的命令，控制转向电动机实现要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图。主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向转向盘回正力矩电动机和转向电动机发送命令，控制两个电动机的工作，尽可能保证在不同车速下汽车转向响应特性基本一致，减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化而进行补偿的任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理，当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，电子转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而以合理的方式自动驾驶车辆，使汽车尽快地恢复到稳定状态。故障处理控制器是电子转向系统的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级作出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。它采用单独的专用处理器，能更好地提高汽车安全性能。电子转向系统目前存在两种形式:前轮电子转向系统和后轮电子转向系统。前者，传统的转向元件被2个布置在汽车前侧角落的激励器所代替，这2个激励器从控制器获取信息，从而驱动前轮，同时，该系统还利用电动机向驾驶员提供路面信息。至于后轮电子转向系统，则是利用传感器来确定后轮的偏转，并以前轮的偏转角度和车速作为参考。四、电子控制动力转向系统的特点将电子控制动力转向系统同普通液压动力转向系统的性能进行比较[8-12]，其优越性主要表现在以下几个方面。1.在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向助力特性来满足不同使用对象的需要。2.电子控制动力转向系统只有在转向时电动机才提供助力（而HPS即使在不转向时，油泵也一直运转），因而能减少燃料消耗。同时取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管等，其零件比HPS大大减少，因而其质量轻，结构紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声、节省能源、减少废气排放。3.由于直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因此EPS能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。4.电子控制动力转向系统没有液压回路，比HPS更容易调整和检测，装配自动化程度更高。并且可以通过设置不同的程序能快速地与不同车型相匹配，因而能缩短开发和生产周期。5.液压动力转向系统在低温下起动发动机后，由于低温下油的粘度较大，转向时作用力较高。电动助力转向系统在低温下不会增加转向作用力和发动机负荷，因而其低温运行状况好于前者。6.SBWS系统还能改善驾驶员的“路感”。由于转向盘和转向轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模