一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

肖文　程文娟

摘要：本文就某車型配備的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱EPS系統(tǒng)）的應(yīng)用，對(duì)EPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用和邏輯功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析描述。分別從EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，邏輯功能影響因素，邏輯設(shè)計(jì)以及邏輯功能實(shí)現(xiàn)等方面，對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行剖析、介紹，以及保證EPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足汽車的使用需求。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；控制邏輯；邏輯功能

1 前言

汽車工業(yè)發(fā)展至今，對(duì)汽車主動(dòng)安全性和經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保等方面提出越來越高的要求。傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱HPS系統(tǒng)）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多數(shù)車輛上，HPS系統(tǒng)可以很好滿足車輛轉(zhuǎn)向快捷、輕便等方面的要求，但其自身弱點(diǎn)也日益顯現(xiàn)。為滿足車輛在低速轉(zhuǎn)向輕便性和高車速穩(wěn)定性而發(fā)展起來的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用在多種車輛上，并有逐漸取代HPS系統(tǒng)的趨勢(shì)。EPS系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)HPS系統(tǒng)對(duì)輕便性與路感的矛盾，改善了車輛的操縱穩(wěn)定性能，同時(shí)還具有環(huán)保、節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。EPS系統(tǒng)的大量應(yīng)用，能夠充分體現(xiàn)出汽車向智能化發(fā)展、滿足未來安全性要求和環(huán)保要求的發(fā)展趨勢(shì)。

2 一種EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

某車型EPS系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱（包括電機(jī)，控制器和傳感器）、中間軸、轉(zhuǎn)向器等組成。該EPS系統(tǒng)在原機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了扭矩傳感器（TIS）、電機(jī)轉(zhuǎn)角位置傳感器（RPS）、電子控制單元（ECU）、電動(dòng)機(jī)（MOTOR），以及減速機(jī)構(gòu)等助力機(jī)構(gòu)。某車型的EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如下圖1所示。

其工作原理為：當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，扭矩傳感器就開始不間斷地檢測(cè)輸入端力矩，并把扭矩信號(hào)傳輸給電子控制單元ECU，ECU接到信號(hào)后，經(jīng)過分析和處理，按程序指令的方式對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，通過改變電動(dòng)機(jī)工作電流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)助力電機(jī)的實(shí)時(shí)精確控制，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的目的。

3 EPS系統(tǒng)功能邏輯的設(shè)計(jì)

為保證該EPS系統(tǒng)的邏輯功能的實(shí)現(xiàn)，必須將相關(guān)影響因素按照要求轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，以便EPS控制器識(shí)別處理。EPS系統(tǒng)自身控制器的處理的運(yùn)算參數(shù)，一般從整車CAN網(wǎng)絡(luò)和EPS系統(tǒng)內(nèi)部傳感器獲得，確保分析數(shù)據(jù)的完整性。

某車型的EPS系統(tǒng)功能邏輯框圖見下圖2所示。

3.1 邏輯功能實(shí)現(xiàn)的影響因素

從上圖2可以看出，該車型EPS系統(tǒng)ECU處理所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)主要來自于整車電源，EPS系統(tǒng)內(nèi)部扭矩傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)角位置傳感器，EMS，ESC以及ICM。EPS ECU需要的具體詳細(xì)的輸入?yún)?shù)見下表1所示。

3.2 邏輯控制的設(shè)計(jì)

3.2.1 助力曲線的選擇

助力控制算法的數(shù)學(xué)模型為一組車速下轉(zhuǎn)矩與對(duì)應(yīng)電機(jī)電流的助力特性非線性曲線，如下圖3所示。該非線性曲線在感應(yīng)速度的同時(shí)，每條曲線自身又感應(yīng)高、低輸入?yún)^(qū)域進(jìn)行變化，是十分理想的特性曲線。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

邏輯控制的數(shù)據(jù)處理包括對(duì)上表1中各項(xiàng)內(nèi)容參數(shù)的分析、處理。相關(guān)處理方法如下：

（1）電壓處理

整車電源電壓范圍由Vmin～Vmax之間，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分別為Vmin，V1，V2，V3，Vmax（由小到大依次排列）。

轉(zhuǎn)向助力表現(xiàn)形式為，Vmin～V2無助力，V2～V3 30%～100%減少助力/全助力，V3～Vmax，無助力；

EPS ECU狀態(tài)為，Vmin～V1不激活，V1～V2 激活等待KL30狀態(tài)，V2～V3程序啟動(dòng)進(jìn)行處理，V3～Vmax程序退出；

CAN通訊狀態(tài)，Vmin～V1不激活，V1～Vmax通訊正常；

故障處理模式狀態(tài)，Vmin～V1不激活，V1～Vmax通訊正常。

（2）點(diǎn)火信號(hào)處理

KL15上電時(shí)（≥V2時(shí)），ECU進(jìn)入喚醒狀態(tài)；喚醒后等待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入工作模式，以后依據(jù)扭矩大小進(jìn)行隨車速助力；

工作狀態(tài)KL15掉電時(shí)（﹤V2時(shí)），只要發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)正常，ECU仍然可以通過點(diǎn)火信號(hào)保持電路繼續(xù)助力；

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和ESC車速、輪速信號(hào)處理

車速有效：判斷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和有效性，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)施預(yù)先設(shè)定的助力形式和助力值大?。?/p>

車速無效：提供最小助力。

（4）EPS內(nèi)部信號(hào)處理

扭矩信號(hào)處理：通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、收集傳感器主路和輔路電壓數(shù)值并通過一定的處理策略，及時(shí)斷開助力；

電機(jī)轉(zhuǎn)角位置信號(hào)：通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、收集傳感器電流電壓值并通過邏輯處理，及時(shí)斷開助力。

（5）故障燈控制處理

根據(jù)收集到的相關(guān)信號(hào)信息，判斷EPS系統(tǒng)的初始化信息和故障信息，通過邏輯運(yùn)算反饋相應(yīng)的故障信息，最后在儀表上顯示。

3.2.3 程序流程設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

4 EPS系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 EPS系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

該系統(tǒng)利用功能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目有：①測(cè)試系統(tǒng)各個(gè)輸入信號(hào)、檢測(cè)精度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；②模擬系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，包括電機(jī)負(fù)載與實(shí)際車況，測(cè)試系統(tǒng)助力效果；③根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化控制算法及電路設(shè)計(jì)，確定參數(shù)最優(yōu)。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，EPS功能試驗(yàn)臺(tái)采集并實(shí)時(shí)顯示各種工作特性曲線，其界面圖如圖5所示。

4.2 整車試驗(yàn)調(diào)試

某車型在進(jìn)行整車試驗(yàn)過程中，整個(gè)轉(zhuǎn)向行程內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，感覺轉(zhuǎn)動(dòng)過程平滑，無卡滯，無明顯噪音或者振動(dòng)，無明顯手力不對(duì)稱，至任意角度停止輸入時(shí)不存在慣性延時(shí)現(xiàn)象。同時(shí)，通過對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行的不斷的改進(jìn)，包括對(duì)硬件電路的反復(fù)優(yōu)化以及對(duì)軟件的反復(fù)修改調(diào)試，整車試驗(yàn)結(jié)果得到明顯改善，助力效果明顯，達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

為提升汽車整車的性能，提高駕駛員駕駛的舒適性和安全性，減少環(huán)境污染，滿足節(jié)能、環(huán)保性的要求，本文中呈現(xiàn)了一種車型的EPS的軟、硬件設(shè)計(jì)以及應(yīng)用思路，并充分進(jìn)行了相關(guān)臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)。通過綜合驗(yàn)證表明，開發(fā)的此款EPS系統(tǒng)助力效果明顯，操作手感好，能夠顯著改善汽車的轉(zhuǎn)向性能，且性能穩(wěn)定，滿足轉(zhuǎn)向性能指標(biāo)。該應(yīng)用為后期EPS系統(tǒng)的開發(fā)也奠定了一定的基礎(chǔ)。

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