汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究

李勝超

摘要：為了更全面的對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）相關(guān)概念、結(jié)構(gòu)特性及整體發(fā)展進(jìn)行認(rèn)知，本文通過對大量科研論文進(jìn)行研究，從電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）類型特點、基本構(gòu)成、控制原理、助力特性等角度出發(fā)，對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）進(jìn)行較為全面的詮釋，并對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)的可靠性。闡明了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是未來汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。希望本研究對我國汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域研究具有一定的促進(jìn)作用。

Abstract： In order to have a more comprehensive understanding of the related concepts， structural characteristics and overall development of electric power steering system （EPS）， this paper studies a large number of scientific research papers， and makes a more comprehensive interpretation of EPS from the perspective of the type characteristics， basic structure， control principle and power characteristics of EPS， as well as the electric power steering system （EPS）. The control strategy and stability of the power steering system are analyzed， and the reliability of the system is further proved. It clarifies that electric power steering system is the future development direction of automobile steering system. It is hoped that this study will promote the research of automobile steering system in China.

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);控制策略;穩(wěn)定性;助力特性

Key words： electric power steering system;control strategy;stability;assist characteristics

0 ?引言

近年來，汽車行業(yè)的發(fā)展不僅是機(jī)械材料的發(fā)展，還是芯片、嵌入式、電子控制、傳感器等多方面技術(shù)有效集成的發(fā)展。為了滿足行駛安全可靠、高效環(huán)保的要求，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）便在這一趨勢下孕育而生，并逐漸發(fā)展成為世界汽車技術(shù)方面一項重要的研究。

1 ?汽車電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)

1.1 發(fā)展歷程

汽車在低速轉(zhuǎn)向時，往往需要相當(dāng)大的轉(zhuǎn)向力，僅憑借傳統(tǒng)的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向，既費力又效率低下?？紤]到這一問題，后來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中研發(fā)出轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)以幫助駕駛員輕松的轉(zhuǎn)動方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

汽車助力轉(zhuǎn)向由開始的液壓式助力轉(zhuǎn)向，到后來的電控液壓助力轉(zhuǎn)向，再到最終的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這是一個漫長的發(fā)展過程。電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)采用電子控制單元（ECU）和高性能電動機(jī)，直接依靠電動機(jī)在不同的工況環(huán)境下提供不同的輔助轉(zhuǎn)矩[1]。EPS最先在日本投入使用，1988年2月，日本鈴木公司的Cervo轎車裝備了EPS系統(tǒng)，之后EPS 系統(tǒng)在鈴木公司Alto轎車、三菱公司Minica汽車上也得到應(yīng)用。其他國家、公司也加快了對EPS系統(tǒng)的研發(fā)[1]。從1998年開始，TRW公司將EPS 技術(shù)成功的應(yīng)用到了客車領(lǐng)域，其他公司相應(yīng)開發(fā)出適應(yīng)貨車的EPS系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)在一步步走向成熟[2]。

1.2 汽車電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外在汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研究相對較早，并取得了一定的重要研究成果：Chen J.S.建立了汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)二自由度模型，采用了多種控制策略，研究該系統(tǒng)的動態(tài)特性[3]。AlaaMarouf等人對EPS系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，將電動機(jī)轉(zhuǎn)角作為監(jiān)測指標(biāo)，結(jié)合滑?？刂频姆绞綄ο到y(tǒng)進(jìn)行控制，使得控制策略與參數(shù)誤差之間具有一定的魯棒性[4]。還有在EPS系統(tǒng)中應(yīng)用H∞控制、滑模變方法的相關(guān)研究。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于EPS系統(tǒng)的研究水平還相對較低，但在國家的大力支持和研究人員的不懈努力下，也取得了一定的研究成果。林逸等人根據(jù)EPS系統(tǒng)的助力特性和轉(zhuǎn)矩傳感器等，率先提出了在助力轉(zhuǎn)向中的匹配和設(shè)計問題[5]。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室研究出了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新型微處理器[6]。國內(nèi)的許多汽車企業(yè)和研究院在大力進(jìn)行EPS系統(tǒng)及相關(guān)控制策略的研究，并投入實車測試與使用。

2 ?EPS系統(tǒng)基本組成與控制原理

2.1 EPS系統(tǒng)的類型與特點

通常情況下，EPS系統(tǒng)根據(jù)助力電機(jī)位置不同被劃分為管柱式、齒輪式、齒條式三種[7]。其各自的特點及應(yīng)用如表1所示。

2.2 EPS的基本組成

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）由傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子元件構(gòu)成。汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成所需要的關(guān)鍵部件為：轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、電子控制單元（ECU）[8]。

轉(zhuǎn)矩傳感器：用來測量加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩大小和方向的。其可靠性、精確性及價格是占據(jù)市場的決定性因素。

速度傳感器：實時監(jiān)測車速信號。

助力電機(jī)：助力電機(jī)的主要作用就是根據(jù)ECU的指令施加輔助動力，一般運用BLDC（無刷直流）電機(jī)用于輔助和負(fù)載電機(jī)，值得注意的是，從建模的角度來看，BLDC電機(jī)具有與直流電機(jī)相同的特性，盡管它們具有不同的結(jié)構(gòu)。

減速機(jī)構(gòu)：一側(cè)直接與助力電機(jī)相連，另一側(cè)與轉(zhuǎn)向架相連，起降速增扭的作用。

電子控制單元（ECU）：實時獲取扭矩傳感器和車速傳感器信號，根據(jù)事先在ECU中設(shè)定的EPS助力特性曲線、控制策略來判斷提供助力。

2.3 EPS系統(tǒng)的控制原理

ECU獲取轉(zhuǎn)矩傳感器上的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號與速度傳感器的車速信號，根據(jù)這兩個信號，控制器確定助力電機(jī)轉(zhuǎn)動方向與助力轉(zhuǎn)矩的大小，控制器的輸出數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為模擬量，傳至電流控制電路。電流控制電路將此電流值大小與助力電機(jī)電流大小相比較得到差值，將差值信號傳至電機(jī)驅(qū)動電路，對電機(jī)實施控制，從而完成助力轉(zhuǎn)向過程[9]。助力過程根據(jù)速度不同而不斷調(diào)整，實時性非常高，所以其輸出力矩能夠適合各種工況下的行駛條件。

3 ?EPS的助力特性與控制策略的研究

3.1 助力特性

助力特性是指電動助力跟隨汽車車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動變化而變化的規(guī)律。對于ESP系統(tǒng)，提供的助力與電動機(jī)輸入的控制電流成比例關(guān)系，用控制電流與方向盤力矩、汽車車速變化關(guān)系曲線來表示EPS系統(tǒng)的助力特性[10-11]。但選用不一樣的助力特性對于轉(zhuǎn)向輕便性和路感有不一樣的影響。EPS助力特性曲線反映了方向盤力矩與電機(jī)助力力矩之間關(guān)系的曲線，其中包括直線型、折線形、曲線型三種形式[12]。

3.2 控制策略

EPS的控制策略：系統(tǒng)的主要指標(biāo)是跟蹤性能，這些輸出響應(yīng)性能的功率，靈活性和準(zhǔn)確性主要反映了跟蹤性能[13]。扭矩傳感器測試方向盤和轉(zhuǎn)輪之間的扭矩，并根據(jù)扭矩信號的大小，我們通過PWM驅(qū)動直流電機(jī)，并檢測電機(jī)的電流作為反饋量。其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

運用比較多的為PID控制，PID控制以其簡單高效性，廣泛被用于工業(yè)控制上。它主要包括以下三個方面的控制。

比例控制：輸出信號與其輸入信號的誤差存在一定的比例關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)僅受到比例控制時，該系統(tǒng)的輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積分控制：系統(tǒng)輸入與輸出信號的積分成正比關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)中存在穩(wěn)態(tài)誤差時引入積分項，積分項是隨著時間的推移而逐漸增大的，所以系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差后，積分控制會使系統(tǒng)輸出逐漸增大，最終會使穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)到零。

微分控制：能夠提升系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，可以通過提前預(yù)測偏差，從而接下來緊急抑制偏差的變化。

對助力電機(jī)采用PID控制策略，在電機(jī)電流驅(qū)動模塊中，加入電流檢測模塊，同時PID控制器接收來自電流傳感器的電流的反饋，助力電機(jī)電流值得到一定的閉環(huán)控制。

式中：Im為電機(jī)助力時所需求的電流值;Kp、Ki、Kd為PID 調(diào)節(jié)所需要的三個比例系數(shù)。

后來又在EPS系統(tǒng)中引進(jìn)了H∞控制、模糊控制、基于模糊的PID參數(shù)的整定控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂频龋沟闷淇刂菩?、準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。

4 ?EPS系統(tǒng)的優(yōu)點

EPS系統(tǒng)主要有以下幾個方面的優(yōu)點：①良好的通用性：當(dāng)遇到不同的工況時，不需要更換硬件，只需要將ECU中的控制策略;②強(qiáng)集成性：EPS系統(tǒng)可以與其它系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，比如與車道保持輔助系統(tǒng)集成開發(fā)、與ABS制動防抱死系統(tǒng)集成開發(fā)等;③可靠性與安全性高：在電路系統(tǒng)中，可以通過添加安全監(jiān)測模塊，實時的對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，EPS系統(tǒng)關(guān)閉轉(zhuǎn)換為純機(jī)械轉(zhuǎn)向并及時提醒駕駛員;④效率高、環(huán)保：與之前的液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，芯片程序操控，實時性更強(qiáng)，并且無漏油等現(xiàn)象，更環(huán)保。

5 ?EPS的發(fā)展趨勢

EPS將朝著更加安全、高效、環(huán)保的方向發(fā)展。在技術(shù)層次上，主要有：①冗余設(shè)計：在系統(tǒng)中，在關(guān)鍵元器件和起關(guān)鍵作用的地方，增加一套以上相同的部件，以補(bǔ)償當(dāng)運行元器件受損時進(jìn)行及時自動更替，使系統(tǒng)仍能正常工作;②線控轉(zhuǎn)向：在轉(zhuǎn)向盤與車輪之間采用柔性連接，以信號的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制;③功能的擴(kuò)展：更加多的和其他控制模塊進(jìn)行集成化處理，使汽車元器件間的集成性更高，智能化水平也越高;④轉(zhuǎn)向截止點的設(shè)置：在轉(zhuǎn)向中，由于齒條等長度是有限的，所以存在終端的機(jī)械碰觸，損傷器件。在轉(zhuǎn)向達(dá)到終點之前，進(jìn)行有必要的助力衰減，如同彈簧阻尼器的作用。

6 ?結(jié)論

本文對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了整體性的闡述，包括其基本結(jié)構(gòu)、工作原理、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等，在結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)分析，要更多的去關(guān)注EPS系統(tǒng)的助力特性和控制策略，為使駕駛員擁有更好的舒適性和安全性。EPS今后的發(fā)展更集中在控制性能的提高、成本的降低以及可靠性、耐用性提高上。EPS系統(tǒng)未來汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，我們也要在該領(lǐng)域投入更多的研究，為祖國汽車領(lǐng)域的發(fā)展投入自己的一份力。

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