电动助力转向系统故障诊断的研究
发表时间：2018-09-18T09:56:03.903Z 来源：《知识-力量》1月中作者：黎胜武付海冰张海林[导读] 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)。（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007）
摘要：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。关键词：EPS的原理、概念、结构、特性
一 EPS的特点及工作原理
(1)EPS系统的特点。
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）能耗低，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达到满意的转向助力；（4）回正性好，EPS系统内部阻力低,可达到最佳的回正特性；（5）对环境污染，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。
二 EPS工作原理
EPS原理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。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。
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，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。
三 EPS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大惯量补偿和摩擦补偿。四电机总成特点
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。五输入输出扭矩特性
EPS性能的好车，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。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也不一样。车速越低，助力越大；反之，助力越小。六扭矩传感器
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。七助力特性和助力特性曲线的概念助力特性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)车速小或者车速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)转向盘转动时，助力效果应该不明显，甚至不起作用。八转向助力特性曲线形状的类型
根据不同的车型，助力特性曲线有很多种，从根本上可以分为：直线型助力特性、折线型助力特性和曲线型助力特性。
1助力特性设计
助力特性是指助力随汽车运动状况（车速和转向盘手力）变化而变化的规律。对于电动助力转向系统，因为电动机的助力与其电枢电流成正比，故可采用电动机的电枢电流与转向盘转矩和车速的变化关系曲线来表示助力特性，其目的是获得基本助力电流。
理想的助力特性应能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并提供给驾驶员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性。在满足转向轻便性的条件下，如果路感强度在整个助力特性区域内不变，则驾驶员就能容易地判定汽车行驶状况的变化，预测出所需要的转向操纵力矩的大。
2回正过程补偿
当汽车以一定速度行驶时，驾驶员转向后轮胎和路面之间将产生回正力矩。驾驶员松开转向盘后，随后作用在转向盘的力的减小，转向盘将在回正力矩的作用下回正。汽车的回正能力在设计阶段就应进行考虑，但随着汽车某些因素的变化，会降低汽车的回正能力。这时EPS系统应实时监测系统的状态，以保证汽车的回正性能。在转向盘回正过程中，有两种情况需要考虑。一回正力矩过，转向盘不能回到中间位置；二回正力矩过大，引起转向盘位置超调。
2.1 特殊工况补偿设计
根据助力特性曲线所得到的基本目标电流是基于理想转向工况的，忽略了许多外界干扰因素，而实际中汽车行使的工况十分复杂多变，对转向性能的要求也各有不同，因此需要引入附加的补偿电流，使车辆在某些特殊转向工况中均能达到理想的转向效果。
2.2 紧急避让过程补偿
在汽车高速行驶过程中，当前方突然出现障碍物，驾驶员的第一反应是踩刹车和急打方向盘。在这种情况下极易发生操纵力过大，导致转向过度。为了避免这种情况的发生，提高车辆的安全性，引入一种补偿电流，起到摩擦阻力的作用，防止转向过度。其工作原理，控制器根据输入的车速信号、转矩信号、方向盘转角信号，实时估计车辆的行驶工况，当车速超过一定值(40 km/h)，且方向盘转角的变化率超过一定值时，触发控制器，产生主动摩擦补偿电流。
2.3 满载大角度转弯补偿
在设计助力特性时，假设车辆自重均为空载。但在实际中，车辆的负载情况是对转向阻力影响最大的因素之一。如小型轿车的空载质量和满载质量相差近1.5倍，在满载时容易出现转向沉重。当汽车在满载调头转弯时，转向角度及转向角速度变大，此时路面反馈到转向系统的阻力就会变大。为此，引入一个补偿电流，为了防止控制器辨别工况时与紧急避让发生冲突，其触发情况为方向盘转角及转矩均大于某一特定值，且仅在车速低于40 km/h=时才触发。
九 EPS控制策略
电动助力转向的核心问题是电动机助力如何随转向盘转矩和车速等输入的变化而变化。从车辆动力学与控制的角度，并以方向盘操纵力，车身侧向加速度,方向盘转角，以及三者之间的相互关系来衡量助力特性对轻便性以及路感的影响，同时还将横摆角速度、车身质心侧偏角、车身侧倾角作为操纵稳定性的评价指标，以便更全面地分析EPS对整车操纵稳定性的影响。
十汽车电动助力式转向系统(EPS)控制策略
汽车电动助力式转向系统利用电动机产生的转矩，经过转向系统减速及传递机构转化后协助驾车者进行动力转向。不同车的EPS结构部件尽管不一样，但基本原理是一致的。在检测到有效汽车点火信号后，当转向轴转动时，转矩或转角传感器将检测到的转矩和转角信号输出至电子控制单元ECU，ECU根据转矩、转角信号，汽车速度、轴重负载信号等进行分析和计算出助力电动机的转向和目标助力电流的大值,从而实现助力转向控制。
在汽车点火后，EPS开始实时对各传感器信号进行分析计算，根据系统助力、阻尼及回正控制算法，实现在全速范围内的最佳助力控制：在低速行驶时，减轻转向力保证汽车转向“灵活、轻便”；在高速行驶时，适当增加阻尼控制，保证汽车转向盘操作“稳重、可靠”；在各种车速下，协助汽车转向盘轻便、自动回正，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。
EPS系统在分析助力同时，实时检测系统各组件工作情况，如助力电机、蓄电池电源电压、各传感器等，当检测到某一组件发生故障时，如蓄电池电源欠压、车速传感器无信号输出等，立即断开电磁离合器，使助力系统脱离机械转向系统，采用汽车本身的转向机构，并同时驱动故障信号指示灯，输出故障码，保障驾驶的安全性。
十一系统控制策略
1.1 控制内容
EPS系统控制算法系统控制性能的关键。根据助力控制内容的不同，系统控制算法分为助力控制、阻尼控制和回正控制。助力控制协助驾驶员转向，减轻转向力；阻尼控制在汽车高速行驶时适当增加转向阻力，实现高速驾驶时的“稳重手感”；回正控制协助汽车转向盘在转向后自动回正或在驾驶员操作下轻便的回正。在低速行驶时，控制内容以助力控制和回正控制为主，在高速行驶时，以阻尼控制为主。在不至引起歧义情况下，对系统控制内容简称为助力控制，如电动助力控制，电动助力式转向系统等。
1.2 助力控制
汽车在行驶过程中有以下几种转向情况：行驶时的高速、中等速度和低速转向，以及点火起动后的原地转向，其对应的转向力依次增加，高速行驶时的助力最小，原地转向时，助力最大；相应的动力转向系统的助力依次增加。助力特性反映助力电机助力大小随汽车的行驶状况变化的规律。对直流助力电机和汽车行驶的主要参数进行抽象，EPS的助力特性分为下面3类：直线型助力、折线型助力以及曲线型助力。
1.3 类助力特性均可分为3种助力区：无助力区(0≤T≤Td0)，当转向盘输入转矩小于T d0时，不提供助力；助力变化区(Td0T dmax)，当转向盘输入转矩大于T
d max时，在一定车速下，助力电流达到最大值并保持。
1.4 阻尼控制
阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性提出的。汽车高速直线行驶时，如果转向过于灵敏、轻便,驾驶员就会有通常说的“飘”的感觉，这给驾驶带来具大的危险。为提高高速行驶时驾驶的稳定性，提出在死区范围内进行阻尼控制，适当加重转向盘的阻力，最终体现在高速行驶时手感的“稳重”。
汽车高速行驶时，由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，
