EPS结构原理

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3.1 EPS 的结构及工作原理
电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样, 但是基本原理是一致的。它一般
是由转矩(转向)传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构构成, 其
机构示意如图1所示。
其基本工作原理是: 当转向轴转动时, 扭矩传感器将检测到的转矩信号转化为电信号送至
电子控制单元ECU, ECU 再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算, 得出助力电
动机的转向和助力电流的大小, 完成转向助力控制, EPS 系统控制框图如图2 所示。
3.2 EPS 的关键部件
3.2.1 扭矩传感器
扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向, 以及转向盘转角的大小和方向, 它是EPS
的控制信号之一。精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS 能否占领市场的关键因素。
扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式(主要是电位计式)传感器有摆臂
式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型, 而非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式两
种。前者的成本低, 但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低, 需要对制造精度和扭
杆刚度进行折中, 难以实现绝对转角和角速度的测量。后者的体积小, 精度高, 抗干扰能力
强、刚度相对较高,易实现绝对转角和角速度的测量, 但是成本较高。因此扭矩传感器类型
的选取根据EPS 的性能要求综合考虑。
3.2.2 电动机

电动机根据ECU 的指令输出适宜的转矩, 一般采用无刷永磁电动机, 无刷永磁电机具有无
激磁损耗、效率较高、体积较小等特点。电机是EPS 的关键部件之一, 对EPS 的性能有
很大的影响。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩, 具有良好的动态特性
并容易控制, 这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。此外还要求电机低转速
大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。
3.2.3 电磁离合器

电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。当车速、电流超过限定的最大值或转
向系统发生故障时, 离合器便自动切断电动机的电源, 恢复手动控制转向。此外, 在不助力
的情况下,离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车
辆感觉的差别, 离合器不仅具有滞后输出特性, 同时还具有半离合器状态区域。
3.2.4 减速机构

减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式: 双行星齿轮减速机构和
蜗轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影响较大, 因此在降低噪声, 提高效率
和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。
4 EPS 的电流控制
EPS 的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPAS 的特点, 上层控制策略分为助
力控制、阻尼控制和回正控制。
EPS 的电流控制方式控制过程为: 控制器根据转向盘转矩传感器的输出Th 和车速传感器

的输出V由助力特性确定电动机的目标电流ImO, 然后电流控制器控制电动机的电流Im,
使电动机输出目标助力矩。因此EPS 的控制要解决两个问题:( 1) 确定助力特性;( 2) 跟
踪该助力特性。整个控制器可分为上、下两层,上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿
调节, 进行电动机目标电流的决策,下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压, 跟踪目标
电流。
4.1 助力控制
助力控制是在转向过程(转向角增大)中为减轻转向盘的操纵力, 通过减速机构把电机转矩
作用到机械转向系(转向轴、齿轮、齿条)上的一种基本控制模式。
步骤如下:(1) 输入由车速传感器测得的车速信号;(2) 输入由转向盘转矩传感器测得的转
向盘力矩大小和方向;(3) 根据车速和转向盘力矩,由助力特性得到电动机目标电流;(4) 通
过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。在这一基本控制过程中, 助力特性曲线确定系统
的控制目标,决定着EPS 系统的性能。EPS 的助力特性曲线属于车速感应型, 在同一转向
盘力矩输入下,电动机的目标电流随车速的增加而降低, 能较好地兼顾轻便性与路感的要
求。
4.2 回正控制

当汽车以一定速度行驶时, 由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在, 使得转向轮具有
自动回正的作用。随着车速的提高,回正转矩增大,而轮胎与地面的侧向附着系数却减小, 二
者综合作用使得回正性能提高。驾驶员松开转向盘后, 随着作用在转向盘上的力的减小, 转
向盘将在回正力矩的作用下回正。在转向盘回正过程中, 有两种情况需要考虑:( 1) 回正力
矩过大, 引起转向盘位置超调;( 2) 回正力矩过小, 转向盘不能回到中间位置。对前一种情
况,可以利用电动机的阻尼来防止出现超调。后一种情况需要对助力进行补偿, 以增加回正
能力。
根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的内容有: 低速
行驶转向回正过程中, EPS 系统H 桥实行断路控制, 保持机械系统原有的回正特性; 高速
行驶转向回正时, 为防止回正超调, 采用阻尼控制。
4.3 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,这给驾驶带来很大的危
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,必须
采用阻尼控制; 此外,转向盘转向后回到中间位置时,由于电动机的惯性存在,在不加其他控
制情况下,助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大,转向回正时不容易收敛,此时,也需采
用阻尼控制。采用阻尼控制时,只需将电动机输出为制动状态,就可使电动机产生阻尼效果。