《汽车电器与电子技术》第10章汽车电动助力转向系统

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第十章1.概述

汽车电动助力转向系统

2.电动助力转向系统结构和工作原理 3.电动助力转向系统的简单模型与运动特性 4.电动助力转向的控制方法 5.电动助力转向系统实例和检修

6.电动助力转向系统性能台架试验

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一.概述1.助力转向的产生背景传统的转向系统不能很好的解决转向时“轻”与“灵”的矛盾。即高的转向灵敏 性和好的操纵轻便性不可兼得。为解决这一矛盾，除采取尽量减轻自重、选择最佳

轴荷分配、提高转向系统传动效率、减小主销后倾角、选择最佳转向器速比曲线等措施外，通常都采用助力转向方式。

2.助力转向的概念助力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机通过液压泵产生的液

体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。是一种以驾驶员操纵方向盘(转矩和转角)为输入信号，以转向车轮的角位移为输出信号的伺服机构。

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3.助力转向双动伺服机构

图1 助力转向双动伺服机构

4.助力转向系统的类型 电子控制式液压助力转向系统(EHPS) 传统液压助力转向系统(HPS) 电动助力转向系统(EPS)

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5.对助力转向系统的要求助力转向系统应达到如下要求：

(1)能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。而行车转向的操纵力应不大于250N。 (2)转向灵敏性好。助力转向的灵敏度是指在转向器操纵下，转向助力器产 生助力作用的快慢程度。助力作用快，转向就灵敏。 (3)具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘应可自动回正；驾驶员应有 良好的“路感”。 (4)要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向盘的转角保持一定

的关系，并能使转向车轮保持在任意偏转角位置上。(5)工作可靠。当助力转向失效或发生故障时，应能保证通过人力进行转向 操纵。

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6.电动助力转向系统(EPS)EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元(ECU) 完成助力控制。

图2 电动助力转向系统结构示意图 1-转向盘 2-转向轴 3-电动机 4-离合器 5-齿条 6-小齿轮 7-横拉杆 8-输出轴 9-减速机构 10-转矩传感器

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电动助力转向系统(EPS)与液压助力转向系统(HPS)相比，具有以下优点： (1)助力性能优 (2)效率高 (3)耗能少 (4)“路感”好 (5)回正性好 (6)对环境污染少 (7)可以独立于发动机工作 (8)应用范围广 (9)装配性好易于布置

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二.电动助力转向系统结构及工作原理2.1 电动助力转向系统结构转矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小与方向。 (1)转矩传感器：

扭杆式电位计转矩传感器基本原理在线圈的 U、 T两端施加连续的脉冲电压

信号 Ui , 当转向杆上的转矩为零时，在V、W两端的电位 差Uo=0。如果转向杆上存在转矩时，定子与转 子的相对转角不为零，此时转子与定子间产生

角位移θ。各个极靴的磁通产生差别，电桥失去平衡，在V、W之间出现电位差。这个电位差与 杆的扭转角θ和输入电压Ui成比例。若比例系数 为k则有

U o kUi 由V、W两端的电位差Uo就可以知道转向盘杆的扭转 角，从而便可以知道转向盘杆的转矩。

图3 转矩传感器基本原理图

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(2)车速传感器:车速传感器常采用电磁感应式传感器，安装在变速箱上。该传感器根据车速的变化，把主副两个系统的脉冲信号传送给ECU,由于是两个系统，因此信号的可靠性提高 了。

(3)电动机: EPS的动力源是电动机，通常采用无刷永磁式直流电动机，其功能是根据ECU的指令产生相应的输出转矩。转向助力用的电动机需要正反转控制。一种比较简单适用的转向 助力电动机正反转控制电路如图4所示。

控制三极管基极电流

a1端得到输入信号时电动机 有电流通过而正转

信号触发端a2端得到输入信号时电动机 有电流通过而反转图4 电动机正反转控制电路

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(4)离合器：离合器采用干式电磁式离合器，其功能是保证EPS在预先设定的车速范围内闭合。当车速超出设定车速范围时，离合器断开，电动机不再提供助力，转入手动转向状态。另外，当 电动机发生故障时，离合器将自动断开。

工作原理:当电流通过滑环进入离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键 的压板被吸引与主动轮压紧，电动机的 动力经过电机轴、主动轮、压板、花键、 从动轴传给执行机构。

图5 电磁离合器工作原理图 1-滑环 2-线圈 3-压板 4-花键 5-从动轴 6-主动轮 7-滚珠轴承

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(5) 减速机构:减速机构是用来增大电动机的输出转矩。 (6) 电子控制单元(ECU):EPS的电子控制单元通常是一个8位单片机系统，是由一个8位单片机，另加一个256字节的RAM、4KRAM及一个D/A转换器组成。其工作过程是当转 矩信号和车速信号输入单片机后，单片机根据这些信号计算出最优化助力转矩，然后输出 此值给D/A转换器，输出电流指令信号给电机控制电路，由控制电路以决定电动机作用的大 小和方向。 ECU还具有安全保护和故障诊断功能。

2.2电动助力转向系统的工作原理如图2所示，

不转向时，助力电动机不工作； 当方向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出作用于转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号；同时，由车速传感器测出的汽车车速，也产生一个电压信号。这两路信号 均被传输到电子控制单元(ECU),经过其运算处理后，由ECU向电动机

和离合器发出控制指令， 即向其输出一个适合的电流，在离合器结合的同时使电动机转动产生一个转矩，该转矩经与电 动机连在一起的离合器、减速机构减速增矩后，施加在输出轴上，输出轴的下端与齿轮齿条转 向器总成中的小齿轮相连，于是由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车的转 向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力。

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三.电动助力转向系统的简单模型与运动特性3.1电动助力转向系统动态模型的建立 依据牛顿运动定理，系统的运动方程为x M K J s b 转向轴： s d s s s s rs m x 齿条轴： Ks rs GK m x b x F TR s r rs s Gx bm m rs

(1) Gx m r (2) s

M K J m 电动机： m m m m

(3)

图6 电动助力转向系统动态模型

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式中Mm为电动机的电磁转矩，其值决定于电动机的给定电流大小。在本系统的计 算中，Mm值由转矩传感器给出，可表示如下：

x M m K a K s s r s Ka——转向助力增益。

0 K

a

max Ka

(4)

K a 值定义了转向路感，合理选择Ka可得到不同的转向路感。

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3.2电动助力转向系统特性分析 (1) 转向阻力 FTR 的简化

FTR K x Fr

(5)

K ——弹性系数； Fr——路面对轮胎产生的随机扰动。在实际计算中，Fr作为一随机信号加人到系统中，使计算更接近于实际情况。

(2) 助力转矩Ma分析Ma与车速和转向盘的输入转矩有关：

M a f M d , v 式中 Md——转向盘转矩； v——汽车速度。

(6)

在不同汽车速度下，Ma-Md为一族非线性曲线，该族曲线表征了电动助力转向系统的 助力特性。

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在实际控制系统中，转向助力Ma如下式所示。

Gx M a GK m m r s

(7)

θm、x在实际的应用中不易测得，其值最终决定于Md,而Md则可由转矩传感器测得。 该族非线性的助力曲线由不同的助力增益Ka决定。由于不同车型的参数不同，在不同车 速下所需要提供的助力值大小不同。依据对已有实车参数的拟合，提出了Ka与车速v的关 系表示如下

K a te kv

0 v v max

(8)

t、k——为系数，根据不同车型以及不同电动助力转向系统取不同的值。

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Ka随车速 v的增大而成指数减小。增大Ka,相应地增加了电机提供的转向助力。 因此，Ka描述了驾驶员的转向路感。由于不同类型的汽车的转向路感不同，所以 式中的函数关系应当根据不同车型具体确定。 3.3Ka值分析 Ka值的选取必须满足式(4)中规定的条件。如果该

值过大，易引起系统的不稳 定。 对式(l)~式(3)及式(5)进行拉普拉斯变换后，得到以下传递函数：d d m rs2 GK m K a K s GK m H c s Td Ac s rs2

s

(9)

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式中：Ac s D s d s K s

GK a K s K m rs2

2 d m K s2 d s G 2 K m D s d m d s d m 2 rs rs2

d s s J s s 2 bs s K s

d m s J m s 2 bm s K mK s GK m d s m s b s K 2 rs2

该传递函数Hc定义了转向系统的跟随性能。通过对多项式Ac(s)的分析，可 得系统稳定的条件：的所有根的实部为负。