电动助力转向系统

科技 | 日本Honda公司研发的汽车构件

电动助力转向系统(Electric Power Steering,缩写EPS)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的 动力转向系统 ,与传统的液压助力转向系统HPS(Hydraulic Power Steering)相比, EPS系统 具有很多优点。EPS主要由 扭矩传感器车速传感器 、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。

发展历史

电动助力转向系统 在汽车的发展历程中,转向系统经历了四个发展阶段:从最初的机械式转向系统(Manual Steering,简称MS)发展为液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering,简称HPS),然后又出现了电控液压助力转向系统(Electro Hydraulic Power Steering,简称EHPS)和电动助力转向系统(Electric Power Steering,简称EPS)。

装配机械式转向系统的汽车,在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重,为了解决这个问题,美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是,液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性,因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的 转向系统 可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力,但是结构复杂、造价较高,而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点,是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年,日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的 转向柱 助力式电动助力转向系统;1990年,日本Honda公司也在 运动型轿车 NSX 上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统,从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。

种类优劣

我们常见的助力转向有 机械液压助力电子液压助力电动助力 三种。

机械液压助力

机械液压助力是我们最常见的一种助力方式,它诞生于1902年,由英国人Frederick W. Lanchester发明,而最早的商品化应用则推迟到了半个世纪之后,1951年 克莱斯勒 把成熟的液压转向助力系统应用在了Imperial车系上。由于技术成熟可靠,而且成本低廉,得以被广泛普及。机械液压助力系统的主要组成部分有 液压泵 、油管、压力流体控制阀、V型传动皮带、 储油罐 等等。这种助力方式是将一部分发动机动力输出转化成液压泵压力,对转向系统施加辅助作用力,从而使轮胎转向。

电子液压助力

由于机械液压助力需要大幅消耗发动机动力,所以人们在机械液压助力的基础上进行改进,开发出了更节省能耗的 电子液压助力转向系统 。这套系统的转向油泵不再由发动机直接驱动,而是由电动机来驱动,并且在之前的基础上加装了电控系统,使得转向辅助力的大小不光与转向角度有关,还与车速相关。机械结构上增加了液压反应装置和液流分配阀,新增的电控系统包括车速传感器、 电磁阀 、转向ECU等。

电动助力

EPS就是英文Electric Power Steering的缩写,即电动助力转向系统。电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力,省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、 液压油 、传送带和装于发动机上的皮带轮,既节省能量,又保护了环境。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点,电动助力转向系统作为一种新的转向技术,将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

根据助力电机的安装位置不同,EPS系统又可以分为 转向轴 助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种。转向轴助力式EPS的电动机固定在转向轴一侧,通过减速机构与转向轴相连,直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式EPS的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。

驾驶员在操纵方向盘进行转向时,转矩传感器检测到 转向盘 的转向以及 转矩 的大小,将电压信号输送到电子控制单元,电子控制单元根据转矩传感器检测到的转矩电压信号、转动方向和车速信号等,向电动机控制器发出指令,使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩,从而产生辅助动力。汽车不转向时,电子控制单元不向电动机控制器发出指令,电动机不工作。

优势优点

相比传统液压动力转向系统,电动助力转向系统具有以下优点:

1、只在转向时电机才提供助力,可以显著降低燃油消耗

传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵,不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力,不转向时不消耗能量。因此,电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。

与液压助力转向系统对比试验表明:在不转向时,电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%;在转向时,可以降低5.5%。

2、转向助力大小可以通过软件调整,能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性,回正性能好。传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性,但是在高速行驶时转向盘太轻,产生转向“发飘”的现象,驾驶员缺少显著的“路感”,降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。

电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时,电动助力转向系统可以提供较大的转向助力,提供车辆的转向轻便性;随着车速的提高,电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小,转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大,这样驾驶员就感受到明显的“路感”,提高了车辆稳定性。

电动助力转向系统还可以施加一定的附加 回正力矩 或阻尼力矩,使得低速时转向盘能够精确地回到中间位置,而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调,兼顾了车辆高、低速时的回正性能。

3、结构紧凑,质量轻,生产线装配好,易于维护保养

电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、 液压管 路、油罐等部件,而且电机及减速机构可以和转向柱、 转向器 做成一个整体,使得整个转向系统结构紧凑,质量轻,在生产线上的装配性好,节省装配时间,易于维护保养。

4、通过程序的设置,电动助力转向系统容易与不同车型匹配,可以缩短生产和开发的周期。

由于电动助力转向系统具有上述多项优点,因此近年来获得了越来越广泛的应用。

电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上,加装了电机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU 电控单元而成。

工作原理

EPS的基本原理是: 转矩传感器 与转向轴(小齿轮轴)连接在一起,当转向轴转动时,转矩传感器开始工作,把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动角位移变成电信号传给ECU,ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小,从而完成实时控制助力转向。因此它可以很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果,保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活,高速转向行驶时稳定可靠。[1]

电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作,系统主要由三大部分构成,信号传感装置(包括扭矩传感器、 转角传感器 和车速传感器),转向助力机构(电机、离合器、减速传动机构)及电子控制装置。电动机仅在需要助力时工作,驾驶员在操纵转向盘时,扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号,车速传感器检测到车速信号,控制单元根据电压和车速的信号,给出指令控制电动机运转,从而产生所需要的转向助力。

关键技术

电动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面。

硬件技术主要涉及传感器、电机和ECU。传感器是整个系统的 信号源 ,其精度和可靠性十分重要。电机是整个系统的执行器,电机性能好坏决定了系统的表现。ECU是整个系统的运算中心,因此ECU的性能和可靠性至关重要。

软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来决定电机的目标电流,并跟踪该电流,使得电机输出相应的助力矩。故障诊断与保护程序用来监控系统的运行,并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。

工作过程

电动助力转向系统(EPS)作为传统液压系统的替代产品已经进入汽车制造领域。与先前的预测相反,EPS不仅适用于小型汽车,而且某些12V中型汽车也适于安装电动系统。EPS系统包含下列组件:转矩传感器,检测转向轮的运动情况和车辆的运动情况;电控单元,根据转矩传感器提供的信号计算助力的大小;电机,根据电控单元输出值生成转动力;减速齿轮,提高电机产生的转动力,并将其传送至 转向机 构。

其它车辆系统控制算法输入信息是由汽车 CAN总线 提供的(例如转向角和汽车速度等等)。电机驱动还需要其它信息,例如电机转子位置(电机传感器提供)和相电流( 电流传感器 提供)。电机由四个 MOSFET 控制。由于微控制器无法直接驱动MOSFET的大型栅电容,因此需要采用驱动IC形式的接口。出于安全考虑,完整的电机控制系统必须实施监控。将电机控制系统集成在 PCB 上,通常包含一个继电器,该继电器可作为主开关使用,在检测出故障的情况下,断开电机与电控单元。微控器(μC)必须控制EPS系统的 直流有刷电机 。微控器根据转矩传感器提供的转向轮所需转矩信息,形成一个电流控制回路。为了提高系统的安全水平,该微控器应有一个板载振荡器,这样即使在外部振荡器出现故障的情况下,亦可确保微控器的性能,同时还应具备片上看门狗。 英飞凌公司 的XC886集成了所有重要的微控器组件,其它安全特性可通过软件实现,如果必须执行 iec61508 等行业安全标准规范,就不得不完成各种诊断和自检任务,因而会增加微控器的工作负荷。目前不同客户采用的转矩传感器与转子位置传感器差别很大。他们采用不同的测量原理,如分解器、电磁共振器、基于传感器的集成 巨磁阻 (IGMR)。

功率级的作用是开关电机电流。该功率级具有两个功能:驱动IC控制和保护MOSFET,MOSFET本身又可负责开关电流。MOSFET和分区(例如驱动IC与MOSFET结合在一个器件或多个器件内)由电机功率决定。

微控器的PWM输出端口提供的驱动电流和电压太低,无法直接与MOSFET 栅极 实现连接。驱动IC的作用是提供充足的电流,为MOSFET的栅极进行充电和放电,使其在20kHz的条件下正常实现开关,同时保证为高低侧MOSFET提供高栅源电压Vgs,确保获得低导通电阻。如果高侧MOSFET处于开通状态,源极电位就接近电池电平。要想使MOSFET到达标称导通电阻,栅源电压需高于8V。MOSFET完全导通所需的最理想的电压是10V或以上,因此所需的栅极电位就比电池电压高出10V。 电荷泵 是确保该功能最大程度降低MOSFET功耗(即使低电池电压条件下)的电路。图2说明, 英飞凌 驱动IC即使在8V电池电压条件下,其低高侧MOSFET的栅源电压也可达到11V。这将确保在低电池电压条件下,获得低功耗和高系统效率。

电荷泵设计的其它关键特性是可以根据不同 PWM模式 的要求,实现极低(低至1%)和极高的 占空比 (高至100%)。驱动IC的另一个重要功能是检测短路情况,避免损坏MOSFET。受影响的MOSFET将关闭,诊断结果提交给微控器。电流水平可实现调节。

MOSFET通常应用在一个多半桥拓扑结构内,由驱动IC控制。根据ISO7637规定,在12V电网中,电池电压通常可高达16V。在选择MOSFET电压级别时,必须针对二极管恢复过程中所出现的感应瞬变现象提供足够的 安全边际 (Ls x dl/dt,Ls代表 杂散电感 ,dl/dt代表开关时的电流斜率)。在低dl/dt和低杂散电感的系统中,可使用30V MOSFET,但通常最好使用40V的MOSFET,可提供更高的安全边际。最新的40V MOSFET技术采用D2PAK(TO263)封装在2mm和180A条件下,以及采用较小的DPAK(TO252)装封在低于4mm和90A的条件,可提供极低的导通电阻,使EPS系统设计具备极高的功率密度和效率。

产品特点

液压助力转向系统已发展了半个多世纪,其技术已相当成熟。但随着汽车微电子技术的发展,对汽车节能性和环保性要求不断提高,该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显,不能完全满足时代发展的要求。

电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统,能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此,该系统一经提出,就受到许多大汽车公司的重视,并进行开发和研究,未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流,与其它转向系统相比,该系统突出的优势体现在

降低了燃油消耗

液压动力转向系统需要发动机带动 液压油泵 ,使液压油不停地流动,浪费了部分能量。相反电动助力转向系统(EPS)仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量,该能量可以来自蓄电池,也可来自发动机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时,电机不工作,需要转向时,电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩,而且,该系统在汽车 原地转向 时输出最大转向力矩,随着汽车速度的改变,输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了"按需供能",是真正的"按需供能型"(on-demand)系统。汽车在较冷的冬季起动时,传统的液压系统反应缓慢,直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有 液压油管 ,对冷空气不敏感,系统即使在-40℃时也能工作,所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起动时的预热,节省了能量。不使用液压泵,避免了发动机的寄生能量损失,提高了燃油经济性,装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明,在不转向情况下,装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%,在使用转向情况下,燃油消耗降低了5.5%。

增强了转向跟随性

在电动助力转向系统中,电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用,使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比, 旋转力矩 产生于电机,没有液压助力系统的转向 迟滞效应 ,增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。

改善了转向回正特性

直到今天,动力转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时,该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速,可得到一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程,容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性,这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力,提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。而在传统的 液压控制系统 中,要改善这种特性必须改造底盘的机械结构,实现起来有一定困难。

提高了操纵稳定性

通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法,给正在高速行驶(100km/h)的汽车一个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自回正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高的稳定性,驾驶员有更舒适的感觉。

提供可变的转向助力

电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和 硬件控制 ,可得到覆盖整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车,低速或高速行驶时,它都能提供可靠的,可控性好的感觉,而且更易于车场操作。

对于传统的液压系统,可变转向力矩获得非常困难而且费用很高,要想获得可变转向力矩,必须增加额外的控制器和其它硬件。但在电动助力转向系统中,可变转向力矩通常写入控制模块中,通过对软件的重新编写就可获得,并且所需费用很小。

采用"绿色能源",适应 现代汽车 的要求

电动助力转向系统应用"最干净"的电力作为能源,完全取缔了液压装置,不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题,可以说该系统顺应了"绿色化"的时代趋势。该系统由于它没有液压油,没有软管、油泵和密封件,避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收,易对环境造成污染。

系统结构简单,占用空间小

由于该系统具有良好的模块化设计,所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等,不但节省了费用,也为设计不同的系统提供了极大的灵活性,而且更易于生产线装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮,使得工程师们设计该系统时有更大的余地,而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计,发动机部件的空间利用率极高。该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵,留出的空间可以用于安装其它部件。许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动助力转向系统的汽车没有油泵,没有软管连接,可以减少许多忧虑。实际上,传统的液压转向系统中,液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的53%,如软管漏油和油泵漏油等。

生产线装配性好

电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、 流量控制阀 、储油罐等部件,零件数目大大减少,减少了装配的工作量,节省了装配时间,提高了装配效率。

电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来,作为今后汽车转向系统的发展方向,必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。

引用来源

中文名
电动助力转向系统
外文名
Electric Power Steering
别名
EPS
组成
扭矩传感器车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成
发明者
日本Honda公司
发明时间
1990年
发展历程
四个阶段