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汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)研究論文
一、EPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理
1.EPS 的結(jié)構(gòu)及工作原理
電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車上的結(jié)構(gòu)部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)向)傳感器、電子控制單元ECU,電動機(jī)、電磁離合器以及減速機(jī)構(gòu)成。
其基本工作原理是：當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，扭矩傳感器將檢測到的轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)化為電信號送至電子控制單元ECU，ECU 再根據(jù)扭矩信號、車速信號、軸重信號等進(jìn)行計算，得出助力電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和助力電流的大小，完成轉(zhuǎn)向助力控制。
2.EPS 的關(guān)鍵部件
2.1 扭矩傳感器。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場的關(guān)鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式(主要是電位計式)傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型， 而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響，易發(fā)生漂移，使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS 的性能要求綜合考慮。
2.2 電動機(jī)。電動機(jī)根據(jù)ECU 的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無刷永磁電動機(jī)，無刷永磁電機(jī)具有無激磁損耗、效率較高、體積較小等特點。電機(jī)是EPS 的關(guān)鍵部件之一，對EPS 的性能有很大的影響。
2.3 電磁離合器。電磁離合器是保證電動助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車速、電流超過限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時，離合器便自動切斷電動機(jī)的電源，恢復(fù)手動控制轉(zhuǎn)向。
2.4 減速機(jī)構(gòu)。減速機(jī)構(gòu)用來增大電動機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式： 雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。由于減速機(jī)構(gòu)對系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對稱性方面對其提出了較高的要求。
二、EPS 的電流控制
EPS 的上層控制器用來確定電動機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù)EPAS的特點，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。EPS 的電流控制方式控制過程為： 控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出Th 和車速傳感器的輸出V 由助力特性確定電動機(jī)的目標(biāo)電流Imo，然后電流控制器控制電動機(jī)的電流Im,使電動機(jī)輸出目標(biāo)助力矩。因此EPS 的控制要解決兩個問題：(1)確定助力特性;(2)跟蹤該助力特性。整個控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來根據(jù)基本助力特性及其補(bǔ)償調(diào)節(jié)， 進(jìn)行電動機(jī)目標(biāo)電流的決策， 下層控制器通過控制電動機(jī)電樞兩端的電壓， 跟蹤目標(biāo)電流。
1.助力控制
助力控制是在轉(zhuǎn)向過程(轉(zhuǎn)向角增大)中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系(轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條)上的一種基本控制模式。步驟如下：
(1)輸入由車速傳感器測得的車速信號;(2)輸人由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測得的轉(zhuǎn)向盤力矩大小和方向;(3)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤力矩，由助力特性得到電動機(jī)目標(biāo)電流;(4) 通過電動機(jī)電流控制器控制電動機(jī)輸出力矩。
2.回正控制
當(dāng)汽車以一定速度行駛時， 由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。隨著車速的提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，二者綜合作用，使得回正性能提高。在轉(zhuǎn)向盤回正過程中，有兩種情況需要考慮：(1)回正力矩過大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào);(2)回正力矩過小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。對前一種情況，可以利用電動機(jī)的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況需要對助力進(jìn)行補(bǔ)償， 以增加回正能力。
根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動的方向， 可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)。回正控制的內(nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS 系統(tǒng)H 橋?qū)嵭袛嗦房刂疲３謾C(jī)械系統(tǒng)原有的回正特性;高速行駛轉(zhuǎn)向回正時，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制。
3.阻尼控制
阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會有通常說的“飄”的感覺，這給駕駛帶來很大的危險。為提高高速行駛時駕駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行阻尼控制，適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時手感的“穩(wěn)重”。
三、EPS 的特點
與傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向(HPS)相比，EPS 具有以下特點：
(1)EPS 能在各種行駛工況下提供最佳力，減小路面不平度所引起的對轉(zhuǎn)向系的擾動，改善了汽車的轉(zhuǎn)向特性。
(2)EPS 只在轉(zhuǎn)向時電動機(jī)才提供助力， 相比液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可節(jié)約燃油3%~5%，因而燃油經(jīng)濟(jì)性有了很大的提高。
(3)EPS 取消了油泵、皮帶、密封件、液壓軟管、液壓油及密封件等，其零件比傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系大大減少，因而質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊，在安裝位置選擇方面也更為方便，并且可以降低噪聲。
(4)HPS 的參數(shù)一經(jīng)確定，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能也隨之確定，很難改正，而EPS 可以通過改變和設(shè)置不同的程序，改變轉(zhuǎn)向特性，裝配自動化程度更高，能與不同的車型匹配，縮短生產(chǎn)和開發(fā)時間，提高了效率。
四、EPS 的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢
(1)電動機(jī)的性能及其與EPS 系統(tǒng)的匹配是影響控制系統(tǒng)性能、轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等問題的主要因素，因此改善電動機(jī)的性能及其與整個EPS 系統(tǒng)的匹配是關(guān)鍵問題;(2)助力特性的好壞取決于轉(zhuǎn)向的輕便性和路感;(3)EPS 除了應(yīng)有良好的硬件保證外， 還需要良好的軟件控制做支撐，EPS 的安裝一般在發(fā)動機(jī)附近，不可避免地會有熱輻射與電磁干擾的影響，因此對EPS 的控制策略提出了很高的要求。
EPS 當(dāng)前已經(jīng)較多應(yīng)用在排量在1.3-1.6L 的各類輕型轎車上，其性能已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。隨著直流電機(jī)性能的提高和42V電源在汽車組件上的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)寬，并逐漸向微型車、輕型車和中型車擴(kuò)展。EPS 將具有十分廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。
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