EPS電動助力轉(zhuǎn)向文獻綜述

1、電動轉(zhuǎn)向助力的原理、分類及發(fā)展綜述摘要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性和行駛安全性。在國外，各大汽車公司對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric power steering-EPS,或稱Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20多年的歷史。為了解決轉(zhuǎn)向系統(tǒng)“輕”與“靈”的矛盾1，采用現(xiàn)代控制技術(shù)和電子技術(shù)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)應(yīng)運而生。隨著近年來電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低，EPS越來越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點，迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hy

2、draulic powersteering,簡稱HPS）。關(guān)鍵詞：工作原理、分類、發(fā)展1.EPS的工作原理及特點電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它利用電動機產(chǎn)生的動力來幫助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，信號傳感裝置(包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和車速傳感器)，轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)(電機、離合器、減速傳動機構(gòu))及電子控制裝置2。電動機僅在需要助力時工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)輸入扭矩和轉(zhuǎn)向角的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，車速傳感器檢測到車速信號，控制單元根據(jù)電壓和車速的信號，給出指令控制電動機運轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)向助力。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 圖1

3、 帶雙小齒輪的電動機機械轉(zhuǎn)向助力器總體視圖1.1EPS的優(yōu)點1.1.1節(jié)約了能源消耗。沒有轉(zhuǎn)向油泵，且電動機只是在需要轉(zhuǎn)向時才接通電源，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。1.1.2對環(huán)境無污染。該系統(tǒng)應(yīng)用電力作為能源，消除了由于轉(zhuǎn)向油泵帶來的噪聲污染。也不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓油的泄漏與更換而造成的污染。同時該系統(tǒng)由于沒有使用不可回收的聚合物組成的油管、油泵和密封件等配件，從而避免了污染。1.1.3增強了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動機與助力機構(gòu)直接相連，可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增

4、強。1.1.4改善了回正特性。由于采用了微電子技術(shù)，利用軟件控制電動機動作，在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計參數(shù)以獲得雖佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線，通過編程實現(xiàn)電機在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這些轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。1.1.5提高了操縱穩(wěn)定性。當駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤一角度，然后松開時，EPS系統(tǒng)能夠自動調(diào)整使車輪回正。同時還可利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計參數(shù)以獲得最佳的回正特性。1.1.6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，布置方便。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計，所以不需要對不同的系統(tǒng)重新進行設(shè)計、試驗、加工等，不僅節(jié)省

5、了費用，也為設(shè)計不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。2.EPS的分類EPS按照電動機布置位置的不同，可以分為：轉(zhuǎn)向柱助力式(Column-assisttype EPS)、齒輪助力式(Pinion-assisttype EPS)、齒條助力式(Rackassisttype EPS)、直接助力式(Direct-drivetype EPS)四種3。轉(zhuǎn)向柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向器(C-EPS)的助力電機固定在轉(zhuǎn)向柱的一側(cè)，通過減速增扭機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。這種形式的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于安裝。現(xiàn)在多數(shù)EPS就是采用這種形式。此外，C-EPS的助力提供裝置可以設(shè)

6、計成適用于各種轉(zhuǎn)向柱，如固定式轉(zhuǎn)向柱、斜度可調(diào)式轉(zhuǎn)向柱以及其它形式的轉(zhuǎn)向柱。但由于助力電機安裝在駕駛艙內(nèi)，受到空間布置和噪聲的影響，電機的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車輛上。齒輪助力式電動助力轉(zhuǎn)向器(P-EPS)的助力電機和減速增扭機構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。由于助力電機不是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機以獲得較高的助力扭矩，而不必擔(dān)心電機轉(zhuǎn)動慣量太大產(chǎn)生的噪聲。該類型轉(zhuǎn)向器可用于中型車輛，以提供較大的助力。齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向器(R-EPS)的助力電機和減速增扭機構(gòu)則直接驅(qū)動齒條提供助力。由于助力電機安裝于齒條上的位置比較自由，因此在汽車的底盤布置

7、時非常方便。同時，同C-EPS和P-EPS相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于大型車輛上。直接助力式電動助力轉(zhuǎn)向器(D-EPS)的助力電機和減速增扭機構(gòu)同轉(zhuǎn)向齒輪形成了一個獨立的單元。它與C-EPS比較相似，兩者的主要區(qū)別是扭矩傳感器的安裝位置有所不同。通過優(yōu)化電控單元(ECU)內(nèi)部的算法，讓電機向齒條直接提供轉(zhuǎn)向助力可以獲得良好的轉(zhuǎn)向路感。3.EPS系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 3.1EP$系統(tǒng)的發(fā)展概況EPS系統(tǒng)最早是由日本的鈴木汽車公司于1988年2月開發(fā)的，裝備于Cervo的微型轎車，隨后還安裝在Alto上。1993年，本田汽車公司是世界上第一個把EPS作為標準裝備配置在高級運動跑車Acura N

8、SX的汽車生產(chǎn)商。此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到了迅速發(fā)展，日本的NSK、美國的DELPHI，TRw，英國的Lucas以及德國的zF等，都相繼研制出了各自的EPS系統(tǒng)。Ford和GM公司選擇了TRW公司提供的一種過渡技術(shù)，即電動液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)。大眾汽車公司則在其PQ35 GOLF平臺上采用了zF公司提供的復(fù)雜的雙小齒輪助力型EPS。在國外，EPS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍正從最初的微型車向高級轎車、商務(wù)車、商用車上發(fā)展，助力形式從低速范圍助力型向全速范圍助力型方向發(fā)展。目前國內(nèi)對EPS系統(tǒng)的研究，主要是針對微型轎車用“轉(zhuǎn)向柱助力型”EPS展開的。開展EPS系統(tǒng)研究的高校主要有：清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、華中科技大

9、學(xué)、北京科技大學(xué)、天津大學(xué)、江蘇大學(xué)、合肥工大、武漢理工大學(xué)、湖北汽車工業(yè)學(xué)院等。廣州本田飛度、思迪，昌河北斗星是國內(nèi)最早裝備EPS系統(tǒng)的車型，EPS使這些轎車成為參與市場競爭的亮點。3.2EP$系統(tǒng)建模和控制技術(shù)回顧3.2.1國外研究現(xiàn)狀在現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用方面，主要的研究成果有：Manu Parmar和John Y Hung對雙小齒輪型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了研究，建立了EPS系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，應(yīng)用LQR和Kalman濾波器設(shè)計了EPS系統(tǒng)的最優(yōu)控制器4。1998年，Zaremba A T等應(yīng)用H2控制理論以獲得良好的路感為目標，設(shè)計了H控制器，但沒有考慮控制系統(tǒng)的魯棒性。2000年，To

10、shio Kohno等應(yīng)用H 控制理論對齒條助力型EPS系統(tǒng)進行了研究，以提高EPS系統(tǒng)的魯棒性為控制目標，建立了EPS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了H控制器，在試驗臺上驗證了系統(tǒng)隨著輪胎彈性系數(shù)變化時的魯棒性問題。3.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀清華大學(xué)對EPS控制系統(tǒng)的基本助力控制、回正控制和阻尼控制進行了研究，設(shè)計了基于PID算法的控制策略5。吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)就EPS系統(tǒng)的匹配設(shè)計，轉(zhuǎn)向性能的客觀評價進行了研究67。江蘇大學(xué)對EPS系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，回正控制算法等進行了研究89。華中科技大學(xué)在轉(zhuǎn)向力矩、路感等方面進行了研究。天津大學(xué)對EPS系統(tǒng)的助力特性及系統(tǒng)穩(wěn)定性條件等方面進行了研究。4.EPS系統(tǒng)

11、的發(fā)展趨勢EPS未來的發(fā)展有兩個方向：一是提高EPS的系統(tǒng)控制性能，以便于在中、高級轎車上使用，這就需要引入諸如轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度等量而不僅僅局限于以車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩作為控制量，同時采用助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略以便提高EPS系統(tǒng)的性能；另一個是降低EPS系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)各部件可靠性和耐用性。據(jù)TRW公司預(yù)測，到2010年全世界生產(chǎn)的每3輛轎車中就有一輛裝備EPS，特別是低排放汽車(LEV)、混合動力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)、電動汽車(EV)4大EV汽車將構(gòu)成未來汽車發(fā)展的主體，這給EPS帶來了更加廣闊的應(yīng)用前景。5.結(jié)束語EPS系統(tǒng)涉及傳感器技術(shù)、微電子控

12、制、現(xiàn)代控制理論和傳統(tǒng)的機械設(shè)計，EPS代表未來汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向之一，將作為標配件裝備到汽車上，并將在動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。所以EPS具有非常廣闊的應(yīng)用前景，我國有必要加大投入進行研究開發(fā)。參考文獻：1王望予汽車設(shè)計M第4版北京：機械工業(yè)出版社，2004, 240.2王望予汽車設(shè)計M第4版北京：機械工業(yè)出版社，2004，244.3王望予汽車設(shè)計M第4版北京：機械工業(yè)出版社，2004，246.4MANU Parmar，JOHN Y HungA Sensorless Optimal Control System for an Automotive Electric Power Assist Steering SystemJIEEE TransOn Electronics2004，51(2).5陳奎元，馬小平，季學(xué)武電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)的研究J江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)