汽車電子控制轉向技術的發(fā)展趨勢

1、汽車電子控制轉向技術的發(fā)展趨勢隨著電子技術的迅速發(fā)展，電子技術在汽車上的應用范圍不斷擴大。汽車轉向系統(tǒng)已從簡單的純機械式轉向系統(tǒng)、液壓動力轉向系統(tǒng)（HydraulicPowerSteering ,簡稱HPS、電動液壓助力轉向系統(tǒng)（ElectricHydraulicPowerSteering ,簡稱EHPS發(fā)展到如今的更為節(jié)能及操縱性 能更為優(yōu)越的電動助力轉向系統(tǒng)（ElectricalPowerSteering ,簡稱EP9 。EHPSF口EPS等助力系統(tǒng)在汽車上的采用，改善了汽車轉向力的控制特性，降低了駕駛員的 轉向負擔，然而汽車轉向系統(tǒng)始終處于機械傳動階段，由于轉向傳動比固定，汽車 轉向特性

2、隨車速變化進行一定的操作補償，從而控制汽車按其意愿行駛。如果轉向 盤與轉向輪通過控制信號連接，即采用電子轉向系統(tǒng)（ Steering-By-WireSystem , 簡稱SBWS ,轉向盤轉角和汽車前輪轉角之間關系（汽車轉向的角傳遞特性）的設 計就可以得到改善，從而降低駕駛員的操縱負擔，改善人一車閉環(huán)系統(tǒng)性能。本文 綜述了電子控制轉向技術的發(fā)展、原理，并探討了該項技術的發(fā)展趨勢。一、電子控制轉向系統(tǒng)的發(fā)展概況自1953年通用汽車公司在凱迪拉克和別克轎車上首次批量使用液壓動力轉 向系統(tǒng)以來，液壓動力轉向系統(tǒng)給汽車的發(fā)展帶來了巨大的變化，使駕駛員的轉向 操縱力大大降低，轉向的靈敏性得到了提高。隨著

3、生產技術的發(fā)展，動力轉向系統(tǒng) 在體積、價格和所消耗的功率等方面都取得了驚人的進步。在20世紀80年代后期，又開發(fā)了變減速比、電控液壓動力轉向系統(tǒng)。但是動力轉向系統(tǒng)的技術革新都是基 于液壓動力轉向系統(tǒng)的，無法消除HPS系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷。直到1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉向系統(tǒng)，才真正擺脫了液壓動力轉向系統(tǒng)的束縛1。此后，電動助力轉向技術得到迅速發(fā)展，其應用范圍已經從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國 的Delphi公司，英國的Lueas公司，德國的ZF公司，都

4、研制出了各自的 EPS如 大發(fā)汽車公司在其 Mira車上裝備了 EPS三菱汽車公司在其 Minica車上裝備了 EPS 本田汽車公司在 Accord車上裝備了 EPS Delphi公司已經為大眾的 Polo、菲亞特 Punto開發(fā)出EPS2。本田還在其 AcuraNXS賽車上裝備了 EPS3。EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形 式與功能也進一步加強。日本早期開發(fā)的EPS僅僅在低速和停車時提供助力，高速時EPS將停止工作。新一代的 EPS則不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高 速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。如日本鈴木公司裝備在WagonR車上的EPS是一個負載-

5、路面-車速感應型助力轉向系統(tǒng)4。由Delphi公司為Funte車開發(fā)的EPS為全 范圍助力型，并且設置了兩個開關，其中一個用于郊區(qū)，另一個用于市區(qū)和停車。 當車速大于70km/h后，這兩種開關設置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時有合適的路感，這樣即使汽車行駛到高速公路時駕駛員忘記切換開關也不會發(fā)生危險。 市區(qū)型開關還與油門有關，使得在踩油門加速和松油門減速時，轉向更平滑。隨著電子技術的發(fā)展，EPS技術日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其 應用范圍將越來越大。早在20世紀60年代末，德國Kasselmann等試圖將轉向盤與轉向車輪之間 通過導線連接（即電子轉向系統(tǒng)），但由于當時電子和控制技

6、術的制約，電子轉向 系統(tǒng)一直無法在實車上實現(xiàn)。奔馳公司于1990年開始了前輪電子轉向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并將其開發(fā)的電子轉向系統(tǒng)應用于概念車F400Carving上。世界其他各大汽車廠家、研發(fā)機構（包括 Daimler-Chrysler 、寶馬、ZF、DELPHI TRW享）以及日本 的光洋（Koyo）精工技術研究所、日本國立大學、本田汽車公司等也先后對汽車電 子轉向系統(tǒng)做了深入研究。目前許多汽車公司開發(fā)了自己的電子轉向系統(tǒng)，一些國 際著名汽車生產商已在其概念車上安裝了該系統(tǒng)。日本Koyo技術研究所根據(jù)他們自己的研究試驗結果，利用電子轉向系統(tǒng)進 行主動控制的汽車，在摩擦系數(shù)很小的堅實雪地上進行蛇行

7、、移線、側向風試驗中 基本按照預定的軌跡行駛，比傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)在路線跟蹤性能上有較大的提高。在對 開路面上進行制動試驗也能基本保證汽車的直線行駛，制動距離也大大縮短。日本大學和本田汽車公司在汽車電子轉向系統(tǒng)方面也做了一些理論工作和模擬器試驗研究。他們從人一車閉環(huán)系統(tǒng)特性出發(fā)，設計了理想的轉向系統(tǒng)傳動比，使汽車的穩(wěn)態(tài)增益不隨車速變化，并重點研究了駕駛員角控制特性和力控制特性對 汽車主動安全性的影響。寶馬汽車公司的概念車 BMWZ22應用了 SBW羽B(yǎng)BVVBrake-By-Wire ）技術, 轉向盤的轉動范圍減少到了 160 ,使緊急轉向時駕駛員的忙碌程度得到了很大程 度的降低。目前由于汽車供電系

8、統(tǒng)的因素，轉向電動機難以提供較大功率，現(xiàn)階段電子轉向系統(tǒng)的研究以及近期的應用對象主要針對轎車。要在重型載貨汽車上應用，還 必須采用液壓執(zhí)行機構。隨著蓄電池技術的發(fā)展和42V電子設備在汽車上的應用，全電子轉向系統(tǒng)將應用到中型和重型車上。目前，42V電源已經在一些概念車上得到應用，通用的“自主魔力”和 Bertone的“FILO”者B采用了 42V電源。國內動力轉向器目前還處于機械一液壓動力轉向階段，對于電動助力轉向系統(tǒng)，清華大學、北京理工大學、華南理工大學等高校開展了系統(tǒng)結構方案設計和系 統(tǒng)建模及動力分析等研究， 但目前還沒有實用的電動助力轉向系統(tǒng)和電子轉向系統(tǒng)。二、EPS的組成原理和分類（一）

9、EPS的組成電動助力轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉向機構的基礎上發(fā)展起來的。系統(tǒng)通常由轉矩傳感器、車速傳感器、電子控制器、電動機、電磁離合器和減速機構等組成5Alto汽車電子控制動力轉向系統(tǒng)的組成如圖1所示。91輪脅工橫粒桿 3 一轉向廝輪4席匐帕條 5,輸出輪 &電m離合器 7.助力電通機亂電干控制器 9,轉隔企 lOttAtt1轉向軼111歲蛔推惠鞋1工扭力桿HBI Alto汽率電子挖動力,向累甚的融成（二）EPS的原理電子控制動力轉向系統(tǒng)是利用電動機作為助力源，根據(jù)轉向參數(shù)和車速等， 由微機完成助力工作的，其原理可概述如下。不轉向時，電動機不工作；當操縱轉向盤時，裝在轉向盤軸上的轉矩傳感器 不斷

10、檢測轉向軸上的轉矩，并由此產生一個電壓信號，該信號與車速信號同時輸入 電子控制器，由控制器中的微機根據(jù)這些輸入信號進行運算處理，確定助力轉矩的 大小和方向，即選定電動機的電流和轉向，調整轉向的輔助動力。電動機的轉矩由 電磁離合器通過減速機構減速增矩后，加在汽車的轉向機構上，使之得到一個與工 況相適應的轉向作用力。電子控制電動助力轉向控制系統(tǒng)的核心是一個4kBROM口 256kBRAM勺8位微機。轉向盤轉矩信號和車速信號經過輸入接口送入微機，隨著車速的提高，通過微機控制相應地降低助力電動機電流，以減少助力轉矩。發(fā)動機轉速信號也被送入 微機，當發(fā)動機處于怠速時，由于供電不足，助力電動機和離合器不工

11、作。點火開 關的通斷（on/off ）信號經A/D轉換接口送入微機，當點火開關斷開時，電動機和 離合器不能工作。微機控制指令經D/A轉換后送入電動機和離合器的驅動放大電路中，控制電動機的旋轉方向和離合器的結合。電動機的電流經驅動放大回路、電流 表A、A/D轉換接口反饋給微機， 將電動機的實際電流與按微機指令應給的電流相比 較，調節(jié)電動機的實際電流，使兩者接近一致。（三）EPS分類根據(jù)電動機驅動部位的不同，將電動助力轉向系統(tǒng)分為3類：轉向軸助力式、轉向器小齒輪助力式和齒條助力式 6-10。圖1為轉向軸助力式轉向系統(tǒng)。其轉矩傳感器、電動機、離合器和轉向助力機 構組成一體，安裝在轉向柱上。其特點是結

12、構緊湊，所測取的轉矩信號與控制直流電動 機助力的響應性較好。這種類型一般在轎車上使用。小齒輪助力式轉向系統(tǒng)的轉矩傳感器、電動機、離合器和轉向助力機構仍為一 體，只是整體安裝在轉向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可獲得較大的轉向力。該形式 可使各部件布置更方便， 但當轉向盤與轉向器之間裝有萬向傳動裝置時，轉矩信號的取 得與助力車輪部分不在同一直線上，其助力控制特性難以保證準確。齒條助力式轉向系統(tǒng)的轉矩傳感器單獨地安裝在小齒輪處，電動機與轉向助力 機構一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據(jù)減速傳動機構 的不同可分為兩種：一種是電動機做成中空的。齒條從中穿過，電動機的動力經一對斜

13、齒輪和螺桿螺母傳動副以及與螺母制成一體的較接塊傳給齒條。這種結構是第一代電動助力轉向系統(tǒng)，由于電動機位于齒條殼體內，結構復雜，價格高，維修也困難。另一種 是電動機與齒條的殼體相互獨立。電動機動力經另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本低，已取代了第一代產品。因為齒條由一個獨立的齒輪驅動，可給系統(tǒng)較大 的助力，主要用于重型汽車。三、電子轉向系統(tǒng)電子轉向系統(tǒng)（Steering-By-WireSystem , SBWS由轉向盤模塊、轉向執(zhí)行模 塊和主控制器（ECU 3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成，如圖 2 所示。轉向盤模塊包括轉向盤、轉向盤轉角傳感器、轉矩傳感器和轉向盤回正

14、力矩電動機。其主要功能是將駕駛員的轉向意圖（通過測量轉向盤轉角）轉換成數(shù)字信號并傳遞 給主控制器；同時接收主控制器送來的力矩信號，產生轉向盤回正力矩，以提供給駕駛 員相應的路感信息1轉向盤工衿角伸晦Hk特短傳嘉修與何正力地電衲機工陸 障合修4.小函檢轉由傳器崩5主電機亂偏航龜逋度 傳騏題和建傳播髭 工故障處理控制H 也主控制部網工電子*陶事統(tǒng)的虜通甌轉向執(zhí)行模塊由前輪轉角傳感器、轉向執(zhí)行電動機、轉向電動機控制器和前輪 轉向組件等組成。其主要功能是接收主控制器的命令，控制轉向電動機實現(xiàn)要求的前輪 轉角，完成駕駛員的轉向意圖。主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，向轉向盤回正力 矩

15、電動機和轉向電動機發(fā)送命令，控制兩個電動機的工作，盡可能保證在不同車速下汽 車轉向響應特性基本一致，減少駕駛員對汽車轉向特性隨車速變化而進行補償?shù)娜蝿眨?減輕駕駛員負擔。同時控制器還可以對駕駛員的操作指令進行識別，判定在當前狀態(tài)下 駕駛員的轉向操作是否合理， 當汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時，電子轉 向系統(tǒng)將自動進行穩(wěn)定控制或將駕駛員錯誤的轉向操作屏蔽，而以合理的方式自動駕駛車輛，使汽車盡快地恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。故障處理控制器是電子轉向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級作出相應的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行 駛。它采用單獨的專用處理器，能更

16、好地提高汽車安全性能。電子轉向系統(tǒng)目前存在兩種形式 ：前輪電子轉向系統(tǒng)和后輪電子轉向系統(tǒng)。前者，傳統(tǒng)的轉向元件被2個布置在汽車前側角落的激勵器所代替，這2個激勵器從控制器獲取信息，從而驅動前輪，同時，該系統(tǒng)還利用電動機向駕駛員提供路面信息。至于 后輪電子轉向系統(tǒng)，則是利用傳感器來確定后輪的偏轉，并以前輪的偏轉角度和車速作為參考。四、電子控制動力轉向系統(tǒng)的特點將電子控制動力轉向系統(tǒng)同普通液壓動力轉向系統(tǒng)的性能進行比較8-12,其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方面。.在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起的對轉向系統(tǒng)的擾 動，改善汽車的轉向特性，減輕汽車低速行駛時的轉向操縱力，提高汽車高速行

17、駛時的 轉向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。并且可通過設置不同的轉向助力特性來滿足 不同使用對象的需要。.電子控制動力轉向系統(tǒng)只有在轉向時電動機才提供助力（而HPS即使在不轉向時，油泵也一直運轉），因而能減少燃料消耗。同時取消了油泵、皮帶、皮帶輪、液 壓軟管等，其零件比HPS*大減少，因而其質量輕，結構緊湊，在安裝位置選擇方面也 更容易，并且能降低噪聲、節(jié)省能源、減少廢氣排放。.由于直接由電動機提供助力，電動機由蓄電池供電，因此EPS能否助力與發(fā)動機是否起動無關，即使在發(fā)動機熄火或出現(xiàn)故障時也能提供助力。.電子控制動力轉向系統(tǒng)沒有液壓回路，比HPS更容易調整和檢測，裝配自動化程度更高。并且可

18、以通過設置不同的程序能快速地與不同車型相匹配，因而能縮短開 發(fā)和生產周期。.液壓動力轉向系統(tǒng)在低溫下起動發(fā)動機后，由于低溫下油的粘度較大，轉向 時作用力較高。電動助力轉向系統(tǒng)在低溫下不會增加轉向作用力和發(fā)動機負荷，因而其 低溫運行狀況好于前者。.SBWS系統(tǒng)還能改善駕駛員的“路感”。由于轉向盤和轉向輪之間無機械連接， 駕駛員“路感”通過模擬生成。在回正力矩控制方面可以從信號中提出最能夠反映汽車 實際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為轉向盤回正力矩的控制變量，使轉向盤僅僅向駕 駛員提供有用信息，從而為駕駛員提供更為真實的“路感”。.SBWS能消除轉向干涉問題，為實現(xiàn)多功能全方位的自動控制以及汽車動態(tài)

19、控 制系統(tǒng)和汽車平順性控制系統(tǒng)的集成提供了顯著的先決條件。8.對前輪驅動汽車，在安裝發(fā)動機時需要考慮剛性轉向軸占用空間，轉向軸必 須依據(jù)汽車是左側還是右側駕駛，安裝在發(fā)動機附近，設計人員必須協(xié)調處理各種需要 安排部件。而SBW法掉了原來轉向系統(tǒng)各個模塊之間的剛性機械連接，大大方便了系 統(tǒng)的總布置。五、電子控制動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢電動助力轉向系統(tǒng)經過十幾年的發(fā)展，在降低自重、減少生產成本，控制系統(tǒng) 發(fā)熱、電流消耗、內部摩擦，整車進行匹配獲得合理的助力特性以及保證良好的路感方 面取得了重大進步。電動助力轉向系統(tǒng)在操縱舒適性和安全性、節(jié)能等方面充分顯示了其優(yōu)越性，如今已在輕型車和轎車上得到應用并具有良好的工作性能。隨著直流電機性能的改進，其應用范圍將越來越廣。據(jù)TRWA司預測，到2010年，全世界生產的每 3輛轎車中就有1輛裝備EPS特別是低排放汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、電動 汽車將構成未來汽車發(fā)展的主體，這給電子控制轉向系統(tǒng)帶來了更加廣闊的應用前景。盡管目前在歐洲