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1、汽车电气电子技术（12）哈工大网络与电气智能化研究所2015（秋）汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。一、对助力转向系统的要求对转向系统的要求，主要概括为转向的灵敏性和操纵的轻便性。高的转向灵敏性，要求转向器具有小的传动比，以小的转向盘转角迅速转向；好的操纵轻便性，则要求转向器具有大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得大的转向力矩。第十章汽车电动助力转
2、向系统第一节概述可见，上述两个要求是矛盾的。因此，在实际设计中，一般规定：当转向轮达到最大设计转角时，转向盘总转数不宜超过5圈，而转向盘操纵力最大不超过250N。为满足以上要求，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。尤其对中、重型车，由于轴荷重，助力转向几乎是惟一的选择。近年来，随着对小轿车舒适性要求的提高，助力转向的应用也比较普遍。助力转向系统应满足如下要求：1)能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。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
3、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。二、助力转向系统的功用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。助力转向是一种以驾驶员操纵转向盘（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。动力部分跟踪手动操作，产生与转向阻力相平衡的辅助力，使车辆进行转
4、向运动。与此同时，把部分输出力反馈给驾驶员，使其获得适当的手感，构成所谓的助力转向双动伺服机构，如图10-1所示。由于助力转向系统使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此已在汽车制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的助力转向系统的主要缺点是：如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率的动力转向系统会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；图10-1助力转向双动伺服机构反之，如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加
5、汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。电子控制技术在汽车助力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制助力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中、高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。三、助力转向系统的类型1传统液压式助力转向系统传统液压式助力转向系统(HPS)一般按液流的形式可分为常流式和常压式两种类型。常压式是指在汽车行驶中，无论转向盘是否转动，整个液压系统总是一直保持高压；常流式是指汽车在行驶中，不转动转向盘时，流量控制阀在中间位置，油路保持常通。随着高速公路的
6、不断延伸与轿车车速的不断提高，传统的液压式助力转向暴露出一个致命的缺点，即若要保证汽车在停车或低速调头时转向轻便，那么当汽车在高速行驶时就会感到有“发飘”的感觉；反之，若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度手感，那么当其要停车或低速调头时就会感到转向太重，两者不能兼顾。这是由传统液压式助力转向的结构所决定的。由于助力转向在轿车上的日益普及，对其性能上的要求已不再是单纯的为了减轻操作强度，而是要求其在低速调头时保证转向轻便性的同时，又能保证高速行驶时的操纵稳定性。为了达到上述要求，只有通过采用速度传感型的助力转向才能解决。所谓速度传感型的助力转向，是一种随着车速变化而自动调节操纵力的助力转向装置。车
7、速传感型助力转向在提高车辆操纵稳定性、安全性方面的作用很大。目前所采用的多为车速传感型助力转向，有两种基本形式：采用电子控制的液压式助力转向系统；采用电子控制的电动助力转向系统。2电子控制式液压助力转向系统电子控制式液压助力转向系统(EHPS)如图10-2所示，主要由电子控制系统、转向齿轮箱、油泵、分流阀等组成。电子控制式液压助力转向系统是通过控制电磁阀，使助力转向系统的油压随车速的变化而改变，在大转角或低速行驶时，转向轻便；在中、高速时，能获得具有一定手感的转向力。电子控制器(ECU)根据从轮速传感器传来的信号，判别汽车是处于停止状态还是处于低速行驶或高速行驶工况，再根据判别出的汽车状态，对
8、电磁阀线圈的电流进行线性控制，从而达到控制助力转向的目的。图10-2电子控制式液压助力转向系统1-锁销2-小齿轮轴3-左腔4-右腔5-活塞6-动力缸7-横拉杆8-齿条9-小齿轮10-转向齿轮箱11-柱塞12-油压反力室13-电磁阀14-油泵15-储油罐16-分流阀17-阻尼孔18-旋转阀19-扭杆20-控制阀轴当汽车低速行驶或大转角时，由于流经电磁线圈的电流较大，经分流阀分流后的油液就通过电磁阀返回储油罐。因此，作用在柱塞上的油压（油压反力室的压力）较小。这时作用在控制阀轴上的压力（反力）也就小，在转向盘的转向力作用下，扭杆就可能产生较大的扭转变化。控制阀就会随扭杆相对于与驱动小齿轮固定在一起
9、的旋转阀转过一个角度，使两阀的通道口相互连通，动力缸的右腔（左腔）就受到油泵油压的作用，驱动动力缸内的活塞向左（右）移动。产生一个较大的辅助力，从而增大了转向力。当汽车中、高速直行时，转向角较小，扭杆产生的扭转变形也很小，旋转阀与控制阀相互连通的通道口开度也减小，使旋转阀一侧的油压上升。由于分流阀的作用，此时电磁阀一侧的油量会增加。同时，伴随着车速的提高，电磁线圈内的电流会减小，电磁阀的节流开度也会缩小，使作用在油压反力室中的反力油压增加，柱塞作用到控制阀轴上的压力也随之增大。因此增加了转向操纵力，使驾驶员的手感增强，从而获得良好的转向路感。开始转向时，扭杆的扭转角会进一步减小，旋转阀与控制阀
10、相连的阀口开度也减小，使旋转阀一侧的油压进一步升高。伴随着旋转阀油压的升高，通过固定阻尼孔的油液也供给到油压反力室。通过分流阀向油压反力室供给的一定量的油液和通过固定阻尼孔的油液相加，进一步加强了柱塞的压紧力，使得此时的转向力相应于转向角呈线性增加，从而获得在高速行驶时的稳定转向操纵感。目前在用的电控式液压助力转向系统，无不例外地把普通的无助力的转向系统作为后备，一旦助力转向系统出现某种故障时，可以应急和用手转向把车开回。迄今为止，电子控制式液压助力转向系统已在轿车上获得应用。与此同时，也使得该系统结构更复杂、价格更昂贵，而且仍然无法克服液压助力系统的一些大的缺点，如效率低、耗能大等。3电动助
11、力转向系统电动助力转向系统(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。它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到高度重视。它符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。根据电动机布置位置不同，EPS可分为转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式等三种类型。转向柱助力式EPS的电动机固定在转向柱一侧，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
12、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。有些EPS中，电动机、离合器与减速机构往往结合成一个整体与转向轴成垂直布置。这类EPS有两种形式：转向轴助力式减速器被直接安装在转向盘下方；小齿轮（齿条）助力式减速器安装于齿轮齿条机构的小齿轮上。四、电动助力转向系统的特点电动助力转向系统(EPS)与液压助力转向系统(HPS)相比，具有很多优点：(1)助力性能优EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性；并且可通过设置不
13、同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。(2)效率高HPS为机械和液压连接，效率较低，一般为60%70%；而EPS为机械与电动机直接连接，效率高，有的可高达90%以上。(3)耗能少汽车在实际行驶过程中，处于转向的时间约占行驶时间的5%。对于HPS，发动机运转时，油泵始终处于工作状态，油液一直在管路中循环，从而使汽车燃油消耗率增加4%6%；而EPS仅在需要时供能，使汽车的燃油消耗率仅增加0.5%左右。(4)“路感”好由于EPS内部采用刚性连接，系统的滞后特性可以通过软件加以控制，且可以根据驾驶员的操作习惯进行调整。(5)回正性好EPS结构简单，内部阻力小，回正性好，从而可得到最佳的转向回正特性
14、，改善汽车操纵稳定性。(6)对环境污染少HPS液压回路中有液压软管和接头，存在油液泄漏问题，而且液压软管不可回收，对环境有一定污染；而EPS对环境几乎没有污染。(7)可以独立于发动机工作EPS以电池为能源，以电动机为动力元件，只要电池电量充足，不论发动机处于何种工作状态，都可以产生助力作用。(8)应用范围广EPS可用于各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车上；而对于环保型纯电动汽车，由于没有发动机，EPS为最佳选择。(9)装配性好且易于布置因为EPS系统零部件数目少，主要部件均可以组合在一起，所以整体外形尺寸比HPS小，这为整车布置带来方便，且易于在装配线上安装。第二节电动助力转向系统的结构
15、及工作原理一、电动助力转向系统结构EPS主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。其结构示意图如图10-3所示。图10-3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1转矩传感器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。目前采用较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器。它是在转向轴位置加一扭杆，通过扭杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到转矩。图10-4所示为图10-4转矩传感器的基本原理转矩传感器的基本原理。在转矩传感器中，用磁性
16、材料制成的定子和转子可以形成闭合的磁路，线圈A、B、C、D分别绕在极靴上，接成一个桥式回路。转向轴扭转变形的扭转角与转矩成比例，所以只要测定转向轴的扭转角，就可间接地知道转向力的大小。在线圈的U、T两端施加连续的脉冲电压信号Ui，当转向轴上的转矩为零时，定子与转子的相对转角也为零。这时转子的纵向对称面处于图示定子AC、BD的对称平面上，每个极靴上的磁通是相同的，因而电桥是平衡的，在V、W两端的电位差Uo=0。如果转向轴上存在转矩时，定子与转子的相对转角不为零，此时转子与定子间产生如图10-4所示的角位移。极靴A、D间的磁阻增加，B、C间的磁阻减少，各个极靴的磁通产生差别，电桥失去平衡，在V、W
17、之间出现电位差。这个电位差与转向轴的扭转角和输入电压Ui成比例。若比例系数为k，则有由V、W两端的电位差Uo就可以知道转向扭转角，从而便可以知道转向轴的转矩。另外，也有采用非接触式转矩传感器的，图10-5所示就是非接触式转矩传感器中的一对检测环。其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，检测环之间的空气间隙发生变化，从而引起检测线圈电磁感应系数变化。非接触式转矩传感器的优点是体积小、精度高，缺点是成本较高。1-检测环2-输入轴3-检测线圈4-输出轴图10-5非接触式转矩传感器2车速传感器车速传感器常采用电磁感应式传感器，安装在变速器上。该传感器根据车速的变化，把主副两个系统的脉冲信号传
18、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。电动机是影响EPS性能的主要因素之一，不仅要求低转速大转矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、控制性能好。在电动机设计时，应着重考虑如何提高路感、降低噪声和振动，如在电动机转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽、靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等来提高电动机的性能。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右图所示。图中a1、a2为触发信号端，从微机系统的D/A转换器得到的直流信号输入到
19、a1、a2端，用以触发电动机产生正反转。当a1端得到输入信号时，晶体管VT3导通，VT2得到基极电流而导通，电流经VT2的发射极和集电极、电动机M、VT3的集电极和发射极搭铁，电动机有电流通过而正转。当a2端得到输入信号时，晶体管VT4导通，VT1得到基极电流而导通，电流经过VT1的发射极和集电极、电动机M、VT4的集电极和发射极搭铁，电动机有反向电流通过而反转。控制触发信号端的电流大小，就可以控制电动机通过电流的大小。4离合器离合器采用干式电磁离合器，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
20、障时，离合器将自动断开。为了提高性能，离合器设计成具有磁滞特性，并可实现无级离合。干式单片电磁离合器的工作原理如图10-7所示。1-滑环2-线圈3-压板4-花键图10-7电磁离合器工作原理5-从动轴6-主动轮7-滚子轴承8-电动机工作电压DC12V，额定转速时传递转矩为15Nm，线圈电阻(20时)为19.5。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动机轴、主动轮、压板、花键、从动轴传递给执行机构。由于转向助力的工作范围限定在某一速度区域内，所以离合器一般设定一个车速范围，例如当车速超过30km/h时，离合器便分离，电动机也停止工作，
21、这时就没有辅助转向的作用。当电动机停止工作时，为了不使电动机和离合器的惯性影响转向系统的工作，离合器也应及时分离，以切断辅助动力。当系统中电动机等发生故障时，离合器会自动分离，这时仍可以恢复手动控制转向。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器状态区域。5减速机构减速机构用来增大电动机的输出转矩，主要有两种形式：蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向柱助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用树脂材料制成，有的采用特殊齿形。6电子控制单元EPS的电子控制单元(E
22、CU)通常是一个8位单片机系统，由一个8位单片机，另加一个256B的RAM、4KB的ROM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动机控制电路，由控制电路决定电动机作用的大小和方向。此外，ECU也有采用数字信号处理器(DSP)作为控制单元的。控制系统与控制算法也是EPS的关键之一，控制系统应具有强抗干扰能力，控制算法应快速准确，以满足实时控制的要求。ECU还具有安全保护和故障诊断功能。ECU通过采集电动机电压、转速等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，ECU将进
23、行故障诊断分析，单片机将记录下故障类型，点亮仪表板上的故障灯，同时ECU上的故障码显示灯点亮，离合器断开，助力被取消，系统转入人工转向状态。二、电动助力转向系统工作原理如图10-3所示，电动助力转向系统的工作原理是：不转向时，助力电动机不工作；而当转向盘转动时，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，在离合器接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、
24、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。第三节电动助力转向的控制方法一、电动助力转向的控制原理电子控制电动助力转向控制系统如图10-8所示。该系统的核心是一个有4KB ROM和256B RAM的8bit微机。图10-8电子控制电动助力转向的控制系统转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的升高，微机控制相应地降低助力电动机电流，以减小助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。点火
25、开关的通断(ON/OFF)信号经A/D转换接口送入微机。当点火开关断开时，电动机和离合器不能进入工作。微机控制指令经D/A转换接口送入电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转转向和离合器的离合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机，将电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。随着汽车车速和转向转矩的变化，助力电动机通过的电流也应变化。二、电动助力转向的控制策略EPS系统可以对转向过程中的每个环节(转向/回正/中间位置)进行精确控制，从而提高汽车转向助力性能。微机可以根据各种传感器的信号，判断转向状态，选择执行不同控制模
26、式，并根据这些要求制定EPS的控制策略。1助力控制助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电动机转矩作用到机械转向系统（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。助力控制的驱动方式为（参见图10-6电动机控制电路）：使晶体管VT1导通，VT2、VT3截止，VT4斩波。该控制利用电动机转矩和电动机电流成比例的特性，由转向盘转矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器单片机中，根据预制的不同车速下“转矩电动机助力目标电流表”，确定电动机助力的目标电流，通过对反馈电流与电动机目标电流相比较，利用PID调节器进行调节，输出PWM信号到驱动回路，以驱动电
27、动机产生合适的助力。2回正控制回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。汽车在行驶过程中转向时，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制主要用于低速行驶，此时电动机控制电路实行断路，即四个晶体管均处于截止状态，保持机械系统原有的回正特性。对于高速行驶，为防止转向回正超调，采用阻尼控制方式。3阻尼控制阻尼控制是汽车运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式。汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行
28、驶稳定性。为提高直线行驶的稳定性，在死区范围内进行阻尼控制。电动机理想模型的基本方程为式中分别为电动机的端电压和电枢电流；分别为电动机转速和电动势常数；分别为电动机等效内阻和电感。EPS系统中所用电动机的电枢电感很小，产生的感应电动势可忽略不计。若将电动机两端短路，则有因此，用一定占空比的PWM信号在电动机控制电路内部使电动机短路，电动机旋转产生的反电动势形成阻碍电动机继续旋转的阻尼转矩，改变占空比，即改变了阻尼转矩的大小。三、电动助力转向的控制逻辑目前一般由计算机控制的电动动力转向系统为车速感应控制型。根据汽车理论，随着车速的提高，给予转向盘的辅助动力应该相应地减小。也就是说，随着车速的升高
29、，助力电动机的电流应该减小。然而，在实际的控制中，电动机电流呈现下降变化规律。在起动和低速时电动机电流的变化比较大，因为在车速极低时，转向盘上所需的转矩比中速时大得多。当车速超过30km/h时，转向盘上的操纵力很小，为了保持一定的操作手感，这时助力电动机和电磁离合器停止工作。另外，助力电动机的电流还随着转向盘转矩的增加而增加，当转向盘转矩增加到一定程度后，在一定的车速范围内，电动机电流就维持不变。因为更大的转向盘转矩出现的概率很小，所以从整体上说对驾驶员的转向操纵力影响不大。助力电动机的控制逻辑如图10-9所示。图10-9助力电动机控制逻辑四、电动助力转向的控制流程根据控制策略和控制算法，设计
30、相应的控制软件。控制软件流程图如图10-10所示。图10-10控制软件流程图采集发动机转速信号采集转矩信号转矩=0？开始采集车速信号车速30km/h？闭合离合器结束对输入信号进行处理，并输出电流指令信号采集检测电路信号故障诊断无故障？断开离合器，判断故障类型，输出故障码YYY思考题与习题1、简述对助力转向系统的基本要求。2、电动助力转向系统具有哪些特点？3、试分析电动助力转向系统的工作原理。4、简述电动助力转向系统的控制原理及控制策略。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH