汽車電動轉向設計的有關問題分析

畢大寧，康富生，呂斌

(山東先河悅新機電股份有限公司，山東 淄博 255120)

1 電動轉向系統設計目的

電動轉向系統設計的控制目標:如何在不同車速和不同轉角下，根據傳感器測量的扭矩信號、儀表盤提供的車速信號，使控制器CPU按著一定的規律提供適當的控制電流，從而使電機提供不同的助力，使汽車在轉向過程中達到最大助力和阻尼效果。

當前汽車轉向系統在整車操縱穩定性方面存在兩大問題:

(1)汽車高速行駛時，方向盤發飄問題。

(2)汽車進入轉向過程后，松開方向盤車輪回正時轉向輪產生擺頭現象。

現在這些問題由于在汽車轉向系統采用了EPS技術后都有望獲得解決。首先，汽車采用EPS技術可以在汽車高速行駛時降低助力甚至于增加阻尼達到增加轉向手力的目的，使駕駛員在高速行駛時操縱方向盤有沉重感，不再有發飄的感覺。一般來說，日本的資料表明在車速30 km/h開始電動轉向系統開始起作用，方向盤開始有沉重感。分30～40 km/h、40～60 km/h兩階段減小助力，60 km/h以后不再減小助力了同時應適當增大阻尼，前一階段減得快、后一階段減得慢。這樣做基本上解決了發飄問題。其次，汽車采用EPS技術以后，還要采用新型的既能表示方向盤扭矩也能表示方向盤所轉角度的傳感器。控制器(EPS)還要增加控制功能:在轉向輪回到0°(直線行駛位置)時能自動克服慣性主動停下來(控制電機制動，甚至反向助力)，使車輪不產生擺頭或只產生盡量小的擺頭。這樣一來EPS除解決了方向盤發飄問題外，也解決了轉向輪產生擺頭的問題。

所以采用了EPS后，汽車在整車操縱穩定性、轉向輕便性和安全性諸方面均獲得非常滿意的效果。

2 電動轉向系統設計要求

電動轉向系統的工作規律就是應按汽車理想的轉向助力模型進行工作。這個理想的助力模型就是為解決方向盤“發飄”問題而建立的。在汽車提高車速的過程中既要保持輕便，又要逐漸地相對地增加沉重感覺(圖1)。

2.1 電動轉向系統理想助力模型的要求

(1)隨方向盤轉動方向不同，電機轉動方向不同。

(2)隨方向盤轉動速度增大，電機轉速增大;反之亦然。

(3)隨方向盤轉角增大，電機輸出扭矩按一定規律增大;反之亦然。

(4)隨汽車車速增大，電機輸出扭矩按一定規律減小。隨汽車車速減小，電機輸出扭矩按一定規律增大。

(5)各元件均有快速、協調和準確的響應。

2.2 對EPS系統設計要求

2.2.1 系統的穩定與安全性設計

在受到地面沖擊或外界橫向力(如側風)作用時產生反向力矩，保持方向穩定和恢復正常行駛。

2.2.2 系統的無故障設計

提高元器件安全系數，各部件必須經過嚴格出廠檢測，實現誤操作保護設計(保護性電路設計，個別系統中個別部位電壓、電流和溫度保護)。

2.2.3 系統的失效保護設計

防止單個元件損壞影響其他元器件正常工作(采用各種保護電路)，ECU失效后，可恢復機械轉向器直接工作。

2.2.4 系統的故障代碼設計

系統的故障代碼設置應從以下幾個方面考慮:

(1)系統正常;

(2)扭矩傳感器系統異常;

(3)車速傳感器信號系統異常;

(4)電子控制器(ECU)工作異常;

(5)電磁離合器異常;

(6)電動機異常;

(7)線路異常;

(8)電源異常(蓄電池電壓不足)。

2.3 EPS系統設計所需要的信號

2.3.1 車速信號

車速信號一般來自電子儀表盤或車速傳感器。

北斗星汽車的車速信號在車速為60 km/h時應為42.47 Hz，此時端子電壓在7 V以下，輸出電流20 mA以下，T=1 ms(圖 2)。

北斗星汽車的電子儀表盤上，車速儀表速比為1∶637，相當于每1 km/h時有5096個脈沖(1.42/s)，如利用電子儀表盤4P接口，其為半波，應有2548個脈沖(0.71/s)。100 km/h時應有254800個脈沖(71/s)。

2.3.2 扭矩信號

實際上扭矩信號來自傳感器，由于轉向軸扭矩通過對電機的控制技術，采用CPU芯片對電機進行脈寬調制控制。

這種扭矩傳感器在±5 V電源供電時，實際上輸出為1.37～3.63 V電壓信號，2.5 V是直線行駛時的零點信號。也可以認為直線行駛時為0 V，兩個方向為±1.13 V(圖3)。

2.3.3 發動機工作信號

發動機工作信號直接來自發動機點火線圈，發動機每2轉4個脈沖。該波形應為單向波形(圖4)。

2.4 對電機的控制

2.4.1 控制要求

(1)電機的隨動控制——方向盤在包括中間位置在內的任意位置停止轉動，電機能迅速停止轉動。無滯后、沉重感。

(2)電機的中位控制——電機在方向盤中位進行阻尼控制，以保證中間位置路感。

(3)電機的慣性控制——電機在啟動、換向或停止轉動時應進行慣性控制或慣性補償，防止慣性沖擊。

(4)電機的回正控制——保證電機在完成轉向動作后迅速回正到中位，有回正功能。

(5)電機的溫度補償控制——解決由溫度升高導致電機輸出功率下降問題。

2.4.2 對電機的保護控制

(1)過載保護裝置——有電機電流測量模塊，限制電流過載。

(2)溫度保護裝置——根據溫度對傳感器功能的影響，電機電流超過設定值。會按一定規律增加;當電機電流低于設定值，會恢復原來設定值。

(3)防水保護——加密封圈、增加防水插頭、插座。

(4)電路系統故障保護——無故障設計，雙回路設計。

(5)失效保護——過去都是應用電機的離合器故障燈亮來實現。

3 當前國內電動轉向各總成研制的幾個問題

3.1 EPS系統設計有關問題

3.1.1 程序設計問題

如何在不同車速和不同轉角下發揮電機根據傳感器測量的扭矩信號、車速信號提供電機不同的控制電流，從而提供不同的電機助力能力，達到最大助力效果。一方面要按一定的數學模型(算法)或理想的轉向手力模型(查表+曲線擬合)實現對電機的控制。另一方面要實現對電機的各種保護，防止出現溫度、干擾等的影響。

控制器設計的兩大問題:

(1)芯片選型:功能、價格(性價比);

(2)實施方案:算法、控制邏輯、電路板設計、電路板工藝。

3.1.2 供電問題

(1)電源必須濾波以防干擾;

(2)線路、輸入線、控制盒屏蔽以防干擾;

(3)供電電流應為純直流脈沖方波供電;

(4)控制電流的修正要按著上述對電機的控制和保護要求進行。

3.2 控制器的設計

3.2.1 控制器的設計要點

控制器是根據對傳感器測量的扭矩信號、角度信號、車速信號綜合分析后，按一定規律(模型)向電機提供不同的控制電流。從而提供不同的電機助力能力。在不同車速和不同轉角下發揮電機的最大優化助力效果。

3.2.2 控制器的控制功能

要實現以下對電機的控制:

(1)性能控制——按一定的轉向手力模型實現控制;

(2)隨動性能——無滯后，無沉重感;

(3)慣性控制——防慣性沖擊;

(4)中位控制——中間位置路感;

(5)回正控制——有回正功能;

(6)阻尼控制——高速時增大轉動阻力;

(7)熱補償控制——溫度超限進行功率補償;

(8)若能做到摩擦補償的控制則是最理想的。

3.2.3 控制器本身應具備的能力

(1)具有自檢功能和故障代碼儲存功能;

(2)具有故障模式顯示功能;

(3)具有抗電源電壓波動適應能力;

(4)具有抗電流、電壓過載能力;

(5)具有失電保護能力。

3.2.4 對電機的控制方法

采用單板機芯片對電機進行脈寬調制(PWM)控制。

脈寬調制頻率PWM與車速關系曲線如圖5所示。

3.2.5 對電機的保護控制

(1)過載保護裝置——有電機電流測量模塊，限制電流過載。

(2)溫度保護裝置——根據溫度對傳感器功能的影響，電機電流超過設定值。就會按著一定規律增加;當電機電流低于設定值，會恢復原來設定值。

(3)防水保護——加密封圈、增加防水插頭、插座。

(4)電路系統故障保護——無故障設計，雙回路設計。

(5)失效保護——電磁離合器脫開(故障燈亮)。

3.2.6 故障顯示

(1)故障燈顯示。

(2)故障代碼顯示。

(3)數據接口——專門故障代碼檢查設備(待開發)。

(4)國內尚無統一通信協議。

介紹某汽車的故障代碼實例如下:

故障指示以長短編碼方式給出，長碼寬度1.5 s，短碼寬度0.5 s，間隔0.5 s，長短碼間隔2 s，主碼間隔3 s(圖6)。編碼應符合表1規定。

表1 編碼規定

3.3 電機設計有關問題

(1)性能，特別是低速性能。

(2)提高功率。

(3)尺寸。

(4)壽命。

(5)無刷電機。

3.4 傳感器設計有關問題

(1)精度(獨立線性度≥ ±2.0%，重復性誤差≤ ±1.0%，信號對稱度≥97%)。

(2)壽命(200萬次以上)。

(3)反映實際轉角和扭矩。

(4)降低成本。

(5)便于安裝。

(6)防止零飄。

3.5 電動轉向系統開發時應注意的問題

3.5.1 C-EPS系統

將此系統安裝在乘客艙內，開發工作集中在以下三點:

(1)縮小軸向尺寸，保證轉向軸的防沖撞功能;

(2)電機位置不與其他部件干涉;

(3)控制器的安裝位置不應遠離電機。

有關此系統的構造截面圖如圖7所示。系統包括EPS單元，其中有扭矩傳感器，減速器和電機，加在傳統的齒輪齒條手動轉向器上，這種構造通過EPS單元控制著轉向助力的功能。

3.5.2 P-EPS系統

現在大批量生產的C-EPS的控制器，都安裝在乘客艙內。但是P-EPS控制器卻必須安裝在條件更為惡劣的發動機艙內。因此，要在傳統的控制器的基礎上考慮增力系統，加裝過載保護，溫度過熱保護和防水結構。

由于P-EPS安裝在發動機艙內，其穩定溫度設定在120℃，遠高于C-EPS。因此，由于工作溫度范圍較大，不變的過載保護控制器會降低效率，故可采用溫度感應器。其作用是通過安裝在扭矩傳感器上的熱敏電阻來感知P-EPS系統的環境溫度，這樣控制器就可以進行過載保護控制，以與P-EPS系統的環境溫度(工作溫度)保持一致。

其結構圖如圖8所示，這是典型的P-EPS產品。

3.5.3 S-EPS系統

循環球電動轉向器S-EPS的工作狀態與其他電動轉向器是一樣的，只不過其機械轉向器部分是循環球－齒條齒扇傳動結構(圖 9)。

在其系統的設計中，最要考慮的是電機位置的確定。當然對于2噸以上的貨車轉向器周圍安裝空間較大，但是對于小噸位吉普車和皮卡車來說其安裝空間較小，周圍部件對于電機的位置是要仔細設計的，一般汽車廠家要求與周圍部件要保持20 mm安全距離，所以要充分考慮安裝的空間位置。

這種S-EPS系統一樣是安裝在發動機艙里，所以在安裝方面的要求是相同的。除了考慮高溫的影響外同樣要考慮防水的結構問題。

3.6 對轉向系統性能影響的因素

3.6.1 要研究反向滑動負載對系統性能的影響

增加減速蝸輪蝸桿的速比是提高系統的輔助增力的一種常見方法。然而，這會不可避免地導致有刷電機的慣性增加和扭矩降低，其作用在轉向柱上導致方向盤的不完全回正，這是EPS系統的一個缺點。為了解決這個問題，在充分考慮到客戶要求——轉向齒輪的安裝空間，轉向響應，轉向手感和齒條力后，盡可能地選擇較高的減速比。

與傳統的產品相比，塑料蝸輪與蝸桿副的反向滑動負載(自身的摩擦力)已降低了10%。通過降低齒輪齒條及EPS各構件的摩擦阻力，來降低反向滑動負載是一個辦法。對于EPS，研究油封轉動扭矩，調整蝸輪蝸桿支撐軸承的預緊力，解決油封轉動阻力都是很重要的。軸的材料，軸承的支撐結構以及線圈彈簧力的設定也很重要。

3.6.2 電機最大功率的匹配與選型

通過控制器使電機的助力始終處于最佳狀態，也就是說在不同的車速下電機都能發揮最大助力效果。這也就是EPS電機匹配問題的重要性。

如某汽車的方向盤轉速為60 r/min時，減速機構速比為16.5，此時電機轉速應為1000 r/min，所以在此速度工作時電機功率應為最大，實際上確實如此。

電動轉向所能匹配的電機有直流有刷電機和直流無刷電機兩種?，F在常用的是直流有刷電機。直流有刷電機的特點是成本低，性能能滿足電動轉向要求，但是壽命和噪聲均是存在的問題。而直流無刷電機在壽命和噪聲方面有巨大的優勢，但是成本上升，而且由于必須進行轉速控制，控制器的結構相應復雜。

我們在選用電機時則應根據使用經驗，原車結構，匹配性能，電機性能(包括轉速和噪聲)以及成本諸因素確定。因為電動轉向器安裝位置很緊湊，所以對電機的尺寸有一定限制。一般來說電機尺寸小、功率大、性能好、壽命長，特別是噪聲低最受歡迎。

發展中大型汽車電動轉向的最大難題主要是電機的功率和尺寸的確定，電機消耗電流大(可能達到24 V、80 A)，對蓄電池的容量也會造成一定的問題，所以一般載重3噸以上的車輛要考慮電池的容量了。

3.6.3 采用耐熱樹脂的減速蝸輪

蝸輪蝸桿減速機構被廣泛應用于電動轉向系統中，它能提供較高的減速比。一般都采用塑料蝸輪或新型樹脂材料，它們已經開發并應用于減速蝸輪以使其滿足以下性能要求:

(1)高強度及耐磨性，適用于高輸出扭矩電機，因為EPS不僅用于緊湊型小車還用于普通轎車和中大型汽車;

(2)足夠的耐熱性，適宜安裝于發動機艙內，艙內溫度高達120℃;

(3)足夠的抗低溫性能，環境溫度可能達到－40℃;

(4)注塑工藝性要好，保證無氣孔才行，蝸輪材料注塑后產生圓周方向氣泡，一般的注塑工藝方法是解決不了的;

(5)國外進口減速蝸輪材料化驗顯示其為納米尼龍，極其耐磨和耐高溫。在減速蝸輪耐久試驗后，齒側間隙(蝸桿和減速蝸輪之間的間隙)的增加與樹脂材料的粘度成反比例。因此，要選擇粘度上限的樹脂材料。經過減速蝸輪耐久試驗后，齒側間隙的增大與傳統的減速蝸輪相當。