電動助力轉向系統(EPS)應用及發展

崔國杰

(廣州汽車工程研究院，廣東 廣州 510640)

1 轉向系統概述

隨著工業技術的發展，汽車技術也與時俱進。轉向系統作為汽車重要的部件，從純機械手動驅動到動力液壓驅動和電子控制液壓驅動，再到電動助力機械驅動，助力轉向性能日益提高，滿足了消費者追求安全、舒適、輕便的駕駛需求。

1.1 機械式轉向(MS)

機械式轉向系統采用純粹的機械解決方案。為了產生足夠大的轉向扭矩，方向盤轉動的圈數較多，方向盤直徑也較大，占用駕駛空間。無需消耗發動機動力，路感最好，但是路面沖擊較大，駕駛員的負擔較重。目前，只在A0級轎車及微型商用車上應用。

1.2 液壓助力轉向(HPS)

為了減輕駕駛者的勞動強度，在機械轉向系統基礎上增加液壓加力裝置而形成了液壓助力轉向系統(Hydraulic Power System，HPS)。可以通過調整扭桿剛度和轉向閥的曲線獲得不同的助力特性，是目前應用最廣泛的助力形式。

液壓助力轉向系統減小了方向盤轉動的圈數，降低了轉向操縱力，提高了響應靈敏性;但是，在系統布置、裝配、密封性、能量消耗、磨損噪聲等方面存在不足。

1.3 電控液壓助力轉向(EHPS)

HPS只具有單一的助力特性曲線，且能量消耗大。為了克服這些缺點，在液壓助力轉向系統中增加了電子控制和執行元件，將車速信號引入到系統中，實現了車速感應型助力特性。這類系統稱為電動液壓助力轉向系統(Electric Hydraulic Power System，EHPS)。EHPS采用電動機驅動轉向泵，由于電機的轉速可以調整，從而可以減少部分能量消耗。

EHPS可以提供多條助力特性曲線，實現了隨速助力功能。但由于電控系統增加了成本，只在少數配置較高的車型中應用。仍然存在液壓助力轉向系統的一些缺點，如零部件數量較多，存在密封性、噪聲高、能量消耗大的問題。

1.4 電動助力轉向(EPS)

在機械轉向系統的基礎上，增加電動機、控制器和減速機構等相關零件，依靠電動機提供輔助轉向扭矩的動力轉向系統，稱為電動助力轉向系統(Electric Power System，EPS)。

EPS與傳統的液壓助力轉向系統相比較，有如下優點:

(1)機械效率高，燃料消耗量低。據有關資料報道，EPS的燃料消耗量約為HPS的20%，可降低整車燃油消耗量的2% ～5%［1］。

(2)零件數量少，布置方便，質量輕。與HPS相比，減少了轉向油泵及支架、轉向油管、轉向儲液罐等零部件，也無需加注轉向液。因此，減少了轉向系統的零部件數量和質量，易于系統在車輛的布置;減少了主機廠生產線的裝配時間，降低了零部件的物流成本。

(3)優良的控制性能［2］。EPS可以進行軟件編程。當系統的電動機、傳感器、減速機構等硬件設計完成之后，設計者僅需要改變存儲器中的助力特性曲線和控制算法，就可以調節和優化方向盤的轉向特性、轉向手感、轉向靈敏度和汽車的穩定性，獲得新的助力性能。在全車速范圍內，實現了真正的隨速助力功能，提供了優異的駕駛控制性能。

(4)優異的轉向性能。EPS可以對駕駛員的手力和轉角信號做出快速而柔順的響應，獲得較好的轉向感覺;系統具有魯棒性能，可抑制路面的干擾和傳感器噪聲，吸收道路的顛簸，提供適中的路感。

(5)利于整車CAN總線控制功能的應用。EPS可以與主動懸架、ABS、車輪驅動力控制等系統結合，達到最優的車輛行駛性能，為實現自動泊車系統奠定了基礎。

(6)可靠性高。EPS的部件，如傳感器、控制器等采用了無故障設計和失效保護設計等措施，確保系統安全可靠。

(7)應用廣泛。目前，主要應用于轎車，隨著新能源汽車的開發，電動汽車、混合動力汽車、然燃料電池車都會采用EPS，滿足整車的性能需求。

2 EPS系統的應用現狀

2.1 EPS系統結構和工作原理

EPS系統一般由機械轉向機構、電動機、離合器、扭矩傳感器和控制器車速傳感器等組成。目前較新的設計方案中，去掉了離合器這個零件。圖1為電動助力轉向的基本結構。其工作原理如下:在操作方向盤時，扭矩傳感器根據輸入力的大小產生相應的電壓信號，控制器接收該電壓信號，進行數據處理獲得轉向力的大小和方向盤轉動的速度和加速度;同時根據車速傳感器發出的脈沖信號測得車速，控制器ECU根據車速信號和扭矩信號進行計算，產生相應的目標電流，從而控制助力電機輸出適當的助力。

2.2 EPS的分類及特點

根據助力電機安裝位置的不同，EPS系統主要分為以下3種類型:轉向軸助力式(Column-EPS)、轉向齒條助力式(Rack-EPS)、轉向齒輪助力式(Pinion-EPS)。圖2為EPS的3種結構形式。

轉向軸助力式EPS。電動機布置在駕駛艙內，采用蝸輪蝸桿式減速機構。由于駕駛艙環境較好，對電動機和控制器的高低溫性能要求較低，制造成本低，系統穩定性高，技術難度小。因電機和減速機構與駕駛員距離近，其噪聲和振動是制造過程中控制的難點。另外，受轉向軸等零件的材料強度限制，助力扭矩較小。Column-EPS在A級以下轎車應用較多，是目前應用最廣泛的電動助力轉向形式。

轉向齒條助力式EPS。電機與齒條平行布置在發動機艙內，采用渦輪滾珠絲杠式減速機構。受發動機高溫的影響，對電動機和控制器的高低溫性能要求很高，技術難度大，加工制造成本高。可以提供很大的助力。

轉向齒輪助力式EPS。采用渦輪蝸桿式減速機構，布置在發動機艙內。受發動機高溫的影響，對電動機和控制器的高低溫性能要求很高，技術難度大，加工制造成本較高。可提供比轉向軸助力式EPS大的助力扭矩。

2.3 EPS的應用情況

國內最早采用轉向軸助力式EPS的車型是昌河鈴木的北斗星，使用有刷直流電機，助力扭矩較小。自主品牌中，長安奔奔、奇瑞A3是較早采用轉向軸助力式EPS的車型。日系車型中廣泛采用轉向軸助力式EPS，如豐田的卡羅拉、花冠、漢蘭達等，日產的騏達、頤達等，馬自達公司的馬自達2等。美國福特的嘉年華也采用轉向軸助力式EPS。大眾的斯柯達系列則采用轉向齒輪助力式EPS。

EPS的供應商多數集中在日本企業，如JTEKT、NSK、昭和等。JTEKT是全球最大的轉向系統供應商，具有全系列EPS產品，廣泛應用在豐田、本田、日產等公司的車型上。昭和、NSK也為多數日企配套。TRW是美國企業，其產品有兩大類:轉向軸助力式EPS和轉向齒條助力式EPS，主要客戶為福特和馬自達。萬都是韓國企業，主要客戶為現代和起亞。國內開發EPS的供應商有易力達、恒隆、豫北等。產量最大的是易力達，主導產品是轉向軸助力式EPS，其產品主要應用在A0級轎車上，為國內多數的自主品牌供貨，如長安奔奔mini、夏利等。

目前，國內主機廠新開發的車型中，受國家環保法規的影響，多增加了EPS配置，以減少燃油消耗、提升整車的動力性。

3 EPS關鍵部件及性能分析

3.1 扭矩傳感器

扭矩傳感器的作用是采集駕駛員施加在方向盤上的力矩大小，把電壓信號經過處理后發給ECU。該信號是EPS的主要控制信號之一，其準確性和可靠性直接影響EPS的助力輸出特性。目前，車輛上應用的EPS都具有扭矩傳感器。但是，這種傳感器無法檢測出方向盤轉動的角度和角速度。為了實現精確轉向控制，通常需要增加一個轉角傳感器，檢測方向盤轉動的角度和角速度。現在的發展趨勢是扭矩傳感器和轉角傳感器集成化，并采用非接觸結構形式，如磁環－霍爾式、光電式等。既可以滿足EPS對制造成本、尺寸、精度和抗電磁干擾性等方面的要求，又能適應汽車智能化和集成化的發展趨勢。

3.2 電動機

電動機的作用是根據ECU的控制指令輸出合適的助力扭矩，其性能直接影響汽車轉向時的駕駛員操作手感。它既是EPS的動力源，也是EPS的關鍵技術之一。對電機的要求有如下:控制性能良好、響應快、波動小、尺寸小、可靠性高。目前，常用的電動機類型是有刷直流電機機、無刷直流電動機。直流電動機具有優良的機械特性和調節特性，且結構簡單、運行可靠。受限于國內電機的制造水平和成本壓力，國內EPS制造商多采用有刷直流電機。

3.3 控制器

ECU是控制器的核心，它根據各傳感器的輸入信號進行計算分析，得出控制參數的最佳值，然后發出控制指令給電動機，控制其動作。常采用8位或16位單片機為核心硬件系統。

控制系統硬件常采用PID控制［3］，增加魯棒性檢測，以提高系統的穩定性。ECU的控制算法應用較多的是比例加微分控制，它可以提高EPS的助力力矩、改善系統的跟隨響應特性。

常見的EPS助力特性有直線型、折線型和曲線形3種。分別如圖3(a)、(b)、(c)所示。助力特性曲線一般分為3個區域:0～Td0為無助力區，也稱為死區;Td0～Td為助力變化區;Td≥Tdmax為助力保持區。Td0是EPS開始助力時的方向盤輸入力矩，Tdmax是EPS提供最大助力時的方向盤輸入力矩。直線型助力特性數據量最小，對CPU要求低，性能也較低，常用于A0級小車;折線型助力特性數據量較大，性能高于直線型，A級車應用多;曲線型數據線最大，對CPU要求最高，常采用16位或32為CPU，助力性能最好，常用于較高配置的車型中。

4 EPS發展前景

1988年，日本鈴木公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo(現在的JTEKT)公司研發的轉向軸助力式EPS系統，至今已經有30年的歷史，EPS的技術日趨成熟。

稀土永磁材料極高的磁性能，加快了稀土永磁同步電機的發展，這種電機具有結構簡單、運行可靠、質量小、效率高、轉子轉動慣量小、響應靈敏等優點［4］。隨著稀土永磁材料和電子元器件制造工藝的發展，性價比不斷提高，稀土永磁電機必將取代傳統的電動機，占據EPS電機的主導地位。

汽車上電子裝置日益增多，如能采用24 V的蓄電池，則可以使電動機在較低的輸出電流下獲得較高的輸出功率，既降低了EPS系統的能耗和發熱，又能改善系統的性能。

微電子技術的進步，使32位微處理器的價格大幅下降。高性能處理器可以運行復雜的算法，如模糊控制算法、神經網絡控制算法等，增加軟件的附屬功能，如自動泊車、防止車輛跑偏等輔助功能，并滿足實時性的要求。

EPS轉向助力特性的控制策略通常是電機助力電流控制。當轉向參數變化時，方向盤的轉動力矩會隨之變化。以方向盤轉動力矩為目標進行控制，可以改善轉向輕便型和路感，加快轉向響應速度，進一步提高行駛安全性。

目前，EPS的輸入信號，僅有車速信號和方向盤轉矩信號。當把方向盤轉角信號、車身的橫擺角速度信號、車身的側傾角信號引入控制系統之后，并通過CAN總線與ABS/ESP、牽引力控制系統、側傾控制系統、雷達測距系統等結合在一起，讓車輛始終運行在安全閾值內，將大幅提高整車的主動安全性。

全電動轉向技術(也稱為線控轉向，Steering-by-Wire)取消了方向盤與轉向車輪之間的機械連接，完全通過電機來實現［5］。它由方向盤總成、控制器和前輪轉向機構組成。方向盤總成把轉向信號、轉動力矩、轉動角度、轉動速度等信號輸入給控制器;控制器對采集的信號進行分析處理，然后發出指令，控制轉向電機和轉向回正電機的工作，讓汽車實現轉向并提供給駕駛員相應的路感。控制器還對駕駛員的操作指令和汽車運行狀態進行判斷，必要時自動進行駕駛控制，使汽車穩定行駛。與EPS相比，全電動轉向技術提供更佳的操縱穩定性，主動和被動安全性更高，轉向性能設計更自由。

5 結束語

綜上所述，汽車電動助力轉向系統具有優良的操縱輕便性和穩定性，助力特性隨汽車行駛速度的變化而變化，是ESP的最大優點。隨著EPS關鍵技術的發展，EPS的性能將更加完善。同時，EPS與其他底盤電控系統結合，可以提高整車的操縱穩定性，是汽車底盤電子技術的發展趨勢。

【1】苗立東，何仁，徐建平，等．汽車電動轉向技術發展綜述［J］．長安大學學報，2004，24(1):79 －81．

【2】李慧琪，李偉光，王元聰．汽車電動助力轉向系統的現狀與發展［J］．電腦與電信，2007(2):86 －87．

【3】王曉明．電動機的單片機控制［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2002:73－84．

【4】王曉明，王玲．電動機的DSP控制－TI公司DSP應用［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2005:185－186．

【5】于蕾艷，林逸，施國標．汽車線控轉向技術概述［J］．農業裝備與車輛工程，2007(5):3－6．