汽車電動助力轉向系統的研究與開發研究

方淑娟

摘 要：關于電動助力轉向系統方面的研究還尚處于初級階段，要想充分發揮出這一機電一體化系統的優勢作用，則首先需要實現這一系統的完善設計與開發。對汽車電動助力轉向系統的研究與開發問題進行了分析，并提出了相應的設計與開發思路。

關鍵詞：汽車電子化；電動助力轉向系統；傳感器；驅動電路

中圖分類號：U463.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.122

隨著科學技術的不斷發展，汽車技術領域實現了進一步的創新，而汽車電子化則成為汽車技術當前主要發展方向。其中，電動助力轉向系統（EPS）的誕生與在汽車中的應用，能夠借助這一全新動力轉向系統來提升汽車操縱的輕便性與穩定性，解決了傳統液壓動力轉向系統所存在的不足。與以往所采用的液壓轉向系統相比較而言，采用EPS能夠借助電動機直接將助力提供給駕駛員，而處于非轉向狀態下所產生的消耗幾乎為零，進而節省了燃油，同時裝配應用簡單、方便。但基于目前尚未針對EPS建立標準的模型，本文就此展開研究。

1 EPS所呈現出的優勢特點

EPS所呈現出的優勢特點主要表現在以下幾方面：①操縱性能得到了優化。EPS能夠借助電動機直接提供轉向助力，且能夠對這一轉向力進行個性化設置。在實際操縱汽車的過程中，通過助力的有效提供來提高操作的主動性、安全性和穩定性，且確保在停車時提供最大的轉向力，在低速時保證了轉向的輕便性。②降低燃油，減少污染。與傳統的液壓動力轉向系統相比而言，EPS的另一大優勢在于只有在操作時才會產生能耗，通過按需提供動力的方式來節省汽車燃油，同時有了該系統，并不需要液壓回路系統，因此就規避了漏油的問題，在最大程度上降低汽車能耗的同時減少了環境污染。③轉向的跟隨性提升，且更加安全、可靠。應用EPS后，轉動慣量增加，同時也不存在轉向遲滯問題，汽車在轉向過程中前輪擺振大幅度降低，加上該系統具備故障自診功能及保護功能，所以在提升跟隨性的同時，為進一步保障行車轉向的安全性和可靠性奠定了基礎。④結構簡單且質量輕，易于安裝使用。應用該系統后，整個系統的構件被大大簡化，質量隨之降低，便于安裝，且因該系統的自動化程度較高，所以使用方便，并且維修難度也大大降低。

2 EPS的結構與原理

EPS的基本工作原理為：當系統接收到汽車打火信號后，在確定信號有效性的基礎上，轉向軸啟動，相應的扭矩傳感器實現信號的輸出，而控制單元接收到這一信號后，基于扭矩轉角信號及車速信號等進行計算，進而明確助力電機的運轉方向，同時定位相應的電流量。在此基礎上，發揮了助力轉向控制功能。

3 EPS的設計與開發

3.1 EPS控制器的設計

3.1.1 轉矩信號采集電路的設計

輸入相應信號幅值0～0.5 V，基于S3S44BOX的A/D轉換器，相應的電壓輸入范圍在0～2.5 V。在處理這一信號的過程中，要在采用濾波處理技術的基礎上實現分壓處理。在研究的過程中，樣本的濾波電路采用的是二階低通有源濾波電路。在設計的過程中，以阻值相同的R1與R2對輸入信號進行分壓處理。此時，相應的幅值發生了改變，為原先的1/2.在此基礎上，將R1與C1組合，將R2與C2組合，形成2個一階低通濾波。在運行過程中，一階低通濾波則充當一個電壓跟隨器來有效發揮其作用。

3.1.2 電流信號采集電路的設計

所使用的傳感器為霍爾電流傳感器，其輸出電流信號在0～50 mA自檢，而應用EPS需要將電流信號轉換為電壓信號，因此要在傳感器輸出端引腳上將100 Ω的電阻接入，進而在獲得電壓信號后，經由濾波電路輸送，由相應的ARM芯片A/D端口接收。

3.1.3 車速信號采集電路的設計

在實際設計的過程中，以脈沖信號模擬車速信號，將這一信號輸入到單片機中。而單片機本身在信號處理的過程中，其相應的電壓為2.5 V，所以需要針對信號的電平匹配設計。一般設計一個鉗位分壓電路即可，而為了提升這一電路的安全性和可靠性，相比而言，采用光電耦合器更為合理，且設計簡單、方便。

3.1.4 電機驅動控制系統的設計

在設計的過程中，選用OR2110來實現驅動電路的搭建，而一般需要2個IR2110來實現驅動，且不需要進行隔離設計，因此整個電路相對簡單。同時，因其自身無法產生負偏壓，需要將負偏壓電路接入，并為了實現其保護功能的發揮，則需要進行接地處理。

3.2 系統軟件的具體設計與開發

3.2.1 A/D轉換程序的設計

該單元軟件主要承擔的功能為信號采集、電壓與電流監測等。在設計時，要基于轉換前進行初始化設置，然后針對其采樣與轉換功能需求，先設置相應的數據與控制寄存器，并基于后者進行上下輸入通道的設計。

3.2.2 PWM控制程序的設計

ARM單片機能夠對PWM波形進行控制，而這一控制程序的實現需要基于EPS模型進行計算，以明確控制電機轉速的目標電壓值。輸出的波形信號能夠實現對功率驅動電路的控制，進而促使電動機轉速能夠得到有效控制。這樣才能夠使得助力轉向電動機提供相應的助力。

4 總結

綜上，基于EPS，為了充分發揮這一系統在汽車轉向中的助力作用，并提升汽車操作的輕便性與安全性，實現節油環保的目標，就需要實現EPS的完善設計與開發。基于EPS的結構與工作原理，需要實現控制器與軟件這兩大部分的全面設計，進而才能夠確保該系統優勢功能夠在實際應用中得到充分發揮。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕