汽車電動轉向系統基本助力電流特性設計研究

侯訓波，楊啟富，盧杰，汪超，劉丹，沈岱武

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汽車電動轉向系統基本助力電流特性設計研究

侯訓波1，楊啟富2，盧杰3，汪超3，劉丹3，沈岱武4

（1.大連創新零部件制造公司，遼寧 大連 116620；2.力帆新能源汽車公司，重慶 400707； 3.奇瑞商用車(安徽)有限公司，安徽 蕪湖 241006；4.奇瑞新能源汽車技術有限公司，安徽 蕪湖 241002）

文章介紹電動助力轉向系統的控制原理和基本助力電流特性的設計方法，并將轉向手力特性要求納入其中進行設計研究，結合實車應用參數對所設計的助力電流特性開展驗證，分析整車供電電壓、EPS電機參數及工作溫度等影響因素，來確認EPS電機選型及匹配設計參數等是否合理，指導工程技術人員修正設計，并提出合理的EPS系統應用條件。

電動助力轉向系統；助力電流特性曲線；隨速助力；隨速手力控制；隨速變扭矩死區

前言

現代汽車配裝電動助力轉向系統（簡稱EPS）已非常普及，該系統可使駕駛員操縱轉向輕便，能及時準確地執行轉向操縱指令，并能正確地反饋路面信息，讓駕駛員及時掌握車輛的行駛狀態，以便判斷并作出適宜的轉向操作指令。如圖1所示[1]，EPS系統主要由轉向軸、轉矩傳感器（提供轉向手力扭矩信號T）、電控單元（簡稱ECU）、轉向助力電動機（簡稱EPS電機）、機械減速增扭機構（簡稱減速器）、機械轉向器等組成[1]。

EPS系統的基本工作過程如下：轉向時，ECU根據轉向盤轉矩、車速、電機的端電壓和電流等信號，進行汽車的轉向狀態判斷，然后發出控制指令來驅動EPS電機，使電機按轉向盤轉動的速度和方向產生所需要的助力轉矩，協助駕駛員進行轉向操作[1]。

現代人們對汽車轉向手感等性能要求越來越高。一個好的電動助力轉向系統應該具有較好的自適應能力，應該盡可能的去適應駕駛員的駕駛習慣，能夠將好的路感和輕便性進行實時調節[2]。這就要求EPS系統具有在低速時轉向輕便，而高速時轉向沉穩等特點。因此，通過本文對EPS基本助力電流特性曲線設計，將轉向手力特性要求納入其中進行研究分析，指導工程技術人員結合汽車供電電壓、EPS電機參數及工作溫度等因素，來檢驗分析各參數設計的合理性。

圖1 EPS系統結構示意圖

1 EPS系統控制原理

如圖2所示，當ECU接收到車速信號V和轉向盤的扭矩信號T及轉動方向，由ECU軟件按預設的基本助力電流特性曲線，獲得目標電流I，再以目標電流I所對應PWM占空比形式向EPS電機加載電壓，并驅動電機運轉且輸出扭矩Tm，再經減速器放大而輸出助力扭矩Ta，當疊加轉向手力T后，使EPS系統獲得較大的總輸出扭矩Tc=Ta+T，將其傳遞給轉向器，即可推動車輪轉向；在以上控制過程中，ECU對電機電流要實時檢測，獲得EPS電機實際電流Im，與目標電流I進行對比求差，并進行PI閉環控制來修正EPS電機實際電流Im，使其跟蹤目標電流I，實現EPS系統的助力功能，而減輕駕駛員的轉向手力。

圖2 EPS系統控制原理簡圖

2 基本助力電流特性曲線設計方法

2.1 EPS系統特性曲線結構形式

EPS系統特性曲線是指在汽車轉向過程中，由轉向手力所形成的助力曲線和電流曲線，通常為直線型、折線型和曲線型三種類型[3~4]。其中曲線型特性在感應車速的同時，每條曲線自身又能感應高、低手力輸入區域的變化，是理想的EPS系統特性曲線形式[3]。如圖3所示，本文以曲線型EPS系統特性進行研究，并以右側區域轉向的曲線形式來概括表達，而左側區域的曲線在設計要求上是以原點完全對稱的。

①無助力區或電流死區，②助力變化區或電流變化區，③助力不變區或稱飽和區，④飽和助力或飽和電流，⑤飽和拐點，⑥額定點

根據以下EPS電機輸出扭矩關系式（1）和減速器傳遞助力扭矩關系式（2），可看出EPS系統的助力扭矩Ta和電機電流Im是線性關系，又根據EPS系統控制原理可知，電機電流Im實時被跟蹤并逼近目標電流I（通常稱：助力電流，是設計參數），故EPS系統基本助力特性等效于基本助力電流特性。因此，實現EPS系統的助力功能，關鍵在于ECU程序中基本助力電流特性曲線的設計，并隨車速變化，以曲線族的方式進行描述，如圖4所示。

EPS電機輸出扭矩關系式：

減速器傳遞助力扭矩關系式：

式（1）和（2）中，Kt—電機轉矩常數N.m/A，Tmf—電機摩擦損失N.m，—EPS減速器傳動比，—EPS減速器傳動效率。

圖4 基本助力電流特性曲線族結構示意圖

2.2 隨車速變化而設計額定助力電流Iv曲線

根據轉向負載要求，先繪制出汽車所需求的轉向器輸出齒條力FR 或EPS系統輸出扭矩Tc的額定值百分比特征點；該需求的特征點，具有隨車速變化的特性，它體現了汽車轉向負載的隨速衰減性。再根據以上關系式（1）、（2）和以下關系式（3）、（4），可將特征點需求的齒條力FR或EPS系統輸出扭矩Tc等效地轉化為所需求的額定電流特征點，如圖5所示。

轉向器輸出齒條力應滿足關系式：

EPS系統輸出扭矩應滿足關系式：

式（3）和（4）中，C—轉向器線角傳動比mm/r，η—轉向器傳動效率%，T—EPS機械摩擦N.m。

圖5 額定電流特性曲線示意圖

如圖5所示，可利用擬合方程組逼近設計所需求的額定電流特征點，從而設計出滿足要求的額定電流目標曲線；該目標曲線要包含汽車需求的特征點以及未規定的各連續特征點，即可實現EPS系統在低速時較大輸出實現轉向輕便性，在高速時較小輸出實現較強路感。滿足上述要求的擬合方程組如下關系式（5），通過調節系數s2將曲線逼近設計所需求的特征點，此時額定電流Iv曲線就基本等效于汽車轉向負載所要求的轉向器齒條力FR或EPS系統輸出扭矩Tc的額定值，該Iv曲線也成為助力電流特性曲線的設計基礎。

額定電流設計目標曲線表達式：

式（5）中，車速V1、V6和額定電流Iv1、Iv6為已知特征點，s1、s2是助力隨速衰減系數，為標定參數（其中s1為常數1，s2=0~0.5），m1、m2是根據已知匹配參數而計算獲得的參數，其表達式如下：

2.3 基本助力電流特性曲線設計方法

1）額定電流的設計目標曲線，是在額定轉向手力T2時所對應各車速下的額定電流。因此，設計如圖6所示的額定轉向手力特性曲線，就能使EPS系統具有在低速時以較小轉向手力對應較大的額定電流，使轉向輕便，而在高速時以較大轉向手力對應較小的額定電流，使轉向沉穩。

圖6 額定轉向手力特性曲線示意圖

額定轉向手力特性曲線表達式：

式（7）中，車速Vb、Vc和額定電流T2-b、T2-c為已知匹配參數，w是轉向手力隨速增益系數，為標定參數（w=-0.015~ 0.05且w≠0），w1、w2是根據已知匹配參數而計算獲得的參數，其表達式如下：

2）額定電流設計目標曲線和額定轉向手力特性設計曲線均與車速有對應關系，因此可映射出額定電流和額定轉向手力同時在T – I坐標系中的對應關系，如圖7所示。

圖7 額定轉向手力與額定電流的映射關系示意圖

3）如圖7所示，死區扭矩T1在T1-1~T1-6之間隨車速V進行變化，該變化體現了低速時死區扭矩的設定值較小，有利于助力電流迅速越過死區進入較高電流區域，使轉向操作輕便，而在高速時死區扭矩的設定值較大，有利于高速助力電流升值減緩，增強路感，同時避免了直行期間由于高速路面不平顛簸，使轉向在死區與助力區間反復切替而產生轉向盤振動，也使中位指向性更清晰。死區扭矩隨速變化的設計曲線如圖8所示。

圖8 死區扭矩隨速變化曲線示意圖

死區扭矩設計曲線表達式：

式（9）中，車速V1、V6和死區扭矩T1-1、T1-6為已知特征點，f是死區隨速增益系數，為標定參數（調節范圍：f= 0.001~ 0.2），f1、f2是根據已知匹配參數而計算獲得的參數，其表達式如下：

4）以上與車速相關的額定電流Iv、額定轉向手力T2、死區扭矩T1設計完成后，即可繪制如圖7所示的T-I坐標系中基本助力電流特性的設計曲線族。

基本助力電流特性設計曲線表達式：

式（11）中，Ix、IT為過程參數，其表達式如下：

式（12）中，Imax、Va、T3為已知經驗參數，a、b、c為過程參數，其表達式如下：

式（13）中，m是隨轉向手力變化的增益系數，為標定參數（調節范圍：m= -100.0~0.0）。

3 基本助力電流特性曲線設計及驗證分析

根據上述基本助力電流特性曲線設計方法，將其所歸納的規律、算法及公式，在Excel電子表格環境中開發VBA程序來驅動EPS選型參數計算分析。依此，可將客戶整車轉向要求進行轉化計算，提出EPS輸出特性要求及電機選型。

如表1所示，是根據某汽車公司對整車轉向負載等參數要求而估算EPS電機的對應參數，并初步選型某公司生產12v-220w的有刷電機，其主要參數如表2所示，其輸出特性曲線如圖9所示，依此進行EPS基本助力電流特性的設計及驗證分析。

表1 某整車基本轉向參數要求和對應EPS電機參數

表2 12v-220w EPS有刷電機主要參數

圖9 EPS電機輸出特性曲線

3.1 基本助力電流特性曲線設計

1）EPS基本助力電流特性曲線設計，要與整車轉向相關聯的物理參數相匹配，并兼顧不同車速和轉向手力的配合協調。例如，整車用戶提出車速在0~3km/h范圍內，EPS能發揮同等的最大助力效果，因此需設定“視同原地轉向的最高車速”V1=3km/h；再例如，整車用戶期望車速較低時轉向手力較輕，而車速較高時則轉向手力較重，因此需設定“額定轉向手力的特征車速b/c”Vb=20km/h和Vc=120km/h，以及“Vb/Vc車速下額定轉向手力”T2-b=4.0N.m和T2-c=5.0 N.m，即在20~120km/h區間隨車速增高而轉向手力由4N.m增至5N.m。總之，結合某汽車公司的整車轉向要求，實際確定了如表3所示的EPS特性匹配設計參數。

表3 EPS基本助力電流特性匹配設計參數表

2）EPS基本助力電流特性曲線設計，還要考慮與整車調校/標定的環節。助力電流特性曲線的標定，通常是在實車上且在規定的路面下，分別標定對應不同車速下（通常6個車速）的助力電流特性曲線，以評價轉向手力及其手感等，來確定合適的助力電流特性曲線族譜。因此，需設定如表4所示的調校/標定系數，并向標定工程師開放，這樣就可通過上位機與ECU通訊，使標定過程可視化，將助力電流特性曲線與轉向手力信號和車速信號進行關聯調校。

表4 EPS助力特性調校/標定參數表

3）根據表3和表4所確定的特性參數，設計如圖10所示的不同車速V下EPS系統基本助力電流特性三維曲線族譜，并由此獲得如圖11所示的方向機齒條輸出力曲線，依此可進行各種情況下的設計驗證及分析（注：在ECU程序中將執行由此轉化有限范圍的三維數組，再利用插值法獲得目標助力電流I值）。

圖11 齒輪齒條方向機輸出力特性設計曲線

4）在整車規定轉向負載、12V標稱供電電壓、以及在室溫環境和轉向盤較低轉角速度等條件下，得如圖12所示隨車速變化的轉向手力特性設計曲線。圖中虛線是大角度轉向時，且方向機齒條末端轉向負載最大時的較重手力上限，圖中實線是在轉向中間位置時的較輕手力下限，故轉向手力在圖中上下限之間變化。

圖12 轉向手力特性設計曲線

3.2 基本助力電流特性設計的驗證分析

1）在電機溫度20℃條件下，驗證EPS驅動方向機能實現的齒條力以及在不同供電電壓下轉向盤能實現的角速度，以便分析滿足跟隨性要求的對應供電電壓條件，其分析數據如表5和表6所示。表5中齒條輸出力和轉向盤轉角速度的要求是在表1整車要求基礎上，進行逼近擬合而成的連續要求值，該連續值與客戶要求的誤差被控制在±2%范圍內，可代表客戶對整車轉向的要求；表6中齒條輸出力要求是客戶規定的轉向中間位置齒條力要求，對比齒條末端最大齒條力，做了調整并降低要求。

表5 在規定齒條末端位置齒條力時EPS實現的輸出特性

表6 在規定轉向中間位置齒條力時EPS實現的輸出特性

根據表5和表6所示數據可看出，當輸出齒條力較大且供電電壓降至10V時，則EPS轉向功能的跟隨性不滿足要求，而當輸出齒條力較小時，則不滿足跟隨性要求的供電電壓下降至9V。同時由表中數據還可看出，在規定轉向負載下，其轉向手力隨速加重。

2）在車速0km/h和標稱供電電壓12V條件下，并以幅值580 deg/s，且在0~360 deg轉角范圍內的正弦半波規律操縱轉向盤，驗證當電機溫度上升后對EPS轉向手力的影響情況。在圖13和圖14中，θ—轉向盤轉角、T—實際轉向手力、ω—操縱轉向盤的實際轉角速度、ωmax—由電機決定的轉向盤最大轉角速度、FR—整車轉向負載齒條力。

圖13和圖14所示結果說明，當電機溫度上升后，電機永磁鐵磁感應強度下降，導致電機的電磁轉矩常數和反電動勢常數也有所下降。因此，圖13中轉向手力異常點是由反電動勢較大而限制了電機轉速引起的，圖14中轉向手力異常點是由電磁感應強度下降而使電機輸出扭矩能力降低造成的。

圖13 在電機溫度60℃時轉向手力驗證曲線

3）由上述驗證分析可提出，使EPS正常轉向所需的合理供電電壓和電機溫度條件如圖15和圖16所示。當轉向盤以較低轉角速度轉向，且電機溫度在圖15所示界限曲線以下工作時，不會對轉向手力產生影響；當轉向盤以較快的轉角速度轉向，且在對應供電電壓和電機溫度下，就會產生EPS轉向功能的跟隨性不滿足要求，依此EPS系統在如圖16所示供電電壓和電機溫度的界限曲線以上工作時，就不會產生跟隨性不滿足的問題。

圖15 電機溫度對轉向手力異常影響的界限

圖16 電壓和電機溫度對EPS系統跟隨性影響的界限

4 結論

根據汽車轉向性能要求，對EPS系統進行合理的電機選型，并結合轉向手力隨速加重的要求而設計基本助力電流特性，在汽車行駛過程中實施正常轉向操作時，能夠實現低速轉向輕便而高速轉向沉穩等特點。

在本文的基本助力電流特性曲線設計方法中，考慮了汽車調校/標定的環節，使其與汽車轉向狀態相關的匹配參數及少量關鍵特征點參數進行關聯設計，并將調校參數向標定工程師開放，可通過上位機與ECU通訊，使標定過程可視化，將助力電流特性曲線與轉向手力信號和車速信號進行關聯調校，能夠實現較優的轉向手感。

結合汽車規定的轉向負載，通過本文對初步設計完成的助力電流特性，在供電電壓、電機溫度等不同工作條件下，來驗證轉向跟隨性的方向盤角速度適用范圍，同時在0~540deg轉角范圍內，對轉向手力進行驗證分析，以便確認EPS電機選型及匹配參數等是否合理，指導工程技術人員修正設計，并提出合理的EPS系統應用條件。

在操縱轉向時，最大轉向負載和最高轉角速度同時發生的極限情況，極少出現，因此選擇極限條件下均能滿足要求的設計，是不恰當的。應與整車用戶約定合理的轉向負載等應用條件，例如：在轉向中間位置和大轉角齒條末端位置時，對其轉向負載和轉角速度區別對待，才能匹配完成較優的EPS系統方案。

[1] 夏甫根.電動助力轉向系統控制策略的優化[碩士學位論文].北京:清華大學,2010.

[2] 王躍旭.電動助力轉向控制器的研究[碩士學位論文].吉林:吉林大學,2012.

[3] 裴學杰,楊世文,季茜.電動助力轉向系統助力特性研究[J].汽車實用技術,2014年第3期.

[4] 江浩斌,楊曉峰,宋海兵等.電動助力轉向系統組合型助力特性研究[J].汽車技術,2010年第6期.

Research and Design on Assist Current Characteristic for EPS

Hou Xunbo1, Yang Qifu2, Lu Jie3, Wang Chao3, Liu Dan3, Shen Daiwu4

（1.Dalian Innovation Parts Manufacturing Company, Liaoning Dalian 116620; 2. Lifan New Energy Automobile Company, Chongqing 400707; 3.Chery Commercial Vehicle (Anhui) Co., Ltd., Anhui Wuhu 241006; 4.Chery New Energy Automobile Technology Co., Ltd., Anhui Wuhu 241002）

Introducing the control theory and design method on assist current characteristic for Electric Power Steering System (EPS). Vehicle application parameter and steering hand power requirement is taked into account on assist current characteristic for checking. Engineers will be guided to judge the matching effectiveness by analyzing supply voltage, motor parameter and working temperature. At the same time, the paper.proposes reasonable application conditions for EPS, to ensure normal steering function.

electric power steering system (EPS); assist current characteristic curve; varying boost by vehicle speed; control steering hand power by vehicle speed; varying torque dead zone by vehicle speed

A

1671-7988(2018)18-196-06

U469.5

A

1671-7988(2018)18-196-06

CLC NO.: U469.5

侯訓波（1967-），男，遼寧大連人，工學學士，高級工程師，現從事汽車電動轉向產品的研發工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.066