試論汽車電動助力轉向系統研究

于昊

摘要：節能、舒適、廉價是汽車消費者對汽車的基本要求，也是是現代汽車技術追求的主要目標，集中體現了現代汽車工業的發展方向。汽車轉向系統的性能在節能、環保及舒適方面具有非常重要的作用。傳統的助力轉向系統己不能滿足其發展的要求。隨著汽車技術的發展與電子技術的不斷進步，電動助力轉向系統已經成為汽車助力轉向系統發展的一種趨勢。

關鍵詞：電動助力轉向系統;電子控制器;汽車工程

汽車液壓轉向助力（HydraulicPowerSteering）系統存在噪音較大、舒適性不太理想、能量消耗高等缺點。電動助力轉向（Electric Power Steering，EPS）系統由電動助力電機直接提供轉向助力，與液壓助力結構不一樣，無需液壓動力轉向系統所必需的動力轉向油泵、液壓油、軟管、皮帶輪以及傳送帶。具有體積小、易調整、裝配靈活、節省能量，保護環境、高效能、智能化等優點。電動助力轉向大有取代已經有50年發展歷史的液壓助力轉向系統之勢。

一、EPS系統工作原理及結構組成

電動助力轉向系統主要由機械轉向系統、轉矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、控制單元（ECU）、離合器、助力電動機及減速機構等組成。汽車在運行過程中，扭矩傳感器、車速傳感器及電機電流傳感器會產生各自的電信號，這些信號經過濾波、信號電平調整后傳給ECU，ECU經過分析處理后輸出PWM信號給電機驅動模塊，實現對助力電機扭矩控制。EPS系統的主要組成部件主要有：助力電機、電磁離合器、電位計式扭矩傳感器、車速傳感器和電子控制單元。

（一）電磁離合器

電磁離合器主要由電磁線圈，主動輪，從動輪和壓板等部件構成。工作原理：當電磁線圈中有電流通過時，電磁線圈產生的吸力吸引壓板與主動輪接合。這樣，電動機的動力就經過主動輪、壓板、花鍵輸出到從動軸上。當線圈中沒有電流流過時，電磁線圈就不會產生電磁吸力，壓板和主動輪之間就沒有接觸壓力，因此電動機的動力傳遞路線就被切斷，助力停止。

（二）電位計式扭矩傳感器

扭矩傳感器主要用來測量方向盤上力矩的大小，扭力桿是它的主要的測力元件。扭力桿的信號測量方式有電位計式、差動式和光電式三種。其中差動式和光點式的成本高，結構復雜，主要用于高速測量。導電塑料電位計式扭矩傳感器，其結構簡單，可靠性好，使用壽命在3000萬次以上，適合于方向盤扭矩的測量。

（三）車速傳感器

大多數汽車上裝載的車速傳感器一般是磁感應式車速傳感器，該傳感器穩定性較好，經過簡單的信號調理就可以轉成方波信號，供單片機采集。考慮到目前決大部分汽車都有電子儀表板，有現成的車速信號，可阻直接使用。但是在實驗室中，較難采集到實際的車速信號，一般用信號發生器模擬車速信號。

二、EPS系統控制策略

計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計算機PID控制中，使用的是數字PID控制器。數字PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。數字PID控制技術在EPS中的實現電動助力轉向系統根據扭矩傳感器輸出的扭矩信號和車速信號計算出電機的助力大小。數字PID控制器的控制目標是減小轉向過程中駕駛員對方向盤的操作力。由于扭矩傳感器安裝在轉向軸上，這里我們就以轉向軸上的扭桿為研究對象，當駕駛員轉動轉向盤進行轉向操作時，扭桿首先感知出駕駛員施加在轉向盤上的扭矩。直流電機的轉矩與電機電流成正比，我們可以根據電流的大小對電機進行控制，從而實現助力。

三、EPS軟件設計

把控制策略在硬件上實現，必須要把所想實現的算法輸送給微處理器，使得微處理器能夠獨自工作。因此，系統軟件設計在整個控制系統的設計過程中占據著非常重要的地位。可以說，軟件設計的好壞直接決定系統的成敗。本節主要涉及方向盤扭矩傳感器信號的A/D轉換、電動機PWM控制和車速信號計數等在單片機MC9S12XSl28中的寄存器配置步驟和方法。

（一）A/D數據采集程序設計

單片機是一種計算機的一種，只對數字信號分析和運算。然而，在本系統中，轉矩信號、助力電機電流及蓄電池電壓信號都是模擬量，需要把模擬信號變為數字信號，才能對數據進行處理。單片機MC9S12XSl28有8路A/D轉換通道，有8位、10位和12位3種A/D轉換精度，可通過相關寄存器設置實現，其中每進行一次10位轉換僅需要7微秒。ATD模塊有停止模式、等待模式和省電模式。

（二）電動機PWM控制

大多數直流電動機采用開關驅動方式。開關驅動方式是使半導體器件工作在開關狀態，通過脈寬調制P-WM來控制電動機電樞電壓，實現調速。圖4-4是利用開關管對直流電動機進行PWM調速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖4.4（a）中，當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓%。^秒后，柵極輸入變為低電平，開關管截止，電動機電樞電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。

（三）車速信號采集

車速傳感器輸出的車速信號需要經過濾波、整形電路后成為方波信號，因此可以直接利用定時器和輸入捕捉功能來完成車速的采集和計算。車速是在一定時間內的累加脈沖個數，經計數得到。即利用定時器，當達到指定時間長度f的時候產生中斷，在中斷服務程序中讀取輸入捕捉寄存器中的脈沖個數，再將脈沖個數除以時間長度r，即為單位時間內的脈沖數。

四、結束語

電動助力轉向系統（EPS）作為一項高新技術產品，它涉及到汽車動力學、輪胎力學、電動機控制技術、電力電子技術、傳感器技術、計算機技術和現代控制理論等諸多領域，因此對它的研究不可能一蹴而就。盡管已有一些EPS系統已投入使用，但是其應用范圍和功能有一定的局限性。本文介紹了電動助力轉向控制系統，對研發EPS控制系統提供技術參考。由于作者的研究時間和研究水平的限制，會有許多考慮不到的地方。這項研究需要更多的人來參與和完善，希望以后的研究者可以結合實際多做些這方面的工作。

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（作者單位：沈陽金杯恒隆汽車轉向系統有限公司）