EPS系統設計

摘 要：EPS（電動助力轉向）系統是一種新興的汽車轉向助力形式，成為了很多汽車零部件制造商的研究熱點。EPS能使轉向變得輕便，提供良好的操控性能，提高了汽車燃油經濟性和助力效果。助力特性靈活可變，易實現針對不同車速提供合適的手感，通過更改軟件中的助力參數即可進行助力特性微調。結構簡單易維護，結構緊湊，質量更輕，符合現代汽車輕量化設計理念。擴展性強，便于實現新功能，逐利特性完全由ECU控制，為汽車新技術的應用提供了平臺。

關鍵詞：電動助力;操控性;經濟性;緊湊

1 EPS的優勢

與非輔助、純液壓和混合轉向系統相比，EPS系統具有一系列優勢。EPS系統助力機構不由發動機直接驅動，而是利用具有一系列轉向傳感器的電動機，不會占用發動機實時輸出動力，僅在轉向時消耗能量。轉向傳感器能感應到轉向位置和扭矩大小，軟件可以將這些信號轉換為電機輸出的信號。這是一種更加動態和節能的輔助轉向方法。EPS相對于其他轉向系統具有轉向輕便快捷、能耗低、結構簡單緊湊、可靠性高的特點，顯著改善了汽車的操縱性，符合節能環保理念。EPS的優勢包括減少大約3%的燃油消耗，節省很大的空間，更輕松的系統集成和能增強駕駛體驗的軟件。EPS能耗大約只占傳統液壓助力轉向系統的1/12。由于系統內部沒有油液，在制造使用及廢棄后都不會造成環境污染。此外，系統內置的軟件可在EPS原型開發過程中實現高性能且易于調整。

2 EPS系統

一個高性能且功能強大的微控制器和功率半導體組合是實現高效可靠EPS的基礎，該組合使EPS的節能和降低二氧化碳排放達到新的水平。作為事關安全的重要部件，EPS組件必須具備可靠的協同工作能力。

EPS系統由扭矩傳感器等傳感器，ECU，電機和減速齒輪組成。扭矩傳感器感應方向盤的運動，ECU根據扭矩傳感器信號計算輔助力，電機產生轉向力，減速齒輪增大轉向力矩并傳遞給轉向機構。當前，根據成本，包裝和性能要求，可以在不同的細分市場中找到幾種不同類型的EPS系統（圖3），所有這些設計方案使轉向系統能實現眾多轉向功能，即基本轉向功能、增強型轉向功能和高級駕駛員輔助功能?；巨D向功能包含在一定的駕駛狀況下提供轉向助力和扭矩平衡（例如摩擦和慣量補償）等直接影響轉向手感的附加功能。

增強型轉向功能包含方向盤主動回正以及輔助直線行駛（路堤或持續的側風時給予必要的轉矩補償）。高級駕駛員輔助功能可以在某些情況下實現自動轉向的功能，例如自動泊車，拖車后備輔助，車道保持或復雜的駕駛員反饋，例如車道偏離警告。圖5是轉向柱式EPS系統結構，通常使用可折疊的安全柱，該單元包含在儀表板中。

3 EPS系統設計及優化

3.1 基于CAN總線的EPS永磁無刷電機控制器設計

永磁無刷電機壽命長，運轉噪聲小，功率密度大，永磁同步電機采用正弦電壓驅動，轉矩撥動更小，轉向手感更加平順。通過軟件算法減少傳感器數量，通過CAN總線實現與其他系統信息共享。

3.2 基于未知輸入估計的EPS控制器設計

基于拉格朗日動力學模型制定具有未知輸入的最優控制方法，從而消除了對扭矩傳感器的需求。結合非線性輔助曲線，未知輸入估計量和線性二次積分理論開發出一種新的控制器。與眾所周知的卡爾曼濾波器相比，使用未知輸入估計法具有良好的效果。所得的閉環響應能夠跟蹤不同速度下的非線性輔助曲線。揭示了一個顯著的特征，即，僅使用單個恒定增益就可以控制EPS系統。

3.3 基于扭矩信號的慣量補償方法

EPS的動態性能受輔助電機慣性的影響，為改善動態特性，要對電機慣性進行補償。助力電機角加速度信號可以通過扭矩信號獲得。分析轉向系統動態方程，建立慣量補償框圖。推到出從扭矩信號到角加速度信號的傳遞函數以補償轉子慣性。基于EPS基準模型驗證補償效果，分析相關參數對EPS動態性能的影響。結果顯示：由扭矩信號產生的角加速度比由角度信號產生的角加速度更加準確合理，且轉向系統的動態性能有了很大改善。這種方法的現實局限性是需要知道傳遞函數中的參數。

3.4 無電流傳感器的EPS驅動方法

采用表面貼裝式永磁同步電機建模和停滯時間補償的方法減少由實際輸出電壓和電壓指令差異造成的計算電流誤差來實現無電流傳感器驅動方法。這種方法僅使用處理器算法，無需任何電壓感測電路硬件，例如濾波電路和電流傳感器反饋電路。對包含SPMSM，電機驅動系統和機械齒輪系統的EPS進行MATLAB仿真，驗證該方法的有效性。

參考文獻：

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作者簡介：鄭志誼（1989-），男，浙江開化人，碩士，實驗師，研究方向：汽車電控。