車輛助力轉向系統研究進展

楊易嘉，程建興

（仲愷農業工程學院機電工程學院，廣州 510225）

0 引言

車輛助力轉向系統的發展可以分為3 個發展階段，第1 階段以機械結構為主的助力轉向（MS）系統，該階段駕駛人員作為轉向唯一動力源。第2 階段因為液壓控制技術的發展，有液壓助力轉向（HPS）、以機械為主的差速助力轉向（MDPS）和液壓差速助力轉向（HDPS）系統，其中機械液壓差速助力轉向系統常用于履帶車，人工不再是唯一轉向動力源，相對第1 階段的助力轉向系統更省力。到了第3 階段，由于電子電力技術和液壓控制技術的發展，出現了電控液壓助力轉向（EHPS）系統和電動助力轉向（EPS）系統，目前這兩個系統在汽車領域應用廣泛，但還存在各種問題有待解決。此外，因為目前電動車逐漸普及，在EPS基礎上正在發展EDPS系統，該系統目前還存在容易導致輪胎壽命縮短、安全可靠性弱、駕駛員操縱不匹配等問題。從助力轉向系統發展過程來看，整體正逐漸往輕量化、高效率、高集成性方向發展，更多地考慮了人、車、環境的有機結合。本文按機械結構占比程度，將各個階段的轉向系統統一分為以機械為主的助力轉向系統和以電機控制為主的助力轉向系統兩種。簡要介紹了4 種以機械結構為主的助力轉向系統，著重介紹了以電機控制為主的EPS、EPHS、EDPS這3個系統研究現狀，并對這3個系統進行性能對比。提出目前助力轉向系統所面臨的難題并對未來助力轉向系統發展進行展望。

1 以機械為主的助力轉向系統

1.1 MS系統

傳統以機械為主轉向（MS）系統由多種機械結構組成，如轉向器、轉向搖臂、轉向萬向節等。以駕駛員體力作為唯一的動力源，整體笨重且轉向效率低，但可靠性好，其基本結構如圖1所示。

1.2 HPS系統

傳統液壓助力轉向（HPS）系統是機械轉向系統與液壓控制系統的結合，轉向油泵的控制是系統的關鍵，HPS 系統基本結構如圖2 所示。由于其機械結構原因，開發制造初期各個結構參數已經確定，無法針對路況進行調整。無論車輛是否處于轉向狀態在，液壓泵總是持續工作，能耗大且不夠環保。

圖2 HPS系統的基本結構

1.3 MDPS系統

機械差速助力轉向（MDPS）系統主要有純機械差速器式、行星齒輪與轉向離合器復合式這兩種，主要應用于履帶式車輛上[1]。純機械差速器式，也叫單流差速式，其出現時間最早，通過降低一側車輪速度和提高另一側車輪速度來實現簡單的差速轉向功能。為了在一定程度上克服干擾因素帶來的影響，國外早期針對轉彎半徑，提出改進的錐齒輪和直齒圓柱齒輪結合的差速器，該控制器可以在一定程度上增大轉彎半徑，提高轉向性能，但機械傳遞效率不高。行星轉向結構緊湊且簡單，雖然轉彎半徑不高，但傳動效率高，廣泛運用于履帶車、民用汽車、農機等領域[2-5]。其基本原理是轉向內側產生的再生功率能夠傳回到轉向外側進行功率補償，降低了發動機功耗。但也存在兩個缺點：一是對于農業、軍事領域下大部分車輛需要用非標準的轉彎半徑，功耗大；二是轉向機構需要頻繁調節，加大了機械損耗，影響了車輛平均速度和操控穩定性等。

1.4 HDPS系統

機械液壓差速助力轉向（HDPS）系統的出現，代表著液壓控制技術應用領域的重要一步。最早是在軍事領域應用，二戰期間德國RenkAG 公司研發出的LG600 首先裝載這個系統。該系統的優點有占用小、體量輕、負載能力強等優點。其轉向結合了液壓和機械傳動特性，通過液壓泵的正負壓控制轉彎半徑，實現連續可控的無級轉向[6]。但制約該系統性能的問題還有待解決：一是使用的液壓泵和馬達成本較高，且控制精度要求也較高；二是液壓傳動效率不高，最多只能達到80%，最少50%甚至更低，大部分是因為機械結構之間的協作效率受各種因素影響，這些問題給駕駛人員轉向帶來很多困難。之后學者針對液壓元件在轉向時功率不足和彎道適用性問題進行研究，改進HDPS系統，但因為機械結構的根本缺陷問題，轉向效率沒有很大提高。由于機械結構之間聯動而帶來傳動效率低下的問題，電傳動技術應運而生。它有效地降低了材料合成和制作工藝帶來的影響和燃油消耗。

2 以電控為主的助力轉向系統

2.1 EHPS系統

在20 世紀90 年代初，電動液壓控制（EHPS）系統開始開發，在國外起步較早。國內最早在2005 年開始研究電控液壓系統相關內容[7-8]。西北農林科技大學霍立志等[9]開始農業拖拉機的電液助力轉向（EHPS）系統的研究，將轉向盤的轉矩引入到系統中，實現了轉矩感應型的液壓助力轉向，仿真結果表明系統在車輛低速作業的情況下具有良好的控制精度、快響應的特性，EHPS 系統的基本結構如圖3 所示。為了提高助力轉向系統的能量效率和可靠性，實現線傳控制，侯占峰等[10]設計了一種由傳統液壓裝置和電控比例溢流閥相結合的電液助力轉向系統，系統系統助力轉向具有較高的靈活性。轉向系統與控制策略研究的關鍵是對于電控液壓助力轉向系統動態特性研究，李書霞等[11]設計了助力轉向系統的機電液耦合動力學模型和搭建動態模擬實驗平臺，對非線性時變系統的瞬態響應進行求解，仿真結果與動態模擬測試結果吻合良好。謝一兵等[12]根據助力特性曲線模型繪制3 種（直線形、曲線行、折線行）特性曲線并進行對比分析和改進。為了解決車輛在非轉向工況下助力電機處于運行狀態導致能耗過大的問題，呂晗珺[13]提出了一種輔助蓄能器式的EHPS 系統，仿真結果表明該系統能夠使車輛工作能耗降低。

圖3 EHPS系統基本結構

大部分的學者都是以車輛中低速行駛情況為基礎進行研究。在中低速情況下，EHPS可以提供比較大的轉向助力，節約發動機能量，提高燃油經濟性，比較適用于大型貨車。但液壓泵占用車輛體積較大，不具有輕便性。此外，液壓油的使用不夠環保。隨著EPS 系統的優勢慢慢顯現，EHPS系統的改進正在慢慢向著EPS系統靠近。

2.2 EPS系統

EPS 系統根據助力電機裝載位置不同可以分為轉向軸式電動助力轉向系統、齒輪式電動助力轉向系統、齒條式電動助力轉向系統[14]。其中轉向軸式電動助力轉向系統應用相當廣泛，基本系統結構如圖4 所示。曹景勝等[15]引入轉向盤力矩和行車速度建立相應模型進行仿真，有效確定了最優的輔助轉向電流。陳丹丹等[16]為了解決電機占用空間大、應用復雜等問題提出了一種變傳動比轉向系統。馬錚等[17]對基于模型驅動架構（MDA）的EPS 系統的可靠性進行研究，提出一種系統可靠性評估辦法，為系統開發前期提供參考。吳立群等[18]提出一種基于改進細菌覓食優化算法的功率優化控制策略，測試結果表明該控制器能夠高效地降低助力電機消耗功率，降低轉向能耗。Hung Y C[19]提出了一種基于非對稱隸屬函數的小波模糊神經網絡（WFNN-AMF）和改進差分進化(IDE)算法的控制策略，提高了EPS系統的穩定性。

圖4 EPS系統的結構

大部分學者的主要研究方向有助力電機、控制器、系統穩定性以及經濟性等。其發展趨勢主要在助力電機結構和轉矩控制策略方面[20]。在助力電機結構方面盡可能低成本、高效率。在控制策略方面，在傳統PID控制基礎上結合各種控制策略應用于EPS系統，如遺傳算法、神經網絡控制等。EPS具有很好的隨速助力轉向特性，助力大小可控。此外該系統是純電機助力，省去了EPHS系統所必須的機械結構，既節省能量，又保護環境。雖然EPS系統性能優越，但因助力功率有限，僅適用于中小型車輛，且電磁閥成本較高。未來將繼續簡化EPS結構，降低生產成本。

2.3 EDPS系統

隨著電動車的普及應用，EDPS系統的研究逐漸受到重視。該系統與EPS 系統最主要的區別是不再采用助力電機直接控制方向盤轉向扭矩。對電動輪進行電子差速控制一般有3 種作用，第一種作用是在轉向時穩定車身防止車輪滑移率變高，提高行車安全性；第二種作用在復雜的道路下依據駕駛員習慣間接補償方向盤扭矩故而減少轉向能耗，提高能量利用率；第三種作用是防止因為機械轉向結構故障造成的操作失誤，采取后輪轉矩控制策略進行修正。該系統一般以方向盤轉矩和轉角作為輸入變量來控制兩側電動輪轉矩對方向盤轉矩進行補償，可以有效提高電動車行駛穩定性、經濟性、動力性等，EDPS系統基本結構如圖5所示。

圖5 差速助力轉向系統結構

電子差速控制策略作為EDPS（Electric Differential Power Steering）系統的關鍵技術，國內外有許多學者對其進行研究。靳立強等[21-23]針對電動輪驅動系統構建受力分析圖，進而提出了對驅動電機轉矩模式控制，設計了一種汽車自適應電子差速控制方法。Tabbache B等[24]運用直接轉矩控制策略對驅動電機進行控制，從魯棒性和穩定性方面證明該自適應電子差速策略在無機械傳感器情況下具有可行性。鐘志華等[25]分析差動助力特性，設計了一種采用直接轉矩控制策略對輪轂電機進行控制，仿真結果表明該控制器具有良好的穩定性，但該系統在機械轉向結構失效時才有作用，應對不同的行駛情況較少。車輛在不同工況下進行轉向，由于縱、側向加速度的不確定，輪胎載荷在四輪間會發生偏移，使得同軸兩驅動輪滑移率很難完全一致。為了解決這個問題，陳東團隊和趙艷娥團隊[26-27]在車輛進行轉向時，考慮到輪胎載荷位移、輪胎中心和側滑角的影響，相應地提出基于閾值和扭矩調控器的電子差速控制策略，但該控制策略卻只能在達到一定閾值才能起作用，不具有很強的靈活性。Daya J 等[28]借助小波控制器控制無刷直流電機的轉速。該控制器采用離散小波變換對實際轉速與參考轉速之間差值進行解析，仿真結果證明了小波控制器相較于PID控制器具有較優的穩定性。

從上述來看，可以根據是否以驅動輪滑轉率為電子差速策略動態控制目標，電子差速控制策略分為自適應式、直接滑轉率控制式、間接滑轉率控制式3 種[29]。自適應式電子差速策略就是模仿機械差速器的同軸電動輪驅動力矩近似均等分配的原理，它雖然能實現電子差速，但對操作穩定性有負面影響。直接滑轉率控制式電子差速策略輪胎滑移率的具體值都是基于阿克曼轉向模型來計算得到的，但阿克曼轉向原理是基于理想條件下車輪轉速的關系，而實際應用中，車輛不是完全遵循阿克曼模型，在實際應用方面較為局限。間接滑轉率控制式策略在車輛低速行駛且轉向角不大的情況下適用，適用的范圍不大。另外，間接滑轉率控制和直接滑轉率控制電子差速策略僅深入研究了車輛轉彎情況下的差速問題，忽略了車輛行駛在凹凸不平的直道上的差速問題。

2.4 三種以電控為主的助力轉向系統對比

綜上所述，EHPS、EPS 和EDPS 三種轉向系統各有優缺點，本文用表格方法對3種助力轉向系統進行比對，如表1所示。3個系統都能夠隨車速大小提供相應的轉向助力，但EHPS 系統隨速助力大小變化趨勢相對固定，在低速時轉向特性變化不大，在高速時隨速度增加助力大小減小，而其他兩個系統在不同速度下的助力大小可調。EPHS 系統由于其機械結構的作用，駕駛時路感反饋更強，在凹凸不平的路面方向盤反饋較為明顯。其制造總成本相對較低，在私家車和貨車上都有應用，應用范圍較廣。但由于其結構復雜又使用液壓泵，有液壓油泄漏、液壓油受凍、機械結構損耗等問題，不易維修。此外，在非轉向狀態，該系統的助力電機并不停止工作，能耗較大。其復雜的機械結構協作導致傳動效率低，大概在60%～70%之間。EPS 系統省去了EPHS 系統的部分機械結構，采用純電機助力，傳動效率能達到90%以上。結構相對簡單，故靈活性較高，易于維修。另外，沒有使用液壓油，使該系統更節能環保。但其電磁閥、電機要求苛刻，故成本較高。主要適用范圍在中高級轎車。因為其助力電機功率有限，所以難以應用于大型客車和貨車上，適用范圍相對局限。目前研究人員正在努力研發適合大型客車和貨運汽車的EPS系統。EDPS系統是在EPS 系統基礎上發展而來，其繼承了EPS 系統的大部分優點，都有著占用空間小、傳動效率高等優點。此外，相較于其他兩個系統，EDPS對于復雜路況的適應性更高，駕駛感更舒適。EDPS系統更多的是針對電動汽車的轉向，使用高效的電子差速控制策略能有效降低能耗，更加節能環保。3種系統性能對比如表2所示。

表1 三種助力轉向方式優缺點對比

表2 三種助力轉向方式性能對比

3 以機械為主和以電控為主的助力轉向系統對比

總體來看，以機械為主與以電控為主的的助力轉向系統都有不同程度的減少駕駛員操作難度和提高車輛操縱性的優點。在轉向操作方面，以機械為主助力轉向系統由于機械結構的存在，整體傳動效率通常在50%～70%，導致轉向靈活性不高。以電控為主的助力轉向系統，省去了機械差速器、轉向等機械結構，總體重量減輕，采用線傳技術使得整體傳動效率高達90%[30]。在燃油消耗量方面，以機械為主助力轉向系統比較依賴發動機，且整體結構笨重，燃油消耗量大。按以上分析，列出表格比較，如表3所示。

表3 以機械為主與以電控為主的助力轉向系統對比

4 發展趨勢與展望

隨著電子電力技術的發展，因為占用空間、能耗、傳動效率等因素，以機械為主的助力轉向系統正逐漸淘汰，在履帶式車輛中有小部分的應用。履帶式車輛正逐漸拋棄效率低下的純機械結構，更多地采用電控技術。目前EPS 系統在中小型汽車領域中大量車型都有應用，而EPHS在重型汽車領域應用較多，在小部分中小型汽車也有應用。EPS系統相較于EPHS系統有可靠性高、集成性好、占用空間小、能耗低的優點。但EPS由于電機功率問題還不能完全替代EPHS 系統。EPHS 系統由于其特性很好的適用于重型車輛，該系統整體發展正逐漸向EPS系統的功能特性靠攏，如最新的蓄能式電動液壓助力轉向系統，通過蓄能的方式確保車輛功耗需求同時實現了助力電機斷續工作，達到節能的要求[30]。EDPS系統在國外有小部分應用，在國內還處于試驗階段，制約其發展最主要的還是差速控制策略不夠成熟且對輪胎損耗較大，系統可靠性不高。針對以上問題對車輛轉向系統提出以下4點展望。

（1）開展電動機與差速控制器的匹配研究，進一步提高轉向效率。車輛系統的電動機通常要求工作電壓低，額定電流、功率要足夠大，而差速控制器要保證如何在有限的條件下實現電機控制效率最大化又能保證電機不過度損耗是有待深入研究的問題。此外，電機工作過程中，由于不同形式的能量轉換，產生熱量，有大量能量損耗，通過差速控制器進行有機調節能夠抑制這問題。

（2）優化電子差速控制策略。在不降低控制策略控制效果的情況下，使控制策略輕量化，降低應用成本。電子差速控制策略的控制效果直接決定了車輛差速特性。目前有多種基于不同理論的電子差速控制策略，各有其優點，雖然新型控制理論控制效果良好，但實際工程應用成本高。優化電子差速控制策略，進一步推進該系統的實際工程應用。

（3）深入研究大功率電機，在重型車輛上避免使用不環保的液壓控制技術，積極采用電機控制轉向技術。隨著全世界環境污染的加重，綠色能源的應用受到重視，目前大型貨車、拖拉機等重型車輛普遍應用液壓控制技術，主要受助力電機功率影響。若采用新能源應用于重型車輛使用頻繁的場景，必將帶來更多發展機遇。比如在農業領域避免使用液壓控制技術，能降低農田污染，提高農作物產量。

（4）車輛助力轉向系統不應只考慮轉向輕便性而應更多地考慮駕駛員習慣和實際路況等復雜因素設計一種適應不同路況、不同駕駛員的智能控制策略。目前轉向系統更多的針對轉向便性與路感反饋的平衡，對于駕駛員習慣以及實際路況采取相應節能控制方式考慮較少。雖然現階段的車輛助力轉向系統技術相對成熟，但更多針對的是城市路況，針對田間路況較少。在農業生產領域中，田間道路復雜，采取有效的節能轉向控制策略，可以節約能源，間接地提高農產品的產量以及總體農業生產效率。

5 結束語

從目前汽車助力轉向系統的發展來看，整體發展趨勢正逐漸朝向輕量化、高效率、高集成性方向，處理好人、車、環境的協調統一是其助力轉向技術發展的關鍵之一。目前國內外車輛助力轉向系統研究針對城市車輛應用領域研究較多，農業車輛應用領域研究相對較少。農業作為國家第一產業，應受到研究人員更多的重視。對于目前整個汽車研究領域來說，隨著無人智能駕駛技術的發展，未來將更注重電機智能控制方面，不過多注重路感反饋的駕駛模式。