汽车电动转向设计的有关问题分析

毕大宁，康富生，吕斌

(山东先河悦新机电股份有限公司，山东 淄博 255120)

1 电动转向系统设计目的

电动转向系统设计的控制目标:如何在不同车速和不同转角下，根据传感器测量的扭矩信号、仪表盘提供的车速信号，使控制器CPU按着一定的规律提供适当的控制电流，从而使电机提供不同的助力，使汽车在转向过程中达到最大助力和阻尼效果。

当前汽车转向系统在整车操纵稳定性方面存在两大问题:

(1)汽车高速行驶时，方向盘发飘问题。

(2)汽车进入转向过程后，松开方向盘车轮回正时转向轮产生摆头现象。

现在这些问题由于在汽车转向系统采用了EPS技术后都有望获得解决。首先，汽车采用EPS技术可以在汽车高速行驶时降低助力甚至于增加阻尼达到增加转向手力的目的，使驾驶员在高速行驶时操纵方向盘有沉重感，不再有发飘的感觉。一般来说，日本的资料表明在车速30 km/h开始电动转向系统开始起作用，方向盘开始有沉重感。分30～40 km/h、40～60 km/h两阶段减小助力，60 km/h以后不再减小助力了同时应适当增大阻尼，前一阶段减得快、后一阶段减得慢。这样做基本上解决了发飘问题。其次，汽车采用EPS技术以后，还要采用新型的既能表示方向盘扭矩也能表示方向盘所转角度的传感器。控制器(EPS)还要增加控制功能:在转向轮回到0°(直线行驶位置)时能自动克服惯性主动停下来(控制电机制动，甚至反向助力)，使车轮不产生摆头或只产生尽量小的摆头。这样一来EPS除解决了方向盘发飘问题外，也解决了转向轮产生摆头的问题。

所以采用了EPS后，汽车在整车操纵稳定性、转向轻便性和安全性诸方面均获得非常满意的效果。

2 电动转向系统设计要求

电动转向系统的工作规律就是应按汽车理想的转向助力模型进行工作。这个理想的助力模型就是为解决方向盘“发飘”问题而建立的。在汽车提高车速的过程中既要保持轻便，又要逐渐地相对地增加沉重感觉(图1)。

2.1 电动转向系统理想助力模型的要求

(1)随方向盘转动方向不同，电机转动方向不同。

(2)随方向盘转动速度增大，电机转速增大;反之亦然。

(3)随方向盘转角增大，电机输出扭矩按一定规律增大;反之亦然。

(4)随汽车车速增大，电机输出扭矩按一定规律减小。随汽车车速减小，电机输出扭矩按一定规律增大。

(5)各元件均有快速、协调和准确的响应。

2.2 对EPS系统设计要求

2.2.1 系统的稳定与安全性设计

在受到地面冲击或外界横向力(如侧风)作用时产生反向力矩，保持方向稳定和恢复正常行驶。

2.2.2 系统的无故障设计

提高元器件安全系数，各部件必须经过严格出厂检测，实现误操作保护设计(保护性电路设计，个别系统中个别部位电压、电流和温度保护)。

2.2.3 系统的失效保护设计

防止单个元件损坏影响其他元器件正常工作(采用各种保护电路)，ECU失效后，可恢复机械转向器直接工作。

2.2.4 系统的故障代码设计

系统的故障代码设置应从以下几个方面考虑:

(1)系统正常;

(2)扭矩传感器系统异常;

(3)车速传感器信号系统异常;

(4)电子控制器(ECU)工作异常;

(5)电磁离合器异常;

(6)电动机异常;

(7)线路异常;

(8)电源异常(蓄电池电压不足)。

2.3 EPS系统设计所需要的信号

2.3.1 车速信号

车速信号一般来自电子仪表盘或车速传感器。

北斗星汽车的车速信号在车速为60 km/h时应为42.47 Hz，此时端子电压在7 V以下，输出电流20 mA以下，T=1 ms(图 2)。

北斗星汽车的电子仪表盘上，车速仪表速比为1∶637，相当于每1 km/h时有5096个脉冲(1.42/s)，如利用电子仪表盘4P接口，其为半波，应有2548个脉冲(0.71/s)。100 km/h时应有254800个脉冲(71/s)。

2.3.2 扭矩信号

实际上扭矩信号来自传感器，由于转向轴扭矩通过对电机的控制技术，采用CPU芯片对电机进行脉宽调制控制。

这种扭矩传感器在±5 V电源供电时，实际上输出为1.37～3.63 V电压信号，2.5 V是直线行驶时的零点信号。也可以认为直线行驶时为0 V，两个方向为±1.13 V(图3)。

2.3.3 发动机工作信号

发动机工作信号直接来自发动机点火线圈，发动机每2转4个脉冲。该波形应为单向波形(图4)。

2.4 对电机的控制

2.4.1 控制要求

(1)电机的随动控制——方向盘在包括中间位置在内的任意位置停止转动，电机能迅速停止转动。无滞后、沉重感。

(2)电机的中位控制——电机在方向盘中位进行阻尼控制，以保证中间位置路感。

(3)电机的惯性控制——电机在启动、换向或停止转动时应进行惯性控制或惯性补偿，防止惯性冲击。

(4)电机的回正控制——保证电机在完成转向动作后迅速回正到中位，有回正功能。

(5)电机的温度补偿控制——解决由温度升高导致电机输出功率下降问题。

2.4.2 对电机的保护控制

(1)过载保护装置——有电机电流测量模块，限制电流过载。

(2)温度保护装置——根据温度对传感器功能的影响，电机电流超过设定值。会按一定规律增加;当电机电流低于设定值，会恢复原来设定值。

(3)防水保护——加密封圈、增加防水插头、插座。

(4)电路系统故障保护——无故障设计，双回路设计。

(5)失效保护——过去都是应用电机的离合器故障灯亮来实现。

3 当前国内电动转向各总成研制的几个问题

3.1 EPS系统设计有关问题

3.1.1 程序设计问题

如何在不同车速和不同转角下发挥电机根据传感器测量的扭矩信号、车速信号提供电机不同的控制电流，从而提供不同的电机助力能力，达到最大助力效果。一方面要按一定的数学模型(算法)或理想的转向手力模型(查表+曲线拟合)实现对电机的控制。另一方面要实现对电机的各种保护，防止出现温度、干扰等的影响。

控制器设计的两大问题:

(1)芯片选型:功能、价格(性价比);

(2)实施方案:算法、控制逻辑、电路板设计、电路板工艺。

3.1.2 供电问题

(1)电源必须滤波以防干扰;

(2)线路、输入线、控制盒屏蔽以防干扰;

(3)供电电流应为纯直流脉冲方波供电;

(4)控制电流的修正要按着上述对电机的控制和保护要求进行。

3.2 控制器的设计

3.2.1 控制器的设计要点

控制器是根据对传感器测量的扭矩信号、角度信号、车速信号综合分析后，按一定规律(模型)向电机提供不同的控制电流。从而提供不同的电机助力能力。在不同车速和不同转角下发挥电机的最大优化助力效果。

3.2.2 控制器的控制功能

要实现以下对电机的控制:

(1)性能控制——按一定的转向手力模型实现控制;

(2)随动性能——无滞后，无沉重感;

(3)惯性控制——防惯性冲击;

(4)中位控制——中间位置路感;

(5)回正控制——有回正功能;

(6)阻尼控制——高速时增大转动阻力;

(7)热补偿控制——温度超限进行功率补偿;

(8)若能做到摩擦补偿的控制则是最理想的。

3.2.3 控制器本身应具备的能力

(1)具有自检功能和故障代码储存功能;

(2)具有故障模式显示功能;

(3)具有抗电源电压波动适应能力;

(4)具有抗电流、电压过载能力;

(5)具有失电保护能力。

3.2.4 对电机的控制方法

采用单板机芯片对电机进行脉宽调制(PWM)控制。

脉宽调制频率PWM与车速关系曲线如图5所示。

3.2.5 对电机的保护控制

(1)过载保护装置——有电机电流测量模块，限制电流过载。

(2)温度保护装置——根据温度对传感器功能的影响，电机电流超过设定值。就会按着一定规律增加;当电机电流低于设定值，会恢复原来设定值。

(3)防水保护——加密封圈、增加防水插头、插座。

(4)电路系统故障保护——无故障设计，双回路设计。

(5)失效保护——电磁离合器脱开(故障灯亮)。

3.2.6 故障显示

(1)故障灯显示。

(2)故障代码显示。

(3)数据接口——专门故障代码检查设备(待开发)。

(4)国内尚无统一通信协议。

介绍某汽车的故障代码实例如下:

故障指示以长短编码方式给出，长码宽度1.5 s，短码宽度0.5 s，间隔0.5 s，长短码间隔2 s，主码间隔3 s(图6)。编码应符合表1规定。

表1 编码规定

3.3 电机设计有关问题

(1)性能，特别是低速性能。

(2)提高功率。

(3)尺寸。

(4)寿命。

(5)无刷电机。

3.4 传感器设计有关问题

(1)精度(独立线性度≥ ±2.0%，重复性误差≤ ±1.0%，信号对称度≥97%)。

(2)寿命(200万次以上)。

(3)反映实际转角和扭矩。

(4)降低成本。

(5)便于安装。

(6)防止零飘。

3.5 电动转向系统开发时应注意的问题

3.5.1 C-EPS系统

将此系统安装在乘客舱内，开发工作集中在以下三点:

(1)缩小轴向尺寸，保证转向轴的防冲撞功能;

(2)电机位置不与其他部件干涉;

(3)控制器的安装位置不应远离电机。

有关此系统的构造截面图如图7所示。系统包括EPS单元，其中有扭矩传感器，减速器和电机，加在传统的齿轮齿条手动转向器上，这种构造通过EPS单元控制着转向助力的功能。

3.5.2 P-EPS系统

现在大批量生产的C-EPS的控制器，都安装在乘客舱内。但是P-EPS控制器却必须安装在条件更为恶劣的发动机舱内。因此，要在传统的控制器的基础上考虑增力系统，加装过载保护，温度过热保护和防水结构。

由于P-EPS安装在发动机舱内，其稳定温度设定在120℃，远高于C-EPS。因此，由于工作温度范围较大，不变的过载保护控制器会降低效率，故可采用温度感应器。其作用是通过安装在扭矩传感器上的热敏电阻来感知P-EPS系统的环境温度，这样控制器就可以进行过载保护控制，以与P-EPS系统的环境温度(工作温度)保持一致。

其结构图如图8所示，这是典型的P-EPS产品。

3.5.3 S-EPS系统

循环球电动转向器S-EPS的工作状态与其他电动转向器是一样的，只不过其机械转向器部分是循环球－齿条齿扇传动结构(图 9)。

在其系统的设计中，最要考虑的是电机位置的确定。当然对于2吨以上的货车转向器周围安装空间较大，但是对于小吨位吉普车和皮卡车来说其安装空间较小，周围部件对于电机的位置是要仔细设计的，一般汽车厂家要求与周围部件要保持20 mm安全距离，所以要充分考虑安装的空间位置。

这种S-EPS系统一样是安装在发动机舱里，所以在安装方面的要求是相同的。除了考虑高温的影响外同样要考虑防水的结构问题。

3.6 对转向系统性能影响的因素

3.6.1 要研究反向滑动负载对系统性能的影响

增加减速蜗轮蜗杆的速比是提高系统的辅助增力的一种常见方法。然而，这会不可避免地导致有刷电机的惯性增加和扭矩降低，其作用在转向柱上导致方向盘的不完全回正，这是EPS系统的一个缺点。为了解决这个问题，在充分考虑到客户要求——转向齿轮的安装空间，转向响应，转向手感和齿条力后，尽可能地选择较高的减速比。

与传统的产品相比，塑料蜗轮与蜗杆副的反向滑动负载(自身的摩擦力)已降低了10%。通过降低齿轮齿条及EPS各构件的摩擦阻力，来降低反向滑动负载是一个办法。对于EPS，研究油封转动扭矩，调整蜗轮蜗杆支撑轴承的预紧力，解决油封转动阻力都是很重要的。轴的材料，轴承的支撑结构以及线圈弹簧力的设定也很重要。

3.6.2 电机最大功率的匹配与选型

通过控制器使电机的助力始终处于最佳状态，也就是说在不同的车速下电机都能发挥最大助力效果。这也就是EPS电机匹配问题的重要性。

如某汽车的方向盘转速为60 r/min时，减速机构速比为16.5，此时电机转速应为1000 r/min，所以在此速度工作时电机功率应为最大，实际上确实如此。

电动转向所能匹配的电机有直流有刷电机和直流无刷电机两种。现在常用的是直流有刷电机。直流有刷电机的特点是成本低，性能能满足电动转向要求，但是寿命和噪声均是存在的问题。而直流无刷电机在寿命和噪声方面有巨大的优势，但是成本上升，而且由于必须进行转速控制，控制器的结构相应复杂。

我们在选用电机时则应根据使用经验，原车结构，匹配性能，电机性能(包括转速和噪声)以及成本诸因素确定。因为电动转向器安装位置很紧凑，所以对电机的尺寸有一定限制。一般来说电机尺寸小、功率大、性能好、寿命长，特别是噪声低最受欢迎。

发展中大型汽车电动转向的最大难题主要是电机的功率和尺寸的确定，电机消耗电流大(可能达到24 V、80 A)，对蓄电池的容量也会造成一定的问题，所以一般载重3吨以上的车辆要考虑电池的容量了。

3.6.3 采用耐热树脂的减速蜗轮

蜗轮蜗杆减速机构被广泛应用于电动转向系统中，它能提供较高的减速比。一般都采用塑料蜗轮或新型树脂材料，它们已经开发并应用于减速蜗轮以使其满足以下性能要求:

(1)高强度及耐磨性，适用于高输出扭矩电机，因为EPS不仅用于紧凑型小车还用于普通轿车和中大型汽车;

(2)足够的耐热性，适宜安装于发动机舱内，舱内温度高达120℃;

(3)足够的抗低温性能，环境温度可能达到－40℃;

(4)注塑工艺性要好，保证无气孔才行，蜗轮材料注塑后产生圆周方向气泡，一般的注塑工艺方法是解决不了的;

(5)国外进口减速蜗轮材料化验显示其为纳米尼龙，极其耐磨和耐高温。在减速蜗轮耐久试验后，齿侧间隙(蜗杆和减速蜗轮之间的间隙)的增加与树脂材料的粘度成反比例。因此，要选择粘度上限的树脂材料。经过减速蜗轮耐久试验后，齿侧间隙的增大与传统的减速蜗轮相当。