EPS系统设计

摘 要：EPS（电动助力转向）系统是一种新兴的汽车转向助力形式，成为了很多汽车零部件制造商的研究热点。EPS能使转向变得轻便，提供良好的操控性能，提高了汽车燃油经济性和助力效果。助力特性灵活可变，易实现针对不同车速提供合适的手感，通过更改软件中的助力参数即可进行助力特性微调。结构简单易维护，结构紧凑，质量更轻，符合现代汽车轻量化设计理念。扩展性强，便于实现新功能，逐利特性完全由ECU控制，为汽车新技术的应用提供了平台。

关键词：电动助力;操控性;经济性;紧凑

1 EPS的优势

与非辅助、纯液压和混合转向系统相比，EPS系统具有一系列优势。EPS系统助力机构不由发动机直接驱动，而是利用具有一系列转向传感器的电动机，不会占用发动机实时输出动力，仅在转向时消耗能量。转向传感器能感应到转向位置和扭矩大小，软件可以将这些信号转换为电机输出的信号。这是一种更加动态和节能的辅助转向方法。EPS相对于其他转向系统具有转向轻便快捷、能耗低、结构简单紧凑、可靠性高的特点，显著改善了汽车的操纵性，符合节能环保理念。EPS的优势包括减少大约3%的燃油消耗，节省很大的空间，更轻松的系统集成和能增强驾驶体验的软件。EPS能耗大约只占传统液压助力转向系统的1/12。由于系统内部没有油液，在制造使用及废弃后都不会造成环境污染。此外，系统内置的软件可在EPS原型开发过程中实现高性能且易于调整。

2 EPS系统

一个高性能且功能强大的微控制器和功率半导体组合是实现高效可靠EPS的基础，该组合使EPS的节能和降低二氧化碳排放達到新的水平。作为事关安全的重要部件，EPS组件必须具备可靠的协同工作能力。

EPS系统由扭矩传感器等传感器，ECU，电机和减速齿轮组成。扭矩传感器感应方向盘的运动，ECU根据扭矩传感器信号计算辅助力，电机产生转向力，减速齿轮增大转向力矩并传递给转向机构。当前，根据成本，包装和性能要求，可以在不同的细分市场中找到几种不同类型的EPS系统（图3），所有这些设计方案使转向系统能实现众多转向功能，即基本转向功能、增强型转向功能和高级驾驶员辅助功能。基本转向功能包含在一定的驾驶状况下提供转向助力和扭矩平衡（例如摩擦和惯量补偿）等直接影响转向手感的附加功能。

增强型转向功能包含方向盘主动回正以及辅助直线行驶（路堤或持续的侧风时给予必要的转矩补偿）。高级驾驶员辅助功能可以在某些情况下实现自动转向的功能，例如自动泊车，拖车后备辅助，车道保持或复杂的驾驶员反馈，例如车道偏离警告。图5是转向柱式EPS系统结构，通常使用可折叠的安全柱，该单元包含在仪表板中。

3 EPS系统设计及优化

3.1 基于CAN总线的EPS永磁无刷电机控制器设计

永磁无刷电机寿命长，运转噪声小，功率密度大，永磁同步电机采用正弦电压驱动，转矩拨动更小，转向手感更加平顺。通过软件算法减少传感器数量，通过CAN总线实现与其他系统信息共享。

3.2 基于未知输入估计的EPS控制器设计

基于拉格朗日动力学模型制定具有未知输入的最优控制方法，从而消除了对扭矩传感器的需求。结合非线性辅助曲线，未知输入估计量和线性二次积分理论开发出一种新的控制器。与众所周知的卡尔曼滤波器相比，使用未知输入估计法具有良好的效果。所得的闭环响应能够跟踪不同速度下的非线性辅助曲线。揭示了一个显著的特征，即，仅使用单个恒定增益就可以控制EPS系统。

3.3 基于扭矩信号的惯量补偿方法

EPS的动态性能受辅助电机惯性的影响，为改善动态特性，要对电机惯性进行补偿。助力电机角加速度信号可以通过扭矩信号获得。分析转向系统动态方程，建立惯量补偿框图。推到出从扭矩信号到角加速度信号的传递函数以补偿转子惯性。基于EPS基准模型验证补偿效果，分析相关参数对EPS动态性能的影响。结果显示：由扭矩信号产生的角加速度比由角度信号产生的角加速度更加准确合理，且转向系统的动态性能有了很大改善。这种方法的现实局限性是需要知道传递函数中的参数。

3.4 无电流传感器的EPS驱动方法

采用表面贴装式永磁同步电机建模和停滞时间补偿的方法减少由实际输出电压和电压指令差异造成的计算电流误差来实现无电流传感器驱动方法。这种方法仅使用处理器算法，无需任何电压感测电路硬件，例如滤波电路和电流传感器反馈电路。对包含SPMSM，电机驱动系统和机械齿轮系统的EPS进行MATLAB仿真，验证该方法的有效性。

参考文献：

[1]陈啸.基于CAN总线的C-EPS永磁无刷电机控制器设计[D].浙江工业大学，2015.

[2]Inertia Compensation Based on Torque Signal in an Electric Power Steering System [J].Xuewu.Ji.SAE-China and FISITA （eds.），Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress，Lecture Notes in Electrical Engineering 194.

[3]current sensorless drive method for electric power steering [J].J.H.LEE.School of Electrical Engineering，Korea University，Seoul 136-713，Korea.

[4]Active Compensation of Friction in Electric Power Steering[J].Tsutomu Tamura.SAE-China and FISITA （eds.），Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress，Lecture Notes in Electrical Engineering 198.

[5]Electric Power Steering[J].Yuji Kozaki.Motion & Control No.6-1999.

作者简介：郑志谊（1989-），男，浙江开化人，硕士，实验师，研究方向：汽车电控。