浅谈电动赛车电子助力转向系统的研究与设计

何宛芯　高天智　陈强　陆健发　胡泽华

摘 要：电子助力转向系统（EPS）是一种助力转向系统，它是通过电机提供的辅助扭矩来影响动力转向的系统。EPS在原有转向系统的基础上增加了电控技术和传感器，使得转向性能更加便捷与完善。电子技术与转矩传感器的发展决定了电子助力转向系统的质量与性能高低，同时其对电动机的尺寸大小及功率也有着较为苛刻的要求。转向性能的好坏直接影响着车辆的安全与稳定性。随着电子技术的不断进步，电子助力转向系统也将不断发展完善，未来电子助力一定会成为主流的转向系统。关键字：基本组成;工作原理;特点;电子助力转向系统分类;转向设计与分析中图分类号：U462.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-59-03

Abstract： Electronic power steering system （EPS） is a power steering system that affects power steering by the auxiliary torque provided by the motor.EPS added electronic control technology and sensor to the original steering system， making the steering performance more convenient and perfect. The development of electronic technology and torque sensor determines the quality and performance of the electronic power steering system.The steering performance directly affects the safety and stability of the vehicle. With the continuous progress of electronic technology， electronic power steering system will continue to develop and improve， the future electronic power will become the mainstream of the steering system.Keywords： Basic Composition; Working Principle; Characteristic; Classification Of Electronic Power Steering System; Turn To Design And AnalysisCLC NO.： U462.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-59-03

前言

電动助力转向系统具有结构轻巧、布置紧凑、效率高、耗能少、经济环保等特点。与传统的液压式转向助力系统相比，更能减轻驾驶员的操作负担提高操纵性能、舒适性和安全性。所以说电子助力系统在未来具有更大的发展潜力与优势。随着社会科技的进步，生活水平的提高，人们对车辆的要求越来越高，这就需要我们对车的助力传动系统来进行研究，提出优化转向系统和转向操纵性能的指标，对各部件的选用和分析进行设计与仿真，研究结构及参数的改变对转向操纵性能指标的影响，为优化和创新转向系统打下基础，以此来解决不同的需要。

1 EPS基本组成

电子助力转向系统简称EPS（Electric Power Steering），系统部件由电子控制单元（简称ECU）、转角速度传感器及转矩传感器、动力转向电动机及减速机构等组成。

1.1 转向速度传感器及转矩传感器

传感器是一种信号转换装置，可以将非电信号转换为电信号，主要的作用是向汽车电脑提供各种工况信息。方向盘转角传感器集成在方向盘下的时钟弹簧内，用来检测方向盘的中间位置，转动方向，转动角度和速度信号。轮速传感器在ESP中起到检测车轮旋转速度，并将其转换为电信号输入到控制单元ECU中。

转矩传感器不断测量出转向轴上的转矩信号，电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，就是选定电动机的电流和转向，调整转向辅助动力的大小。

1.2 电子控制单元

由微处理器、存储器、输入/输出接口（I/O）、电压调节器以及输入输出信号处理电路组成。ECU的硬件和软件之间用CAN总线联系，在ECU上建立的控制系统，对汽车有高效的控制作用。

1.3 动力转向电动机

动力转向电动机是一个12V无刷式直流双向电动机，额定电流为65A，动力转向电动机通过安装在转向管柱壳上的涡轮和减速齿轮连接在转向柱上。

1.4 减速机构

减速机构把电动机的输出经过减速增扭传递到动力辅助单元，实现助力。减速机构设计是电子助力转向系统的关键之一。

2 工作原理

当汽车转向的时候，传感器会探测到方向盘的力矩及其的转动的方向，将这些信号传递到ECU，ECU会根据方向盘的转动方向、产生的力矩及车辆的速度数据来向电动机发出动作信号指令，使得电机输出相应的大小及方向的力矩，从而产生助力转向的效果。

当汽车不转向的时候，电控单元（ECU）不发出指令，电动机不工作。电控单元还会根据汽车的速度来给方向盘一个力矩，使得驾驶人员有一个更好的操作环境，如图1所示。

3 电动式EPS的特点

电动式EPS与传统的液力式相比较，有以下几点优势：

（1）其的助力性能更优秀。

（2）效率更高。

（3）耗能少，不需要发动机驱动，减少了燃油的消耗。

（4）路感好，可以根据驾驶员的习惯来进行调整。

（5）回正性好，内部阻力小。

（6）独立于发动机工作，无论发动机处在什么状态下，都可产生助力作用。

（7）应用范围广泛，EPS可应用在各种类型的汽车上。

（8）整车布置便捷，零部件少，尺寸小，利与装配。

4 电子助力转向系统分类

电子助力转向系统（EPS）可以分为转向管柱驱动 齿条传动和齿轮驱动三种类型。这三种电子助力转向系统都有一个齿条齿轮转向器。在转向管柱驱动中，辅助电动机连接在转向管柱内的转向轴上;在齿条传动中，电动机连接在转向器的齿条上，用来提供转向辅助;在齿轮驱动类型中，电动机是连接在转向器驱动齿轮上。

4.1 转向管柱驱动

转向柱助力式转向柱助力式EPS具有结构简单和维修方便的特点。助力电机安装在转向柱上，电机助力扭矩通过蜗轮蜗杆减速增扭后直接作用在转向柱上。相对于 其他EPS，它对转向系统的改动最小，所 以最适合将以前生产的无助力效果的 纯机械转向汽车改装成电动助力转向汽 车。电机可以装在转向柱的任何位置，转向柱式的成本最低，目前市场占有量较大。

4.2 齿条传动

齿条助力式齿条助力式EPS电机、减速装置套在齿条外侧，通过锥齿轮和滚珠丝杠构成二级减速机构，其结构最紧凑，性能最好，电动机直接带动进行齿条助力，助力效果最好，响应时间最短，电动机的振动、噪声都不容易传递给驾驶员。

4.3 齿轮驱动

齿轮助力式齿轮助力式EPS通过小齿轮和齿条啮合，电机的助力扭矩传输在小齿轮轴上，具有结构紧凑的优点。与转向柱式EPS相比，在不增加质量的情况 下，增大了系统的刚度，不需要管柱部 件传递，电机可以提供更大的助力。它 安装在驾驶室外，位于发动机室的下方，常受到尘土、泥巴和雨水等的腐蚀，要求ECU、电动机、传感器等耐高温、防水性能好。其技术要求比转向柱式的高一些。

5 EPS控制系统设计和微处理器的选取与分析

电子助力转向系统作为一个多输入多输出的工作系统，需要快速反应出驾驶人员的操作，从而给驾驶人员良好的操作体验。车辆添加电子助力转向系统的目的就是为了更轻便的转向，在驾驶人员转向时提供助力辅助是助力转向系统的主要功能。同时其也有其他方面的作用与要求，我们需要进行综合的考虑与分析，做出取舍，使性能最大化。

车辆行驶过程中转动方向盘时，电子控制单元就对电动机发出指令进行控制。根据转向時工作状况的不同，一般可以分为助力控制模式、回正控制模式、阻尼控制模式。电子助力转向系统会根据汽车行驶的工作状况采用相应的控制模式来控制转向系统，当汽车在行驶过程中转矩，速度等数据发生改变时，EPS的模式就会快速切换，这大大降低了驾驶员操作时的负担，同时也提高了汽车的操纵稳定性和安全性。

控制系统中芯片通过传感器检测转矩信号和车速信号，计算出电流大小发送给传感器，电流传感器会将实际的电流反馈给单片机，再通过控制算法进行相应的电流补偿，最后单片机发出指令使助力系统提供助力。

选择哪一款微处理器是设计的重要环节，微处理器在这里起着至关重要的作用.微处理器要承担处理大量输入和输出信号的任务，而且还要实现高精度的实时控制，因此微处理器必须要能进行高速实时计算，高速实时输入和输出，多中断响应等功能。本次设计选用的是飞思卡尔MCUS12P系列具有16位的MCU，作为汽车电子领域的领军企业，近年来，飞思卡尔也在积极拓展MCU产品链路，并不断改进他们的性能。S12P就是其中最经典的一款。S12P是一款能够用8位的价格购得的16位构架MCU，非常适合车身控制使用。其性能如下：

S12内核，32MHz总线，具有ECC功能高达128K的片上闪存，高达6K的RAM，具有ECC功能的4KDataFlash，1个支持CAN2.0A/B协议的MSCAN模块，1个支持LIN通信的SCI，1个SPI，8通道，16位定时器支持输入捕捉、输出比较、计数器和脉冲累积器功能，10通道，12位分辨率的连续逼近式模数转换器（ATD），带有6通道8位的脉宽调制（PWM）模块，带内部过滤器的锁相环（IPLL）倍频器，4-16MHz振幅控制的Pierce振荡器，1MHz内部RC振荡器，自主定期中断（API）。

6 结束语

电子助力转向系统通过电控单元实现快速反应，使转向更加便捷省力，让驾驶变得更加安全，操作更加稳定，驾驶人员开车时能有更好驾车体验。在进行电子助力转向的设计与研究时，我们要多角度的去考虑其的工作特性以达到所需的目标。

参考文献

[1] 王贵明，王金懿.电动汽车及其性能优化[M]机械工业出版社， 2010.5.

[2] 李鹏，张鹏.汽车底盘电子控制技术[M]北京理工大学出版社， 2011.2.

[3] 赵立军，佟钦智.电动汽车结构与原理[M]北京大学出版社，2012.7.

[4] 鲁植雄，冯崇毅.汽车电子控制技术第三版[M]人民交通出版社股份有限公司，2018.8.

[5] 于海东.汽车传感器入门到精通全图解[M]化学工业出版社， 2017.5.

[6] [德]J.玛瑞克、H.-P.特拉汉[日]Y.苏左克、I.约克莫瑞.汽车传感器[M]化学工业出版社，2004.8.