汽车电子控制转向技术的发展趋势

　　随着电子技术的迅速发展，电子技术在汽车上的应用范围不断扩大。汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS）、电动液压助力转向系统（ElectricHydraulicPowerSteering，简称EHPS）发展到如今的更为节能及操纵性能更为优越的电动助力转向系统（ElectricalPowerSteering，简称EPS）。EHPS和EPS等助力系统在汽车上的采用，改善了汽车转向力的控制特性，降低了驾驶员的转向负担，然而汽车转向系统始终处于机械传动阶段，由于转向传动比固定，汽车转向特性随车速变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。如果转向盘与转向轮通过控制信号连接，即采用电子转向系统（Steering-By-WireSystem，简称SBWS），转向盘转角和汽车前轮转角之间关系（汽车转向的角传递特性）的设计就可以得到改善，从而降低驾驶员的操纵负担，改善人-车闭环系统性能。本文综述了电子控制转向技术的发展、原理，并探讨了该项技术的发展趋势。

一、电子控制转向系统的发展概况

　　自1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高。随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的进步。在20世纪80年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。但是动力转向系统的技术革新都是基于液压动力转向系统的，无法消除HPS系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚[1]。

　　此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lueas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。如大发汽车公司在其Mira车上装备了EPS，三菱汽车公司在其Minica车上装备了EPS，本田汽车公司在Accord车上装备了EPS。Delphi公司已经为大众的Polo、菲亚特Punto开发出EPS[2]。本田还在其AcuraNXS赛车上装备了EPS[3]。

　　EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在WagonR+车上的EPS是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统[4]。由Delphi公司为Funte车开发的EPS为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。

　　随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。

　　早在20世纪60年代末，德国Kasselmann等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接（即电子转向系统），但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。奔驰公司于1990年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将其开发的电子转向系统应用于概念车F400Carving上。世界其他各大汽车厂家、研发机构（包括Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW等）以及日本的光洋（Koyo）精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。

　　日本Koyo技术研究所根据他们自己的研究试验结果，利用电子转向系统进行主动控制的汽车，在摩擦系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移线、侧向风试验中基本按照预定的轨迹行驶，比传统转向系统在路线跟踪性能上有较大的提高。在对开路面上进行制动试验也能基本保证汽车的直线行驶，制动距离也大大缩短。

　　日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。他们从人-车闭环系统特性出发，设计了理想的转向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化，并重点研究了驾驶员角控制特性和力控制特性对汽车主动安全性的影响。

　　宝马汽车公司的概念车BMWZ22，应用了SBWS和BBW（Brake-By-Wire）技术，转向盘的转动范围减少到了160°，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。

　　目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。要在重型载货汽车上应用，还必须采用液压执行机构。随着蓄电池技术的发展和42V电子设备在汽车上的应用，全电子转向系统将应用到中型和重型车上。目前，42V电源已经在一些概念车上得到应用，通用的"自主魔力"和Bertone的"FILO"都采用了42V电源。

　　国内动力转向器目前还处于机械-液压动力转向阶段，对于电动助力转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用的电动助力转向系统和电子转向系统。

二、EPS的组成原理和分类

　　（一）EPS的组成

　　电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。系统通常由转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等组成[5]。Alto汽车电子控制动力转向系统的组成如图1所示。