汽车电子控制转向技术的发展趋势

　　
　　（二）EPS的原理

　　电子控制动力转向系统是利用电动机作为助力源，根据转向参数和车速等，由微机完成助力工作的，其原理可概述如下。

　　不转向时，电动机不工作；当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断检测转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制器，由控制器中的微机根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。

　　电子控制电动助力转向控制系统的核心是一个4kBROM和256kBRAM的8位微机。

　　转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的提高，通过微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。点火开关的通断（on/off）信号经A/D转换接口送入微机，当点火开关断开时，电动机和离合器不能工作。微机控制指令经D/A转换后送入电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转方向和离合器的结合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机，将电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。

　　（三）EPS分类

　　根据电动机驱动部位的不同，将电动助力转向系统分为3类：转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式[6-10]。

　　图1为转向轴助力式转向系统。其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑，所测取的转矩信号与控制直流电动机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。

　　小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该形式可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。

　　齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种:一种是电动机做成中空的。齿条从中穿过，电动机的动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂，价格高，维修也困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。电动机动力经另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。

三、电子转向系统

　　电子转向系统（Steering-By-WireSystem，SBWS）由转向盘模块、转向执行模块和主控制器（ECU）3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成，如图2所示。转向盘模块包括转向盘、转向盘转角传感器、转矩传感器和转向盘回正力矩电动机。其主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量转向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器;同时接收主控制器送来的力矩信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。

　　
　　转向执行模块由前轮转角传感器、转向执行电动机、转向电动机控制器和前轮转向组件等组成。其主要功能是接收主控制器的命令，控制转向电动机实现要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图。

　　主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向转向盘回正力矩电动机和转向电动机发送命令，控制两个电动机的工作，尽可能保证在不同车速下汽车转向响应特性基本一致，减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化而进行补偿的任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理，当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，电子转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而以合理的方式自动驾驶车辆，使汽车尽快地恢复到稳定状态。

　　故障处理控制器是电子转向系统的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级作出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。它采用单独的专用处理器，能更好地提高汽车安全性能。

　　电子转向系统目前存在两种形式:前轮电子转向系统和后轮电子转向系统。前者，传统的转向元件被2个布置在汽车前侧角落的激励器所代替，这2个激励器从控制器获取信息，从而驱动前轮，同时，该系统还利用电动机向驾驶员提供路面信息。至于后轮电子转向系统，则是利用传感器来确定后轮的偏转，并以前轮的偏转角度和车速作为参考。

四、电子控制动力转向系统的特点

　　将电子控制动力转向系统同普通液压动力转向系统的性能进行比较[8-12]，其优越性主要表现在以下几个方面。

　　1．在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向助力特性来满足不同使用对象的需要。

　　2．电子控制动力转向系统只有在转向时电动机才提供助力（而HPS即使在不转向时，油泵也一直运转），因而能减少燃料消耗。同时取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管等，其零件比HPS大大减少，因而其质量轻，结构紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声、节省能源、减少废气排放。

　　3．由于直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因此EPS能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。

　　4．电子控制动力转向系统没有液压回路，比HPS更容易调整和检测，装配自动化程度更高。并且可以通过设置不同的程序能快速地与不同车型相匹配，因而能缩短开发和生产周期。

　　5．液压动力转向系统在低温下起动发动机后，由于低温下油的粘度较大，转向时作用力较高。电动助力转向系统在低温下不会增加转向作用力和发动机负荷，因而其低温运行状况好于前者。

　　6．SBWS系统还能改善驾驶员的"路感"。由于转向盘和转向轮之间无机械连接，驾驶员"路感"通过模拟生成。在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反映汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的"路感"。

　　7．SBWS能消除转向干涉问题，为实现多功能全方位的自动控制以及汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成提供了显著的先决条件。

　　8．对前轮驱动汽车，在安装发动机时需要考虑刚性转向轴占用空间，转向轴必须依据汽车是左侧还是右侧驾驶，安装在发动机附近，设计人员必须协调处理各种需要安排部件。而SBWS去掉了原来转向系统各个模块之间的刚性机械连接，大大方便了系统的总布置。

五、电子控制动力转向系统的发展趋势

　　电动助力转向系统经过十几年的发展，在降低自重、减少生产成本，控制系统发热、电流消耗、内部摩擦，整车进行匹配获得合理的助力特性以及保证良好的路感方面取得了重大进步。电动助力转向系统在操纵舒适性和安全性、节能等方面充分显示了其优越性，如今已在轻型车和轿车上得到应用并具有良好的工作性能。随着直流电机性能的改进，其应用范围将越来越广。据TRW公司预测，到2010年，全世界生产的每3辆轿车中就有1辆装备EPS，特别是低排放汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车将构成未来汽车发展的主体，这给电子控制转向系统带来了更加广阔的应用前景。

　　尽管目前在欧洲汽车法规中要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，电子转向系统还不允许在欧洲上市。但只要生产商能够有足够的证据表明电子转向系统的安全可靠性，它得到上市许可还是完全可能的。电子控制转向系统的最终发展趋势在以下几个方面。

　　1．改善控制系统性能、减小控制单元和驱动单元的体积及降低控制系统的制造成本，使之更好地与不同档次汽车相适应。如改进电动机控制技术，消除由于电动机惯性大、摩擦力所带来的转向路感不足等缺点，使电动助力转向系统也能应用于重型载货汽车上。

　　2．实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其他控制单元的通讯联系，以实现整车电子控制系统一体化。

　　3．将根据车速、转矩、转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。

　　4．提高系统的可靠性。这应从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式转矩传感器。

　　5．提高系统的安全性。采用取消转向盘的SBWS系统后，驾驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，减少了危险发生时对乘员的伤害。

　　电动转向技术由于其技术先进，性能优越，未来必将取代其他动力转向技术，成为动力转向技术的主流。线控动力转向系统将是动力转向系统的发展方向，是未来汽车对安全性、操纵稳定性和舒适性的更高要求，有着很好的发展前景。

　　当然，在汽车迈向全面线控转向之前，电动转向系统是"中站"，是第一步，当汽车装有电动转向系统时，其中的转向电动机将接受一系列传感器信号，例如转向控制、动态稳定控制等，最后机械的部分一个一个消失，逐渐变成了全面线控转向。