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电动助力转向系统(EPS)技术现状与发展

2016/7/8

1 现状
  随着汽车技术的发展,人们逐渐追求安全、轻便、舒适的驾驶环境,汽车转向系统由普通转向系统向动力转向系统发展。动力转向装置分气动/液动助力转向和电动助力转向,其中电动助力转向装置(EPS)轻便、简单、节能、清洁等优点,倍受人们青睐。逐渐有取代其它助力方式的趋势。
  EPS系统是在机械转向系统的基础上,依靠电动机提供辅助扭矩的动力转向系统。由于它有利于环保,安装方便,提高主动安全性,并且助力特性可以根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性,所以一经出现就受到高度重视。在国外,EPS已部分取代传统液压动力转向,成为世界汽车技术发展的研究热点。由于目前汽车蓄电池输出功率的限制,使EPS助力电动机提供的扭矩有限,所以EPS最先应用在小型车和家庭轿车上。然而现在它已广泛应用于较大型车辆上。这种扩大要归功于社会对节能型转向系统的需求,而且由于控制技术的进步使电动助力转向器性能达到甚至超过液力转向器的性能[1,2]。
  EPS应用到较大型车辆上的技术关键点是能提供大的辅助轴向力,因为中型或大型车辆需要的轴向力可达10000N,甚至更高。然而,在目前大多数汽车配装12V电压系统的情况下,由于电动转向器的电机电流的限制,电机输出扭矩的增加受到了很大限制。
  欧洲汽车制造商在研究配有42V电压系统的中型车辆上应用EPS方面走在了前头,而在拓展EPS的应用方面,日本的KOYO、NSK、HONDA及美国的DELPHI、TRW等公司已经开发了多种类型的EPS。
  EPS是一种新型的动力转向器,它没有因电液或液力动力转向器的体积大、部件多、管路漏油等造成的耗能、污染环境的缺点。因此,从1988年第1个EPS样品诞生至今的10多年里,快速完成了从实验室走向商品化的过程。特别是近几年,随着汽车数量的大幅增加,能源和环保问题日益突出,节能、环保的EPS受到了汽车厂家的欢迎。
  2 助力转向系统的分类
  助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为3类:液压助力转向系统(Hydraulic Powered Steering,HPS),电动液压转向系统(Electrically Hydraulic Powered Steering,EHPS),电动助力转向系统(Electric Power Steering,EPS)。将来的趋势是电线转向(SBW-Steering By Wire),即采用线控技术,在方向盘和转向轮之问没有机械连接。3种助力转向系统的性能比较见表1。
表1 3种助力转向系统性能比较
  传统的液压助力转向系统的油泵与发动机直接联结,在汽车直线行驶油泵也一直处在工作状态,能量损耗很大。
  电动液压助力系统由一个专门的电动机驱动油泵来建立液压油压力,以液压油作为传递动力的媒介,油泵与发动机分开,用电动机驱动油泵,由ECU控制电动机的起动和停止,一般仅在需要助力转向的时候启动电动机,这样减少了机械损失,也减少了发动机燃油油耗,电液助力转向系统的能耗是传统液压转向系统能耗的85%,相当于整车3%~4%的油耗。
  电动助力转向系统不需要油泵,转向助力由电动机直接驱动,助力的大小和方向由ECU控制,只在需要助力的时候起动电动机助力,安装起来更加方便。由于没有液压系统,成本低、更环保和节能。
  EPS系统的结构和布置形式多种多样,EPS系统的电机多为直流电机,端电压为12V、24V或者42V。根据汽车前轴负荷的不同,助力电机的安装位置也不同。当前轴负荷较小时,电机及减速装置与转向轴相连(转向轴驱动);当前轴负荷中等时,电机及转向器与转向小齿轮相连(转向齿轮驱动);当前轴负荷较大时,电机及减速器则与转向器齿条轴相连(转向齿条驱动)。
  3 电动助力转向的关键技术
  EPS系统的研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控制技术(包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制)以及EPS系统与整车性能等多方面的难题[3,4]。
  1)电动机驱动技术:EPS系统中电机要求端电压低,而功率相对较高,所以电动机电流较大,这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困难,这是EPS系统开发的关键技术之一。
  2)非接触传感器技术:EPS系统中的方向盘转矩传感器要求结构简单,工作可靠,价格便宜,精度适中。目前国外EPS系统中的转矩传感器多为非接触式(电磁感应式、光电式等),而接触式转矩传感器(滑动电阻式)应用较少。国内非接触式传感器价格较高,不适合用于EPS系统中,必须开发出一种符合以上要求的转矩传感器。
  3)转向控制技术:EPS系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和减速器,使转向操纵机构的惯性增大,为此必须引入惯性控制和阻尼控制。避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时,为了更好的路感,必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力的大小和方向。目前国外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先进的控制策略,并取得了比较好的控制效果。
  4)EPS系统与整车性能相匹配:汽车是由各子系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体,当汽车某个子系统改变时,整车性能也产生了相应的变化,因此,必须对EPS系统与其它子系统进行匹配,使整车性能达到最优。目前汽车上流行的现场总线是控制器局域网总线CAN,而SAEJ1939协议是在CAN协议基础上重新定义的协议,本文研制的EPS系统将支持SAEJ1939协议。
  4 电动助力转向的发展前景
  目前.EPS已广泛装备于轿车上并表现出明显的优越性。EPS系统会根据扭矩、车速、转向角度、转向速度、横向加速度等多种信号进行综合控制以取得更优控制性能。同时,EPS技术将有助于汽车朝着电子四轮转向的方向发展。此外,还将与电子悬架结合,将达到多方面综合、协调、统一控制的目的。随着EPS生产成本的降低,性能价格比的进一步提高,EPS的市场将继续拓宽。
  随着电子技术和传感器技术的快速发展,电子控制器和传感器的价格越来越便宜,系统功能也越来越强,这使电动助力转向系统在性能和价格比上比液压助力转向系统更有优势。
  另外控制算法和软件的开发也越来越完善。由软件来实现在各种复杂的工况下的电动助力功能已比较成熟,使人们在故障诊断和故障安全处理也具有较高程度的信心,电动助力转向系统比电动液压助力转向系统更具竞争力。
  电动助力转向的特点在于:1)方向盘的转向特性、转向手感、转向灵敏度和汽车的稳定性可以通过软件来进行调节和优化。EHPS液压助力的增减有一定的滞后性,反应敏感性较差,随动性不足。2)EPS比EHPS的系统重量要轻,结构紧凑。减少了安装空间,当然都是配件厂已经组装好了组件,可以直接安装到车上,在装配线上,安装HPS系统约需36min,而安装EPS系统仅需5-6min。3)EPS和EHPS都是只有在需要时提供助力,不需要消耗发动机的功率,所以节省能耗,但由于都是由蓄电池提供能量,因此对蓄电池的要求高了。4)EPS和EHPS是电线转向系统的前期产品,为以后的一体式汽车控制系统ECS提供方便。驾驶员可以选择方向盘手感。比如跑车还是家庭轿车。5)EPS和EHPS的动力与发动机无关,因此适合将来的电动汽车或混合电动汽车,也适合于小型车,因为这种车只需要较小的动力来使前轮转向。6)EPS相对于EPHS没有液压油,易于保修,且绿色环保。7)EPS的应用范围广,适用于各种汽车,目前主要用于轿车和轻型载货汽车,而对于环保型纯电动汽车,由于没有发动机,因此EPS系统为其最佳选择。
  正是因为EPS系统有上述优点,世界各汽车生产大国已投入大量的人力、物力从事该系统的研究开发工作。目前只有日本、美国、德国、英国等几个国家的著名汽车公司开发出自己的EPS产品,并在部分车型上安装使用,EPS系统开发成功是转向装置的一次变革,为进一步实现电线转向奠定了基础。据专家预测,到2010年,约30%的轿车将安装EPS系统。国内EPS系统的研究开发还属于起步阶段。
  EPS在汽车操纵稳定性相对于其它转向系统有4点改善[5]:
  1)增强了转向跟随性。在EPS系统中,电动机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向,因此,转向系统的抗扰动能力大大增强。与液压力助力转向系统相比,助力转矩产生于电机,没有液压助力系统的转向迟滞效应,增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。
  2)改善了转向回正特性。EPS还可通过软件工程师们最大限度调整设计参数以获得最佳的回正特性,提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。而在传统的液压使制系统中,要改善这种特性必须改造底盘的机械结构,实现起来较困难。
  3)提高了操纵稳定性。通过微电脑快速灵活的智能控制,使汽车稳定性更高,驾驶感觉更好。
  4)提供可变的转向助力。通过柔性控制策略可得到覆盖整个车速的可变转向力特性。对于传统的液压系统,可变转向力矩获得非常困难而且费用很高,要想获得可变转向力矩、必须增加额外的控制器和其它硬件,但电动转向系统可变转向力矩可通过软件设定,成本低,效率高。
  5 未来市场需求
  人类逐渐意识到全球变暖的问题,从而需要改进燃烧效率,并且对具有环保、节能型特点的产品需求不断增加。因此,可以预测从液力转向系统到电动转向系统的转变过程会在将来很快地发生。表2展示了EPS及HPS在世界各地的需求趋势。数据表明,在世界范围内,电动转向器和电液转向器的使用会增加很快,2001年大约42%的安装在新车中的转向器是这种节能型的。即使是保守的估计,到2006年欧洲市场中电动转向器和电液转向器的份额会达到56%。汽车采用EPS技术将使转向技术向线控转向技术大大前进了一步。随着42V电子系统在未来几年大规模地进入市场,它将会促进电动转向器应用于大型豪华汽车上。