EPS选型报告.docx

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EPS选型报告

项目编号

报告编号

ASCL201009-002

保密级别

秘密

吉林大学

汽车动态模拟国家重点实验室

技术报告

报告名称：

EPS选型报告

撰稿：

王祥、邢海涛

审核：

李绍松

批准：

宗长富

项目名称：

乘用车电动助力转向系统的研发

委托单位：

重庆长安汽车有限责任公司

二○一零年十一月三十日

长安悦翔1.5L电动助力转向系统匹配

电动助力转向（EPS）系统取代了传统的液压助力转向系统，能节约能量，提高主动安全性，且有利于环保，是汽车电控技术发展的方向。

电动助力转向直接依靠电动机来提供辅助转向力矩，电子控制单元（ECU）通过对采集的车速信号和方向盘扭矩信号进行分析，控制电机输出助力大小。

对于长安悦翔1.5L车型的电动助力转向系统的开发，需要对整个系统进行合理匹配，其中助力特性、电动机、减速机构和扭矩传感器是EPS系统匹配的主要内容。

1助力特性的匹配

对于EPS系统，助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，由软件来设置，可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便地进行调节。

对于永磁直流电动机，电磁转矩与电枢电流成比例，因此EPS的助力特性常用电动机电流与转向盘输入力矩之间的关系曲线表示。

助力特性曲线主要包括三种类型：

直线型、折线型和曲线型助力特性曲线。

根据悦翔1.5L版的整车参数，可以选择曲线型助力特性曲线，如图1所示。

曲线型助力特性对于方向盘主力要求较大时，描述的助力特性更加准确。

图1曲线型助力特性曲线

2助力电机的匹配

助力电机是电动助力转向系统的核心部件，系统就是依靠助力电机提供转向助力，从而改善轿车在低速行驶时的转向轻便性和高速行驶时的路感信息，它的性能决定着整个系统的性能，所以电机的匹配十分重要。

助力电机的匹配问题包括结构选择和参数匹配两大问题。

结构选择问题包括：

电机的布置形式（助力形式）和电机类型的选择。

参数匹配包括:

电机尺寸、电机输出扭矩、电机转速、电机转子的转动惯量、电机的阻尼、电机轴的刚度。

2.1电机的布置形式

电动助力转向系统根据电动机布置位置不同，分为轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种。

具体车型采用何种形式主要依据汽车前轴的空间大小、前轴荷、电动机的特性等来确定。

一般来说，从整车排量考虑，1.5L以下的中小车型可以选择轴助力式电动助力转向系统，2L以上的大型轿车可以选择齿条助力式电动助力转向系统；从转向器的齿条输出力考虑，8000N以下的可以选择轴助力或者小齿轮助力式电动助力转向系统，8000N以上的可以选择齿条助力式电动助力转向系统；从整车前轴轴荷考虑，9000N以下的可以选择轴助力或者小齿轮助力式电动助力转向系统，9000N以下的可以选择齿条助力式电动助力转向系统。

本车型基本参数如表1所示。

表1电机布置形式选型

排量

齿条输出力（N）

前轴轴荷（N）

电机布置形式

1.5L

最大7000~8000

满载7800

转向轴助力式

因此，选择转向轴助力式电动助力转向系统。

这种EPS的电动机固定在转向柱上，并通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现转向助力。

该方案的助力输入将经过转向器传递，所以对电动机的最大输出力矩的要求相对较小；电动机布置在驾驶室内，工作环境较好；另外由于电机的安装位置离驾驶员比较近，需要注意电动机的噪声。

2.2助力电机类型匹配

助力电机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，它是系统的动力源，也是整个转向系统的关键部件之一。

对电机有如下要求：

起动迅速，伺服性能好，低速下具有较大扭矩，转动惯量小，噪声低，具有良好的机械特性；易控制，可靠性和安全性高，维护方便，对其它控制电路的电磁干扰尽量小；尺寸小，质量轻，尽可能节省空间大小并降低重量，使用12V的直流车载电源。

因此选择12V直流电机作为助力电机。

直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机，对于本车型，属于中小型乘用车，所以选择永磁有刷直流电机。

采用的永磁有刷直流电机包括转动绕组、机械换向器，电机的技术成熟，控制器结构简单，成本低，对于助力要求较低的汽车，一般采用永磁有刷直流电机，符合本车型要求。

表2电机类型匹配

电机类型

额定电压

永磁有刷直流电机

12V

2.3助力电机参数匹配

电机参数匹配本报告的重要部分，匹配内容包括电机尺寸、转矩、转速、功率、PWM驱动频率及转动惯量等内容。

2.3.1助力电机的尺寸匹配

由于本车型属于发动机前置前驱动乘用车，驾驶室内空间相对紧张，并且附近有踏板机构及其附件，因此原则上电机的尺寸应尽可能小，电机长度和直径协调设计使之与整车前轴布置相适应。

2.3.2助力电机的转矩匹配

a）对于选定的转向轴助力式电动助力转向系统，主力电机的转矩主要取决于汽车在原地转向时的转向阻力矩，即取决于前轴载荷

的大小。

汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩可以按下面的半经验公式计算：

（1）

其中：

为轮胎和路面之间的滑动摩擦系数，一般取0.7；

为转向轴负荷（N）；

为轮胎气压（MPa）。

经过验算，此半经验公式误差较大，而且存在未知的机械参数。

又因为原有液压机构的参数未知，且即使参数已知液压保护系数的影响而使存在一定误差。

在这里使用一种对比参照的方法，比较一种成型的同车型乘用车，结合本车参数对电机助力转矩进行匹配。

参考车型参数如表3所示。

表3参考车型齿条力参数

满载前轴载荷

齿条力

974kg

9600N

根据转向系统机械结构有

（2）

其中

为齿条力，

为转向节臂长。

而且因为考虑车型与参考车型转向节臂长基本相同，结合

（1）

（2）得所考虑的车型的齿条力，

（3）

转化为助力电机经过减速器减速后在转向柱上的扭矩，

为转向轴齿轮节圆半径

（4）

要求方向盘力矩不超过

，考虑电机从方向盘力矩为零开始满足转矩条件，因此，助力电机的转矩匹配如表4所示。

表4助力电机的转矩匹配

满载前轴载荷（kg）

最大齿条力（N）

助力电机经减速机构输出最大转矩（Nm）

785

6946

53.5

2.3.3助力电机的转速匹配

对于选定的助力电机类型，永磁有刷直流电机的机械特性曲线如图2所示。

为了满足转向轻便性要求，需要使在方向盘转速范围内，电机减速后都能输出一定的转矩，即

。

图2助力电机机械特性曲线

因此得到电机转速匹配要求，

（5）

其中

为方向盘最高转速，

为助力电机减速机构的减速比，

为电机最高转速。

在我国，操纵稳定性试验标准规定的方向盘转速

不小于

，而美国的ESV试验为不小于

；实际试验数据表明，在驾驶员进行紧急避让时，可以比这个还要大很多，例如，根据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的调查，驾驶员在进行紧急避让的时候，

可以达到

左右。

这里用到了助力电机减速机构的减速比，它对电机输出转矩起到放大作用，同时对电动机的转动惯量等参数也起到放大作用，因此影响系统的动态性能；减速比还会影响减速机构的尺寸、布置空间和传动效率等。

因此在减速机构匹配中进行设计。

2.3.4助力电机的功率匹配及验算

选择助力电机额定功率一般分为三个步骤：

一、计算电动机的负载功率，进行预选；二、助力电机的过热验算；三、助力电机的过载验算。

由于汽车的驾驶情况及行使工况的不同，电动机的工作负载也表现出不同的负载类型。

匹配选择时，应综合考虑各种不同的负载情况，选择略大的电动机功率。

一、电动机负载功率的计算

电动机的负载功率要根据具体的负载功率及效率来进行计算。

电动机的负载功率

可采用下式来估算，

（6）

其中，

为转向柱转矩；

为转向盘最高转速；

为考虑电动机、减速器的等效功率系数，一般

的取值范围为1.2~2.5。

考虑到电动机的连续工作制运行工况，电动机的额定功率

应满足：

（7）

考虑到电机功率的利用效率，取

为1.2，则额定功率

（8）

二、助力电机的过热验算和过载验算（因为要预选电机，所以暂时无法计算）

若预选的电动机过热、过载能力不够，则要重选助力电机及额定功率，直到满足要求为止。

2.3.5助力电机PWM驱动频率及转动惯量的匹配

1、助力电机PWM驱动频率的匹配

电动机端电压由PWM方式获得，PWM频率对电动助力转向系统的工作具有重要的影响。

PWM的驱动频率要考虑与机械系统固有频率的关系、对电枢电流纹波的影响及对人的噪声影响，同时还要考虑开关时电流脉冲峰值对开关管及电动机安全的影响。

机械系统的固有频率一般低于100Hz，应使PWM周期远小于机械系统的固有时间常数，PWM频率可在2~20kHz范围选择，这种选择在大多数情况下不会影响机械系统的正常工作。

随着PWM频率的提高，电动机的电枢电流会更加平滑，且易于电流连续；同时，高的PWM频率会减弱噪声影响，当调制频率超过15kHz时，对人的噪声影响消失。

但高的PWM频率也会引起开关管发热增加、电磁干扰严重和电磁兼容性的要求提高等不利影响。

因此，选取PWM频率时，应综合考虑PWM频率对机械系统固有频率的影响，以及电枢电流的平滑要求，通过多次选取比较，选择合适的PWM频率。

2、助力电机转动惯量的匹配

从转向盘力特性和横摆角速度响应两方面考虑，电机转动惯量对系统动态性能有很大影响，为保证系统稳定，电机转动惯量应尽可能小，数量级为

。

同时电机阻尼应与转动惯量和电机轴刚度匹配。

3减速机构的匹配

对于减速机构而言，减速比是电动助力转向系统匹配设计的重要参数，它主要从以下几个方面影响着系统的性能：

首先，减速机构的减速比对助力电机的输出扭矩起到放大的作用，这样它就会间接影响到系统的力特性。

其次，减速机构的减速比还对助力电机的转动惯量等电机参数起到放大的作用，因此，它还会间接的影响到系统的动态性能。

此外，减速比的大小，影响着减速机构的尺寸、布置空间以及传动效率及其逆效率，这些都影响着系统的性能。

对于减速机构减速比的考虑，也就是助力电机与减速机构的匹配问题。

在本报告的2.3.2节中提及的

是电机经过减速机构减速之后的输出转矩，而本节用

表示电机部分的转矩，

表示转向盘转矩，

代表电机减速机构的减速比，那么有，

（9）

减速比

的选择应充分考虑与电动机的匹配，

越大要求

越小，这样可减小电动机尺寸，降低电动机的制造成本，并且易于在车上布置。

但是

越大，要求助力电机转速越高，电动机的力矩波动也易传到转向盘上，同时减速机构尺寸也越大。

减速机构参数如表5所示。

表5减速机构匹配

减速机构类型

减速比与电机最大转矩

涡轮蜗杆

4扭矩传感器的匹配

扭矩传感器是EPS的关键传感器，在选择类型时，考虑经济型与功能性统一的原则。

接触式传感器价格便宜，功能性差，主要是电位计式；非接触式传感器功能性好，但价格贵，主要有电磁感应式、光电式和超声波式。

扭矩传感器输出值决定电动机的助力大小。

电动机的最大输出力矩是有限的，根据助力特性曲线，在最大转向盘力矩输入情况下，电动机的输出力矩将达到最大值。

因此扭矩传感器量程应大于助力电机最大输出力矩时对应的转向盘力矩输入，因此选择扭矩传感器的量程

。

对应的扭矩传感器最大变形为，

（10）

车型原液压动力转向扭杆刚度为一定值

，为保持原有系统刚度不变，选择扭矩传感器的扭杆刚度

仍然选择该值

。

5匹配结果

综合前面内容汇总匹配结果如表7所示。

表7长安悦翔EPS系统匹配结果

助力特性曲线

曲线型

助力电机及减速器匹配

布置形式

转向轴助力式

电机类型

永磁有刷直流电机

额定电压12V

电机与减速器参数

减速机构输出转矩

减速机构输出转速

功率

减速机构类型

涡轮蜗杆式

扭矩传感器

非接触式