第五章设计要求15.docx
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第五章设计要求15
第五章电动转向的设计和问题
一电动转向系统设计目的
电动转向系统设计的控制目标：
如何在不同车速和不同转角下、根据传感器测量的扭矩信号、仪表盘提供的车速信号、使控制器CPU按着一定的规律提供适当的控制电流，从而使电机提供不同的助力，使汽车在转向过程中达到最大助力和阻尼效果。
当前汽车转向系统在整车操纵稳定性方面存在两大问题：
（1）汽车高速行驶时，方向盘发飘问题。
（2）汽车进入转向过程后，松开方向盘车轮回正以后、转向轮产生摆头现象。
现在由于汽车采用EPS技术后都有望获得解决。
首先、汽车采用EPS技术
可以在汽车高速行驶时降低助力甚至于增加阻尼达到增加转向手力的目的，使驾驶员在高速行驶时操纵方向盘有沉重感,不再有发飘的感觉。
一般来说，日本的资料表明在车速30Km/h开始电动转向系统开始起作用，方向盘开始有沉重感。
分30~40Km/h、40~60Km/h两阶段减小助力，60Km/h以后不再减小助力了同时应适当增大阻尼，前一阶段减的快、后一阶段减的慢。
这样做基本上解决了发飘问题。
其次、汽车采用EPS技术以后，还要采用新型的既能表示方向盘扭矩、也能表示方向盘所转角度的传感器。
控制器（EPS）还要增加控制功能：
在转向轮回到0°（直线行驶位置）时能自动克服惯性主动停下来（控制电机制动、甚至反向助力），使车轮不产生摆头或只产生尽量小的摆头。
这样一来EPS除解决了方向盘发飘问题外，也解决了转向轮产生摆头的问题。
所以采用了EPS后，汽车在整车操纵稳定性、转向轻便性和安全性诸方面均获得非常满意的效果。
二电动转向系统设计要求
电动转向系统的工作规律就是应按汽车理想的转向助力模型进行工作。
这个理想的助力模型就是为解决方向盘“发飘”问题而建立的。
在汽车提高车速的过程中既要保持轻便，又要逐渐地相对地增加沉重感觉（图1）。
1
图1理想转向手力力模型
1电动转向系统理想助力模型的要求：
1．1随方向盘转动方向不同，电机转动方向不同。
1．2随方向盘转动速度增大，电机转速增大；反之亦然。
1．3随方向盘转角增大，电机输出扭矩按一定规律增大；反之亦然。
1．4随汽车车速增大，电机输出扭矩按一定规律减小。
随汽车车速减小，电机输出扭矩按一定规律增大
1．5各元件均有快速、协调和准确的响应。
2对EPS系统设计要求
2．1系统的稳定与安全性设计——在受到地面冲击或外界横向力（如侧风）作用时产生反向力矩，保持方向稳定和恢复正常行驶。
2．2系统的无故障设计——提高元器件安全系数，各部件必须经过严格出厂检测，实现误操作保护设计（保护性电路设计，个别系统中个别部位电压、电流和温度保护）
2．3系统的失效保护设计——防止单个元件损坏影响其它元器件正常工作（采用各种保护电路），ECU失效后，可恢复机械转向器直接工作。
2．4系统的故障代码设计
系统的故障代码设置应从以下几个方面考虑：
（1）系统正常
（2）扭矩传感器系统异常
（3）车速传感器信号系统异常
（4）电子控制器（ECU）工作异常
（5）电磁离合器异常
（6）电动机异常
（7）线路异常
（8）电源异常（蓄电池电压不足）
3.EPS系统设计所需要的信号
3．1．车速信号
车速信号一般来自电子仪表盘或车速传感器。
北斗星汽车的车速信号在车速为60Km/h时应为42.47Hz,此时端子电压在7V以下，输出电流20mA以下，T＝1ms（见图2）。
北斗星汽车的电子仪表盘上、车速仪表速比为1：
637，相当于每1Km/h时
有5096个脉冲（1.42/s）,如利用电子仪表盘4P接口，其为半波，应有2548个脉冲（0.71/s）。
100Km/h时应有254800个脉冲（71/s）。
。
图2车速信号
3．2．扭矩信号
实际上扭矩信号来自传感器，由于转向轴扭矩通过对电机的控制技术：
采用CPU芯片对电机进行脉宽调制控制。
这种扭矩传感器在±5V电源供电时，实际上输出为1.37～3.63Vde1电压信号，2.5V是直线行驶时的零点信号。
也可以认为直线行驶时为0V，两个方向为±1.13V（见图3）。
图3电位计式传感器特性曲线
3．3．发动机工作信号
发动机工作信号直接来自发动机点火线圈，发动机每2转4个脉冲。
该波形应为单向波形（见图4）。
图4发动机工作信号
4对电机应实现如下控制：
4．1控制要求：
4．1．1电机的随动控制——方向盘在包括中间位置在内的任意位置停止转动，
电机能迅速停止转动。
无滞后、无沉重感
4．1．2电机的中位控制——电机在方向盘中位进行阻尼控制，以保证中间位置路感。
4．1．3电机的惯性控制——电机在启动、换向或停止转动时应进行惯性控制或惯性补偿，防止惯性冲击。
4．1．4电机的回正控制——保证电机在完成转向动作后迅速回正到中位，有回正功能。
4．1．5电机的温度补偿控制——解决由温度升高导致电机输出功率下降问题。
4．2．对电机的保护控制
4．2．1过载保护装置－有电机电流测量模块，限制电流过载。
4．2．2温度保护装置－根据温度对传感器功能的影响，电机电流超过设定值。
会按一定规律增加；当电机电流低于设定值，会恢复原来设定值。
4．2．3防水保护－加密封圈、增加防水插头、插座。
4．2．4电路系统故障保护－无故障设计，双回路设计。
4．2．5失效保护－电磁离合器脱开（故障灯亮）。
以下提供几个国外电动转向器的技术参数：
例1轴助力式电动转向器（C-EPS）见表1。
表1
项目
参数
规格
理论齿条力
N
齿条行程
mm
齿条比率
mm/rev.
齿轮齿条
模数
齿轮齿数
6
减速机构
型式
减速比
蜗杆和塑胶齿轮
1:
16.5
电机
型式
额定电压
额定电流
额定扭矩
额定转速
有刷直流电机
12V
30A
Nm
1180rpm
例2：
小齿轮助力式电动转向器（P-EPS）见表2。
表2
项目
参数
规格
理论齿条力
7747N
齿条行程
144mm
齿条比率
45.335mm/rev.
齿轮齿条
模数
齿轮齿数
2.3
6
减速机构
型式
减速比
蜗杆和塑胶齿轮
1:
15
电机
型式
额定电压
额定电流
额定扭矩
额定转速
有刷直流电机
12V
65A
3.4Nm
1180rpm
例3小齿轮助力式电动转向器（P-EPS）见表3。
表3
项目
参数
规格
理论齿条力
4480N
齿条行程
126mm
齿条比率
39mm/rev.
（3．23圈）
齿轮齿条
模数
齿轮齿数
减速机构
型式
减速比
蜗杆和塑料蜗轮
1﹕17
电机
型式
额定电压
额定电流
额定扭矩
额定转速
有刷直流电机
12V
35A
1．76Nm
1200rpm
三当前国内电动转向各总成研制的几个问题
1EPS系统设计有关问题
1．1程序设计问题
如何在不同车速和不同转角下发挥电机根据传感器测量的扭矩信号、车速
信号提供电机不同的控制电流，从而提供不同的电机助力能力，达到最大助力效果。
一方面要按着一定的数学模型（算法）或按着理想的转向手力模型（查表+曲线拟合）实现对电机的控制。
另一方面要实现对电机的各种保护，防止出现温度的影响、干扰的影响、…等。
控制器设计的两大问题：
（1）芯片选型：
功能、价格（性价比）
（2）实施方案
1算法
2控制逻辑
3电路板设计
4电路板工艺
1．2供电问题
（1）电源必须滤波－防干扰
（2）线路屏蔽、输入线屏蔽、控制盒屏蔽－防干扰
（3）供电电流应为纯直流供电，脉冲方波供电
（4）控制电流的修正要按着上述对电机的控制和保护要求进行。
2控制器的设计
2．1控制器的设计要点
控制器是根据对传感器测量的扭矩信号、车速信号综合分析后，按一定规律（模型）向电机提供不同的控制电流。
从而提供不同的电机助力能力。
在不同车速和不同转角下发挥电机的最大优化助力效果。
2.2控制器的控制功能
要实现以下对电机的控制：
（1）性能控制--按一定的转向手力模型实现控制；
（2）随动性能--无滞后，无沉重感；
（3）惯性控制--防惯性冲击；
（4）中位控制--中间位置路感；
（5）回正控制--有回正功能；
（6）阻尼控制—高速时增大转动阻力；
（7）热补偿控制--温度超限进行功率补偿；
（8）增加磨擦补偿的控制。
2．3控制器本身应具备的能力
（1）具有自检功能和故障代码储存功能。
（2）具有故障模式显示功能
（3）具有抗电源电压波动适应能力
（4）具有抗电流、电压过载能力
（5）具有失电保护功能力。
2．4对电机的控制方法
采用单板机芯片对电机进行脉宽调制（PWM）控制。
脉宽调制频率PWM与车速关系曲线见图5。
图5脉宽调制频率PWM与车速关系曲线
2．5对电机的保护控制
（1）过载保护装置－有电机电流测量模块，限制电流过载。
（2）温度保护装置－根据温度对传感器功能的影响，电机电流超过设定值。
就会按着一定规律增加；当电机电流低于设定值，会恢复原来设定值。
（3）防水保护－加密封圈、增加防水插头、插座。
（4）电路系统故障保护－无故障设计，双回路设计。
（5）失效保护－电磁离合器脱开（故障灯亮）
2．6故障显示
（1）故障灯显示。
（2）故障代码显示。
（3）数据接口－专门故障代码检查设备（待开发）。
（4）国内尚无统一通信协议。
介绍日本铃木“北斗星”汽车的故障代码实例如下：
表4
分类
代号
故障内容
12
正常
扭矩传感器
11
主线路断开或短路
13
主辅线路间存在很大差异（电位器~白线:
主线路,黑线:
辅线路）
14
传感器电源电压过高或过低
15
辅线路断开或过低
发动机
21
发动机在2500rpm以上或更高，且持续60S和没有车速信号输入
23
发动机在2500rpm以上或更高，且持续60S没有车速信号输入
24
发动机减速超过标准水平后，且持续5S没有车速信号输入
22
没有发动机信号输入
电机
41
电机电压过高或过低
42
P/S模块显示的电流和事实上流到电机的电流差异很大
43
电机电流过高
44
P/S模块传出控制指令，但电机不转
45
电机电流比通过P/S模块出来显示的电流低
P/S控制模块
51
离合器线路断开或短路
52
P/S模块故障
54
P/S控制模块电源电压过低
故障指示以长短编码方式给出，长码宽度1.5s,短码宽度0.5s.间隔0.5s.长短码间隔2s,主码间隔3s（见图6）。
编码应符合表4规定。
图6故障代码为22的故障码波形
当前国内控制器设计的最大问题是电机在低速状态时电流波动较大，从而导致汽车低速转向时方向盘抖动。
现在国内正集中力量解决这一问题。
2．7控制电磁离合器工作
发动机脉冲应为单向脉冲。
3电机设计有关问题
3．1性能，特别是低速性能。
3．2提高功率
3．2尺寸。
3．3寿命
3．4无刷电机
4．传感器设计有关问题
4．1线性精度
4．2寿命（200万次）
4．3反映实际转角和扭矩——完全转向角度传感器
4．4降低成本
4．5便于安装
5电动转向系统开发时应注意力的问题
5．1C-EPS系统
将此系统安装在发动机舱，开发工作集中在以下三点
（1）缩小轴向尺寸.
（2）在高低温环境下的可使用性（光阳KOYO公司推荐的工作温度范围：
零下30摄氏度到零上95摄氏度）.
（3）防水构造
有关此系统的构造截面图如图29所示。
系统包括EPS单元，其中有扭矩传感器，减速器和电机，加在传统的齿轮齿条手动转向器上，这种构造通过EPS单元控制着辅助增力的功能。
图7新型EPS结构
5．2P-EPS系统
现在大批量生产的C-EPS的控制器，都安装在乘客舱内。
但是P-EPS控制器却必须安装在条件更为恶劣的发动机仓内。
因此，要在传统的控制器的基础上考虑增力系统，加装过载保护，温度过热保护和防水结构。
（1）增力系统：
在电流控制器中，提供适当的增力是以扭矩传感器测量到的转向扭矩为基础的。
另外，要确保获得适当的增力与装配P-EPS的整车情况相匹配。
增力特性图，补偿控制图与测定的整车相适应。
（2）过载保护控制：
控制器和电机的运行会产生热量。
过载保护控制的作用就是保护EPS系统，防止热量的影响。
通过限制电机的电流，这是热量产生的主要原因，防止温度升高超过规定值。
（3）感温过载保护控制：
现在大批量生产的控制器，都装配有过载保护控制器。
设定的电流限值是根据电机最大工作温度和最大电流时间的关系决定的。
由于P-EPS安装在发动机仓内，其稳定温度设定在120C，远高于C-EPS。
因此，由于工作温度范围较大，不变的过载保护控制器会降低效率，故可采用温度感应式。
其作用是通过安装在扭矩传感器上的热敏电阻来感知P-EPS系统的环境温度，这样控制器就可以进行过载保护控制，以与P-EPS系统的环境温度（工作温度）保持一致。
基本结构图中所示的温度信号被读入过载保护控制模块，其控制过程如下：
1依据EPS系统的环境温度，设定参数[a],[b],[c],[d].
2当电机电流测量模块测得的电流值高于[b]时，通过电流限制器的作用，
电机电流的限制值会按曲线[c]相应地降低其初始值。
例：
如65A的系统，其正常温度=25C，最大电流的持续时间为40s。
（[a]=30s,[b]=18.5A,[c]=-0.177A/s,[d]=0.0508A/s）
则初始值为65-[a]*[c]=70.31A；最大允许电流值为70.31+（[c]*40）=63.23A。
因此，为了达到过载保护的目的，将最大转向扭矩时的最大电流值设定为63.23A。
③当电机电流测量模块测得的电流值低于[b]时，电机电流的限制值会按曲线[c]相应地恢复其初始值。
图8显示了温度与电流恢复的关系图。
图8温度与电流关系图
举例：
如在上述步骤②完成后，电流为0A，并保持30s。
最大允许电流值为63.23+（[d]*30）=64.75A。
因此，过载保护控制的电机电流极限值应恢复至64.75A。
5．3．R-EPS系统
这种齿条助力式R-EPS系统与P-EPS系统一样是安装在发动机舱里，所以在安装方面的要求是相同的。
同样要在传统的控制器的基础上考虑增力系统，加装过载保护，温度过热保护和防水结构。
5．4新型扭矩传感器
这种P-EPS的新型扭矩传感器的结构，它比传统的扭矩传感器在轴向小7.0MM，在径向小3.5MM。
这种美国BI公司生产的新型扭矩传感器（图9）是专门为EPS设计的双路输出扭矩传感器（LH3型）。
它的信号来自于转向轴上安装的两个可以相对转动圆盘，圆盘之间由扭杆（扭力弹簧）相联接。
测量出转向手力作用下两个圆盘相对转动的角度（相位差）和扭杆刚度，就可以知道扭矩大小。
该相位差与扭矩大小成正比例。
同时它还可以有角度输出。
这种扭矩传感器的输出扭矩精度为线性度±3％,相位差90°，阻值范围4KΩ±30%，工作温度－40～135℃。
以下是其结构改进之处：
图9相位差式传感器
（1）线圈总成：
将轴向的主线圈及接头型式变成径向的插头型式，采用自动绕线技术使绕在圆柱上的铜线更紧密，径向减小了3.5MM.
（2）填充片：
由于线圈总成的改进，该零件被取消。
（3）感应环2：
安装位置向感应环1方向移动7.0MM。
（4）固定扭矩传感器的控制电板的方法：
使用自攻螺钉和弹性垫块代替传统的使用两个自攻螺钉的方法。
采用这种方法的目的在于减小对线圈总成与电路板间焊点的热冲击强度。
热冲击可能是来源于上述描述的插头型线圈总成。
通过这些改进方法，扭矩传感器的温度特性已经达到了传统型产品的相同水平。
5．5采用耐热树脂的减速蜗轮
该系统采用涡轮式减速机构，涡轮被广泛应用于电动转向系统中，它能提供较高的减速比。
一种新型树脂材料已被开发并应用于减速蜗轮以使其满足以下性能要求：
（1）高强度及耐磨性，适用于高输出电机，因为EPS不仅用于紧凑型小车还用于普通轿车。
（2）足够的耐热性，适宜安装于发动机仓内，仓内温度高达120℃。
（3）注塑工艺。
（4）国外进口减速蜗轮材料化验显示其为纳米尼龙，极其耐磨和耐高温。
在减速蜗轮耐久试验后，齿侧间隙（涡杆和减速蜗轮之间的间隙）的增加与树脂材料的粘度成反比例。
因此，在考虑注塑性能的同时，要选择粘度上限的树脂材料。
经过减速蜗轮耐久试验后，齿侧间隙的增大与传统的减速蜗轮相当。
另一个问题是蜗轮材料注塑后产生园周方向气泡，一般的注塑工艺方法是解决不了的。
国内现在已有一专利产品“尼龙合金”又称“新型改性MC尼龙”。
是在普通MC尼龙基础上、适量加入经过表面活化处理的增强改性剂、特别是利用现代超微结构新材料、对其进行化学改性。
它是一种亚纳米尼龙材料。
这种新型改性MC尼龙具有高强度、超韧性、自润滑、抗老化、抗静电、抗冲击、耐腐蚀等优点。
经过试验、可以说该材料已经成为国内解决该问题的一种可行的方法。
该材料性能如下：
密度1.15-1.5
硬度HB14-21
磨擦系数0.04-0.15
热变形温度＞150℃
长期耐冷热温度﹣60～﹢150℃
5．6防水结构
系统的防水结构是必须重视的，它直接与工作环境有关。
电机的防水等级为JISD1（功能测试，零件可短暂浸泡在水中）。
EPS控制器的防水等级为JISS2（功能测试，零件可用雨水或水直接喷淋）。
6对系统性能影响的因素
6．1要研究反向滑动负载对系统性能的影响
增加减速蜗轮蜗杆的速比是提高系统的辅助增力的一种常见方法。
然而，这会不可避免的导致有刷电机的惯性增加和扭矩降低，并作用在转向柱上导致方向盘的不完全回正，这是EPS系统的一个缺点。
为了解决这个问题，在充分考虑到客户要求之后，如转向齿轮的安装空间，转向响应，转向手感和齿条力，尽可能地选择较高的齿轮减速比。
与传统的产品相比，转向齿轮总成的反向滑动负载（转向齿轮自身的摩擦力）已降低了10%，并且不再需要角度传感器来将方向盘转回至中间位置，方向盘的中位和左右空档更好。
通过降低齿轮齿条及EPS各构件的摩擦阻力，来降低反向滑动负载是一个办法。
对于EPS，研究油封转动扭矩以及调整完减速蜗轮蜗杆支撑轴承的预紧力后的油封转动扭矩是很重要的。
齿条的电刷材料，轴承的支撑结构以及线圈弹簧力的设定也很重要。
6．2如何发挥电机的最大功率
通过控制器使电机的助力始终处于最佳状态，也就是说在不同的车速下、电机都能发挥最大助力效果。
这就是EPS匹配问题。
如昌河北斗星汽车的方向盘转速为60rpm时,减速机构速比为16.5,此时电机转速应为1000rpm,所以在此速度时电机功率应为最大，实际上确实如此。
电动转向所能匹配的电机有直流有刷电机和直流无刷电机两种.现在常用的是直流有刷电机.一般来说直流有刷电机直流无刷电机
直流有刷电机的特点是成本低,性能能满足电动转向要求,但是寿命和噪音均是存在的问题.而直流无刷电机在寿命和噪音方面有巨大的优势,但是成本上升,而且由于必须配备相应电路、结构相应复杂。
我们在选用电机时则应根据使用经验，原车结构，匹配，电机性能（包括转速和噪音）以及成本诸因素确定。
因为电动转向器安装位置很紧凑，所以对电机的尺寸有一定限制。
一般来说电机尺寸小、功率大、性能好、寿命长、特别是噪音低最受欢迎。
对发展中型汽车电动转向的最大难题主要是电机的功率和尺寸，电机消耗电流大对蓄电池的容量也造成一定的问题。
对电机是否带电磁离合器有两种观点：
一种认为带电磁离合器好，需要工作时电磁离合器吸合，不工作时电磁离合器断开，便于编制程序；电动转向器损坏时，电磁离合器断开，逆传动不受影响。
另一种认为不带电磁离合器好，结构简单，因为采用大螺旋角蜗轮蜗杆机构，逆向传动阻力较小，对逆传动影响不大；
编程简单了。
（毕大宁）
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