电动助力转向系统的研究及分析.docx

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电动助力转向系统的研究及分析

前言………………………………………………………………………………3

第一章概述………………………………………………………………………7

1.1汽车转向系统……………………………………………………………7

1.2汽车转向系统的发展历史………………………………………………7

1.3电动助力转向系统优点…………………………………………………8

1.4电动助力转向系统无功损耗研究的重要性……………………………9

1.５电动助力转向系统及发展趋势…………………………………………9

第二章电动助力转向系统结构…………………………………………………11

2.1控制器……………………………………………………………………12

2.2传感器……………………………………………………………………12

2.3助力电机…………………………………………………………………13

第三章电动助力转向系统的控制策略及验证…………………………………15

3.1电动助力转向系统的控制策略…………………………………………15

3.2电动助力转向系统的控制策略试验验证………………………………19

第四章以飞度车为例说明电动助力转向系统工作原理及故障诊断…………………………………………………………………………24

4.1广州本田飞度轿的电动助力转向系统工作原理………………………24

4.2电动助力转向系统的诊断………………………………………………27

第五章电动助力转向系统无功耗的探讨………………………………………28

5.1电动助力转向系统的能耗现状…………………………………………28

5.2电动助力转向系统的能耗途径分析………………………………………28

5.3无功损耗指标的研究……………………………………………………32

5.4电动助力转向系统节能方法的探讨……………………………………33

第六章电动助力转向系统得技术发展趋势……………………………………35

6.1舒适性功能………………………………………………………………35

6.2安全功能…………………………………………………………………36

第七章未来的转向系统----线控转向系统……………………………………39

7.1线控转向系统的结构和工作原理………………………………………39

7.2．线控转向系统的优点…………………………………………………40

7.3汽车线控转向系统的关键技术…………………………………………41

7.4线控转向系统可靠性问题………………………………………………41

7.5汽车线控转向技术的前景展望…………………………………………42

第八章基于线控转向系统技术——对无线转向系设想………………………44

8.1技术基础…………………………………………………………………44

8.2现实模型…………………………………………………………………44

第九章结束语……………………………………………………………………47

参考文献…………………………………………………………………………48

附件部分

第一部分EPS系统试验设备彩照……………………………………………49

第二部分外语翻译（欲称霸全球的小型汽车公司）………………………50

第三部分外语翻译原文………………………………………………………55

前言

汽车自１９世纪末诞生至今１００余年的时间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展，在人类近代文明史写下了的重要篇章。

汽车是数量最多、最普及、活动范围最广、运输量最大的现代化交通工具。

可以断言，没有哪种机械产品像汽车那样队社会产生如此广泛而深远的影响。

汽车，已从“没有马的马车”的雏形经过了无数的精心的雕琢而演化成精妙绝伦的高薪科技产品。

近２０年来，计算机技术、设计理论、测试技术、新型材料、工艺技术等诸方面的成就，不但改变了汽车的面貌，而且也是汽车产品的结构和性能焕然一新。

汽车产品的现代化，首先是汽车操纵控制的电子化。

在８０年代初，电子设备还只占汽车成本的２﹪，而现在，在一些先进的汽车上，这个指标已经超过了１５﹪。

汽车上几乎每一个系统都可以采用电子装置改善性能和实现自动化。

例如，电子操纵的发动机点火系统、供油系统、电子驱动力调节系统（ＥＴＳ）电控自动变速器、制动力调节装置、防抱死制动系统（ＡＢＳ）、智能悬架、速度感应式转向系统（ＳＳＳ）、电控防撞系统、电控液压助力转向系统（ＥＨＰＳ）、电动助力转向系统（ＥＰＳ）等的应用大大的加强汽车的安全性、可靠性、经济性、舒适性、通过性、平顺性以及稳定性。

近年来人们对汽车的安全性、舒适性和可靠性提出了更高的要求，特别是对主动安全性的有着很高的期望。

转向系统是汽车主动安全性的最关键总成，所以对转向系统的研究显得尤为重要。

良好的转向系统不仅仅对汽车的主动安全性有很大的提高，而且对改善汽车的舒适性、通过性、行使得平顺性、燃油的经济性、操纵的稳定性又十分重要的作用，所以优良的转向系统是汽车性能的评价的重要指标之一。

如何设计汽车的转向特性，使得汽车具有良好的操纵性能，始终是我们汽车技术人员、各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。

特别是在车辆的高速化、驾驶人员的非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计是十分重要的。

与传统的电动助力转向系统相比，本人通过无功损耗研究，发现电动助力

转向系统的能量损耗的途径，提出了无功损耗转向系统得概念，和理论上的电动转向系统的模型更具有实用价值。

在无功损耗的基础上研究线控转向系统以及无线转向系统，显得更有理论依据、更实际、更有可操作性。

本文在撰写的过程中追求的目标是，力求使其内容既有理论的意义又有实用价值，使它尽可能多的应用到现实生活中。

在撰写本文的过程中王爱红老师给与我很多的指导，提出了很多有价值的意见和建议，在此表示诚挚的感谢。

由于本论文非常贴近实际，将对人们的生活，特别是对于汽车转向系统的设计和改进起到一定的指导作用。

但是，也因为涉及面太广，问题太多，以及本人水平限制，所以难以深入分析做到严密周全。

另外，由于涉及时间仓促，资料缺乏，及本人水平限制，有不足甚至错误之处很多，还望同学、老师批评指正。

撰写人：

杨启民

指导老师：

王爱红

日期：

2006-6-17

摘要

电动助力转向系统已经获得了广泛的应用。

电动助力转向系统（EPS）由控制器、转向盘转矩传感器、车速传感器、电流传感器（在控制器内）、助力电机及减速机构、机械式转向器、蓄电池等组成。

EPS的控制系统主要由控制器、传感器及信号处理电路、助力电机及驱动电路等组成。

详细阐述了飞度轿车电动助力转向系统的组成、工作原理及故障诊断方法。

本文通过对电动助力转向系统能耗分析，指出了能耗的途径，提出了无功损耗的指标，探讨了节能途径。

同时提出了实用的试验测试方法和理想的按需型转向系统的概念，这些对电动助力转向系统的节能设计具有参考价值。

从舒适性功能、安全性性功能方面，论述了电动助力转向系统软件发展趋势；从结构、工作原理、功能、可靠性方面，介绍了未来的主力转向系统——线控转向系统。

关键词：

电动助力转向控制策略节能

Abstract

Theelectricpowersteeringsystemisappliedwidely.Theelectricpowersteeringsystem（EPS）consistsofthecontroller,thesteeringwheeltorquesensor,thespeedsensor,electriccurrentsensor（inthecontroller）,theelectricmotorandreductiongears,themechanical

steeringgearandthebattery,etc…TheEPScontorsystemcinsistsofthecontroller,sensorandthesignalprocessingcircuits,theelectricmotoranditsdrivingcircuits,etc…TheconsititutionandworkingprincipleofelectricpowersteeringsystemofFITcarisintrducedindetail,andfauitdiagnosismethodforits.Inthispapertheenergyconsumptionofelectric

powersteeringsysteminanaiyzed,anindicatorforevaluatingunavailableworkisforward,andtheenergy-savingapproachesarediscussed.Inaddition,apracticabletestmethodispresented,andaconceptofideal“on-demand”steeringsystemisintroduced,whichisusefulfordesigninganenergy–savingelectricsteeringsystem.Fromaspectofcomfortfunctionsandsafetyfunctions,developmenttrendofsoftwareoftheelectricpowersteeringsystemisdiscussed，fromaspectsofstructure,workingprinciple,functionsandreliability,thepowersteeringsysteminfuture,by-wiringsteeringsteeringsystem,isintroduced.

Keywords:

ElectricpowersteeringControlEnergy-saving

第一章概述

1.1汽车转向系统

汽车在行使过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行使方向，即所谓的汽车转向。

就我们常见的轮式汽车而言，实现转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车的转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车的轴线偏转一定的角度。

在汽车直线行使时，往往由于转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变原来的行使方向。

此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行使方向。

这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系。

因此，汽车转向系的功能是保证汽车按驾驶员的意志而进行转向行驶。

汽车转向系统可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系。

机械转向系一驾驶员的体力作为转向能源，其中所有的传力件是机械的。

机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。

动力转向系是兼用驾驶员的体力和发动机动力为转向能源的转向系。

在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过转向加力装置提供的。

但在转向加力装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车的转向任务。

因此，动力转向系统是在机械转向系统得基础上加设一套转向加力装置而形成的。

汽车转向系统是决定主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向系统的转向特性，使得汽车具有良好的操纵性能，始终是我们汽车技术人员、汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。

特别是近年来车辆的高速化、驾驶员的非职业化、车流的密集化的趋势，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵系统的设计显得尤为重要。

1.2汽车转向系统的发展历史

传统的汽车转向系统是机械系统，汽车转向系统的运转是由驾驶员操纵转向

盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮实现转向的，在２０世纪４０年代

起，为了减轻驾驶员的体力负担，在机械转向系统的基础之上增加了液压助力转向系统（ＨＰＳ），由于其工作的可靠、技术的成熟至今仍被广泛应用。

近年来，由于电子技术的发展，传统转向系统中越来越多地采用电子元件。

电液助力转向系统（ＥＨＰＳ）是在液压助力转向系统基础上发展起来的，其特点是液压助力泵式由电机驱动的，取代了传统的液压泵由发动机驱动的方式。

由于驱动部分与发动机分离，减少了油耗，起到了节能的作用；驱动电机是由控制单元控制，因而助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性。

电动助力转向系统（Electricpowersteering——EPS）是机械系统的基础上加入电动机作为动力源，电动助力代替了液压助力系统，与液压助力系统相比，除了节省能源外，由于取消了液压系统而节省了安装空间、提高了环保性能，

以上以机械转向系统为基础发展起来的各种转向系统改变了转向系统的力传递特性，有效地降低了驾驶员的体力负担，提高了汽车的稳定性。

汽车技术和电子技术的不断革新与进步使得汽车转向系统经历了机械式转向，液压助力转向，电控液压助力转向到如今的电动助力转向的发展历程。

与目前汽车上较多采用转向系统相比，电动助力转向系统具有诸多优点。

因此，电动助力转向已经成为汽车转向系统的发展趋势。

1.3电动助力转向系统优点

电动助力转向系统实际上是在机械转向系统的基础之上加入电机作为动力源，主要由控制器、转向盘转矩传感器、车速传感器，助力电机及减速机构、机械式转向器、离合器和蓄电池等组成。

比起传统的液压助力转向，它的优点是：

系统中的电机只在需要转向助力时才工作，汽车大部分时间正常行驶时电机并不工作，这样能量消耗很小，而传统的液压助力转向系统由液压泵及管路和油缸组成，为保持压力，不论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，能耗较高。

广州本田飞度轿车采用目前较为成熟的电动助力转向技术，所以本文以实车本田飞度为例介绍电动助力转向系统工作原理及故障维修诊断。

电动助力转向系统在发展初期，只是作为应用在注重减少油耗并难于安装液压助力转向系统的微型车上。

目前，电动助力转向系统获得了广泛的应用。

目前有多款新车型配备了电动助力转向系统。

如：

Prius和本田飞渡，大众途安，长安雨燕等。

人们开始时电动助力转向系统提出了更高的要求使得汽车在可靠性、安全性和舒适性方面的更高，希望它能够拥有性能更加优越的硬件，功能更加强大的软件，而且可以进一步集成为新的功能，增加更强的主动转向功能，以及更强更好的被动安全功能。

整套系统由生产厂家一起提供给整车生产厂家，可以直接安装；对不同整套系统由生产厂家一起提供给整车生产厂家，可以直接安装；对不同的车型不同的工况以及不同的驾驶员所需的不同的转向助力需求可以通过软件修改，方便快捷。

1.4电动助力转向系统无功损耗研究的重要性

关于电动助力转向与液压助力转向在节能方面等的比较研究已经很多，虽然定量的结果不一样，但是节能效果的定性结论是一致的。

实际上电动助力转向系统并不是真正的按需型转向系统，最简单的例子是，电动机处于堵转（相当于保舵）状态的时候，为了提供必要的助力也消耗电能，但并没有对外做功。

所以需要对这种系统的能耗进行深入的分析，探讨进一步的节能途径。

本文主要对电动助力转向系统的无功损耗进行探讨和研究，在能源紧张以及汽车本身携带能源有限的情况下，电动助力转向系统不偷食汽车能源。

电动助力转向系统的无功损耗对电动助力转向系统的广泛应用尤为重要。

电动助力转向系统的能源来自汽车上的电源（蓄电池或者是发电机），电动助力转向系统消耗的能源除了用来对外做功外还在其内部消耗了一部分，在研究的过程中我们通过对电动助力转向系统的电机能耗的分析，得出了减少能耗的途径，并提出了衡量无功损耗的指标，提出了了节能的技术途径，并提出了理想的能量按需转向的概念。

这为电动助力转向系统或助力电机的节能设计提出了有益的思路。

1.５电动助力转向系统及发展趋势

详细的研究电动助力转向系统及发展趋势，主要通过电动助力转向控制系统

的结构及控制原理、电动助力转向系统控制策略的研究以及电动助力转向系统的回正算法着手，对电动助力转向系统的工作原理、控制策略（转向控制策略和助力控制策略）以及工作过程进行深入的分析和研究。

电动助力转向系统技术发展趋势主要从汽车的舒适性、安全性以及可靠性等方面的研究。

在外来电动转向系统将拥有性能更加优越的硬件，无论是扭矩传感器、电机还是ECU，功能更加强大，可靠性更高。

随着车俩地盘控制系统的发展，电动助力转向系统将集成许多新功能，如主动前轮转向、自动泊车等，从而进一步提高了车辆的安全性和舒适性。

随着技术的成熟，电子线控转向系统（Steering

bywire——SBW）将是实现这些功能的良好载体。

随着“冗余设计”和“离合器”思想的引入，大大地提高了线控转向系统的可靠性，SBW必将是电动助力转向系统的替代品。

第六章电动助力转向系统的技术发展趋势

随着车辆底盘控制系统的发展，电动助力转向系统被赋予了更多的使命。

人们希望他能集成更多的功能，使得我们的车辆具有更高的舒适性和安全性。

电动助力转向系统在发展的初期，只是作为液压助力转向系统的替代品，应用在注重减少油耗并难于安装的微型车上。

目前，电动助力转向系统获得了广泛的应用，有多款新车配备了电动助力转向系统，如Prius、本田飞度、大众途安、铃木雨燕等等。

在最近的两年内电动助力转向系统几乎已不可阻挡之势替代了液压助力转向系统。

人们开始对电动助力转向系统提出了更多的要求，希望它能够拥有性能更加优越的硬件，功能更加强大的软件，而且人们希望进一步集成新的更多主动功能。

6.1舒适性功能

（1）不同助力特性图的存储和选择

针对某一个具体的车型，电动助力转向系统可以匹配的非常完美。

但在同一系列车型中，由于配置的不同，车辆有多种不同的型号，性能也有很大的变化。

同样的一组主力曲线，无法满足同一系列中不同车型的需要。

即使同一型号的车辆，由于驾驶员驾驶习惯的不同，对电动助力转向系统的主力特性也会有不同的要求。

因此，有必要在ＥＣＵ中存储多种助力特性图，供整车生产厂家和驾驶员选择。

（2）自动泊车功能

当停车入库时，由于停车面积的狭小，驾驶员要反复的调整车辆的位置，才能够准确的将车辆停到停车位上。

为减轻驾驶员的操纵负担，自动泊车系统能够根据车辆周围的环境情况，自动控制方向盘的转角和车速，实现车辆的停车入库。

通过该系统工作，可以自动实现两种日常的典型情况下的停车入库：

ａ．停车位与道路平行；ｂ．停车位与道路垂直。

6.2安全功能

（1）主动前轮转向系统

主动前轮转向功能的实现可以基于电动助力转向系统或线控转向系统。

当基于电动助力转向系统时，必须保证控制系统的工作不干扰驾驶员的正常转向操纵，因此需要对现有转向系统的机械结构架已改进，使得电机的转向操纵和驾驶员的转向操纵独立进行，互不干扰。

解决方案为在转向柱和转向小齿轮之间串联一个行星齿轮机构，其中转向柱的转角输入通过太阳轮传递到转向小齿轮上，而转向电机的输入转角则通过齿圈传递到转向小齿轮上

主动前轮转向系统可以实现以下功能：

a，线路的保持功能

该系统通过一个CCD照相机和实时图像处理算法监控道路上黄色和白色分道路以及道路上其它交通参与者，当驾驶员由于各种不可抗拒的原因（如醉酒、疲劳驾驶等）无意中偏离道路时，系统给出报警信号。

报警信号分为两个层次：

系统给出报警声音和闪烁的灯光信号；当驾驶员没有反应时系统进一步是转向盘和座椅产生振动。

如果驾驶员对所有的报警信号没有任何反应时，则线路保持系统将自动接管车辆，保证安全行车。

ｂ，侧风补偿功能

当车辆高速行驶时，如果有侧风干扰，车辆将偏离正常的行驶方向。

侧风补偿功能可以在车辆受到侧风干扰时，施加一个于侧风方向相反的转向盘转角，纠正车辆的偏航，保持车辆的直线行驶状态，使得车辆获得更高的侧风安全性。

侧风干扰的检测通过多种方法实现，其中最为有效的方法是使用风压传感器。

图22所示为风压传感器示意图。

图24风压传感器示意图

该传感器可以按装在发动机舱的上方或者车顶上。

侧风风力的大小通过应变仪测出，侧风方向通过电位计测出。

检测出侧风风力和侧风方向，可以明显看出侧风对车辆操纵稳定性的影响，此时只要在车辆前轮施加一个转角，使得轮胎产生的横摆力矩和侧风产生的横摆力矩平衡，这就达到了我们要求的理想状态。

c.对开路面抗制动跑偏功能

当车辆在对开路面上行驶紧急制动时，即使车辆配有ABS，车轮不会抱死，但是由于左、右车轮处于不同的路面附着系数，造成左、右车轮的制动力矩大小不一样，必然会出现制动跑偏现象。

这时，可以通过横摆角速度传感器和侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状态，然后反馈给主动前轮转向控制器，通过转向系统的主动前轮转向功能，给前轮施加一个合适的转角，纠正车辆的偏航，使得车辆回到安全的行驶方向上。

图23所示为控制系统框图

图25主动前轮转向控制系统框图

其中，

为转向盘转角；

为车辆前轮转角；r为车辆横摆角速度；αy为车辆侧向加速度。

a.低附着系数路面稳定性控制功能

在低附着系数路面上（如冰雪路面），如果车辆的侧向加速度过大，会出现危险工况（达到侧滑极限），这是可以在车辆前轮上施加一个附加的、修正的前轮转角，把车辆的侧向加速度控制在极限值之下，从而提高低附着系数路面上车辆行驶的稳定性。

相关实验及资料表明，在车辆上应用了该控制功能之后，即使是实习驾驶员，也可以很容易的在冰雪路面上驾驶行驶。

（2）可变的传动比系统

当采用了可变的传动比系统时，转向传动比根据车速的不同而改变。

在低速时，采用较小的转向传动比，可以提高车辆的机动性，当在停车入库时可以减少驾驶员操纵转向盘的圈数。

在高速行驶时，采用较大的传动比，可以使驾驶员能轻松的控制车辆，而不必过分紧张。

转向传动比的大小还和转向盘转角的大小有关。

在中间位置时（on-center）,采用较大的传动比，以减轻驾驶员的操纵强度；在较大转角时（off-center）,采用较小的传动比，以减少驾驶员的操纵专线盘的圈数。

转向系统得可变传动比的功能可以基于改进的电动助力转向系统或者线控转向系统来实现。

第七章未来的转向系统----线控转向系统

转向系统最初是机械式转向系统（MS），发展到液压助力转向系统（HPS）、电动助力转向系统（EPS），新一代的转向系统将是线控转向系统（Ｓteer—by—wire简称ＳＢＷ）。

7.1线控转向系统的结构和工作原理

线控助力转向系统是在电动助力转向系统无功损耗的基础上发展而来的，二者都是用电动机作为执行器，但二者具有本质上的不同是：

在电动助力系统中，转向盘和转向车轮之间有转向柱等机械连接；而在线控转向系统中转向盘和转向轮之间没有任何的机械连接的。

图２４所示为电动助力转向系统与线控转向系统的对比。

（ａ）电动助力转向系统（ｂ）线控转向系统

　　　　　图26电动助力转向系统与线控转向系统的对比。

在先控转向系统中，由转角传感器测出的驾驶员施加在转向盘上的转角在线控转向系统中，由转角传感器测出的驾驶员施加在转向盘上的转角信号，经过一

个合适的传动比转换后，作为控制转向车轮的参考转角；与此同时，通过扭矩传感器测出的转向车轮上受到的转向阻力矩，反馈给转向盘下方的电机，使之产生一个合适的反力矩，使驾驶员获得满意的操纵力感。

7.2．线控转向系统的优点

a提高了汽车的操纵性

在前轮转向控制方面可以实现传动比的任意设