【正文】 專業(yè)整理分享 汽車EPS系統(tǒng)原理從上世紀(jì)50年代出現(xiàn)了汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來,經(jīng)歷了機(jī)械式、液壓式、電控液壓式等階段,80年代人們開始研制電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),簡稱EPS(ElectricPowerSteering)。EPS在機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,用輸入軸的扭矩信號(hào)和汽車行駛速度信號(hào)控制助力電機(jī),使之產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的助力,獲得最佳的轉(zhuǎn)向特性。EPS用僅在轉(zhuǎn)向時(shí)才工作的助力電機(jī)替代了在汽車運(yùn)行過程中持續(xù)消耗能量的液壓助力裝置,簡化了結(jié)構(gòu),降低了能耗,動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不同的車速條件下助力的特性,操作輕便,穩(wěn)定性和安全性好,同時(shí),不存在油液泄漏和液壓軟管不可回收等問題?？梢哉f,EPS是集環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適為一體的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS是當(dāng)前世界最發(fā)達(dá)的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng),20世紀(jì)80年代,日本鈴木公司首次開發(fā)。因其具有獨(dú)特的按需助力、隨動(dòng)跟蹤、反映路感、節(jié)能高效、環(huán)保免維護(hù)、系統(tǒng)成本低等一系列優(yōu)點(diǎn),在中小排量汽車中即將以較大產(chǎn)品份額取代液壓助力轉(zhuǎn)向總成(HPS)。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較,汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)結(jié)構(gòu)簡單,靈活性好,能充分滿足汽車轉(zhuǎn)向性能的要求,在操作的舒適性、安全性和節(jié)能、環(huán)保等方面顯示出顯著的優(yōu)越性。EPS的特點(diǎn)及工作原理(1)EPS系統(tǒng)的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已成為汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。由于采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以減少駕駛員手動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩,改善汽車的轉(zhuǎn)向輕便性,因此在商用車、中高級轎車和輕型車上得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向,缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。為了克服以上缺點(diǎn),研制出電子控制液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系(EHPS),使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。但EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、價(jià)格更昂貴,而且效率低、能耗大。EPS是一種機(jī)電一體化的新一代汽車智能轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)相比,有如下優(yōu)點(diǎn):1 效率高,HPS系統(tǒng)效率一般為60%~70%,而EPS系統(tǒng)效率可達(dá)90%以上。2 能耗少,對于HPS系統(tǒng),汽車燃油消耗率增加4%~6%。%左右。3 路感好,使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。4 回正性好,EPS系統(tǒng)內(nèi)部阻力小,可得到最佳的回正特性。5 對環(huán)境污染少,EPS對環(huán)境幾乎沒有污染。6 可以獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作,EPS系統(tǒng)只要電源電力充足,即可產(chǎn)生助力。7 應(yīng)用范圍廣,尤其對于環(huán)保型的純電動(dòng)汽車,EPS系統(tǒng)為其最佳選擇。(2)EPS工作原理。EPS原理是控制模塊根據(jù)扭矩傳感器和汽車速度傳出的信號(hào),確定轉(zhuǎn)向助力的大小和方向,并驅(qū)動(dòng)電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向操作,如圖1所示[1]。EPS系統(tǒng)由控制模塊、轉(zhuǎn)向柱管、電機(jī)成、扭矩傳感器、汽車速度傳感器(VSS)及抑噪器等部件組成?？刂颇K的基本控制原理為:轉(zhuǎn)向時(shí),扭矩通過輸入軸傳遞到扭力桿,輸入軸和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向角度出現(xiàn)偏差,這些角度變化轉(zhuǎn)換為扭矩傳感器電壓變化,并傳送到控制模塊。 圖1 EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模塊根據(jù)扭矩傳感器檢測到的扭矩信號(hào)和車速信號(hào)以及反饋電機(jī)電壓和電流信號(hào),判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài),向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出控制指令,給電機(jī)一定占空比的電壓,使電機(jī)按方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向產(chǎn)生相應(yīng)大小的輔助力,通過蝸輪蝸桿傳遞給輸出軸,協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。(3)P/S控制模塊結(jié)構(gòu)簡介。P/S控制器按功能可分為微電腦、A/D轉(zhuǎn)換器和I/O裝置。按模塊可分為微處理器、扭矩傳感器信號(hào)處理模塊、電源及電源控制模塊、直流永磁電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊、電磁離合器驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理模塊、扭矩傳感器信號(hào)處理模塊、車速信號(hào)處理模塊及EPS燈處理模塊等組成。其主要功能是控制轉(zhuǎn)向助力的大小和方向,此外,還有自我診斷功能和安全防護(hù)功能。如圖2所示。當(dāng)接通12V穩(wěn)壓電源,打開點(diǎn)火開關(guān),此時(shí)EPS控制器電路板進(jìn)入自檢狀態(tài)。當(dāng)EPS燈亮3s后熄滅、電機(jī)工作1s后停止。則表示EPS控制器電路板自檢已通過。否則,則表示EPS控制器電路板自檢未通過。P/S控制模塊根據(jù)輸入的扭矩電壓、車速信號(hào)及發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào),產(chǎn)生脈沖調(diào)寬信號(hào)(PWM),確定電機(jī)的輸出扭矩。EPS關(guān)鍵技術(shù)1 控制模塊控制原理控制電機(jī)電流信號(hào)的原理如圖3所示,控制單元采用了閉環(huán)反饋調(diào)節(jié),利用PID調(diào)節(jié)器,將電機(jī)的實(shí)際電流反饋回來與來自單片機(jī)的目標(biāo)電流相比較,經(jīng)過轉(zhuǎn)換從而得到控制電機(jī)的斬波信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力。控制電樞電流采用了電流反饋,使得電機(jī)的目標(biāo)電流和實(shí)際工作電流之間的誤差減少到足夠小,從而使系統(tǒng)能夠很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2 EPS大負(fù)荷輸出中存在的問題EPS如用于大排量的汽車,所用的電機(jī)功率必然加大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力矩隨之增大,這不僅影響輪胎回正性,還會(huì)使轉(zhuǎn)向時(shí)有粘滯感,助力跟隨性差。解決這些問題的方法是在控制電路中加上慣量補(bǔ)償和摩擦補(bǔ)償。電機(jī)功率越大,在電壓一定的情況下,電流增大,會(huì)導(dǎo)致電路溫度過高,影響電子器件的正常工作。另外,電機(jī)功率越大,噪音增大,EPS的電機(jī)裝在駕駛室內(nèi),會(huì)影響駕駛員的舒適性。(1)摩擦力矩。在永恒直流電機(jī)中,摩擦力矩的主要來源有2個(gè):1電刷和軸承的機(jī)械摩擦。 2磁通損失大的電機(jī)需要電刷和換向器有較大的接觸面,這樣才能減少電阻,增加磁通密度,從而使電機(jī)輸出功率增大,但也導(dǎo)致了摩擦力矩的增大。(2)電機(jī)的慣量補(bǔ)償和摩擦補(bǔ)償。實(shí)際需要的電機(jī)電流是助力電流、慣性補(bǔ)償電流、阻尼補(bǔ)償電流和摩擦補(bǔ)償電流之和。電機(jī)電流用這些補(bǔ)償電流來校正自己,從而提供較精確的實(shí)際需要電流。其助力電流的大小隨車速的提高而減小。慣量補(bǔ)償大大改善了轉(zhuǎn)向時(shí)的響應(yīng)性,可是導(dǎo)致的阻尼問題會(huì)影響轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性,在高速情況下最為明顯。阻尼補(bǔ)償、摩擦補(bǔ)償、慣性補(bǔ)償均與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān),在補(bǔ)償中必須給定,但考慮到電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的感應(yīng)電壓有一定的比例關(guān)系,因此不需要額外的傳感器即可檢測到。3 電機(jī)總成特點(diǎn)EPS系統(tǒng)采用的電機(jī)為直流伺服電機(jī),其主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面: 1調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。 2過載、啟動(dòng)及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。 3易于控制,可靠性高。 4調(diào)速時(shí)能量損耗小。 5加載時(shí)力矩平滑。 6噪音小。EPS的助力大小,取決于電機(jī)的大小、電流大小及減速機(jī)構(gòu)的減速比。對于那些大排量的汽車,由于助力大,需大功率的電機(jī),如果電機(jī)太大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,會(huì)導(dǎo)致助力跟隨性差,因此,EPS的使用范圍受電機(jī)功率的限制。在不同的車速、不同的輸入轉(zhuǎn)向力,其電機(jī)助力電流的大小是不一樣的,在低車速