【正文】 專業(yè)整理分享 汽車EPS系統(tǒng)原理從上世紀50年代出現(xiàn)了汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來,經(jīng)歷了機械式、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助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),簡稱EPS(ElectricPowerSteering)。EPS在機械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上,用輸入軸的扭矩信號和汽車行駛速度信號控制助力電機,使之產(chǎn)生相應大小和方向的助力,獲得最佳的轉(zhuǎn)向特性。EPS用僅在轉(zhuǎn)向時才工作的助力電機替代了在汽車運行過程中持續(xù)消耗能量的液壓助力裝置,簡化了結(jié)構(gòu),降低了能耗,動態(tài)地適應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,不存在油液泄漏和液壓軟管不可回收等問題。可以說,EPS是集環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適為一體的機電一體化設計。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS是當前世界最發(fā)達的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng),20世紀80年代,日本鈴木公司首次開發(fā)。因其具有獨特的按需助力、隨動跟蹤、反映路感、節(jié)能高效、環(huán)保免維護、系統(tǒng)成本低等一系列優(yōu)點,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的特點及工作原理(1)EPS系統(tǒng)的特點。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子技術(shù)在汽車上的應用越來越廣泛。電動助力轉(zhuǎn)向已成為汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。由于采用動力轉(zhuǎn)向可以減少駕駛員手動轉(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用。傳統(tǒng)的動力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)的液壓動力轉(zhuǎn)向,缺點是不能實現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時的輕便性和路感。為了克服以上缺點,研制出電子控制液壓動力轉(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)更復雜、價格更昂貴,而且效率低、能耗大。EPS是一種機電一體化的新一代汽車智能轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)相比,有如下優(yōu)點:1 效率高,HPS系統(tǒng)效率一般為60%~70%,而EPS系統(tǒng)效率可達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 可以獨立于發(fā)動機工作,EPS系統(tǒng)只要電源電力充足,即可產(chǎn)生助力。7 應用范圍廣,尤其對于環(huán)保型的純電動汽車,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,確定轉(zhuǎn)向助力的大小和方向,并驅(qū)動電機輔助轉(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,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和車速信號以及反饋電機電壓和電流信號,判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài),向驅(qū)動單元發(fā)出控制指令,給電機一定占空比的電壓,使電機按方向盤轉(zhuǎn)動的角度和方向產(chǎn)生相應大小的輔助力,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、扭矩傳感器信號處理模塊、電源及電源控制模塊、直流永磁電機PWM驅(qū)動模塊、電磁離合器驅(qū)動模塊、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號處理模塊、扭矩傳感器信號處理模塊、車速信號處理模塊及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功能。如圖2所示。當接通12V穩(wěn)壓電源,打開點火開關(guān),此時EPS控制器電路板進入自檢狀態(tài)。當EPS燈亮3s后熄滅、電機工作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、車速信號及發(fā)動機信號,產(chǎn)生脈沖調(diào)寬信號(PWM),確定電機的輸出扭矩。EPS關(guān)鍵技術(shù)1 控制模塊控制原理控制電機電流信號的原理如圖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,將電機的實際電流反饋回來與來自單片機的目標電流相比較,經(jīng)過轉(zhuǎn)換從而得到控制電機的斬波信號,該信號經(jīng)過電機驅(qū)動電路可驅(qū)動電機進行轉(zhuǎn)向助力?？刂齐姌须娏鞑捎昧穗娏鞣答?使得電機的目標電流和實際工作電流之間的誤差減少到足夠小,從而使系統(tǒng)能夠很快達到穩(wěn)定狀態(tài)。2 EPS大負荷輸出中存在的問題EPS如用于大排量的汽車,所用的電機功率必然加大,轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力矩隨之增大,這不僅影響輪胎回正性,還會使轉(zhuǎn)向時有粘滯感,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償和摩擦補償。電機功率越大,在電壓一定的情況下,電流增大,會導致電路溫度過高,影響電子器件的正常工作。另外,電機功率越大,噪音增大,EPS的電機裝在駕駛室內(nèi),會影響駕駛員的舒適性。(1)摩擦力矩。在永恒直流電機中,摩擦力矩的主要來源有2個:1電刷和軸承的機械摩擦。 2磁通損失大的電機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,從而使電機輸出功率增大,但也導致了摩擦力矩的增大。(2)電機的慣量補償和摩擦補償。實際需要的電機電流是助力電流、慣性補償電流、阻尼補償電流和摩擦補償電流之和。電機電流用這些補償電流來校正自己,從而提供較精確的實際需要電流。其助力電流的大小隨車速的提高而減小。慣量補償大大改善了轉(zhuǎn)向時的響應性,可是導致的阻尼問題會影響轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性,在高速情況下最為明顯。阻尼補償、摩擦補償、慣性補償均與電機轉(zhuǎn)速相關(guān),在補償中必須給定,但考慮到電機的轉(zhuǎn)速與電機的感應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 電機總成特點EPS系統(tǒng)采用的電機為直流伺服電機,其主要特點有以下幾個方面: 1調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。 2過載、啟動及制動轉(zhuǎn)矩大。 3易于控制,可靠性高。 4調(diào)速時能量損耗小。 5加載時力矩平滑。 6噪音小。EPS的助力大小,取決于電機的大小、電流大小及減速機構(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,如果電機太大,轉(zhuǎn)動慣量大,會導致助力跟隨性差,因此,EPS的使用范圍受電機功率的限制。在不同的車速、不同的輸入轉(zhuǎn)向力,其電機助力電流的大小是不一樣的,在低車速