【導(dǎo)讀】題目電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及。學(xué)院機電工程學(xué)院。專業(yè)班級交通運輸07級3班。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的關(guān)鍵部件，研究其發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用趨勢具有重要。了分類，對比分析了各類型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點；之后詳細介紹了典型電動助。力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及優(yōu)點，闡述了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其電流?？刂圃?；本文重點探究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，預(yù)測了電動助。并預(yù)測其在未來動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)主導(dǎo)地位，對提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全性能意義重

　　

【正文】 的發(fā)展，技術(shù)日趨完善。今后，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進一步成熟。 EPS 系統(tǒng)未來的發(fā)展有兩個方向：一是提高 21 EPS 系統(tǒng)的系統(tǒng)控制性能，以便于在中、高級轎車上使用，這就需要引入諸如轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度等量而不僅僅局限于以車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩作為控制量，同時采用助力控制、回正控制、阻尼控制等控制策略以便提高 EPS 系統(tǒng)的性能；另一個是降低EPS 系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)各部件可靠性和耐用性。據(jù) TRW 公司預(yù)測，到 2020 年全世界生產(chǎn) 的每 3 輛轎車中就有一輛裝備 EPS 系統(tǒng)，特別是低排放汽車 (LEV)、混合動力汽車 (HEV)、燃料電池汽車 (FCEV)、電動汽車 (EV)，這 4 大 EV汽車將構(gòu)成未來汽車發(fā)展的主體，這給 EPS 系統(tǒng)帶來了更加廣闊的應(yīng)用前景。具體來說，未來電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要從以下幾個方面進一步發(fā)展 [18]： 1）傳感器技術(shù) 性能完善的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號、電機電壓信號、電機電流信號等。目前，傳感器的成本是制約電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場化的主要因素，因此，設(shè)計和開發(fā)適合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使 用的性價比較高的傳感器是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。 2）合理助力特性的確定 助力特性的好壞取決于轉(zhuǎn)向的輕便性和路感。對于路感問題國內(nèi)外還沒有成熟的理論研究結(jié)果，研究手段還以試驗為主。 3）控制策略 控制策略 [19]是影響助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，也是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。 EPS 系統(tǒng)能否獲得滿意的性能，除了應(yīng)有好的硬件保證外，還必須有良好的控制軟件做支撐。隨著智能控制技術(shù)的進一步發(fā)展，智能控制技術(shù)必將應(yīng)用于EPS 系統(tǒng)的開發(fā)。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者都在探討將先進的控制理論應(yīng)用于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，如魯棒 控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論和自適應(yīng)控制理論等。今后，控制策略研究的重點主要集中在如何抑制電機的力矩波動、如何獲得較好的路感、如何抑制路面干擾和傳感器的噪聲等方面，以進一步優(yōu)化和改善助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。 4）助力電動機 助力電動機是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件，助力電機的特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。電動機的性能是影響控制系統(tǒng)性能的主要因素。電動機本身的性能及其與 EPS 系統(tǒng)的匹配，都將對轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感等重要問題產(chǎn)生影響。目前，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有 刷電機。由于直流無刷電機 22 采用電子換向，減少了換向時的火花，不需要經(jīng)常維護以及具有較高的效率和功率密度等優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注。因此，開發(fā)適合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的低成本的直流無刷電機是今后助力電機的研究方向。 5）系統(tǒng)可靠性的提高 EPS 系統(tǒng)通過采用電動機和計算機控制系統(tǒng)，部分地電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將轉(zhuǎn)向操作過程獨立于駕駛員的控制。因此 EPS 系統(tǒng)比液壓系統(tǒng)有更多不同的故障模式。 6 未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) — 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 人類逐漸意識到全球變暖的問題，從而需要改進燃燒效率，并且對具有環(huán)保、節(jié)能型特點的產(chǎn)品需求不斷增加。因此， 可以預(yù)測從液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程會在將來很快地發(fā)生。一種更新型的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (Steering By Wire，簡稱 SBW）會逐漸得到人們的認可和采用。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中有兩個電機，其中一個與汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)相連接，作為轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)：另一個電機直接與轉(zhuǎn)向傳動軸連接，為駕駛員提供路感力矩。因此這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間沒有機械連接，是斷開的，通過 CAN 傳輸必要的信息，故也稱柔性轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [21]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間沒有機械連接，在系統(tǒng)設(shè)計上一般采用機械冗余或電氣冗 余措施。 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤模塊、前輪轉(zhuǎn)向模塊、主控制器 (ECU)以及自動防故障系統(tǒng)組成 [20]。汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 61 所示： 圖 61 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1）轉(zhuǎn)向盤模塊 轉(zhuǎn)向盤模塊包括轉(zhuǎn)向盤組件、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤回正力矩 23 電動機，其主要功能 是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖（通過測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器，同時主控制器向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電動機發(fā)送控制信號，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。 2）前輪轉(zhuǎn)向模塊 前輪轉(zhuǎn)向模塊包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、電機控制器和前輪轉(zhuǎn)向 組件等。其功能是將測得的前輪轉(zhuǎn)角信號反饋給主控制器，并接受主控制器的命令，控制轉(zhuǎn)向盤完成所要求的前輪轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。 3）主控制器 主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機和轉(zhuǎn)向電機發(fā)送命令，控制兩個電機協(xié) 調(diào)工作。主控制器還可以對駕駛員的操作指令進行識別，判定在當(dāng)前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理。當(dāng)汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時，前輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將自動進行穩(wěn)定控制或?qū)Ⅰ{駛員錯誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，以合理的方式自動駕駛車輛，使汽車盡快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。 4）自動防故障系統(tǒng) 自動防故障系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應(yīng)的處理，以求最大限度的保持汽車的正常行駛。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)采用嚴密的故障檢測和處理邏輯，以最大程度地提高汽車安全性能。 線控轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的工作原理 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，二者都是用電機作為執(zhí)行器，但二者具有的本質(zhì)不同是：在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間有轉(zhuǎn)向柱等機械連接；而在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之問是沒有任何機械連接的。其工作過程如圖 62 所示：來自轉(zhuǎn)向盤傳感器和各種車輛當(dāng)前狀態(tài)的信息送給電子控制子系統(tǒng)后，利用計算機對這些信息進行控制運算，然后對車輛轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)發(fā)出指令，使車輛轉(zhuǎn)向。同時車輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向阻力傳感器給出的信息也經(jīng)電子控制子系統(tǒng)，傳給轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)中模擬路感的部件。在線控 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，由轉(zhuǎn)角傳感器測出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)角信號，經(jīng)過一個合適的傳動比轉(zhuǎn)換后，作為控制轉(zhuǎn)向車輪的參考轉(zhuǎn)角；與此同時，通過扭矩傳感器測出轉(zhuǎn)向車輪上受到的轉(zhuǎn)向阻力矩，反饋給轉(zhuǎn)向盤下方的電機，使之產(chǎn)生一個合適的反力矩，使駕駛員獲得滿意的操縱力感。 24 圖 62 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原 理 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點 由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間沒有機械連接，是斷開的，通過總線傳輸必要的信息，故該系統(tǒng)也稱作柔性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)向柱，在設(shè)計車輛時無需在發(fā)動機艙中為之留出相應(yīng)的安裝空間，提高了發(fā)動機艙的空間利用率。同時，由于沒有轉(zhuǎn)向柱，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時，可降低駕駛員受傷的危險性。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有以下優(yōu)點 [22]： （ 1）提高汽車安全性能。去除了轉(zhuǎn)向柱等機械連接，完全避免了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱對駕駛員的傷害；智能化的 ECU 根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)判斷駕駛員的操作是否合理，并做出相應(yīng)的調(diào) 整；當(dāng)汽車處于極限工況時，能夠自動對汽車進行穩(wěn)定控制。在集成主動前輪轉(zhuǎn)向功能時，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以在必要時（如有側(cè)風(fēng)干擾、車輛出現(xiàn)側(cè)滑等）迅速的修正轉(zhuǎn)向車輪，保證車輛的穩(wěn)定性，而且并不干擾駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱。這是現(xiàn)有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所無法比擬的一個優(yōu)點。 （ 2）改善駕駛特性，增強操縱性?；谲囁佟恳刂埔约捌渌嚓P(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)向比率（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角的比值）不斷變化，低速行駛時，轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度；高速行駛時，轉(zhuǎn)向比率變大，獲得更好的直線行駛條件。 （ 3）改善駕駛員的路感。由于轉(zhuǎn) 向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間無機械連接，駕駛員“路感”通過模擬生成。可以從信號中提出最能夠反應(yīng)汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為轉(zhuǎn)向盤回正力矩的控制變量，使轉(zhuǎn)向盤僅向駕駛員提供有用信息，在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，路面信息經(jīng)過處理后，有害的干擾被過濾掉，對駕駛員有用的信息被保留下來，傳遞到轉(zhuǎn)向盤上。從而為駕駛員提供更為真實的“路感”。 （ 4）增強汽車舒適性。由于消除了機械結(jié)構(gòu)連接，地面的不平和轉(zhuǎn)向輪的不平 25 衡不會傳遞到轉(zhuǎn)向軸上，從而減緩了駕駛員的疲勞；駕駛員的腿部活動空間和汽車底盤的空間明顯增大。 7 結(jié)束語 汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)已經(jīng) 進入了電動助力時代，隨著傳感器、控制方式、助力電動機等關(guān)鍵技術(shù)的不斷進步和完善，以線控技術(shù)的應(yīng)用為標志的全助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將成為汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的焦點，這不僅是市場需求和技術(shù)推動的必然，也是人類追求人與自然和諧之美的愿望在汽車領(lǐng)域的具體體現(xiàn)。 在未來，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將擁有性能更加優(yōu)越的硬件，無論是扭矩傳感器、電機還是 ECU，功能都將更加強大，可靠性更高。隨著車輛底盤控制系統(tǒng)的發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將集成許多新功能，如主動前輪轉(zhuǎn)向、自動泊車等，從而進一步提高車輛的安全性和舒適性。 下一代的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) — 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將是 實現(xiàn)這些功能的良好的硬件載體。隨著“冗余設(shè)計”思想的引入，大大提高了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，將加快線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛上應(yīng)用的步伐。 EPS 系統(tǒng)以其特有的優(yōu)越性而受到青睞， EPS 系統(tǒng)涉及傳感器技術(shù)、微電子控制、現(xiàn)代控制理論和傳統(tǒng)的機械設(shè)計，代表未來汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向之一，將作為標配件裝備到汽車上，并將在動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。所以， EPS 具有非常廣闊的應(yīng)用前景，我國應(yīng)加緊對 EPS 系統(tǒng)的研究與開發(fā)，以滿足社會需求并跟上世界汽車技術(shù)發(fā)展進程。 26 參考文獻 [1] 林逸，施國標，鄒常豐等 .汽車電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 與趨勢 [J].公路交通科技， 2020，36(6):810. 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