通常，EPS（Electric Power Steering的縮寫(xiě)，即電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是指依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）由檢測(cè)駕駛者的轉(zhuǎn)向操作扭矩的扭矩傳感器、根據(jù)扭矩信號(hào)計(jì)算助力扭矩并控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的EPS ECU、產(chǎn)生助力的電機(jī)、使電機(jī)驅(qū)動(dòng)力傳遞至轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的減速器等構(gòu)成。

圖1 EPS的構(gòu)成

EPS的種類

如下圖所示，依據(jù)電機(jī)的種類和助力位置，EPS可分為：轉(zhuǎn)向柱助力、齒輪助力、齒條助力3個(gè)種類。

圖2 EPS的分類

轉(zhuǎn)向柱助力式EPS成本低，被廣泛采用。齒輪助力式EPS是在齒輪附近布置電機(jī)。齒條助力式EPS的最終輸出端為接近輪胎的齒條，所以助力損失小；并且，執(zhí)行器距離駕駛者遠(yuǎn)，具有聲音較小、振動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)，大多用于高檔車(chē)。齒條助力式EPS的執(zhí)行器、控制器均布置于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，要求具備耐熱、防水等性能，因此系統(tǒng)的成本升高。

EPS電機(jī)

可在EPS中使用的電機(jī)分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)。

圖3 有刷電機(jī)

圖4 無(wú)刷電機(jī)有刷電機(jī)

在電刷和整流子轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)切換電流，所以接通電源就能轉(zhuǎn)動(dòng)，成本較低。但是，有刷電機(jī)的繞組布置于轉(zhuǎn)子側(cè)，隨著輸出功率的增加，電機(jī)的慣性力矩增加，就需要解決轉(zhuǎn)向操作靈敏度變差的問(wèn)題。無(wú)刷電機(jī)本身不帶有整流作用，所以需要內(nèi)置轉(zhuǎn)角傳感器，通過(guò)電路切換對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角信號(hào)的電流，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高。但是，無(wú)刷電機(jī)的繞組布置于定子側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)為磁體，即使輸出功率增加，也能抑制慣性力矩增加的問(wèn)題。

扭矩傳感器

扭矩傳感器是檢測(cè)駕駛者轉(zhuǎn)向操作扭矩的傳感器，是檢測(cè)EPS所需基本信息的重要裝置，其構(gòu)造如下圖所示，由設(shè)置于轉(zhuǎn)向軸上的扭力桿和檢測(cè)扭力桿扭轉(zhuǎn)角度的傳感器構(gòu)成。

圖5 扭矩傳感器的構(gòu)造

EPS的扭矩傳感器是非常重要的部件，所以常用的類型是能夠確�？煽啃缘姆墙佑|式。接下來(lái)，對(duì)非接觸式扭矩傳感器中3種主要方式進(jìn)行說(shuō)明。

（1）磁感應(yīng)式

磁感應(yīng)式是指安裝于扭力桿上下位置的檢測(cè)線圈和補(bǔ)償線圈的凹凸相對(duì)位置隨著扭力桿的扭轉(zhuǎn)而變化，并通過(guò)外側(cè)設(shè)置的檢測(cè)線圈獲取相應(yīng)磁路變化的方式，且這種方式的扭矩傳感器已被廣泛應(yīng)用。

圖6 磁感應(yīng)式扭矩傳感器

（2）霍爾集成電路式

霍爾集成電路式是在扭力桿上布置多極磁體，通過(guò)周?chē)�設(shè)置的磁束環(huán)使扭力桿扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁力不平衡得以聚合，并使用霍爾集成電路的方式�；魻柤�成電路具有溫度特性，有的可在集成電路內(nèi)完成修正，且滿足實(shí)用條件。

圖7 霍爾集成電路式扭矩傳感器

（3）雙旋轉(zhuǎn)變壓器式

雙旋轉(zhuǎn)變壓器式是在扭力桿的上下位置裝有轉(zhuǎn)角傳感器（旋轉(zhuǎn)變壓器），直接檢測(cè)各轉(zhuǎn)角值，依據(jù)其差量計(jì)算扭轉(zhuǎn)量，并換算成扭矩的方式。

圖8 雙旋轉(zhuǎn)變壓器式扭矩傳感器

直接使用轉(zhuǎn)角傳感器，不僅能檢測(cè)扭矩，還能檢測(cè)轉(zhuǎn)向操作角度。另外，如果扭矩傳感器要使用旋轉(zhuǎn)變壓器，則需在ECU側(cè)設(shè)置電路。

EPS ECU

EPS ECU由用于控制的微控制器、用于監(jiān)測(cè)的集成電路（有時(shí)為微控制器）、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路（驅(qū)動(dòng)電路和轉(zhuǎn)換電路）、通斷電機(jī)路徑及電源路徑的繼電器、接收外部信號(hào)的接口電路等構(gòu)成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的作用是對(duì)功率元件MOSFET實(shí)施通斷的PWM控制。

圖9 EPS ECU的電路示例（無(wú)刷）

EPSECU的印制電路板如下圖所示，由排除電源線路中干擾所需的線圈、吸收電流變動(dòng)所需的電解電容器、通斷電源所需的電源繼電器等構(gòu)成。由于要求印制電路板的體積不能太大，有些類型的印制電路板搭載半導(dǎo)體繼電器。

圖10 EPS ECU的構(gòu)成示例（有刷）

控制

EPS的助力控制如下圖所示，可分為助力基本控制、助力輔助控制、電機(jī)電流控制、失效保護(hù)處理。各廠商的控制方法有所不同，此處對(duì)常見(jiàn)的控制方法進(jìn)行說(shuō)明。

圖11  EPS控制的示例

（1）助力基本控制

為了補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)扭矩傳感器信號(hào)的響應(yīng)延遲量，應(yīng)實(shí)施相位補(bǔ)償。根據(jù)相位補(bǔ)償后的值，確定助力量。這些控制與車(chē)輛特性緊密相關(guān)，大多以圖譜形式設(shè)定。此外，也可以通過(guò)車(chē)速調(diào)節(jié)助力量，施加車(chē)速感應(yīng)特性。之后，加上輔助控制量，將最終助力指令值交給電流控制部分。

（2）助力輔助控制

方向盤(pán)不僅受駕駛者的轉(zhuǎn)向操作支配，當(dāng)路面對(duì)輪胎施加扭矩時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的狀況。所以，除了常規(guī)的助力基本控制，還應(yīng)實(shí)施助力輔助控制。主要的助力輔助控制為：排除電機(jī)的慣性力矩影響時(shí)，為了平穩(wěn)助力進(jìn)行“慣性補(bǔ)償”；轉(zhuǎn)向后由于回正轉(zhuǎn)矩使方向盤(pán)回位時(shí)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的回位修正；松手后回位時(shí)等，為了充分使方向盤(pán)穩(wěn)定進(jìn)行“阻尼修正”；由于電機(jī)或機(jī)構(gòu)部分的摩擦引起的助力延遲，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的摩擦修正。修正量與助力圖相同，是依據(jù)車(chē)輛特性改變的值，都應(yīng)在匹配后確定。

（3）電機(jī)電流控制

為了使電機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤上述電機(jī)電流指令值，就需要控制電機(jī)的電流。通常是在檢測(cè)出電機(jī)電流之后，修正指令值對(duì)應(yīng)的差量，即反饋控制。并且，按求取助力指令值的一半周期，設(shè)定電機(jī)電路控制周期�；�本上，針對(duì)指令值和電流檢測(cè)值的差量，可實(shí)施PI（比例積分）控制，轉(zhuǎn)換為電壓指令值，并將此電壓指令轉(zhuǎn)換為PWM的占空比，通過(guò)此占空比通斷MOSFET，控制電機(jī)。

圖12  PWM控制（有刷）

此外，使用無(wú)刷電機(jī)時(shí)，電機(jī)電流控制通常為獲取電機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)的矢量控制，此時(shí)矢量的d軸、q軸同樣要進(jìn)行反饋PI控制。除了反饋控制，有的電機(jī)電流控制也采用觀察器控制、模型匹配控制。

（4）失效保護(hù)

EPS為了提供約10倍于駕駛者轉(zhuǎn)向操作力的助力，需要在助力出現(xiàn)異常時(shí)迅速進(jìn)行檢測(cè)，并采取準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)措施（下表）。

EPS最應(yīng)該避免的異常狀態(tài)除了異常過(guò)熱，還有方向盤(pán)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的方向盤(pán)鎖死、方向盤(pán)隨意自由轉(zhuǎn)動(dòng)的自由轉(zhuǎn)。當(dāng)確實(shí)檢測(cè)出可能產(chǎn)生異常時(shí)，必須關(guān)閉系統(tǒng)。因此，大多EPS采用監(jiān)測(cè)駕駛者轉(zhuǎn)向操作扭矩的方向和助力方向是否一致的聯(lián)鎖方式。但是，與其他系統(tǒng)協(xié)同工作的EPS已經(jīng)實(shí)用化，助力方向不一定能與轉(zhuǎn)向操作扭矩方向保持一致，所以在這種系統(tǒng)中，采用監(jiān)測(cè)控制計(jì)算本身的方式。

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