试论汽车电动助力转向系统研究

于昊

摘要：节能、舒适、廉价是汽车消费者对汽车的基本要求，也是是现代汽车技术追求的主要目标，集中体现了现代汽车工业的发展方向。汽车转向系统的性能在节能、环保及舒适方面具有非常重要的作用。传统的助力转向系统己不能满足其发展的要求。随着汽车技术的发展与电子技术的不断进步，电动助力转向系统已经成为汽车助力转向系统发展的一种趋势。

关键词：电动助力转向系统;电子控制器;汽车工程

汽车液压转向助力（HydraulicPowerSteering）系统存在噪音较大、舒适性不太理想、能量消耗高等缺点。电動助力转向（Electric Power Steering，EPS）系统由电动助力电机直接提供转向助力，与液压助力结构不一样，无需液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、液压油、软管、皮带轮以及传送带。具有体积小、易调整、装配灵活、节省能量，保护环境、高效能、智能化等优点。电动助力转向大有取代已经有50年发展历史的液压助力转向系统之势。

一、EPS系统工作原理及结构组成

电动助力转向系统主要由机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、电流传感器、控制单元（ECU）、离合器、助力电动机及减速机构等组成。汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器及电机电流传感器会产生各自的电信号，这些信号经过滤波、信号电平调整后传给ECU，ECU经过分析处理后输出PWM信号给电机驱动模块，实现对助力电机扭矩控制。EPS系统的主要组成部件主要有：助力电机、电磁离合器、电位计式扭矩传感器、车速传感器和电子控制单元。

（一）电磁离合器

电磁离合器主要由电磁线圈，主动轮，从动轮和压板等部件构成。工作原理：当电磁线圈中有电流通过时，电磁线圈产生的吸力吸引压板与主动轮接合。这样，电动机的动力就经过主动轮、压板、花键输出到从动轴上。当线圈中没有电流流过时，电磁线圈就不会产生电磁吸力，压板和主动轮之间就没有接触压力，因此电动机的动力传递路线就被切断，助力停止。

（二）电位计式扭矩传感器

扭矩传感器主要用来测量方向盘上力矩的大小，扭力杆是它的主要的测力元件。扭力杆的信号测量方式有电位计式、差动式和光电式三种。其中差动式和光点式的成本高，结构复杂，主要用于高速测量。导电塑料电位计式扭矩传感器，其结构简单，可靠性好，使用寿命在3000万次以上，适合于方向盘扭矩的测量。

（三）车速传感器

大多数汽车上装载的车速传感器一般是磁感应式车速传感器，该传感器稳定性较好，经过简单的信号调理就可以转成方波信号，供单片机采集。考虑到目前决大部分汽车都有电子仪表板，有现成的车速信号，可阻直接使用。但是在实验室中，较难采集到实际的车速信号，一般用信号发生器模拟车速信号。

二、EPS系统控制策略

计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。在计算机PID控制中，使用的是数字PID控制器。数字PID控制算法可以分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。数字PID控制技术在EPS中的实现电动助力转向系统根据扭矩传感器输出的扭矩信号和车速信号计算出电机的助力大小。数字PID控制器的控制目标是减小转向过程中驾驶员对方向盘的操作力。由于扭矩传感器安装在转向轴上，这里我们就以转向轴上的扭杆为研究对象，当驾驶员转动转向盘进行转向操作时，扭杆首先感知出驾驶员施加在转向盘上的扭矩。直流电机的转矩与电机电流成正比，我们可以根据电流的大小对电机进行控制，从而实现助力。

三、EPS软件设计

把控制策略在硬件上实现，必须要把所想实现的算法输送给微处理器，使得微处理器能够独自工作。因此，系统软件设计在整个控制系统的设计过程中占据着非常重要的地位。可以说，软件设计的好坏直接决定系统的成败。本节主要涉及方向盘扭矩传感器信号的A/D转换、电动机PWM控制和车速信号计数等在单片机MC9S12XSl28中的寄存器配置步骤和方法。

（一）A/D数据采集程序设计

单片机是一种计算机的一种，只对数字信号分析和运算。然而，在本系统中，转矩信号、助力电机电流及蓄电池电压信号都是模拟量，需要把模拟信号变为数字信号，才能对数据进行处理。单片机MC9S12XSl28有8路A/D转换通道，有8位、10位和12位3种A/D转换精度，可通过相关寄存器设置实现，其中每进行一次10位转换仅需要7微秒。ATD模块有停止模式、等待模式和省电模式。

（二）电动机PWM控制

大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制P-WM来控制电动机电枢电压，实现调速。图4-4是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图4.4（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压%。^秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。

（三）车速信号采集

车速传感器输出的车速信号需要经过滤波、整形电路后成为方波信号，因此可以直接利用定时器和输入捕捉功能来完成车速的采集和计算。车速是在一定时间内的累加脉冲个数，经计数得到。即利用定时器，当达到指定时间长度f的时候产生中断，在中断服务程序中读取输入捕捉寄存器中的脉冲个数，再将脉冲个数除以时间长度r，即为单位时间内的脉冲数。

四、结束语

电动助力转向系统（EPS）作为一项高新技术产品，它涉及到汽车动力学、轮胎力学、电动机控制技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术和现代控制理论等诸多领域，因此对它的研究不可能一蹴而就。尽管已有一些EPS系统已投入使用，但是其应用范围和功能有一定的局限性。本文介绍了电动助力转向控制系统，对研发EPS控制系统提供技术参考。由于作者的研究时间和研究水平的限制，会有许多考虑不到的地方。这项研究需要更多的人来参与和完善，希望以后的研究者可以结合实际多做些这方面的工作。

参考文献：

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[2]杨丙震， 刘豪睿. 汽车电动助力转向系统的研究与设计[J]. 汽车实用技术， 2017（1）：38-40.

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[4]刘成强， 徐海港. 汽车电动助力转向系统控制策略研究[J]. 机械设计与制造， 2018， 332（10）：272-275.

（作者单位：沈阳金杯恒隆汽车转向系统有限公司）