1　現(xiàn)狀

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸追求安全、輕便、舒適的駕駛環(huán)境，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由普通轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置分氣動(dòng)/液動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，其中電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置（EPS）輕便、簡(jiǎn)單、節(jié)能、清潔等優(yōu)點(diǎn)，倍受人們青睞。逐漸有取代其它助力方式的趨勢(shì)。

EPS系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于它有利于環(huán)保，安裝方便，提高主動(dòng)安全性，并且助力特性可以根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)設(shè)計(jì)為可變助力特性，所以一經(jīng)出現(xiàn)就受到高度重視。在國(guó)外，EPS已部分取代傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。由于目前汽車蓄電池輸出功率的限制，使EPS助力電動(dòng)機(jī)提供的扭矩有限，所以EPS應(yīng)用在小型車和家庭轎車上。然而現(xiàn)在它已廣泛應(yīng)用于較大型車輛上。這種擴(kuò)大要?dú)w功于社會(huì)對(duì)節(jié)能型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求，而且由于控制技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器性能達(dá)到甚至超過液力轉(zhuǎn)向器的性能[1,2]。

EPS應(yīng)用到較大型車輛上的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是能提供大的輔助軸向力，因?yàn)橹行突虼笮蛙囕v需要的軸向力可達(dá)10000N，甚至更高。然而，在目前大多數(shù)汽車配裝12V電壓系統(tǒng)的情況下，由于電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的電機(jī)電流的限制，電機(jī)輸出扭矩的增加受到了很大限制。

歐洲汽車制造商在研究配有42V電壓系統(tǒng)的中型車輛上應(yīng)用EPS方面走在了前頭，而在拓展EPS的應(yīng)用方面，日本的KOYO、NSK、HONDA及美國(guó)的DELPHI、TRW等公司已經(jīng)開發(fā)了多種類型的EPS。

EPS是一種新型的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，它沒有因電液或液力動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的體積大、部件多、管路漏油等造成的耗能、污染環(huán)境的缺點(diǎn)。因此，從1988年第1個(gè)EPS樣品誕生至今的10多年里，快速完成了從實(shí)驗(yàn)室走向商品化的過程。特別是近幾年，隨著汽車數(shù)量的大幅增加，能源和環(huán)保問題日益突出，節(jié)能、環(huán)保的EPS受到了汽車廠家的歡迎。

2　助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照提供動(dòng)力的形式大致可以分為3類：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Powered Steering，HPS），電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrically Hydraulic Powered Steering，EHPS），電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，EPS）。將來的趨勢(shì)是電線轉(zhuǎn)向（SBW-Steering By Wire），即采用線控技術(shù)，在方向盤和轉(zhuǎn)向輪之問沒有機(jī)械連接。

傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油泵與發(fā)動(dòng)機(jī)直接聯(lián)結(jié)，在汽車直線行駛油泵也一直處在工作狀態(tài)，能量損耗很大。

電動(dòng)液壓助力系統(tǒng)由一個(gè)專門的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵來建立液壓油壓力，以液壓油作為傳遞動(dòng)力的媒介，油泵與發(fā)動(dòng)機(jī)分開，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵，由ECU控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止，一般僅在需要助力轉(zhuǎn)向的時(shí)候啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，這樣減少了機(jī)械損失，也減少了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油油耗，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗是傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能耗的85％，相當(dāng)于整車3％～4％的油耗。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不需要油泵，轉(zhuǎn)向助力由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，助力的大小和方向由ECU控制，只在需要助力的時(shí)候起動(dòng)電動(dòng)機(jī)助力，安裝起來更加方便。由于沒有液壓系統(tǒng)，成本低、更環(huán)保和節(jié)能。

EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布置形式多種多樣，EPS系統(tǒng)的電機(jī)多為直流電機(jī)，端電壓為12V、24V或者42V。根據(jù)汽車前軸負(fù)荷的不同，助力電機(jī)的安裝位置也不同。當(dāng)前軸負(fù)荷較小時(shí)，電機(jī)及減速裝置與轉(zhuǎn)向軸相連（轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)）；當(dāng)前軸負(fù)荷中等時(shí)，電機(jī)及轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向小齒輪相連（轉(zhuǎn)向齒輪驅(qū)動(dòng)）；當(dāng)前軸負(fù)荷較大時(shí)，電機(jī)及減速器則與轉(zhuǎn)向器齒條軸相連（轉(zhuǎn)向齒條驅(qū)動(dòng)）。

3　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù)

EPS系統(tǒng)的研究開發(fā)涉及電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)、非接觸式傳感器技術(shù)、轉(zhuǎn)向控制技術(shù)（包括助力控制、回正控制、阻尼模式和慣性控制）以及EPS系統(tǒng)與整車性能等多方面的難題[3,4]。

1）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)：EPS系統(tǒng)中電機(jī)要求端電壓低，而功率相對(duì)較高，所以電動(dòng)機(jī)電流較大，這給驅(qū)動(dòng)單元的電子器件選擇和電路設(shè)計(jì)帶來一定的困難，這是EPS系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2）非接觸傳感器技術(shù)：EPS系統(tǒng)中的方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，精度適中。目前國(guó)外EPS系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩傳感器多為非接觸式（電磁感應(yīng)式、光電式等），而接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器（滑動(dòng)電阻式）應(yīng)用較少。國(guó)內(nèi)非接觸式傳感器價(jià)格較高，不適合用于EPS系統(tǒng)中，必須開發(fā)出一種符合以上要求的轉(zhuǎn)矩傳感器。

3）轉(zhuǎn)向控制技術(shù)：EPS系統(tǒng)在原有的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加了電機(jī)和減速器，使轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的慣性增大，為此必須引入慣性控制和阻尼控制。避免在電機(jī)開始助力和結(jié)束助力時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向操縱產(chǎn)生影響。同時(shí)，為了更好的路感，必須根據(jù)汽車的行駛速度和轉(zhuǎn)向狀態(tài)確定合理的助力的大小和方向。目前國(guó)外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先進(jìn)的控制策略，并取得了比較好的控制效果。

4）EPS系統(tǒng)與整車性能相匹配：汽車是由各子系統(tǒng)組成的既相互聯(lián)系又相互制約的有機(jī)整體，當(dāng)汽車某個(gè)子系統(tǒng)改變時(shí)，整車性能也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化，因此，必須對(duì)EPS系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)進(jìn)行匹配，使整車性能達(dá)到優(yōu)。目前汽車上流行的現(xiàn)場(chǎng)總線是控制器局域網(wǎng)總線CAN，而SAEJ1939協(xié)議是在CAN協(xié)議基礎(chǔ)上重新定義的協(xié)議，本文研制的EPS系統(tǒng)將支持SAEJ1939協(xié)議。

4　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展前景

目前．EPS已廣泛裝備于轎車上并表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。EPS系統(tǒng)會(huì)根據(jù)扭矩、車速、轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度等多種信號(hào)進(jìn)行綜合控制以取得更優(yōu)控制性能。同時(shí)，EPS技術(shù)將有助于汽車朝著電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展。此外，還將與電子懸架結(jié)合，將達(dá)到多方面綜合、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一控制的目的。隨著EPS生產(chǎn)成本的降低，性能價(jià)格比的進(jìn)一步提高，EPS的市場(chǎng)將繼續(xù)拓寬。

隨著電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，電子控制器和傳感器的價(jià)格越來越便宜，系統(tǒng)功能也越來越強(qiáng)，這使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在性能和價(jià)格比上比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。

另外控制算法和軟件的開發(fā)也越來越完善。由軟件來實(shí)現(xiàn)在各種復(fù)雜的工況下的電動(dòng)助力功能已比較成熟，使人們?cè)诠收显\斷和故障安全處理也具有較高程度的信心，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)在于：1）方向盤的轉(zhuǎn)向特性、轉(zhuǎn)向手感、轉(zhuǎn)向靈敏度和汽車的穩(wěn)定性可以通過軟件來進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。EHPS液壓助力的增減有一定的滯后性，反應(yīng)敏感性較差，隨動(dòng)性不足。2）EPS比EHPS的系統(tǒng)重量要輕，結(jié)構(gòu)緊湊。減少了安裝空間，當(dāng)然都是配件廠已經(jīng)組裝好了組件，可以直接安裝到車上，在裝配線上，安裝HPS系統(tǒng)約需36min，而安裝EPS系統(tǒng)僅需5-6min。3）EPS和EHPS都是只有在需要時(shí)提供助力，不需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，所以節(jié)省能耗，但由于都是由蓄電池提供能量，因此對(duì)蓄電池的要求高了。4）EPS和EHPS是電線轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的前期產(chǎn)品，為以后的一體式汽車控制系統(tǒng)ECS提供方便。駕駛員可以選擇方向盤手感。比如跑車還是家庭轎車。5）EPS和EHPS的動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)無關(guān)，因此適合將來的電動(dòng)汽車或混合電動(dòng)汽車，也適合于小型車，因?yàn)檫@種車只需要較小的動(dòng)力來使前輪轉(zhuǎn)向。6）EPS相對(duì)于EPHS沒有液壓油，易于保修，且綠色環(huán)保。7）EPS的應(yīng)用范圍廣，適用于各種汽車，目前主要用于轎車和輕型載貨汽車，而對(duì)于環(huán)保型純電動(dòng)汽車，由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，因此EPS系統(tǒng)為其佳選擇。

正是因?yàn)镋PS系統(tǒng)有上述優(yōu)點(diǎn)，世界各汽車生產(chǎn)大國(guó)已投入大量的人力、物力從事該系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。目前只有日本、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等幾個(gè)國(guó)家的知名汽車公司開發(fā)出自己的EPS產(chǎn)品，并在部分車型上安裝使用，EPS系統(tǒng)開發(fā)成功是轉(zhuǎn)向裝置的變革，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電線轉(zhuǎn)向奠定了基礎(chǔ)。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到2010年，約30％的轎車將安裝EPS系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)EPS系統(tǒng)的研究開發(fā)還屬于起步階段。

EPS在汽車操縱穩(wěn)定性相對(duì)于其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有4點(diǎn)改善[5]：

1）增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在EPS系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向，因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增強(qiáng)。與液壓力助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，助力轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。

2）改善了轉(zhuǎn)向回正特性。EPS還可通過軟件工程師們限度調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得佳的回正特性，提供了與車輛動(dòng)態(tài)性能相匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓使制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來較困難。

3）提高了操縱穩(wěn)定性。通過微電腦快速靈活的智能控制，使汽車穩(wěn)定性更高，駕駛感覺更好。

4）提供可變的轉(zhuǎn)向助力。通過柔性控制策略可得到覆蓋整個(gè)車速的可變轉(zhuǎn)向力特性。對(duì)于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉(zhuǎn)向力矩獲得非常困難而且費(fèi)用很高，要想獲得可變轉(zhuǎn)向力矩、必須增加額外的控制器和其它硬件，但電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可變轉(zhuǎn)向力矩可通過軟件設(shè)定，成本低，效率高。

5　未來市場(chǎng)需求

人類逐漸意識(shí)到全球變暖的問題，從而需要改進(jìn)燃燒效率，并且對(duì)具有環(huán)保、節(jié)能型特點(diǎn)的產(chǎn)品需求不斷增加。因此，可以預(yù)測(cè)從液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程會(huì)在將來很快地發(fā)生。表2展示了EPS及HPS在世界各地的需求趨勢(shì)。數(shù)據(jù)表明，在世界范圍內(nèi)，電動(dòng)轉(zhuǎn)向器和電液轉(zhuǎn)向器的使用會(huì)增加很快，2001年大約42％的安裝在新車中的轉(zhuǎn)向器是這種節(jié)能型的。即使是保守的估計(jì)，到2006年歐洲市場(chǎng)中電動(dòng)轉(zhuǎn)向器和電液轉(zhuǎn)向器的份額會(huì)達(dá)到56％。汽車采用EPS技術(shù)將使轉(zhuǎn)向技術(shù)向線控轉(zhuǎn)向技術(shù)大大前進(jìn)了一步。隨著42V電子系統(tǒng)在未來幾年大規(guī)模地進(jìn)入市場(chǎng)，它將會(huì)促進(jìn)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器應(yīng)用于大型豪華汽車上。