詹克旭

（博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司）

汽車智能化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得汽車在安全、環(huán)保和舒適性等方面都得到了提升。隨著汽車電子技術(shù)的進(jìn)步，汽車智能化程度大幅提高[1-2]，目前對(duì)汽車智能化的研究已經(jīng)成為汽車行業(yè)的一大熱點(diǎn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）是一種新型的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其核心部件電控單元可根據(jù)轉(zhuǎn)向盤操控力矩的不同和車速，決定助力的大小以及是否助力，使得汽車操控更加智能化，具有以往任何助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不具備的車速感應(yīng)能力和助力效果[3]。此外，通過外部信號(hào)的輸入，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以與其他汽車部件合作，擁有了更多智能化控制策略，進(jìn)一步提升了汽車的安全性和舒適性，更加符合人們對(duì)現(xiàn)代化智能汽車的需求。

1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

EPS是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。系統(tǒng)主要由電子控制裝置、轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)（離合器、電動(dòng)機(jī)、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）及信號(hào)傳感裝置（包括轉(zhuǎn)角傳感器、扭矩傳感器、車速傳感器）三大部分構(gòu)成，它利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。電動(dòng)機(jī)僅在需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)向角的大小和輸入扭矩產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，車速傳感器檢測(cè)到車速信號(hào)，控制單元根據(jù)車速信號(hào)和電壓，給出指令控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)向助力[4]。EPS系統(tǒng)構(gòu)造，如圖1所示。

EPS的基本原理是：轉(zhuǎn)向軸（小齒輪軸）和轉(zhuǎn)矩傳感器連接在一起，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器開始工作，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移會(huì)通過輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生，并將其變成電信號(hào)傳給微控制器，助力電流的大小和電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向由微控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)和車速傳感器來決定，從而完成實(shí)時(shí)控制助力轉(zhuǎn)向。通過這種方式，EPS 可以在車速不同時(shí)提供電動(dòng)機(jī)不同的助力效果，保證汽車在高速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)穩(wěn)定可靠，低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)輕便靈活。

2 EPS 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，EPS 具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]：

1）結(jié)構(gòu)緊湊，裝配方便。EPS 的減速機(jī)構(gòu)及電動(dòng)機(jī)可以和轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向柱做成一個(gè)整體，并且取消了油罐、液壓轉(zhuǎn)向油泵、液壓管路及油缸等部件，使得整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，在生產(chǎn)線上的裝配性好，節(jié)省裝配時(shí)間，易于維護(hù)保養(yǎng)。

2）節(jié)能環(huán)保?？梢燥@著降低燃油消耗，只在轉(zhuǎn)向時(shí)電動(dòng)機(jī)才提供助力。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)部分的動(dòng)力不管轉(zhuǎn)向或者不轉(zhuǎn)向都要被消耗，而EPS 不轉(zhuǎn)向時(shí)不消耗能量，只是在轉(zhuǎn)向時(shí)助力才由電動(dòng)機(jī)提供。因此，EPS可以降低汽車的燃油消耗。與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)表明：在轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向可以降低5.5%的燃油消耗；在不轉(zhuǎn)向時(shí)，可以降低2.5%的燃油消耗。

3）可擴(kuò)展性好。EPS 可以簡單地通過程序設(shè)置與不同車型匹配，縮短開發(fā)和生產(chǎn)的周期。

4）路感好、回正性好。EPS 可以通過軟件方便地調(diào)整助力大小。在低速時(shí)，為提高汽車的轉(zhuǎn)向輕便性，EPS可以提供較大的轉(zhuǎn)向助力；隨著車速的提高，為保證汽車的穩(wěn)定性，使駕駛員能夠感受到明顯的“路感”，EPS提供的轉(zhuǎn)向助力可以逐漸減小，轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員所需提供的轉(zhuǎn)向力將逐漸增大。而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所提供的轉(zhuǎn)向助力的大小不能隨車速的提高而改變。這樣就使得汽車雖然在低速時(shí)具有良好的轉(zhuǎn)向輕便性，但是在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤太輕，降低了駕駛員的安全感和汽車的穩(wěn)定性，駕駛員缺少顯著的“路感”，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”的現(xiàn)象。

EPS還可以通過調(diào)整EPS 控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的舒適性和穩(wěn)定性。EPS 為了兼顧汽車低、高速時(shí)的回正性能，還可以施加一定的附加阻尼力矩或回正力矩，使得低速時(shí)轉(zhuǎn)向盤能夠精確地回到中間位置，并且可以抑制高速回正過程中轉(zhuǎn)向盤的超調(diào)和振蕩。

由于EPS具有上述多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此近年來獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

3 EPS智能化控制策略

近年來，隨著汽車智能化研究的興起，EPS 以其自身的優(yōu)勢(shì)被廣泛地應(yīng)用在智能化汽車上。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的核心安全系統(tǒng)。當(dāng)汽車行駛過程中將要發(fā)生危險(xiǎn)的時(shí)候，僅憑駕駛員制動(dòng)或轉(zhuǎn)向可能無法完全避開，還需要更加智能化，系統(tǒng)要分析出最大的危險(xiǎn)所在，繼而選擇一個(gè)安全性最優(yōu)、危險(xiǎn)性最小的策略，并能夠通過汽車自主操控來實(shí)現(xiàn)，這就需要自動(dòng)轉(zhuǎn)向來參與。為了配合實(shí)現(xiàn)汽車的智能化，在操縱的穩(wěn)定性、舒適性和安全性上對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，EPS 將通過一系列控制策略來滿足汽車智能化的要求。

3.1 主動(dòng)回正控制和阻尼控制

原則上轉(zhuǎn)向盤可以通過懸置系統(tǒng)本身和輪胎提供一定的回正力朝中位運(yùn)動(dòng)。但是通常情況下，轉(zhuǎn)向盤并不能回到中位，原因是汽車本身的回正力不足以克服所有的阻力。在低車速情況下，系統(tǒng)阻力太大；在高車速情況下，因汽車本身的回正力太大，放開轉(zhuǎn)向盤時(shí)又容易出現(xiàn)搖頭的現(xiàn)象。阻尼控制和回正控制各司其責(zé)，在高車速的情況下，為防止轉(zhuǎn)向盤搖頭，阻尼控制起作用，提供一個(gè)反向的力矩；在低車速情況下，回正控制起作用，為幫助轉(zhuǎn)向盤回到中位提供一個(gè)額外的力矩[6]。主動(dòng)回正控制原理，如圖2所示。

3.2 摩擦與慣量補(bǔ)償

摩擦補(bǔ)償主要是補(bǔ)償系統(tǒng)摩擦力，該摩擦力主要來源于管柱軸承的摩擦、壓塊與齒條的摩擦等，表現(xiàn)為庫倫摩擦力的形式，通常為了克服庫倫摩擦力，根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于某閾值作為觸發(fā)信號(hào)，施加一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)方向相同的力。

慣量補(bǔ)償可以理解為一個(gè)純超前的矯正環(huán)節(jié)，主要是補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3.3 轉(zhuǎn)向截止

在轉(zhuǎn)向機(jī)中，因?yàn)闄C(jī)械止點(diǎn)的存在，轉(zhuǎn)向的齒條行程范圍是有限的。為了避免撞擊止點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲和觸感，以及因撞擊產(chǎn)生機(jī)械損壞，在到達(dá)機(jī)械止點(diǎn)前，通過軟止點(diǎn)（Software End Stop）實(shí)現(xiàn)彈簧阻尼器作用，衰減助力從而限制沖向機(jī)械止點(diǎn)，轉(zhuǎn)向截止示意圖，如圖3所示。

圖3 軟止點(diǎn)邏輯示意圖

3.4 路面振顫抑制

在車輛運(yùn)動(dòng)過程中，由于路面的凹凸不平，各種各樣的路面振顫噪聲將作用于駕駛員的手部，其中一個(gè)與輪速正相關(guān)的噪聲的頻率是比較典型的。路面振顫抑制算法檢測(cè)輪速信號(hào)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩中與輪速頻率正相關(guān)的頻率特征進(jìn)行提取后，在最終施加給電動(dòng)機(jī)的力矩中減掉這一頻率特征信號(hào)，與路面振顫進(jìn)行抵消，從而達(dá)到抑制的目的，如圖4所示。

圖4 路面振顫抑制示意圖

3.5 駕駛模式切換（DMS）

多模式助力功能用于為駕駛員提供可選的助力模式，使駕駛員得到不同的駕駛樂趣。駕駛員可以通過開關(guān)選擇助力模式，微控制器確認(rèn)選擇的模式后發(fā)送模式請(qǐng)求至EPS；在接收到模式請(qǐng)求后，EPS 會(huì)根據(jù)工作條件（包括力矩、車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速）切換其工作的助力模式，此外EPS 需有助力模式記憶功能，在下次點(diǎn)火循環(huán)默認(rèn)上次點(diǎn)火循環(huán)內(nèi)的助力模式。圖5 示出通過音響娛樂系統(tǒng)進(jìn)行的駕駛模式切換。

圖5 駕駛模式切換

3.6 車道保持輔助（LKA）和車道偏離報(bào)警（LDW）

EPS作為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)車道保持輔助（LKA）和車道偏離報(bào)警（LDW）功能。

LKA是一種駕駛輔助系統(tǒng)，如圖6所示，當(dāng)ADAS系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)汽車將要駛離正常的車道時(shí)，為了保證將汽車保持在本車道內(nèi)，EPS 能夠接收ADAS 系統(tǒng)的請(qǐng)求扭矩。當(dāng)該扭矩不足以使汽車保持在本車道內(nèi)，LKA系統(tǒng)會(huì)向駕駛員發(fā)出道路偏離警告。

圖6 車道保持輔助示意圖

LDW是當(dāng)檢測(cè)到汽車即將偏出車道時(shí)，在轉(zhuǎn)向盤上給出一個(gè)振動(dòng)的信號(hào)對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒。

3.7 扭力轉(zhuǎn)向補(bǔ)償（TSC）

任何汽車的轉(zhuǎn)向盤不可能安裝在正中間，轉(zhuǎn)向橫拉桿左右長度是不一樣的，角度也會(huì)有細(xì)微差異，如圖7所示。另外在急加速的過程中，左右車輪上的牽引力也會(huì)不一致，這就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)行駛跑偏的現(xiàn)象。

圖7 汽車軸距不等長示意圖

TSC功能根據(jù)車速、轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、輪速、橫擺角速度、各輪牽引力等信號(hào)，當(dāng)行駛跑偏將要發(fā)生時(shí)，給電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)反向的力矩，防止行駛跑偏產(chǎn)生。

3.8 拉動(dòng)漂移補(bǔ)償（PDC）

PDC功能觸發(fā)的條件多樣，可能是懸架系統(tǒng)安裝左右不對(duì)稱，也可能是汽車受到側(cè)風(fēng)作用，還有可能是汽車行駛在拱形路面上。其工作原理是汽車在直行過程中檢測(cè)到扭矩傳感器的力矩超過正常范圍，為保證駕駛員在中位附近感受到的力矩很小，則由電動(dòng)機(jī)主動(dòng)施加一個(gè)反向力矩[7]。

3.9 自動(dòng)泊車輔助（APA）

APA功能是一種駕駛輔助系統(tǒng)，當(dāng)汽車泊車時(shí)，EPS根據(jù)泊車控制器發(fā)來的目標(biāo)轉(zhuǎn)角，控制轉(zhuǎn)向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)角，以位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)3環(huán)控制的形式實(shí)現(xiàn)角度伺服功能，做到準(zhǔn)確、平順、快速泊車入位。

4 結(jié)論

EPS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(jī)械設(shè)計(jì)，其代表未來汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向之一。汽車EPS智能化控制策略的應(yīng)用符合智能汽車的時(shí)代要求，以其卓越的操縱輕便性和穩(wěn)定性、助力特性隨汽車工況而變化的特性、良好的主動(dòng)安全性等，不僅能有效地提升汽車性能，同時(shí)還能減少對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)提升人們的出行質(zhì)量起到重要的作用。

隨著EPS關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，EPS的性能必將更加完善，其將作為標(biāo)準(zhǔn)配件裝備到汽車上，并將在汽車智能化助力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。