趙達(dá) 劉光

摘要：介紹的是一種電子氣壓汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要用于大排量汽車的助力轉(zhuǎn)向，克服了原有的助力轉(zhuǎn)向的一些不足，而且動(dòng)力足、環(huán)保、工作安全、維護(hù)檢修較容易。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī);傳感器;氣壓系統(tǒng)

1 汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

各種汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和位置不同，主要包括轉(zhuǎn)向軸助力結(jié)構(gòu)、齒輪助力結(jié)構(gòu)和齒條助力結(jié)構(gòu)，雖然其位置不同，但基礎(chǔ)工作原理相近，其中，最典型的是轉(zhuǎn)向軸助力結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要依托輸入軸和輸出軸的動(dòng)力，通過基礎(chǔ)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)引導(dǎo)整體轉(zhuǎn)向拉桿進(jìn)行車輪轉(zhuǎn)向，還可保證駕駛員在實(shí)體操作過程中，輸入軸產(chǎn)生規(guī)定化的角位移，車速的基礎(chǔ)傳感器能對(duì)基本車速進(jìn)行測(cè)試，并有效傳輸整體運(yùn)行信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電控單元的信號(hào)采集，從而判斷助力大小和助力方向。電控單元可計(jì)算相應(yīng)助力轉(zhuǎn)矩的數(shù)值，并及時(shí)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓和電流的供給，從而在電動(dòng)機(jī)輸出基本轉(zhuǎn)矩的過程中，推動(dòng)整體轉(zhuǎn)向軸起到助力轉(zhuǎn)向作用，實(shí)現(xiàn)整體實(shí)時(shí)控制。針對(duì)故障和超速情況，該結(jié)構(gòu)可根據(jù)基礎(chǔ)控制系統(tǒng)的要求，保證在離合器切斷的基礎(chǔ)上將系統(tǒng)轉(zhuǎn)為機(jī)械轉(zhuǎn)向。此外，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還包括基礎(chǔ)信號(hào)傳感器、助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和電控單元等，能實(shí)現(xiàn)整體信號(hào)和運(yùn)行措施的升級(jí)。汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般為減速結(jié)構(gòu)，在電動(dòng)機(jī)力矩輸出的運(yùn)行中減速增扭，從而完善助力系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主控軟件

在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，基本的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用單片機(jī)系統(tǒng)，對(duì)基本信號(hào)的處理使用微處理器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片集成性功能的優(yōu)化。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，不僅要保證設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)短小精干，基礎(chǔ)項(xiàng)目成本符合實(shí)際，還要保證汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向各子系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)合理。

2.2 執(zhí)行電動(dòng)結(jié)構(gòu)

在汽車內(nèi)部的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是低轉(zhuǎn)速、大扭矩的結(jié)構(gòu)，波動(dòng)較小，整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和尺寸要求較高，因此，要提升可靠性能的基礎(chǔ)要求。在該結(jié)構(gòu)基本的工作原理中，直流電動(dòng)機(jī)要根據(jù)無刷和有刷結(jié)構(gòu)滿足工作要求，實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)行原理的統(tǒng)一化。

2.3 扭矩傳感器結(jié)構(gòu)

在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，扭轉(zhuǎn)傳感器主要用于檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤中基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)的數(shù)值和方向，整體結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，整體工作性能可靠，基本的精確度數(shù)值比較適中。在非接觸扭轉(zhuǎn)傳感器的運(yùn)行中，雖然基本的精確度較高，但整體價(jià)格偏高。

2.4 主功率逆變器結(jié)構(gòu)

在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用的是基礎(chǔ)直流電動(dòng)機(jī)，需要利用基本調(diào)解電樞電壓實(shí)現(xiàn)脈沖效能的優(yōu)化。在PWM的運(yùn)行中，基本的蓄電池直流電壓變成基礎(chǔ)的電壓脈沖，能促進(jìn)整體系統(tǒng)的順利運(yùn)行，并保證整體轉(zhuǎn)向能力的優(yōu)化升級(jí)。

3 汽車助力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)主要思路

本汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向器與機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向器二者有機(jī)的結(jié)合。根據(jù)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)氣壓系統(tǒng)，基于電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將其電動(dòng)機(jī)部分改成氣壓系統(tǒng)。氣壓系統(tǒng)采用雙作用氣壓缸提供動(dòng)力，低功率步進(jìn)電機(jī)控制氣體輸出流量，電磁控制閥控制氣體的流向（雙作用氣壓缸的左右）。其電子控制部分與電子式助力的原理相同，如：速度傳感器，扭矩傳感器，轉(zhuǎn)角傳感器以及控制單元等。

3.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)架

本助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括方向盤、轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和電子控制單元。方向盤與轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器連接，轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器與電子控制單元連接，電子控制單元與三位四通電磁換向閥和步進(jìn)電機(jī)連接，三位四通電磁換向閥接有氣壓缸。增量式數(shù)字流量閥內(nèi)選用的步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.7°。

3.2 工作過程

氣體從氣動(dòng)三聯(lián)件的分水濾氣器流入經(jīng)過過濾之后由油霧器流至安全閥，安全閥起到安全保護(hù)作用，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過規(guī)定值時(shí)，安全閥打開，將系統(tǒng)中的一部分氣體排入大氣，使系統(tǒng)壓力不超過允許值，從而保證系統(tǒng)

不因壓力過高而發(fā)生事故;經(jīng)過安全閥后在流向保壓缸，保壓缸是為了保證執(zhí)行元件有一定的工作氣壓，相當(dāng)于二級(jí)緩存;氣體流出后進(jìn)入增量式數(shù)字流量閥，這種閥由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工作，控制氣體的流量;電磁換向閥根據(jù)ECU輸出的信號(hào)，利用電磁吸力推動(dòng)閥芯改變閥的工作位置，控制氣體流向;氣體流出后，由兩個(gè)梭閥“管理”，流入雙作用氣缸，梭閥和電磁換向閥共同組成鎖緊回路，當(dāng)執(zhí)行元件不工作時(shí)，切斷其進(jìn)出氣路，使它準(zhǔn)確的停留在中間位置上。在以上機(jī)械元件的連接處采用軟管跟硬管來連接，軟管用橡膠管，硬管采用紫銅管，純機(jī)械的連接。

速度傳感器、扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器傳入的數(shù)據(jù)，經(jīng)電子控制單元進(jìn)行分析計(jì)算，作出判斷，將執(zhí)行信號(hào)傳輸給步進(jìn)電機(jī)與三位四通換向閥，步進(jìn)電機(jī)控制氣體的流量，三位四通換向閥控制氣體的流向，作用于氣壓缸，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。

4 汽車助力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)有益效果

本系統(tǒng)無需液壓油，采用壓縮空氣，不受溫度限制，低溫也可以反應(yīng)靈敏，做功后氣體不用返回貯氣裝置，直接排除，環(huán)保;提供的扭矩力大，可以應(yīng)用于大排量車輛。本系統(tǒng)繼承了以往助力轉(zhuǎn)向器各自的優(yōu)點(diǎn)， 將其集于一體，動(dòng)力足，反應(yīng)靈敏，環(huán)保，操作方便，維修檢測(cè)相對(duì)比較容易等。從整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)看，隨著人們對(duì)汽車環(huán)保、節(jié)能和安全性要求的進(jìn)一步提高，氣壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)贏得消費(fèi)者及廠商的認(rèn)可。

5 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略

5.1 基礎(chǔ)助力控制

在汽車轉(zhuǎn)向的過程中，要計(jì)算回正力矩與傳動(dòng)比的關(guān)系，轉(zhuǎn)向力不能過小，并實(shí)現(xiàn)摩擦力的有效控制，減小反沖帶來的行車壓力。此外，在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器中，基礎(chǔ)的液壓助力基數(shù)是固定的，需要相關(guān)人員在運(yùn)行過程中對(duì)扭桿的剛度和基礎(chǔ)過流面積進(jìn)行控制，保證汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性。

5.2 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本輸出轉(zhuǎn)矩主要依據(jù)電流控制算法計(jì)算和電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，需要駕駛員對(duì)基礎(chǔ)方向盤進(jìn)行力矩和車速的控制，對(duì)目標(biāo)電流和電機(jī)反饋電流進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化計(jì)算和閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的采集和匯總，并對(duì)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系進(jìn)行精細(xì)化整合。基礎(chǔ)控制系統(tǒng)要依據(jù)駕駛?cè)藛T施加在方向盤上的力矩進(jìn)行分析，保證基于基本助力特性對(duì)電機(jī)目標(biāo)助力和方向進(jìn)行控制，并針對(duì)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本特征進(jìn)行轉(zhuǎn)向力矩的靈敏度控制，保證助力電機(jī)不會(huì)因負(fù)荷過大而導(dǎo)致故障的發(fā)生。

5.3 基礎(chǔ)控制方法

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，整體微控制器也得到了升級(jí)，促進(jìn)了汽車的輕便性能和高速轉(zhuǎn)向性能的提高，實(shí)現(xiàn)了整體汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在助力控制中，基本控制結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目是在轉(zhuǎn)向過程中進(jìn)行的，能有效減小整體方向盤的控制阻力，有效地將減速結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向性能的控制保持在基礎(chǔ)控制結(jié)構(gòu)中。在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行中，要根據(jù)基本的單片機(jī)軟件編程語言進(jìn)行高級(jí)語言與低級(jí)語言的區(qū)分，并利用C語言等技術(shù)進(jìn)行匯編語言程序的升級(jí)，主要的運(yùn)用結(jié)構(gòu)要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況而定。在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，基本的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)要求非常高，應(yīng)對(duì)整體故障檢測(cè)和處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，對(duì)信號(hào)采集和處理模塊進(jìn)行技術(shù)分析，并對(duì)助力特性算法模塊進(jìn)行必要的運(yùn)算監(jiān)控，強(qiáng)化電機(jī)控制模塊的基本運(yùn)行，以保證能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行電機(jī)助力控制和阻尼控制。只有實(shí)現(xiàn)接口電路和斬波電路的合理化運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)的優(yōu)化控制。在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過程中，基本的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)也要具有實(shí)時(shí)性、可靠性和可維護(hù)性，從而保證整體軟件的設(shè)計(jì)能進(jìn)行調(diào)試和修改，實(shí)現(xiàn)有機(jī)的完善過程，且相關(guān)管理人員要對(duì)相應(yīng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)處理和收集，保證整體軟件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化升級(jí)。

6結(jié)束語

汽車的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是當(dāng)今最前沿的電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合應(yīng)用，它能大幅改善汽車的動(dòng)、靜態(tài)性能、提高行駛中司機(jī)的舒適性和安全性、降低對(duì)環(huán)境造成的污染威脅等。正因?yàn)檫@樣，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到各大汽車公司的重視，并紛紛進(jìn)行開發(fā)和研究。據(jù)專家預(yù)測(cè)，以后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]左建令，吳浩.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展及展望.2005.

[2]陳家瑞，馬天飛，蔣興閣等.汽車構(gòu)造[M].第五版.2005.

[3]林逸，施國標(biāo)等.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展綜述.2001.

[4]盧斌.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略的仿真研究[D].杭州：浙江大學(xué).2006.

[5]邱琪.雙齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)國產(chǎn)化應(yīng)用開發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2013（06）.

[6]何存興，張鐵華主編.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.