摘 要：EPS（電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）系統(tǒng)是一種新興的汽車轉(zhuǎn)向助力形式，成為了很多汽車零部件制造商的研究熱點(diǎn)。EPS能使轉(zhuǎn)向變得輕便，提供良好的操控性能，提高了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和助力效果。助力特性靈活可變，易實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同車速提供合適的手感，通過(guò)更改軟件中的助力參數(shù)即可進(jìn)行助力特性微調(diào)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量更輕，符合現(xiàn)代汽車輕量化設(shè)計(jì)理念。擴(kuò)展性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)新功能，逐利特性完全由ECU控制，為汽車新技術(shù)的應(yīng)用提供了平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力;操控性;經(jīng)濟(jì)性;緊湊

1 EPS的優(yōu)勢(shì)

與非輔助、純液壓和混合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)具有一系列優(yōu)勢(shì)。EPS系統(tǒng)助力機(jī)構(gòu)不由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，而是利用具有一系列轉(zhuǎn)向傳感器的電動(dòng)機(jī)，不會(huì)占用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)輸出動(dòng)力，僅在轉(zhuǎn)向時(shí)消耗能量。轉(zhuǎn)向傳感器能感應(yīng)到轉(zhuǎn)向位置和扭矩大小，軟件可以將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)輸出的信號(hào)。這是一種更加動(dòng)態(tài)和節(jié)能的輔助轉(zhuǎn)向方法。EPS相對(duì)于其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向輕便快捷、能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可靠性高的特點(diǎn)，顯著改善了汽車的操縱性，符合節(jié)能環(huán)保理念。EPS的優(yōu)勢(shì)包括減少大約3%的燃油消耗，節(jié)省很大的空間，更輕松的系統(tǒng)集成和能增強(qiáng)駕駛體驗(yàn)的軟件。EPS能耗大約只占傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的1/12。由于系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有油液，在制造使用及廢棄后都不會(huì)造成環(huán)境污染。此外，系統(tǒng)內(nèi)置的軟件可在EPS原型開發(fā)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高性能且易于調(diào)整。

2 EPS系統(tǒng)

一個(gè)高性能且功能強(qiáng)大的微控制器和功率半導(dǎo)體組合是實(shí)現(xiàn)高效可靠EPS的基礎(chǔ)，該組合使EPS的節(jié)能和降低二氧化碳排放達(dá)到新的水平。作為事關(guān)安全的重要部件，EPS組件必須具備可靠的協(xié)同工作能力。

EPS系統(tǒng)由扭矩傳感器等傳感器，ECU，電機(jī)和減速齒輪組成。扭矩傳感器感應(yīng)方向盤的運(yùn)動(dòng)，ECU根據(jù)扭矩傳感器信號(hào)計(jì)算輔助力，電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力，減速齒輪增大轉(zhuǎn)向力矩并傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)前，根據(jù)成本，包裝和性能要求，可以在不同的細(xì)分市場(chǎng)中找到幾種不同類型的EPS系統(tǒng)（圖3），所有這些設(shè)計(jì)方案使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)眾多轉(zhuǎn)向功能，即基本轉(zhuǎn)向功能、增強(qiáng)型轉(zhuǎn)向功能和高級(jí)駕駛員輔助功能?；巨D(zhuǎn)向功能包含在一定的駕駛狀況下提供轉(zhuǎn)向助力和扭矩平衡（例如摩擦和慣量補(bǔ)償）等直接影響轉(zhuǎn)向手感的附加功能。

增強(qiáng)型轉(zhuǎn)向功能包含方向盤主動(dòng)回正以及輔助直線行駛（路堤或持續(xù)的側(cè)風(fēng)時(shí)給予必要的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償）。高級(jí)駕駛員輔助功能可以在某些情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向的功能，例如自動(dòng)泊車，拖車后備輔助，車道保持或復(fù)雜的駕駛員反饋，例如車道偏離警告。圖5是轉(zhuǎn)向柱式EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通常使用可折疊的安全柱，該單元包含在儀表板中。

3 EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1 基于CAN總線的EPS永磁無(wú)刷電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

永磁無(wú)刷電機(jī)壽命長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小，功率密度大，永磁同步電機(jī)采用正弦電壓驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩?fù)軇?dòng)更小，轉(zhuǎn)向手感更加平順。通過(guò)軟件算法減少傳感器數(shù)量，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)信息共享。

3.2 基于未知輸入估計(jì)的EPS控制器設(shè)計(jì)

基于拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型制定具有未知輸入的最優(yōu)控制方法，從而消除了對(duì)扭矩傳感器的需求。結(jié)合非線性輔助曲線，未知輸入估計(jì)量和線性二次積分理論開發(fā)出一種新的控制器。與眾所周知的卡爾曼濾波器相比，使用未知輸入估計(jì)法具有良好的效果。所得的閉環(huán)響應(yīng)能夠跟蹤不同速度下的非線性輔助曲線。揭示了一個(gè)顯著的特征，即，僅使用單個(gè)恒定增益就可以控制EPS系統(tǒng)。

3.3 基于扭矩信號(hào)的慣量補(bǔ)償方法

EPS的動(dòng)態(tài)性能受輔助電機(jī)慣性的影響，為改善動(dòng)態(tài)特性，要對(duì)電機(jī)慣性進(jìn)行補(bǔ)償。助力電機(jī)角加速度信號(hào)可以通過(guò)扭矩信號(hào)獲得。分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程，建立慣量補(bǔ)償框圖。推到出從扭矩信號(hào)到角加速度信號(hào)的傳遞函數(shù)以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子慣性?；贓PS基準(zhǔn)模型驗(yàn)證補(bǔ)償效果，分析相關(guān)參數(shù)對(duì)EPS動(dòng)態(tài)性能的影響。結(jié)果顯示：由扭矩信號(hào)產(chǎn)生的角加速度比由角度信號(hào)產(chǎn)生的角加速度更加準(zhǔn)確合理，且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有了很大改善。這種方法的現(xiàn)實(shí)局限性是需要知道傳遞函數(shù)中的參數(shù)。

3.4 無(wú)電流傳感器的EPS驅(qū)動(dòng)方法

采用表面貼裝式永磁同步電機(jī)建模和停滯時(shí)間補(bǔ)償?shù)姆椒p少由實(shí)際輸出電壓和電壓指令差異造成的計(jì)算電流誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)電流傳感器驅(qū)動(dòng)方法。這種方法僅使用處理器算法，無(wú)需任何電壓感測(cè)電路硬件，例如濾波電路和電流傳感器反饋電路。對(duì)包含SPMSM，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械齒輪系統(tǒng)的EPS進(jìn)行MATLAB仿真，驗(yàn)證該方法的有效性。

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作者簡(jiǎn)介：鄭志誼（1989-），男，浙江開化人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：汽車電控。