具有功能安全特點的EPS電控系統方案(上)

1 前言
     電動助力轉向系統(Eelectric Power Steering 簡稱EPS)是 一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統。它作為一 種新型助力轉向系統與已有幾十年發展歷史的傳統液壓轉向 技術相比，EPS具有諸多優點。可以通過軟件改變它的電動 助力轉向特性，因此提高了硬件資源的利用率；而且在低速 行駛時轉向輕便，在高速行駛時轉向具有沉穩感；助力電機 只在轉向時工作，能夠節省汽車能源。電動助力轉向技術將 最新電子技術和高性能電機控制技術應用于汽車轉向系統， 大大提高了汽車的經濟性、動力性和機動性，適應了現代汽 車發展的要求；而且電動助力轉向系統具有部件少、結構簡 單、便于安裝和維護等特點；采用電動助力轉向系統的汽 車，在轉向時由蓄電池向電機提供較大的驅動電流，而在直 線行駛時蓄電池僅向電機提供很小的控制電流，而且控制系 統可根據路況和車況調整控制電機的助力或阻尼，降低了對

圖1  EPS系統  

圖2  C - EPS
發動機的功率需求，并大大提高了駕駛轉向的舒適性和行駛
安全性。

2  EPS系統簡介
電動助力轉向系統由機械轉向系統、方向盤扭矩傳感 器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、電機和減速機構等 組成，如圖1所示。電動助力轉向系統的工作原理是：ECU 根據扭矩傳感器、轉角傳感器的信號以及通訊總線發來的車 速等其他信息決定電機的轉動方向和最佳助力扭矩，向電機 發出控制信號，通過功率驅動電路控制電機的轉動，電機的 輸出經過減速機構減速增扭后，驅動齒輪齒條機構，產生相 應的轉向助力。通過精確的控制算法，可改變電機的扭矩， 使傳動機構獲得所需的助力值。
電 機 是 電 動 助 力 轉 向 系 統 的 動 力 源 ， 其 作 用 是 根 據 ECU的指令輸出適當的輔助扭矩。電機對EPS系統的性能有 很大的影響，所以EPS系統對電機有很高的要求，不僅要求 扭矩大、扭矩波動小、轉動慣量小、功率密度高，而且要 求可靠性高和壽命長。由于永磁同步電機PMSM和直流無 刷 電 機 B L D C 既 具 有交流電動機的結構簡 單、運行可靠、維護 方便等優點，又具有 直流電動機的運行效 率高、無勵磁損耗、 調速性能好等諸多優 點，因此這兩種三相電機被廣泛運用于各

圖3  P - EPS

圖4   R - EPS  

圖6  EPS安全狀態（safe state）
種EPS系統。
根據電機安裝位置和機械結構的不同，電動助力轉向 系統系統可以分為：管柱助力式(Column Mounted)、小齒輪 助力式(Pinion mounted)和齒條助力式(Rack mounted)。
如圖2所示，管柱助力式EPS 系統中將助力電機安裝在 管柱上，通過減速增扭機構與轉向軸相連，直接驅動轉向軸 助力轉向。這樣的系統結構簡單緊湊、易于安裝，但由于助 力電機安裝在駕駛艙內，受到空間布置和噪聲的影響，電機的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車輛 上。

圖5  歐洲部分整車廠和一級部件供應商共識的功能安全目標
小齒輪助力式EPS 系統中將助力電機和減速增扭機構與 小齒輪相連，直接驅動齒輪實現助力轉向。由于助力電機不 是安裝在乘客艙內，因此可以使用較大的電機以獲得較高的 助力扭矩，而不必擔心電機轉動慣量太大產生的噪聲。詳見 圖3。
如圖4所示，齒條助力式EPS系統中將助力電機和減速增扭機構直接驅動齒條提供助力，因此能 提供更大的助力，但整套系統結構復雜， 成本較高，所以適用于豪華車和商務車。
無論哪種EPS 系統，所實現的功能大致相同：

(1)助力控制 在汽車停車及低速行駛時提供較大助
力扭矩，使轉向過程快捷輕便，而在汽車 高速行駛時提供較小的助力扭矩以保持轉 向過程的可靠與沉穩。
(2)阻尼控制
利用電機扭矩來減弱汽車高速行駛時 出現的方向盤抖動現象，目的是提高汽車 高速直線行駛穩定性。
(3)回正控制
駕駛員松開方向盤后，隨著作用在方 向盤上的力的減小，方向盤將在回正力矩 的作用下回正。需要防止兩種情況：回正 力矩過大，引起方向盤位置超調；回正力矩過小，方向盤不能回到中間位置。

(4)系統通信功能 通過CAN/LIN總線與其他汽車控制系統進行通訊，實現更加復雜的功能。

(5)系統故障診斷功能 能實時監控整個系統，具有故障報警和提示功能，在
故障不能自動排除時切斷EPS 使車輛進入傳統的機械轉向模式。(未完待續)