1 概述
1.1 项目研究目的及意义
随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域，部分取代了液压动力转向系统HPS。电子控制技术在汽车动力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电动助力转向系统（EPS）在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活；在汽车高速行驶转向时，适当加重转向力，从而提高了高速行驶时的操纵稳定性，增强了“路感”。不仅如此，EPS的能耗是HPS能耗的1/3以下，且前者比后者使整车油耗下降3%～5%。因而，EPS将成为汽车传统转向系统理想的升级换代产品。
1.2 研究内容
本文从发展历程、结构、工作原理等角度系统地阐述了电动助力转向系统，并分析比较了传统转向系统与电动助力转向系统的优缺点，最后展望了未来的转向系统—线控转向系统。
2 电动助力转向系统的结构及其作用
2.1 电动转向系统的分类
EPS按照辅助电机的布置方式可分为四种：转向柱助力式（Column-assist type EPS）、小齿轮助力式（Pinion-assisttype EPS）、齿条助力式（Rack-assist type EPS）、直接助力式（Direct-drive type EPS）。
2.1.1 转向柱助力式（C-EPS ）
转向轴助力式转向系统其转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑，电动机助力的响应性较好。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪音的限制，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。
2.1.2 小齿轮助力式（P-EPS）
小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，能够获得较大的转向力。可用于中型车辆，提供较大的助力值。该形式可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，助力控制特性难以保证准确。
2.1.3 齿条助力式（R-EPS）
齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。齿条助力式EPAS系统的动力辅助单元。
2.1.4 直接助力式（D-EPS）
直接助力式EPAS系统的动力辅助机构和转向器的齿条组成一个独立的单元，很容易布置在发动机舱内。电动系统的灵活性可实现转向轮、多转轮、操纵杆和有线制导组件等输入装置的零更换。系统中的可组态交流驱动装置实现了参数性能的便捷调节，在与电气牵引系统配套使用时，用户可根据载荷和转向角度对牵引速度进行控制，改善电动车辆的驾驶性能、稳定性以及总体安全性。
2.2 电动助力转向系统结构
电动转向助力装置包含电动转向器的机械部分、控制器、电机和传感器等。助力的大小由控制器（ECU）通过输出电流对电机进行控制，提供最理想的电流。ECU采集的信号来自扭矩传感器、车速传感器和发动机的信号。
转向力的扭矩大小与扭杆的扭转角度成正比，车速传感器安装在轿车变速器上，也可以直接从电子仪表盘上取得，反映的是变化的汽车行驶速度。
电动助力转向系统EPS是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元，再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。
2.3 电动助力转向系统的工作原理
电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但是基本原理是一致的。它一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元ECU，电动机、电磁离合器以及减速机构构成。
基本工作原理是：当转向轴转动时，扭矩传感器将检测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元ECU，ECU再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算，得出助力电动机的转向和助力电流的大小，完成转向助力控制。当汽车点火开关闭合时，ECU开始对EPS系统进行自检，自检通过后，闭合继电器和离合器，EPS系统便开始工作，当方向盘转动时，位于转向轴上的转角传感器和扭矩传感器把测得方向盘上的角位移和作用于其上的力矩传递给ECU，ECU根据这两个信号并结合车速等信息，控制电机产生相应的助力，实现在全速范围内的最佳控制；在低速行驶时，减轻转向力，保证汽车转向灵活、轻便，在高速行驶时，适当增加阻尼控制，保证转向盘操作稳重、可靠。
2.4 EPS的控制部分
2.4.1 ECU工作原理
系统的控制核心为PIC16F877单片机，整个系统由车载12V蓄电池供电，ECU工作时，扭矩、转角、车速、温度等传感器把采集到的信号经过输入接口电路处理后送至单片机的相应端口，单片机根据系统助力特性和相应算法对这些数据分析处理，以确定助力电流的大小和方向，并通过单片机的PWM口发出脉冲指令和相应的换向控制端口发出换向指令，通过驱动电路和H桥电路控制直流电动机工作。
2.4.2 扭矩传感器
扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向，以及转向盘转角的大小和方向，它是EPS的控制信号之一。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式两种。
2.4.3 电动机
电动机根据ECU的指令输出适宜的转矩，一般采用无刷永磁电动机，无刷永磁电机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等特点。电机是EPS的关键部件之一，对EPS的性能有很大的影响。
2.4.4 电磁离合器
电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。
2.4.5 减速机构
减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影响较大，因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。
2.4.6 EPS的电流控制
EPS的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPAS的特点，上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。EPS的电流控制方式控制过程为：控制器根据转向盘转矩传感器的输出Th和车速传感器的输出V由助力特性确定电动机的目标电流，然后电流控制器控制电动机的电流
，使电动机输出目标助力矩。
2.4.7 助力控制
助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系上的一种基本控制模式。
3 电动助力转向系统的故障诊断
3.1 电机故障自诊断
电动机是EPS助力转向的主要执行部件，也是决定车辆行驶安全的重要部件之一。结合工作过程中可能出现的一些机械损伤和线路的断路或短路，电动机可能出现以下问题：（1）电机与ECU间的接线出现断路或短路；（2）电刷与换向器接触不良；（3）电枢与定子磁极卡死，转子转不动；（4）电枢绕组开路；（5）电枢绕组受潮发热，而且散热不好；（6）电动机长时间过载运行，引起电动机壳体发热，以至于烧坏；（7）电枢绕组有部分线圈元件短路。电机一旦出现上述问题之一，对系统的影响主要是造成电动机两端的电压或电流的变化以及电动机发热。
3.2 车速和发动机转速信号故障自诊断
车速信号是决定助力大小的另一个重要因素，转向助力随着车速的提高应该有所下降，以保证有适当的路感。特别在高速行驶时，路感信息对驾驶员尤为重要。常用的车速传感器有电磁感应式、磁性式、光电式和霍尔式。车辆行驶中，当速度里程表读数正常时，速度信号的异常主要由ECU与速度里程表之间的接线不当引起，可以采用了发动机信号作为故障诊断的辅助信号，通过一个车速传感器检测车速信号和一个发动机转速信号来判断信号异常。
3.3 电磁离合器故障自诊断
采用干式单片电磁离合器，通过电流流过电磁线圈产生的吸力实现转矩的传递，因此可以通过控制电磁线圈的电流实现传递转向助力。此外，由于其主要作用是传递助力转矩，在工作过程中其接合与分离正确与否将直接影响车辆行驶的安全性，即需要对离合器的工作状态进行实时监测，一旦出现异常，系统要能通过其他方式保证助力的切断。因此，可以通过实时监测离合器线路的电流来判断其是否正常。
3.4 控制单元故障自诊断
ECU主要由硬件电路和软件程序组成，在电源、电机等其它外围部件正常工作时，其本身的可靠性比较高，硬件本身不易出现故障。但是某些外围部件的短路将会对ECU造成致命的损伤，主要考虑驱动CPU的稳压电源短路和电动机过电流等故障，还有蓄电池及其线路可能出现接触不良、与地短接、电池亏电，或者电源电压过高或持续偏高等异常现象，可以通过检测蓄电池两端电压来判断，一般正常电压为10～16V。
4 结语
目前，电动助力转向系统已经取得很大的成功，但电动助力转向系统的转向盘和转向车轮之间有转向柱等机械连接，这就使得汽车行驶过程中的舒适性和操控性方面受到了一定的影响。同时，由于有转向性，车辆发生碰撞时增加了驾驶员受伤的危险性。而线控转向系统没有转向柱，在设计车辆时无需在发动机舱中为之留出相应的安装空间，提高了发动机舱的空间利用率。转向系统正在飞速地向前发展，我们有理由期待以后的转向系统会更加简便，更加安全，更加人性化。
参考文献
[1]余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2009．
[2]陈家瑞．汽车构造（下）[M]．北京：机械工业出版社，2000．
[3]郑荣良．混合动力型电动汽车发动机转速自动控制系统[J]．江苏大学学报，2001，22（6）．
[4]常玉燕，吕光．日本电子电路精选[M]．北京：电子工业出版社，1989．
[5]林逸，施国标．汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J]．公路交通科技，2001，（6）．
（作者供职于云南云通司法鉴定中心红河鉴定部）
