电动助力转向系统是一种用于汽车的全新辅助转向系统，它的合理应用能发挥出过去所有辅助转向系统都无法实现的效果及对汽车实时车速的灵敏感应，而且其控制单元作为系统核心部件之一，还可以以汽车行驶速度、转入轴力矩等为依据判断是否需要提供助力，以及提供助力时需要提供多少助力。当前的电动助力转向系统已经达到相对成熟的水平，大有取代传统液压转向系统之势，不仅和当今汽车行业主题相适应，而且还能更好地迎合未来汽车发展。
1 汽车电动助力转向系统工作原理分析
汽车电动助力转向系统简化结构如图1所示。
图1 汽车电动助力转向系统简化结构示意图
由图1可知，该系统由以下关键部件构成：传感器、控制单元、减速机构、电动机。系统中的控制单元以传感器信号为依据对助力扭矩方向及幅值进行确定，同时对电动机予以直接控制。电动机在输出扭矩之后，齿轮对其进行放大，同时经过传送系统将电动机扭矩输送至齿条，以此确保齿条向车轮输送推力扭矩。整个系统的信号源主要为传感器，包括扭矩、转向、车速和转向角。其中，转向角传感器能以齿条实际位移量及位移角为根据来对转向角进行测定。
2 汽车电动助力转向系统关键部件
2.1 传感器
（1）扭矩传感器。对汽车驾驶员在转入轴上的作用力方向及大小进行测量，并得出转入轴转向及大小。（2）车速传感器：对汽车实际行驶速度进行测量。以上信号均为系统控制信号。对扭矩测量系统而言，其不仅原理十分复杂，而其成本很高，所以使用高精确度、稳定可靠且成本合理的传感器直接影响系统是否可以在市场中占据理想地位，是必须予以高度重视的因素。就目前来看，汽车电动助力转向系统应用的传感器以电位计式为主，在正常情况下能对两种相互独立的信号进行输出：第一种为主信号，第二种为副信号。其中，副信号在被控制单元接收后对所得主信号正确与否进行检查判断。
一般可用于汽车电动助力转向系统的主要有以下三种扭矩传感器：（1）摆动杆式。它通过对因转向器小齿轮轴反作用力矩而产生的摆杆实际位移量的测量来获得转向力矩。（2）双行星齿轮式。它通过对和扭杆直接连接的行星齿轮存在的相对位移的准确测量来获得转向力矩。对扭杆而言，它一般都处在输入、输出轴之间，所以齿轮机构在发挥自身作用的同时还具有类似减速机构的功能。（3）扭杆式，它通过对输入、输出轴之间存在的相对位移的准确测量来获得转向力矩。
从扭矩传感器的结构角度讲，其感应部分由线圈与滑套组成。采用轴助力措施的转向系统，其转向轴在中间部分直接断开，上、下分别是输入轴和输出轴，两者采用扭杆进行连接。滑套处于输出轴的外部，固定于扭杆上部导向销插入传感器滑套的斜槽当中，其中的导向销不仅能随着输出轴同时进行转动，而且还能在斜槽上进行上下移动。如果路面给车轮施加的阻力相对较小，则驾驶员转动转入轴之后，输出轴与滑套将同时发生转动，此时的滑套并不会进行上下移动；而如果路面给车轮施加的阻力相对较大，则转向力矩会明显提高，扭杆产生扭转，此时输出轴转角与输入轴转角并不相同，使滑套转角也不同于导向销实际转角，在导向销的作用下，滑套开始进行上下移动。在这种情况下，处于滑套外部的线圈，即可对运动方向与大小进行检测，最后获取转矩信息。
除以上常用的传感器类型外，还能见到对非接触式扭矩传感器的应用。在这种传感器当中，存在两个磁极环，工作原理为：在输入、输出轴产生相对位移之后，在两个磁极环中间存在的空气间隙出现明显变化，使电磁感应系统发生改变。这种传感器最大的优势在于体积轻便且精度较高，但由于成本偏高使其并未得到普遍应用。
2.2 电动机
系统中的电动机作用在于以电子控制单元输出的指令为依据输出相应的驱动扭矩，它是整个转向系统的动力源。目前，都以无刷永磁式直流电动机为主。对转向系统工作性能而言，电动机会造成较大的影响，属系统关键部件。同样转向系统对电动机也提出了极高的要求，除了要满足大扭矩、低转速、小波动、小体积和轻质量的要求，还应尽可能的稳定可靠，且容易进行控制。
2.3 减速机构
转向系统减速机构和电动机直接相连，具有降低速度和增加扭矩的功能。常用的减速机构主要为蜗轮蜗杆式，或行星齿轮式。某些转向系统还引入了离合器，安装于减速机构其中一侧，通过这样的处理，能使转向系统仅在预设车速情况下发挥助力作用。在汽车行驶速度达到某个特定值后，转向系统中的离合器发生分离，使电动机暂停运行，切换至手动转向。除此之外，如果系统中的电动机工作异常，则离合器将对其进行自己分离。
2.4 控制单元
控制单元主要功能在于以信号源信号为依据，在完成逻辑分析和计算之后，产生并发出控制指令，使转向系统中的电动机与离合器进行相应的动作。另外，转向系统控制单元还能发挥保护和诊断的功能。它通过对各部件信号的采集与判断，确认系统所处工作状态是否为正常状态，如果系统工作不正常，则转向系统的助力功能将立即取消，并由控制单元完成故障诊断和分析。一般的转向系统控制单元都为8位单片机系统，此外也可以将DSP，即数字信号处理器作为转向系统控制单元。因转向系统含有非线性元件，而且元件自身磨损、路面行驶条件与传感器自身有噪声产生，所以系统存在一定不确定性。控制单元和控制算法是目前转向系统主要的关键技术，对控制单元而言，必须能够抵抗外界干扰，从而良好适应更加多变且复杂的环境。而控制算法则要快速、准确，迎合实时控制需要，同时为助力特性的充分发挥提供良好条件。
3 汽车电动助力转向系统关键技术
3.1 电动机和传感器技术
汽车电动助力转向系统的出现、应用和发展实际上是电子技术、电动机技术与控制理论不断发展的必然趋势。如前所述，转向系统对其电动机提出了极高要求，既有尺寸外形方面，又包括性能和功率。此外，电动机还要满足很多特殊要求，例如平滑性要求，即汽车驾驶员不能感到由系统产生的各种形式的冲击；转动惯量必须达到最小的水平；做好防转向失控。
转向系统应用与发展还会受到性能价值与价格的影响，这使得系统在选择传感器与电动机时都会受到一定限制。就目前而言，对于扭矩传感器，都是在多种要素中进行折中选择，但在实际情况中，无法避免一些性能参数会受到影响或抑制。例如，为减少成本而对最高温度进行限制，温度其实是和系统运行可靠性存在紧密联系的。扭矩波动的存在也会对转向系统造成影响，表现为助力过程中产生一定程度的振动，使系统自身可接受性受到影响而降低，导致成本增加。所以，系统的扭矩传感器必须可以提供高质量、快速响应且可靠真实的信号。
3.2 控制策略
汽车电动助力转向系统是否可以获得理想使用性能，不仅要可靠的硬件支撑，而且控制软件也必须良好。汽车在正常行驶时往往处在多种多样的运行工况，转向系统的实际工作除了会受到来自环境的因素的不断影响，还会因为系统通常安装于汽车发动机周围，而发动机工作时所产生的电磁干扰及热辐射，都会使转向系统受到影响。以上因素的存在均对转向系统控制策略的选择提出很高要求。如今，在PID（Packet Identifier，数字电视）、动态补偿、自适应控制、鲁棒控制等技术、理论不断发展的局势下，转向系统在选择适宜的控制策略方面有了更多的选择和支撑。除此之外，智能控制理论及应用技术的出现，也为转向系统控制策略优化升级奠定了坚实基础。通过对这些最新科研成果的快速引入，相信转向系统能在不久的将来突破系统控制方面的瓶颈，使自身得到更大程度的发展。
3.3 助力特性
转向系统的助力特性决定了路感和转向的轻便性，现阶段国内外针对路感方面的问题，仍以试验研究为核心。从转向系统角度讲，助力特性是控制目标，它是否合理可行直接影响系统工作性能。而且助力特性还属于车速感应型，可细分成低速与全速两大类。其中，全速指的是转向系统在所有车速条件下都根据实际情况提供转向助力；而低速指的是只在低速条件下提供转向助力，在汽车行驶速度超过限值后，转向系统将停止作业。对低速转向系统而言，它具有对系统要求不高的优势，但无法改善汽车在高速行驶时的操控可靠性；而对全速转向系统而言，它的优势在于可以有效改善汽车在高速行驶时的操控可靠性，但对系统有着很高的要求。
除此之外，转型系统作为一种新兴技术，通过对计算机控制以及电动机驱动等的合理应用，实现了对部分转向操作的独立控制，这部分控制是与汽车驾驶员无关的。基于此，转向系统将产生比以往液压控制式转向系统更多、更复杂的故障，因此必须对该系统运行可靠性及故障预测诊断给予足够的重视。系统的常见故障形式主要有以下两种：（1）系统停止工作，转入轴力矩比手动转向大，导致转向力超过同状态下的手动系统。若在汽车实际行驶时出现此故障，则很容易引起事故；（2）在汽车驾驶员没有任何输入的条件下自动改变方向，致使汽车出现严重的方向偏离，这种故障带来的后果往往是十分恶劣的，必须予以杜绝。针对此类故障，可通过对系统机械部分设计的优化来起到预防作用，但在某些特殊情况下，还需要借助故障预测及诊断来进行更正。
4 结语
统计表明，电动助力转向系统目前正以10%左右的速度飞速发展，年均增长数量可以达到150万套以上。此外，我国汽车几乎每3辆就有1辆配有电动助力转向系统，可见其应用及发展前景均十分广阔。因此，在后续的研究工作当中，应对系统的各项关键技术进行深入探究，研发并应用特有的系统技术，或加强对现阶段科研成果的引入，以此适应汽车行业发展需要，在保证运行稳定可靠的同时，发挥更大的作用和经济价值。
参考文献
[1]王虎，许晓楠．汽车电动助力转向系统选型研究[J]．汽车实用技术，2017，（15）.
[2]蔡祥熙．汽车电动助力转向电机过热失效问题分析及优化[J]．车辆与动力技术，2017，（2）.
[3]敖德根，米根锁．基于多变化转矩的汽车电动助力转向电机电流跟踪控制[J]．电机与控制应用，2017，（3）.
收稿日期：2017-12-21
作者简介：刘鑫（1982-），男（傣族），云南元阳人，供职于云南云通司法鉴定中心红河鉴定部，研究方向：司法鉴定。
