EPS电动助力转向系统结构原理

综述

电动助力转向系统EPS(electripowersteering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。

EPS系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。

EPS结构图

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。扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。

第1章汽车助力转向系统的历史发展概况

在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（Manual Steering，简称MS）发展为液压助力转向系统（Hydraulic Power Stee ring，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（Electro Hydraulic Powe r Steering，简称EHPS）和电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称E PS）。装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。

第2章 EPS系统的组成原理及分类

2.1 EPS系统的分类

根据电动机驱动部位的不同，将电动助力转向系统分为3类：转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式。

1.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，所测取的转矩信号与控制直流电动机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。

2.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，可获得较大的转向力。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，其助力控制特性难以保证准确。

3.图1为齿条助力式转向系统。其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。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种:一种是电动机做成中空的。齿条从中穿过，电动机的动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂，价格高，维修也困难。另一种是电动机与齿条的壳体相互独立。电动机动力经另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。

4.电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。此转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但其基本原理是一致的。系统通常由转向（转矩）传感器、电子控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。汽车电子控制动力转向系统的组成如图1所示。

2.2 EPS系统的组成

电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。此转向系统不同车上的结构部件尽管不尽一样，但其基本原理是一致的。系统通常由转向（转矩）传感器、电子控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。汽车电子控制动力转向系统的组成如图1所示。

2.3 EPS系统的工作原理

电子控制动力转向系统是利用电动机作为助力源，根据转向参数和车速等，由微机完成助力工作的，其控制框图如图2所示。

不转向时，电动机不工作，EP系统处于STANDY状态；当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断检测转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制器，由控制器中的微机根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。

电子控制电动助力转向控制系统的核心是一个4kBROM和256kBRAM的8位微机。

转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的提高，通过微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。点火开关的通断（on/off）信号经A/D转换接口送入微机，当点火开关断开时，电动机和离合器不能工作。微机控制指令经D/A转换后送入电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转方向和离合器的结合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机，将电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。

2.3 EPS系统主要部件的结构及工作原理

EPS系统主要部件包括扭矩传感器、电动机、电磁离合器、减速机构车和电子控制单元等，其各自的工作原理如下：

2.3.1 扭矩传感器

EPS系统的传感器信号包括转向盘转矩信号、汽车车速信号、汽车轴重信号和电机电流信号，前三者用于确定助力电机的助力大小和方向，后者用于电机的闭环控制。这些信号用来作为EPS系统的输入信号，共同决定助力信号的输出。因此传感器信息融合是EPS系统中的关键技术之一。EPS系统扭矩传感器主要有：电位计式扭矩传感器电、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式电感扭矩传感器和其他类型传感器。

1 电位计式扭矩传感器

电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。

EPS中扭杆式扭矩传感器的结构、原理

扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。

2 扭杆式扭矩传感器

扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件，因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接，另外的一端通过径向销（直径D）与转向输出轴连接，基本结构如图3所示。

图3 圆柱截面扭杆结构图

扭杆细齿形渐开线花键端部结构外直径

d0=(1.15-1.25)d,长度L=（0.5-0.7）d，为了避免过大的应力集中，采用过度

圆角时，半径R=（3-5）d，扭杆的有效长度为l，d为扭杆有效长度的直径。

扭杆的扭转刚度k是扭杆的一个重要的物理量，可以参照下面的公式计算。

当其受到扭矩Ｔ的时候，其扭转的切应力τ和变形角υ分别为：

其扭转刚度为：

其中d-扭杆直径，有效长度，Ip惯性矩，Zi抗扭截面系数

扭杆式扭矩传感器在早期的EPS中应用比较多，但由于是接触式的，工作时产生的摩擦使其易磨损，影响其精度，将会被逐步淘汰。

3、金属电阻应变片的扭矩传感器

传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换：

传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。弹性轴是敏感元件，在45度和135度的方向上产生最大压应力和拉应力，这个时候承受的主应力和剪应力相等，其计算公式为：

式中τ—主应力，此时与σ相等

Ｗp-轴截面极矩

测量电桥可以采用半导体电阻应变片，并将它们接成差动全桥,其输出电压正比于扭转轴所受的扭矩。应变片的电阻R1=R2=R3=R4＝R0,可以得到下面的式子：

Ｅ－轴材料的弹性模量

u－电桥的供电电压

S－电阻应变片的灵敏度系数

放大电路采用仪器用放大电路，它由专用仪器用放大电路构成，也有三只单运放电路组合而成，放大倍数为K，放大后的电压Ｖ为：

为了使一起具有高精度，必须使灵敏度系数为常数。

在金属电阻应变片的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是：

(1)、弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的1/3，且取初始段。为了将迟滞误差减低到最底，按照超载能力指数选取最大的轴径。

(2)、采用LM型硅扩散力敏全桥应变片，较好的敏感性，很小的非线形度

(3)、采用高精度的稳压电源。

4非接触式扭距传感器

图4 非接触式扭矩传感器结构

如图4所示为非接触式扭矩传感器的典型结构。输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号部分被放大。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，现在已经广泛用于轿车和轻型车中，是EPS传感器的主流产品。

5、其它扭矩传感器

如图5所示为相位差传感方式来检测扭矩的扭矩传感器的结构和测量原理图，这种传感器具有高精度，高重复性的特点。其测量原理为：在受扭轴的两端各安上一个齿轮，对着齿面再各装一个电磁传感器，从传感器上就能感应出两个与动力轴非接触的交流信号。取出其信号的相位差，在这两个相位差之间，插入由晶体震荡器产生的高精度，高稳定的时钟信号。以这个时钟信号为基准，巧妙运用数字信号处理技术就能精确地测出所承受的扭矩。

图5

2.3.2 电磁离合器

电磁离合器的结构如图6-19所示，主要由电磁线圈、主动轮、从动轴、压板等组成。

工作时，电流通过滑环进入电磁线圈，主动轮便产生电磁吸力，带花键的压板就被吸引，并与主动轮压紧，于是电动机的输出转矩便经过输出轴→主动轮→压板→花键→从动轴，传递给执行机构 (蜗轮蜗杆减速机构)。

电磁离合器可保证电动助力只有在预定的车速范围内起作用。当汽车行驶速度超过系统限定的最大值时，电磁离合器便切断电动机的电源，使电动机停转，离合器分离，不起传递转向助力的作用。另外，在不传递助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响；当该动力转向系统发生故障时，离合器还会自动分离，此时又可恢复手动控制转向。

图 6 电磁离合器

1-滑环电 2-磁离合器 3-压板 4-花键 5-从动轴

6-主动轮 7-球轴承

2.3.3 助力电机及减速器的结构与工作原理

在转向器中部柱管内壁，安装有助力电机及减速器(如图2所示)。

助力电机为无电刷的三相交流电机，定子线圈为三相双星形连接(如图5所示)，电机转子是强永磁式的。此电机设计的转动惯量较小，便于汽车行驶时灵活的变转向

操作。该电机的改变旋转方向极方便，只是将三相电源任意两相间进行换接即能实现迅速的转向助力操作。而且此电机具有低噪声、高转矩的特点，能克服行驶各种道路时的转向阻力，进行灵活转向操作

减速机构是EPS系统不可缺少的组件，它把电动机的输出减速放大后再传递给执行部件。目前实用的减速机构有多种组合方式，采用较多的为蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，如图5所示，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。装配有离合器的EPS系统多采用蜗轮蜗杆减速机构，装配在减速机的一侧。

图7 减速机构

1-转矩传感器 2-控制臂 3-输入轴 4-扭杆 5-滑块

6球槽 7-滑环 8-钢球9-涡轮10-蜗杆 11-电磁离合器 12-电动机

2.3.4 转角传感器的结构与工作原理

该传感器属于电磁感应式传感器，能将转向电机的转向角度信号输出到控制单元。这个传感器转子为凸极式，转子与电机转子是连成一体的。定子线圈呈圆环状，套在转子外，通过电磁感应原理，检测出转子的转角。在拆检时不能单独取下此转角传感器，只能通过解体转向器总成时，才能拆检。但可通过定子上的电路接插件进行检测。转向控制单元安装在蓄电池的下方，除有处理传感器信号功能外，控制单元还有提升蓄电池电压、逆变为三相电流电的功能。亦缩短了控制单元与动力转向机总成之间的电缆长度，可减小线路的电压降。

2.3.5 电子控制单元

如图8所示，工作时，转向转矩和转向角信号经过A/D转换器被输入到中央处理

器(CPU)，中央处理器根据这些信号和车速计算出最优化的助力转矩。ECU把己计算出来的参数值作为电流命令值送到D/A转换器并转换为模拟量，再将其输入到电流控制电路；电流控制电路把来自微处理器的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较，产生一个差值信号。该差值信号被送到驱动电路，该电路可驱动动力装置并向电动机提供控制电流。也即当转矩传感器和转向角传感器的信号经A/D转换器处理后，微处理器就在其内存中寻找与该信号相匹配的电动机电流值，然后将此值输送给D/A转换器进行数字模拟转换，处理后的模拟信号再送给限流器，由限流器来决定电动机驱动电路电流值的大小。微处理器同时给电动机驱动电路输出另一个信号，即决定电动机(左转或右转)的转动方向。

图8 ECU工作原理图

2.4 EPS系统的性能及特点

一、较高的性能价格比

本公司所生产的EPS－CN050A系统在硬件结构上；控制策略以及各项技术指标均已达到或超过国外同类EPS产品；但在售价方面只是国外同类产品的60％，因此可以降低汽车生产厂商的成本，以提高竞争力。

二、本系统有效提高整车行驶的稳定性由于本系统控制装置ECU内部设有微处理器，可以根据车速的大小，决定辅助力矩的输出值。使得车在低速时提供较大的附

加转向力矩，而在高速时提供较小的附加转向力矩，使驾驶员感到在低速时转向轻便，而在高速时转向不发飘。

三、与液压助力转向系统（HPS）相比，EPS系统具有如下特点，

(1)效率高

HPS系统为机械和液压连接，效率较低，一般为60～70%；而EPS系统为机械和电气连接，效率较高，有的可高达90%以上。

(2)能耗少

汽车在实际行驶过程中，处于转向状态的时间约占总行驶时间的5%。对于HPS 系统，发动机运转时，油泵始终在工作、油液一直在管路中循环，从而使轿车燃油消耗增加4-6%；而EPS系统仅在需要转向时，才启动电机产生助力，因此，轿车装用EPS系统比装用HPS系统燃油消耗可减少3.5-5.5%。

(3)助力特性可通过软件进行调整

由于EPS系统集成了电子控制系统，所以其助力特性可以通过软件进行调节。在进行整车匹配时，不用对机械参数进行修改，直接可以通过软件调整助力特性，简化了整车匹配工作。

(4)回正性好

EPS系统结构简单，内部阻力小，回正性好，从而可得到最佳的转向回正特性，且可改善汽车的操纵稳定性。

(5)对环境污染少

HPS系统的液压回路中有液压软管和接头，存在油液泄漏问题，而且液压软管是不可回收的，对环境有一定的污染；EPS系统中，没有不可回收的油管，也没有油液泄漏问题，对环境几乎没有污染。

(6)可以独立于发动机工作

传统的HPS系统以发动机为动力源，当发动机熄火或转速较低时，便不能产生助力或助力不足，造成转向困难；而EPS系统以电池为能源，以电机为动力元件，只要电池电量充足，不论发动机处于何种工作状态，都可以产生助力。

(7)应用范围广

EPS系统可适用于各种汽车,目前主要用于轿车和轻型载货汽车;而对于环保型纯电动汽车,由于没有发动机，因此EPS系统为其最佳选择。

(8) 结构简单

没有液力转向泵、油管、油罐、虑清器等机构,节省安装空间,便于整车设计布置。

(9)装配性好

HPS系统中，转向油泵与机械式转向装置相互分离，装配时不仅要安装油泵、支架、油管、接头等，而且还需要排气；而EPS系统元件数目少且为模块化结构，安装方便、省时；在装配线上，安装HPS系统约需36分钟，而安装EPS系统仅需要5～6分钟。

总结

电动助力转向系统的最终发展趋势在以下几个方面。

1.改善控制系统性能、减小控制单元和驱动单元的体积及降低控制系统的制造成本，使之更好地与不同档次汽车相适应。如改进电动机控制技术，消除由于电动机惯性大、摩擦力所带来的转向路感不足等缺点，使电动助力转向系统也能应用于重型载货汽车上。

2.实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其他控制单元的通讯联系，以实现整车电子控制系统一体化。

3.将根据车速、转矩、转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。

4.提高系统的可靠性。这应从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式转矩传感器。

5.提高系统的安全性。采用取消转向盘的EPS系统后，驾驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，减少了危险发生时对乘员的伤害。

电动转向技术由于其技术先进，性能优越，未来必将取代其他动力转向技术，成为动力转向技术的主流。线控动力转向系统将是动力转向系统的发展方向，是未来汽车对安全性、操纵稳定性和舒适性的更高要求，有着很好的发展前景。

随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组件上的应用，其应用范围将进一步拓宽，并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。目前，在全世界汽车行业中，EPS系统每年正在以9%~10%的增长速度发展，年增长辆为130万~150万套。据专业人士预测，到2010年全世界生产的轿车每3辆就有1辆装配EPS系统；到2010年，全球E PS系统的产量将达到2500万套。因而EPS系统将有十分广阔的发展前景！

参考文献

1.姚国平等.新型汽车电气与电控系统使用维修问答.北京：机械工业出版社.2001年2月第一版.

4.博世公司技术报告(2002)（英文）

5.王景祜.奔驰轿车的行驶稳定性电子控制系统.长春：汽车技术.2000年第三期

6.陈家瑞.汽车构造.北京:机械工业出版社.1997年12月第一版

7.高延龄.汽车运用工程.北京:人民交通出版社.1990年3月第一版

8.吴际章.汽车构造(上、下册).北京:人民交通出版社.1998年6月第一版

致谢

在本论文定稿之际，我要感谢三年来曾经帮助我的各位老师、同学，以及教务领导和班主任，谢谢大家的关爱、理解、肯定和支持！

在此，我尤其要对热情关心、悉心指导论文的导师周大军老师致以敬意，表示衷心的感谢！回顾这两个月的写作历程,我遇到了很多写作上的困惑和疑问。我的导师周大军老师在百忙之中不但没有心生烦意，而是更加兢兢业业地为我的论文做着修改和指导，使我的毕业论文在质量上得到了本质的飞越。因此，我借此机会向我亲爱的导师周大军老师致以最真挚的谢意，您的学生将永远铭记您的教诲！

我也要感谢同事、好友的关心和支持；感谢领导的关怀；感谢有关方面的专家对我的关心和殷切期望。我还要感谢家人一贯给予自己的关爱、温暖和全身心的支持。

最后，我谨向在百忙中评审本文的各位专家老师致敬，表示衷心的感谢！