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具有功能安全特点的EPS电控系统方案(上)

作者:李超 王龙飞时间:2017-02-22来源:电子产品世界收藏

1 前言
     电动助力转向系统(Eelectric Power Steering 简称)是 一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。它作为一 种新型助力转向系统与已有几十年发展历史的传统液压转向 技术相比,具有诸多优点。可以通过软件改变它的电动 助力转向特性,因此提高了硬件资源的利用率;而且在低速 行驶时转向轻便,在高速行驶时转向具有沉稳感;助力电机 只在转向时工作,能够节省汽车能源。电动助力转向技术将 最新电子技术和高性能电机控制技术应用于汽车转向系统, 大大提高了汽车的经济性、动力性和机动性,适应了现代汽 车发展的要求;而且电动助力转向系统具有部件少、结构简 单、便于安装和维护等特点;采用电动助力转向系统的汽 车,在转向时由蓄电池向电机提供较大的驱动电流,而在直 线行驶时蓄电池仅向电机提供很小的控制电流,而且控制系 统可根据路况和车况调整控制电机的助力或阻尼,降低了对

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201702/344304.htm

图1  系统  

图2  C - EPS
发动机的功率需求,并大大提高了驾驶转向的舒适性和行驶
安全性。


2  EPS系统简介
电动助力转向系统由机械转向系统、方向盘扭矩传感 器、车速传感器、电子控制单元(ECU)、电机和减速机构等 组成,如图1所示。电动助力转向系统的工作原理是:ECU 根据扭矩传感器、转角传感器的信号以及通讯总线发来的车 速等其他信息决定电机的转动方向和最佳助力扭矩,向电机 发出控制信号,通过功率驱动电路控制电机的转动,电机的 输出经过减速机构减速增扭后,驱动齿轮齿条机构,产生相 应的转向助力。通过精确的控制算法,可改变电机的扭矩, 使传动机构获得所需的助力值。
电 机 是 电 动 助 力 转 向 系 统 的 动 力 源 , 其 作 用 是 根 据 ECU的指令输出适当的辅助扭矩。电机对EPS系统的性能有 很大的影响,所以EPS系统对电机有很高的要求,不仅要求 扭矩大、扭矩波动小、转动惯量小、功率密度高,而且要 求可靠性高和寿命长。由于永磁同步电机PMSM和直流无 刷 电 机 B L D C 既 具 有交流电动机的结构简 单、运行可靠、维护 方便等优点,又具有 直流电动机的运行效 率高、无励磁损耗、 调速性能好等诸多优 点,因此这两种三相电机被广泛运用于各

图3  P - EPS


图4   R - EPS  

图6  EPS安全状态(safe state)
种EPS系统。
根据电机安装位置和机械结构的不同,电动助力转向 系统系统可以分为:管柱助力式(Column Mounted)、小齿轮 助力式(Pinion mounted)和齿条助力式(Rack mounted)。
如图2所示,管柱助力式EPS 系统中将助力电机安装在 管柱上,通过减速增扭机构与转向轴相连,直接驱动转向轴 助力转向。这样的系统结构简单紧凑、易于安装,但由于助 力电机安装在驾驶舱内,受到空间布置和噪声的影响,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。

图5  欧洲部分整车厂和一级部件供应商共识的功能安全目标
小齿轮助力式EPS 系统中将助力电机和减速增扭机构与 小齿轮相连,直接驱动齿轮实现助力转向。由于助力电机不 是安装在乘客舱内,因此可以使用较大的电机以获得较高的 助力扭矩,而不必担心电机转动惯量太大产生的噪声。详见 图3。
如图4所示,齿条助力式EPS系统中将助力电机和减速增扭机构直接驱动齿条提供助力,因此能 提供更大的助力,但整套系统结构复杂, 成本较高,所以适用于豪华车和商务车。
无论哪种EPS 系统,所实现的功能大致相同:

(1)助力控制 在汽车停车及低速行驶时提供较大助
力扭矩,使转向过程快捷轻便,而在汽车 高速行驶时提供较小的助力扭矩以保持转 向过程的可靠与沉稳。
(2)阻尼控制
利用电机扭矩来减弱汽车高速行驶时 出现的方向盘抖动现象,目的是提高汽车 高速直线行驶稳定性。
(3)回正控制
驾驶员松开方向盘后,随着作用在方 向盘上的力的减小,方向盘将在回正力矩 的作用下回正。需要防止两种情况:回正 力矩过大,引起方向盘位置超调;回正力矩过小,方向盘不能回到中间位置。

(4)系统通信功能 通过CAN/LIN总线与其他汽车控制系统进行通讯,实现更加复杂的功能。

(5)系统故障诊断功能 能实时监控整个系统,具有故障报警和提示功能,在
故障不能自动排除时切断EPS 使车辆进入传统的机械转向模式。(未完待续)



关键词: EPS 电控

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