1、西南林業大學本科畢業（設計）論文（2012屆）題目 汽車電動助力轉向系統結構及其工作原理分析 教學院系 機械與交通學院 專 業 車輛工程 學生姓名 李鋮龍 指導教師 陳繼飛（實驗師） 評 閱 人 劉學淵（實驗師） 2012年6月3日汽車電動助力轉向系統結構及其工作原理分析李鋮龍（西南林業大學 車輛工程專業2008級，云南 昆明，）摘要：在汽車的發展歷程中，轉向系統經歷了由機械式轉向系統發展為液壓助力轉向系統，電控液壓助力轉向系統和電動助力轉向系統的四個階段。汽車電動助力轉向系統與傳統的機械、液壓助力轉向系統相比具有轉向靈敏、能耗低、與環境的兼容性好、成本低等優點。在很多高端車上都裝有EPS，因

2、此，開發EPS（Electric Power Steering）具有很大的實際意義和商業價值。 電動助力轉向系統主要由控制部分、執行部分和程序這三個部分組成，控制部分主要由信號采集電路、單片機和信號發送電路組成。其中單片機是控制部分的核心部件，信號采集電路采集到的轉矩和車速信號送單片機處理后，單片機再發出控制信號給信號發送電路，經過驅動電路驅動電機轉動。執行部分主要由電機、減速機構和電磁離合器的組成。它起著轉向輔助動力的產生，傳遞和中斷的作用。本文詳細分析了汽車電動助力轉向系統的結構、工作原理、故障維修以及它的發展趨勢系統地介紹了汽車電動助力轉向系統。從而得出，電動助力轉向系統具有操作輕便、省

3、力的優點。關鍵詞：電動助力轉向，單片機，電機控制Electric power steering system structure and working principleLiChengLong(Vehicle Engineering 2008， Southwest Forestry University， Kunming Yunnan， )Abstract:In the course of development of the automobile, the steering system has gone through four stages of mechanical steering

4、 system, the development of hydraulic power steering system, electronically controlled hydraulic power steering system and electric power steering system. Electric power steering systems and traditional compared to the mechanical, hydraulic power steering system with steering sensitivity, low energy

5、 consumption, and environmental compatibility, low cost. In many high-end car is equipped with EPS, and therefore, the development of EPS has great practical significance and commercial value. The electric power steering system by the control part of the operative procedures of these three component

6、s, the control part of the signal acquisition circuit, micro-controller and signal transmission circuit. Where the micro-controller is the core component of the control section to send single-chip processing of the torque and speed signals collected by the signal acquisition circuit, micro-controlle

7、r and then control signals to the signal transmission circuit through the drive circuit drive motor rotation. The executive part of the main motor, reducer, the composition of the bodies and the electromagnetic clutch. It plays a steering auxiliary power generation, transmission and interrupt the ro

8、le. This paper analyzes the structure of the automotive electric power steering system, the working principle, fault repair, and its development trend of a systematic introduction to the automotive electric power steering system. Thus obtained, the electric power steering system, easy operation, Key

9、 words: electric power steering SCM motor control。目 錄1 緒論11.1 項目研究的目地及其意義11.2電動助力轉向系統的發展過程及其發展現狀11.2.1國內發展現狀11.2.2 電動助力轉向系統國外發展現狀21.3 研究內容32 助力轉向系統42.1助力轉向系統的發展及其分類42.2傳統助力轉向系統52.2.1機械液壓轉向系統的結構及工作原理52.2.2電子液壓助力轉向系統102.3機械液壓轉向系統與電子液壓轉向系統的比較133 電動助力轉向系統143.1電動助力轉向系統143.2電動助力轉向系統的結構及其作用143.2.1 電動轉向系統的分

10、類143.2.2電動助力轉向系統結構153.2.3電動助力轉向系統的工作原理163.2.4 EPS的控制部分173.3 電動助力轉向系統的優點204 電動助力轉向系統的故障診斷224.1 電機故障自診斷224.2 車速和發動機轉速信號故障自診斷234.3 電磁離合器故障自診斷244.4 控制單元故障自診斷255電動助力轉向系統的發展趨勢265.1電動助力轉向系統的硬件發展趨勢265.2電動助力轉向系統軟件發展趨勢285.3 未來的轉向系統線控轉向系統306 總結33參考文獻34指導教師簡介35致謝361 緒論1.1 項目研究的目的及其意義 隨著近年來電子控制技術的成熟和成本的降低，EPS越來越

11、受到人們的重視， 并以其具有傳統動力轉向系統不可比擬的優點，迅速邁向了應用領域，部分取代了液壓動力轉向系統(Hydraulic Power Steering，簡稱HPS)。電子控制技術在汽車動力轉向系統中的應用，使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。電動助力轉向系統( EPS) 在汽車低速行駛轉向時減輕轉向力使轉向輕便、靈活；在汽車高速行駛轉向時，適當加重轉向力，從而提高了高速行駛時的操縱穩定性，增強了“路感”。不僅如此，EPS的能耗是HPS能耗的1/3以下，且前者比后者使整車油耗下降可達3%5%。因而,EPS將成為汽車傳統轉向系統理想的升級換代產品。1.2電動助力轉向系統的發展過程及其發展現狀

12、1.2.1國內發展現狀 2006年，國內汽車產銷均超過500萬，目前國內開發的EPS主要針對1.6排量以下的中小型汽車，而1.6排量以下的汽車約占70% 左右，因此市場潛力巨大。當前國內實際安裝EPS的汽車已達到15%，主要是昌河北斗星、哈飛路寶等，轎車有廣州本田飛渡、上海大眾途安、長安雨燕、一汽天津花冠3. 0、一汽大眾開迪及鄭州日產MPV 旅行車，這些廠家都在尋求國產化合作伙伴。批量安裝國產EPS的車型有: 愛迪爾車、新雅圖轎車及吉利轎車；小批安裝國產EPS的車型有天津夏利雙環S6小貴族汽車；正在試裝EPS的車型有: 天津夏利X121轎車、福瑞達面包車、奇瑞QQ轎車及楊子皮卡等車型。一汽轎

13、車也準備安裝國產電動轉向器，正在尋求有實力的合作伙伴。重慶長安鈴木、長安福特準備在其生產的新車型中試裝電動轉向器。研制EPS的廠家和科研院所已有好幾十家，其中科研院所有清華大學、北京理工大學、天津大學、吉林工業大學及重慶大學等。傳統的汽車轉向器廠家有湖北恒隆、南京標準件廠、杭州萬向集團、重慶馳騁、天津津豐、浙江萬達、浙江雙輝劍、杭州世寶、躍進汽車轉向器公司及豫北光洋等廠家。但由于EPS為機電一體的高科技產品，傳統的汽車轉向器廠家缺乏控制器開發方面的電子專家；而科研院所重于理論研究，缺乏實際經驗和批生產建線的能力，因而EPS研制進展較慢。1.2.2 電動助力轉向系統國外發展現狀國外研發生產ESP

14、的企業主要有美國的德爾福(Delphi )天合(TRW )，日本光洋精工(NSK)、KOYO和Showa，德國的采埃孚(ZF)，英國的盧卡斯(LUCAS）等，都已具備大規模批量生產的能力。其中以Delphi公司和NSK公司為主要代表從EPS控制策略的發展趨勢來看，今后控制信號將不再僅僅依靠車速與扭矩信號，而是根據轉向角、轉向速度橫向加速度、前軸重力等多種信號進行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉向路感。目前已經開始這方面的研究Roy Macc通過將橫擺角速度信號作為反饋信息引入到ESP的控制中，用于加強汽車在低附著率的地面上行駛的操縱穩定性，在ESP的助力特性性能評價故障診斷及測試系統

15、方面也有專家，學者進行這方面的研究 zebra ，Davidia 針對EPS系統的穩定性進行了動力學分析，并指出：穩定性是由助力特性曲線的方程參數決定的，并根據路感等給出了助力特性的定性描述。從國內外的研究來看，EPS今后的研究主要集中在以下幾方面:EPS助力控制策略助力控制是在轉向過程中為減輕轉向盤的操縱力，通過減速機構把助力電機的力矩作用到機械轉向系上的一種基本控制模式 助力控制策略的主要目的是根據轉向助力特性曲線確定助力電動機的助力大小，輔助駕駛員實現汽車轉向、控制策略是EPS研究的重點系統匹配技術助力特性的匹配電機、減速機構的匹配、傳感器的匹配以及ESP系統與其它子系統進行匹配。是使整

16、車性能達到最優的關鍵可靠性轉向系統是駕乘人員的生命線之一，必須保證高度可靠性。ESP除了應有良好的硬件保證外，還需要良好的軟件做支撐，因此對ESP的可靠性提出了很高的要求。1.3 研究內容本文從發展歷程，結構，工作原理等來系統地闡述了電動助力轉向系統。并分析比較了傳統轉向系統與電動助力轉向系統的優缺點，最后本文還展望了未來的轉向系統線控轉向系統。2 助力轉向系統2.1助力轉向系統的發展及其分類助力轉向是協助駕駛員作汽車方向調整，為駕駛員減輕打方向盤的用力強度，當然，助力轉向在汽車行駛的安全性、經濟性上也一定的作用。在汽車的發展歷程中，轉向系統經歷了四個發展階段：從最初的機械式轉向系統（Manu

17、al Steering，簡稱MS）發展為液壓助力轉向系統（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS），然后又出現了電控液壓助力轉向系統（Electro Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS）和電動助力轉向系統（Electric Power Steering，簡稱EPS）。 （1）機械式液壓動力轉向系統 機械式的液壓動力轉向系統一般由液壓泵、油管、壓力流量控制閥體、V型傳動皮帶、儲油罐等部件構成。無論車是否轉向，這套系統都要工作，而且在大轉向車速較低時，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力。所以，也在一定程度上浪費了資源。開這樣的車，尤其是時低

18、速轉彎的時候，覺得方向比較沉，發動機也比較費力氣。又由于液壓泵的壓力很大，也比較容易損害助力系統。 還有，機械式液壓助力轉向系統由液壓泵及管路和油缸組成，為保持壓力，不論是否需要轉向助力，系統總要處于工作狀態，能耗較高，這也是耗資源的一個原因所在。 一般經濟型轎車使用機械液壓助力系統的比較多。 （2）電子液壓助力轉向系統 主要構件：儲油罐、助力轉向控制單元、電動泵、轉向機、助力轉向傳感器等，其中助力轉向控制單元和電動泵是一個整體結構。工作原理：電子液壓轉向助力系統克服了傳統的液壓轉向助力系統的缺點。它所采用的液壓泵不再靠發動機皮帶直接驅動，而是采用一個電動泵，它所有的工作的狀態都是由電子控制單

19、元根據車輛的行駛速度、轉向角度等信號計算出的最理想狀態。簡單地說，在低速大轉向時，電子控制單元驅動電子液壓泵以高速運轉輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅動電子液壓泵以較低的速度運轉，在不至于影響高速打轉向的需要同時，節省一部分發動機功率。是使用較為普遍的助力轉向系統。 （3）電動助力轉向系統(EPS) 電動助力轉向系統的英文全稱是Electronic Power Steering，簡稱EPS，它利用電動機產生的動力協助駕車者進行動力轉向。EPS的構成，不同的車盡管結構部件不一樣，但大體是雷同。一般是由轉矩(轉向)傳感器、電子控制單元、電動機、減速器、機械轉向器、

20、以及畜電池電源所構成。電子控制動力轉向系統（簡稱EPS-Electronic Control Power Steering），根據動力源不同又可分為液壓式電子控制動力轉向系統（液壓式EPS）和電動式電子控制動力轉向系統（電動式EPS）。液壓式EPS是在傳統的液壓動力轉向系統的基礎上增設了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等，電子控制單元根據檢測到的車速信號，控制電磁閥，使轉向動力放大倍率實現連續可調，從而滿足高、低速時的轉向助力要求。電動式EPS是利用直流電動機作為動力源，電子控制單元根據轉向參數和車速等信號，控制電動機扭矩的大小和方向。電動機的扭矩由電磁離合器通過減速機構減速增扭

21、后，加在汽車的轉向機構上，使之得到一個與工況相適應的轉向作用力。 電子控制動力轉向系統（EPS）可以在低速時減輕轉向力以提高轉向系統的操縱性；在高速時則可適當加重轉向力，以提高操縱穩定性。液壓式電子控制動力轉向系統是在傳統的液壓動力轉向系統的基礎上增設電子控制裝置而構成的。根據控制方式的不同，液壓式電子控制動力轉向系統又可分為流量控制式、反力控制式和閥靈敏度控制式三種形式。2.2傳統助力轉向系統2.2.1機械液壓轉向系統的結構及工作原理圖2-1 液壓常流滑閥式動力轉向裝置1-滑閥 2-反作用柱塞 3-滑閥復位彈 4-閥體 5-轉向螺桿 6-轉向直拉桿 7-轉向搖臂 8-轉向動力缸 9-轉向螺母

22、 10-單向閥 11-安全閥 12-節流孔 13-溢流閥 14-轉向儲油罐 15-轉向油泵汽車直線行駛時，滑閥1在復位彈簧3的作用下保持在中間位置。轉向控制閥內各環槽相通，自油泵15輸送出來的油液進入閥體環槽A之后，經環槽B和C分別流入動力缸8的R腔和L腔，同時又經環槽D和E進入回油管道流回油罐14。這時，滑閥與閥體各環槽槽肩之間的間隙大小相等，油路暢通，動力缸8因左右腔油壓相等而不起加力作用。液壓常流滑閥式動力轉向裝置如圖2-1所示。汽車右轉向時，駕駛員通過轉向盤使轉向螺桿5向右轉動（順時針）。開始時，轉向螺母暫時不動，具有左旋螺紋的螺桿5在螺母9的推動下向右軸向移動，帶動滑閥1壓縮彈簧3向

23、右移動，消除左端間隙h，此時環槽C與E之間、A與B之間的油路通道被滑閥和閥體相應的槽肩封閉，而環槽A與C之間的油路通道增大，油泵送來的油液自A經C流入動力缸的L腔，L腔成為高壓油區。R腔油液經環槽B、D及回油管流回儲油罐14，動力缸8的活塞右移，使轉向搖臂7逆時針轉動，從而起加力作用。助力作用必須是隨轉向盤的轉動而進行，隨方向盤的停轉而減小（維持），若繼續轉動，則繼續助力。這就是所謂的“隨動”作用（轉向輪的偏轉角隨轉向盤的轉角變化而變化）。 只要轉向盤和轉向螺桿5繼續轉動，加力作用就一直存在。當轉向盤轉過一定角度保持不動時，轉向螺桿5作用于轉向螺母9的力消失，但動力缸活塞仍繼續右移，轉向搖臂7

24、繼續逆時針方向轉動，其上端撥動轉向螺母，帶動轉向螺桿5及滑閥一起向左移動，直到滑閥1恢復到中間稍偏右的位置。此時L腔的油壓仍高于R腔的油壓。此壓力差在動力缸活塞上的作用力用來克服轉向輪的回正力矩，使轉向輪的偏轉角維持不動，這就是轉向的維持過程。如轉向輪進一步偏轉，則需繼續轉動轉向盤，重復上述全部過程。 松開轉向盤，滑閥在回位彈簧3和反作用柱塞2上的油壓的作用下回到中間位置，動力缸停止工作。轉向輪在前輪定位產生的回正力矩的作用下自動回正，通過轉向螺母9帶動轉向螺桿5反向轉動，使轉向盤回到直線行駛位置。如果滑閥不能回到中間位置，汽車將在行駛中跑偏。 在對裝的反作用柱塞2的內端，復位彈簧3所在的空間

25、，轉向過程中總是與動力缸高壓油腔相通。此油壓與轉向阻力成正比，作用在柱塞2的內端。轉向時，要使滑閥移動，駕駛員作用在轉向盤上的力，不僅要克服轉向器內的摩擦阻力和復位彈簧的張力，還要克服作用在柱塞2上的油液壓力。所以，轉向阻力增大，油液壓力也增大，駕駛員作用于轉向盤上的力也必須增大，使駕駛員感覺到轉向阻力的變化情況。這種作用就是“路感”， 液壓常流轉閥式動力轉向裝置的工作原理也是有轉向油泵、轉向動力缸、轉向控制閥等組成。液壓常流轉閥式動力轉向裝置的基本組成如圖2-2所示，圖2-2 液壓常流轉閥式動力轉向裝置的基本組成1-轉向油泵 2-油管 3-閥體 4-閥芯 6-油管 7-車輪 8-轉向拉桿 9

26、-轉向動力缸 10-轉向搖臂 11-轉向橫拉桿當汽車直線行駛時，轉閥處于中間位置，工作油液從轉向器殼體的進油孔B流到閥體13的中間油環槽中，經過其槽底的通孔進入閥體13和閥芯12之間，此時閥芯處于中間位置。進入的油液分別通過閥體和閥芯縱槽和槽肩形成的兩邊相等的間隙，再通過閥芯的縱槽，以及閥體的徑向孔流向閥體外圓上、下油環槽，通過殼體油道流到動力缸的左轉向動力腔L和右轉向動力腔R。流入閥體內腔的油液在通過閥芯縱槽流向閥體上油環槽的同時，通過閥芯槽肩上的徑向油孔流到轉向螺桿和輸入軸之間的空隙中，從回油口經油管回到油罐中去，形成常流式油液循環。此時，上下腔油壓相等且很小，齒條活塞既沒有受到轉向螺桿的

27、軸向推力，也沒有受到上、下腔因壓力差造成的軸向推力。齒條活塞處于中間位置，動力轉向器不工作。汽車直線行駛時轉閥工作情況如圖2-3所示左轉向時（右轉向與此正相反），轉動轉向盤，短軸逆時針轉動，通過下端軸銷帶動閥芯同步轉動，同時彈性扭桿也通過軸蓋、閥體上的銷子帶動閥體轉動，閥體通過缺口和銷子帶動螺桿旋轉。 圖2-3 汽車直線行駛時轉閥的工作情況 a)閥芯與閥體的相對位置 b)閥芯中的油流情況R-接右轉向動力缸 L-接左轉向動力缸 B-接轉向油泵 C-接轉向油罐但由于轉向阻力的存在，促使扭桿發生彈性扭轉，造成閥體轉動角度小于閥芯的轉動角度，兩者產生相對角位移，如圖2-4b)所示。造成通下腔的進油縫隙

28、減小（或關閉），回油縫隙增大，油壓降低；上腔正相反，油壓升高，上下動力腔，產生油壓差，齒條活塞在油壓差的作用下移動，產生助力作用。 圖2-4 a)閥芯與閥體的相對位置 b)閥芯中的油流情況 R-接右轉向動力缸L-接左轉向動力缸B-接轉向油泵C-接轉向油罐 轉向助力器助力，幫助車輪回正。當汽車直線行駛偶遇外界阻力使轉向輪發生偏轉時，阻力矩通過轉向傳動機構、轉向螺桿、螺桿與閥體的鎖定銷，作用在閥體上，使之與閥芯之間產生相當轉向盤轉動后停在某一位置，閥體隨轉向螺桿在液力和扭桿彈力的作用下，沿轉向盤轉動方向旋轉一個角度，使之與滑閥的相對角位移量減小，上、下動力油缸油壓差減小，但仍有一定的助力作用。使助

29、力轉矩與車輪的回正力矩，相平衡，車輪維持在某一轉角位置上。在轉向過程中，若轉向盤轉動的速度快，閥體與閥芯的相對角位移量也大，上下動力腔的油壓差也相應加大，前輪偏轉的速度也加快；轉向盤轉動得慢，前輪偏轉的也慢；轉向盤轉到某一位置上不動，前輪也偏轉到某一位置上不變。此即“快轉快助，大轉大助，不轉不助”原理。轉向后需要回正時，駕駛員放松轉向盤，閥芯在彈性扭桿作用下回到中間位置，失去了助力作用，轉向輪，在回正力矩的作用下自動回位。若駕駛員同時回轉轉向盤時，轉對角位移，動力缸上、下腔油壓不等，產生與轉向輪轉向相反的助力作用。轉向輪，迅速回正，保證了汽車直線行駛的穩定性。 當液壓動力轉向裝置失效后，失去方

30、向控制是非常危險的，所以，一旦液壓動力轉向裝置失效，該動力轉向器將變成機械轉向器。動力傳遞路線與機械轉向系，完全一致。動力轉向系按動力介質的不同分為氣壓式、液壓式和電動式三類。氣壓式動力轉向系主要用于采用氣壓制動系統的貨車和客車。對于裝載質量過大的貨車，因為其氣壓制動系統的工作壓力較低，使得部件結構復雜、尺寸過于龐大、消耗功率多、易產生泄漏，而且轉向力也不宜有效控制，所以這種助力系統不容易用于大型貨車和小型轎車。電動動力轉向系通常需要微機控制，目前處于發展階段，并未普及。液壓動力轉向系工作靈敏度高，結構緊湊、外廓尺寸較小，工作時無噪聲，工作滯后時間短，而且能吸收來自不平路面的沖擊。因此，液壓式

31、動力轉向系在各類汽車上得到了廣泛的應用。液壓式動力轉向系按液流形式可以分為常流式和常壓式；按轉向控制閥的運動方式又可以分為滑閥式和轉閥式。2.2.2電子液壓助力轉向系統所謂的電子液壓助力，Electro-hydraulic power steering，簡稱EHPS，其助力原理與機械式液壓助力完全相同，而與機械式液壓助力最大的區別就是不再使用由發動機通過皮帶驅動的液壓泵，而是換成了電力驅動的電子泵。主要構件：儲油罐、助力轉向控制單元、電動泵、轉向機、助力轉向傳感器等，其中助力轉向控制單元和電動泵是一個整體結構，電子液壓系統結構示意圖如圖2-5所示：工作原理是電子液壓轉向助力系統克服了傳統的液壓

32、轉向助力系統的缺點。它所采用的液壓泵不再靠發動機皮帶直接驅動，而是采用一個電動泵，它所有的工作的狀態都是由電子控制單元根據車輛的行駛速度、轉向角度等信號計算出的最理想狀態。簡單地說，在低速大轉向時，電子控制單元驅動電子液壓泵以高速運轉輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅動電子液壓泵以較低的速度運轉，在不至于影響高速打轉向的需要同時，節省一部分發動機功率。是使用較為普遍的助力轉向系統。圖2-5 電子液壓轉向系統結構示意圖電子液壓助力的優勢首先體現在能耗上，由電能驅動的電子泵，使用發電機和電池輸出的電能，不再消耗發動機本身的動力，電子泵的啟動和關閉全部由電子系統控制，

33、在不做轉向動作的時候，電子泵關閉，不像機械液壓助力泵那樣，始終與發動機聯動，進一步減小能耗。其次，電子液壓助力轉向系統的電子控制單元，能夠通過對車速傳感器、橫向加速度傳感器、轉向角度傳感器等傳感器的信息的處理，通過實時改變電子泵的流量來改變轉向助力的力度大小，也就是隨速可變助力功能。當然，并不是只有電子液壓助力能夠實現助力隨速可變。這種液壓EPS是在傳統的液壓動力轉向系統的基礎上增設了控制液體流量的電磁閥、車速傳感器和電子控制單元等，電子控制單元根據檢測到的車速信號，控制電磁閥，使轉向動力放大倍率實現連續可調，從而滿足高、低速時的轉向助力要求。簡單地說，在低速大轉向時，電子控制單元驅動電子液壓

34、泵以高速運轉輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅動電子液壓泵以較低的速度運轉，在不至于影響高速打轉向的需要同時，節省一部分發動機功率。是當前使用較為普遍的助力轉向系統形式。電子液壓助力特點：無論是從技術、功能、還是經濟性方面來看，電子液壓助力都較機械式液壓助力更具優勢，但是，目前電子液壓助力并沒能夠取代機械式液壓助力，主要原因有如下幾方面：（1）電子液壓助力成本更高。相對機械式的液壓助力系統，加入了電控系統換上電子泵后、電子液壓助力的制造成本更高，技術也更加復雜，保養維修的難度和成本也隨之提高。（2）可靠性不及機械液壓助力。電子液壓助力除了會出現轉向機構和液壓機構

35、的故障外，還增加了電氣系統出現故障的可能性，因而可靠性不及傳統液壓助力系統。（3）助力力度有限。雖然使用電子泵，有明顯優勢，但是，電子泵需要由發電機的電能驅動，而車載發電機的本身功率和蓄電池能夠提供的最大電流都有限，所以電子泵的功率也受到限制，能承載的負荷也有限。所以目前使用電子液壓助力的車型大多為中小型車輛。對于需要較大助力力度的車輛而言，電子液壓助力系統就有些鞭長莫及了。（4）進化的機械液壓助力系統。隨著技術的發展，電子液壓助力的隨速可變功能在進化的機械液壓助力系統上也已經能夠實現（使用電磁閥體技術），甚至在機械式液壓助力轉向系統的基礎上衍生出了可變速比的主動轉向系統，所以可靠性和可承載負

36、荷都更高的機械液壓助力系統依然受到廠商的歡迎。2.3機械液壓轉向系統與電子液壓轉向系統的比較目前，轎車上配置的助力轉向系統大致分為三類：機械液壓助力轉向系統、電子液壓助力轉向系統和電動助力轉向系統。采用不同助力轉向系統，對于汽車行駛的安全性、舒適性和經濟性具有不同的影響。 （1）機械式液壓動力轉向系統，機械式的液壓動力轉向系統一般由液壓泵、油管、壓力流量控制閥體、V型傳動皮帶、儲油罐等部件構成。液壓泵靠發動機皮帶直接驅動，無論車是否轉向，這套系統都要工作，而且在大轉向車速較低時，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力，在一定程度上浪費了能量。駕駛這類車，尤其是低速轉彎時，覺得方向比較沉，發

37、動機也比較費力氣。又由于液壓泵的壓力很大，也比較容易損害助力系統。一般經濟型轎車使用機械式液壓助力系統的較多。 （2）電子液壓助力轉向系統，主要由儲油罐、助力轉向控制單元、電動泵、轉向機、助力轉向傳感器等構成，其中助力轉向控制單元和電動泵是一個整體結構。電子液壓轉向助力系統克服了傳統的液壓轉向助力系統的缺點。它所采用的液壓泵不再靠發動機皮帶直接驅動，而是采用一個電動泵，動力來自于蓄電池。它所有的工作的狀態都是由電子控制單元根據車輛的行駛速度、轉向角度等信號計算出的最理想狀態。簡單地說，在低速大轉向時，電子控制單元驅動電子液壓泵以高速運轉輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控

38、制單元驅動電子液壓泵以較低的速度運轉，在不至于影響高速打轉向的需要同時，節省一部分發動機功率。電子液壓助力轉向系統是目前采用較為普遍的助力轉向系統。3 電動助力轉向系統3.1電動助力轉向系統 在汽車的發展歷程中，轉向系統經歷了四個發展階段：從最初的機械式轉向系統（Manual Steering，簡稱MS）發展為液壓助力轉向系統（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS），然后又出現了電控液壓助力轉向系統（Electro Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS）和電動助力轉向系統（Electric Power Steering，簡稱EPS）。裝配機械式

39、轉向系統的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉向操縱負擔過于沉重，為了解決這個問題，美國GM公司在20世紀50年代率先在轎車上采用了液壓助力轉向系統。但是，液壓助力轉向系統無法兼顧車輛低速時的轉向輕便性和高速時的轉向穩定性，因此在1983年日本Kayo公司推出了具備車速感應功能的電控液壓助力轉向系統。這種新型的轉向系統可以隨著車速的升高提供逐漸減小的轉向助力，但是結構復雜、造價較高，而且無法克服液壓系統自身所具有的許多缺點，是一種介于液壓助力轉向和電動助力轉向之間的過渡產品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轎車Cuervo上配備了Kayo公司研發的轉向柱助力式電動助力轉向系統；19

40、90年，日本Honda公司也在運動型轎車NSX上采用了自主研發的齒條助力式電動助力轉向系統，從此揭開了電動助力轉向在汽車上應用的歷史。 3.2電動助力轉向系統的結構及其作用3.2.1 電動轉向系統的分類EPS按照輔助電機的布置方式可分為四種：轉向柱助力式(Column-assist type EPS)、小齒輪助力式(Pinion-assist type EPS)、齒條助力式(Rack-assist type EPS)、直接助力式(Direct-drive type EPS)。(1) 轉向柱助力式(C-EPS )轉向軸助力式轉向系統其轉矩傳感器、電動機、離合器和轉向助力機構組成一體，安裝在轉向柱

41、上。其特點是結構緊湊，電動機助力的響應性較好。但由于助力電機安裝在駕駛艙內，受到空間布置和噪音的限制，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。 （2）小齒輪助力式(P-EPS)小齒輪助力式轉向系統的轉矩傳感器、電動機、離合器和轉向助力機構仍為一體，只是整體安裝在轉向小齒輪處，直接給小齒輪助力，能夠獲得較大的轉向力。可用于中型車輛，提供較大的助力值。該形式可使各部件布置更方便，但當轉向盤與轉向器之間裝有萬向傳動裝置時，轉矩信號的取得與助力車輪部分不在同一直線上，助力控制特性難以保證準確。(3) 齒條助力式(R-EPS)齒條助力式轉向系統的轉矩傳感器單獨地安裝在小齒輪處，電動機

42、與轉向助力機構一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。齒條助力式EPAS系統的動力輔助單元。3.2.2電動助力轉向系統結構電動轉向是一種簡稱，它有別于電動液壓轉向。前者指的是一種純電機助力轉向裝置，后者指的是一種電控液壓助力轉向裝置。一般講電動轉向助力裝置包含電動轉向器的機械部分、控制器、電機和傳感器等。其相對關系可以不同。電動轉向器提供助力的裝置。助力的大小由控制器（ECU）通過輸出電流對電機進行控制，提供最理想的電流。 ECU采集的信號來自扭矩傳感器、車速傳感器和發動機的信號。 轉向力的扭矩大小與扭桿的扭轉角度成正比；車速傳感器安裝在轎車變速器上，也可以直接從電子儀表盤上取得，反映

43、的是變化的汽車行駛速度。發動機信號取自發動機點火線圈電動助力轉向系統EPS(electric power steering)是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統。 EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動機、減速機構和電子控制單元(ECU)等組成。通過傳感器探測司機在轉向操作時方向盤產生的扭矩或轉角的大小和方向，并將所需信息轉化成數字信號輸入控制單元，再由控制單元對這些信號進行運算后得到一個與行駛工況相適應的力矩，最后發出指令驅動電動機工作，電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力。電動助力轉向系統如圖3-1圖3-1 電動助力轉向系統結構1：輸入軸 2：扭矩傳感器 3：電機 4：循環球

44、螺桿 5：齒條因此扭矩傳感器是EPS系統中最重要的器件之一。扭矩傳感器的種類有很多，主要有電位計式扭矩傳感器、金屬電阻應變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術的進步將會有精度更高、成本更低的傳感器出現。3.2.3電動助力轉向系統的工作原理電動助力式轉向系統在不同車上的結構部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉矩（轉向）傳感器、電子控制單元ECU，電動機、電磁離合器以及減速機構構成。其基本工作原理是：當轉向軸轉動時，扭矩傳感器將檢測到的轉矩信號轉化為電信號送至電子控制單元ECU，ECU再根據扭矩信號、車速信號、軸重信號等進行計算，得出助力電動機的轉向和助力電流的大小，完成轉

45、向助力控制。當汽車點火開關閉合時，ECU開始對EPS系統進行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統便開始工作，當方向盤轉動時，位于轉向軸上的轉角傳感器和扭矩傳感器把測得方向盤上的角位移和作用于其上的力矩傳遞給ECU，ECU根據這兩個信號并結合車速等信息，控制電機產生相應的助力，實現在全速范圍內的最佳控制：在低速行駛時，減輕轉向力，保證汽車轉向靈活、輕便，在高速行駛時，適當增加阻尼控制，保證轉向盤操作穩重、可靠。電動助力轉向系統的工作原理圖如圖3-2圖3-2電動助力轉向系統的工作原理圖1：控制器 2：轉矩傳感器3：助力電機4：齒輪齒條機構3.2.4 EPS的控制部分基于PIC單片機的E

46、CU系統，PIC16F877單片機簡介該款機型是美國Microchip公司生產的8位RISC結構的單片機，具有高速數據處理的特性(執行速度可達 120ns)，PIC16F877內部自帶看門狗定時器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲器、8路10位AD轉換功能、2個脈寬調制CCP模塊、在線燒錄調試（ISP）功能。圖3-3 ECU系統結構原理圖寬電壓工作，可靠性高。PIC16F877有8級深度的硬件堆棧，RAM區的每個Byte位都可以尋址，有4條專用的位操作指令和2條移位指令。ECU工作原理：系統的控制核心為PIC16F877單片機，控制單元結構如圖3-3所示。整個系統由

47、車載12V蓄電池供電，ECU工作時，扭矩、轉角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號經過輸入接口電路處理后送至單片機的相應端口，單片機根據系統助力特性和相應算法對這些數據分析處理，以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機的PWM口發出脈沖指令和相應的換向控制端口發出換向指令，通過驅動電路和H橋電路控制直流電動機工作。在電動機的驅動電路上設有電流傳感器，該傳感器把檢測到的電機實際工作電流通過電流探測電路反饋到單片機，單片機再根據相應的控制算法對電機實現閉環控制。如EPS系統工作出現異常，單片機將驅動EPS燈亮進行報警提示，同時斷開繼電器、離合器，退出電動助力工作模式，轉為人工手動助力模式。EPS的轉

48、向軸由靠扭桿相連的輸入軸和輸出軸組成，輸出軸通過傳動機構帶動轉向拉桿使車輪轉向。輸出軸除通過扭桿與輸入軸相連外，還經行星齒輪減速機構。離合器與助力電機相連。駕駛者在操縱方向盤時，給輸入軸輸入了角位移 H1，輸入軸和輸出軸之間的相對角位移使扭桿受扭，扭矩傳感器將扭桿所受到的扭矩 mph轉化為電壓信號輸入控制裝置并控制電機的助力和方向。與此同時，車速傳感器檢測到的車速信號也輸入控制裝置，在車速低于設定值時，離合器接合，系統提供助力；在車速超過設定值( 30 40km/h) 時，停止對電機供電，系統不提供助力，同時，離合器切斷，以避免轉向系統受電機慣性力矩的影響。EPS多采用永磁直流電機。為了改善電

49、機的操作穩定性，降低振動和噪聲，常在電機轉子周緣開設斜槽或不對稱環槽。扭矩傳感器采用由雙電位器構成的電橋。電位器的轉動由扭桿和相應的機械裝置實現。扭矩傳感器：扭矩傳感器用來檢測轉向盤轉矩的大小和方向，以及轉向盤轉角的大小和方向，它是EPS的控制信號之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領市場的關鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要是電位計式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型，而非接觸式轉矩傳感器主要有光電式和磁電式兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響易發生漂移、使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進行折中，難以實現絕對轉角和角速度的

50、測量。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強、剛度相對較高，易實現絕對轉角和角速度的測量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據EPS的性能要求綜合考慮。電動機：電動機根據ECU的指令輸出適宜的轉矩，一般采用無刷永磁電動機，無刷永磁電機具有無激磁損耗、效率較高、體積較小等特點。電機是EPS的關鍵部件之一，對EPS的性能有很大的影響。由于控制系統需要根據不同的工況產生不同的助力轉矩，具有良好的動態特性并容易控制，這些都要求助力電機具有線性的機械特性和調速特性。此外還要求電機低轉速大扭矩、波動小、轉動慣量小、尺寸小、質量輕、可靠性高、抗干擾能力強。電磁離合器：電磁離合器是保證電動助力只在預定的范圍

51、內起作用。當車速、電流超過限定的最大值或轉向系統發生故障時，離合器便自動切斷電動機的電源，恢復手動控制轉向。此外，在不助力的情況下，離合器還能消除電動機的慣性對轉向的影響。為了減少與不加轉向助力時駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時還具有半離合器狀態區域。減速機構：減速機構用來增大電動機傳遞給轉向器的轉矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機構和蝸輪蝸桿減速機構。由于減速機構對系統工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉向操作的對稱性方面對其提出了較高的要求。 EPS的電流控制：EPS的上層控制器用來確定電動機的目標電流。根據EPAS的特點，上層控制策略分為助力控制、

52、阻尼控制和回正控制。EPS的電流控制方式控制過程為：控制器根據轉向盤轉矩傳感器的輸出Th和車速傳感器的輸出V由助力特性確定電動機的目標電流，然后電流控制器控制電動機的電流，使電動機輸出目 標助力矩。因此EPS的控制要解決兩個問題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來根據基本助力特性及其補償調節，進行電動機目標電流的決策，下層控制器通過控制電動機電樞兩端的電壓，跟蹤目標電流。助力控制：助力控制是在轉向過程（轉向角增大）中為減輕轉向盤的操縱力，通過減速機構把電機轉矩作用到機械轉向系（轉向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。3.3 電動助力轉向系統的

53、優點 相比傳統液壓動力轉向系統，電動助力轉向系統具有以下優點：（1）只在轉向時電機才提供助力，可以顯著降低燃油消耗。傳統的液壓助力轉向系統有發動機帶動轉向油泵，不管轉向或者不轉向都要消耗發動機部分動力。而電動助力轉向系統只是在轉向時才由電機提供助力，不轉向時不消耗能量。因此，電動助力轉向系統可以降低車輛的燃油消耗。與液壓助力轉向系統對比試驗表明：在不轉向時，電動助力轉向可以降低燃油消耗2.5%；在轉向時，可以降低5.5%。（2）轉向助力大小可以通過軟件調整，能夠兼顧低速時的轉向輕便性和高速時的操縱穩定性，回正性能好。傳統的液壓助力轉向系統所提供的轉向助力大小不能隨車速的提高而改變。這樣就使得車

54、輛雖然在低速時具有良好的轉向輕便性，但是在高速行駛時轉向盤太輕，產生轉向“發飄”的現象，駕駛員缺少顯著的“路感”，降低了高速行駛時的車輛穩定性和駕駛員的安全感。電動助力轉向系統提供的助力大小可以通過軟件方便的調整。在低速時，電動助力轉向系統可以提供較大的轉向助力，提供車輛的轉向輕便性；隨著車速的提高，電動助力轉向系統提供的轉向助力可以逐漸減小，轉向時駕駛員所需提供的轉向力將逐漸增大，這樣駕駛員就感受到明顯的“路感”，提高了車輛穩定性。電動助力轉向系統還可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速時轉向盤能夠精確的回到中間位置，而且可以抑制高速回正過程中轉向盤的振蕩和超調，兼顧了車輛高、低速時

55、的回正性能。（3）結構緊湊，質量輕，生產線裝配好，易于維護保養電動助力轉向系統取消了液壓轉向油泵、油缸、液壓管路、油罐等部件，而且電機及減速機構可以和轉向柱、轉向器做成一個整體，使得整個轉向系統結構緊湊，質量輕，在生產線上的裝配性好，節省裝配時間，易于維護保養。（4）通過程序的設置，電動助力轉向系統容易與不同車型匹配，可以縮短生產和開發的周期。由于電動助力轉向系統具有上述多項優點，因此近年來獲得了越來越廣泛的應用。電動助力轉向系統是在機械式轉向系統的基礎上，加裝了電機及減速機構、轉矩轉角傳感器、車速傳感器和ECU電控單元而成。4 電動助力轉向系統的故障診斷4.1 電機故障自診斷電動機是EPS助

56、力轉向的主要執行部件，也是決定車輛行駛安全的重要部件之一，因此要求必須具有高的可靠性、高功率輸出、低噪聲和振動、轉矩損失少、尺寸小、重量輕以及具有良好的動態特性，同時考慮到國內開發的EPS主要應用于經濟型轎車以及汽車上一般采用直流電源，本系統選用DFL-01(ZXZD63)小型永磁直流電動機作為EPS控制系統的助力電動機。其功用主要是根據ECU的指令產生相應的轉矩輸出，其中ECU是利用PWM技術控制電動機H橋式驅動電路的場效應晶體管 MOSFET的通、斷（即控制其占空比），來控制電動機兩端的電壓，實現控制電機電流的變化。工作中，電動機電流隨方向盤的轉動和車速的變化頻繁的改變，而且電動機電樞是非

57、線性元件，存在感生電流和反電動勢，因此工作環境比較惡劣，故障情況也比較復雜。如工作時易出現發熱，其運行后溫升的大小直接影響其工作性能，特別是在電機堵轉，即車輛長時間原地轉向時，電動機電流很大，而且又不對外做功，電動機消耗的電能全部消耗在電阻發熱上，短時間內就會出現很大的熱量，嚴重時會燒壞電動機。此外，對于雙向運轉的電動機，在突然反轉時產生很大的電流，電樞反應瞬時變得很大，嚴重時會造成電機的永久性退磁，且會導致其無法工作，因此必須要對運行時可能出現的最大電流進行限制，一般最大電流可規定為額定電流的35倍之間。基于上述的分析，結合工作過程中可能出現的一些機械損傷和線路的斷路或短路，電動機可能出現如下一些問題：（1）電機與ECU間的接線出現斷路或短路；（2）電刷與換向器接觸不良；（3）電樞與定子磁極卡死，轉子轉不動；（4）電樞繞組開路；（5）電樞繞組受潮發熱，而且散熱不好；（6）電動機長時間過載運行，引起電動機殼體發熱，以至于燒壞；（7）電樞繞組有部分線圈元件短路。電機一旦出現上述問題之