具有功能安全特点的EPS电控系统方案(上)

1 前言
     电动助力转向系统(Eelectric Power Steering 简称EPS)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，EPS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

图1  EPS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)