電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理

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又稱(chēng)轉(zhuǎn)向傳感器，其作用是測(cè)量方向盤(pán)與轉(zhuǎn)向器之間的相對(duì)扭矩，是電動(dòng)助力的基礎(chǔ)之一。

扭矩傳感器的基本工作原理如圖12-69所示。

圖12-69扭矩傳感器原理

a)結(jié)構(gòu)圖；b)示意圖

由磁性材料制成的定子和轉(zhuǎn)子可以形成閉合磁路，線圈A、B、C、D分別繞在極靴上形成橋式電路。轉(zhuǎn)向桿的扭轉(zhuǎn)角度與扭矩成正比，所以我們可以通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)向桿的扭轉(zhuǎn)角度來(lái)間接知道轉(zhuǎn)向力。

連續(xù)脈沖電壓信號(hào)Ui被施加到線圈的U端子和T端子。當(dāng)轉(zhuǎn)向桿上的扭矩為零時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)角度也為零。此時(shí)，轉(zhuǎn)子的縱向?qū)ΨQ(chēng)面位于定子AC和BD的對(duì)稱(chēng)面上，每個(gè)極片上的磁通相同。電橋是平衡的，V和W的電位差U0=0。

如果轉(zhuǎn)向桿上有力矩，定子和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)角度不為零，那么轉(zhuǎn)子和定子之間就會(huì)產(chǎn)生角位移。極靴A和D之間的磁阻增加，而極靴B和C之間的磁阻減少。每個(gè)極靴的磁阻不同，電橋失去平衡，在V和w之間產(chǎn)生電位差，這個(gè)電位差與杠桿的扭轉(zhuǎn)角度和輸入電壓Ui成正比，這樣就可以知道方向盤(pán)杠桿的扭矩。

圖12-70顯示了一種實(shí)用的扭矩傳感器結(jié)構(gòu)。其工作原理與上述基本相同，其優(yōu)點(diǎn)是安裝方便。

圖12-70實(shí)際應(yīng)用中的扭矩傳感器

1-檢測(cè)環(huán)；2-檢測(cè)線圈；3-輸入軸；4-輸出軸

日本富士重工電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的扭矩傳感器，測(cè)量負(fù)載扭矩引起的扭桿扭轉(zhuǎn)角位移，并轉(zhuǎn)換為電位器的電阻變化。轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電信號(hào)由定子通過(guò)滑環(huán)傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖12-71所示。

圖12-71日本富士重工電控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩傳感器

1軸；2-扭桿；3-輸出端；4-外殼；5-電位計(jì)；6-舵機(jī)；7-滑環(huán)

注意：關(guān)于車(chē)速傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，請(qǐng)參考自動(dòng)變速器部分。

電機(jī)、離合器和減速機(jī)構(gòu)

由電機(jī)、離合器和減速機(jī)構(gòu)組成的整體稱(chēng)為電機(jī)總成，其結(jié)構(gòu)如圖12-72所示。

圖12-72電機(jī)組件

1-電磁離合器；2-渦輪；三斜齒輪

1)電機(jī)

轉(zhuǎn)向電機(jī)是一般的永磁電機(jī)(原理不贅述)。通過(guò)控制其輸入電流來(lái)控制電機(jī)的輸出扭矩，通過(guò)電子控制單元(ECU)輸出的正反轉(zhuǎn)觸發(fā)脈沖來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。圖12-73是一個(gè)簡(jiǎn)單適用的正反向控制電路。

圖12-73電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路

A1和a2是觸發(fā)信號(hào)端子。從電子控制器獲得的DC信號(hào)被輸入到端子a1和a2，以觸發(fā)電機(jī)向前和向后旋轉(zhuǎn)。當(dāng)端子a1接收到輸入信號(hào)時(shí)，晶體管T3導(dǎo)通，基極電流導(dǎo)通晶體管T2。電流通過(guò)T2管的發(fā)射極和集電極，電機(jī)M和T3管的集電極和發(fā)射極接地，電機(jī)隨著電流通過(guò)正轉(zhuǎn)。當(dāng)端子a2接收到輸入信號(hào)時(shí)，晶體管T4導(dǎo)通，并且晶體管T1通過(guò)基極電流導(dǎo)通。電流通過(guò)T1管的發(fā)射極和集電極，電機(jī)的M管和T4管的集電極和發(fā)射極接地，使電機(jī)由反向電流換向。通過(guò)控制觸發(fā)信號(hào)端子處的電流，可以控制通過(guò)電機(jī)的電流。

2)離合器

一般采用干式單片電磁離合器，如圖12-74所示。工作電壓為DC12V，額定轉(zhuǎn)速下傳遞的扭矩為15nm，線圈電阻(20小時(shí)時(shí))為19.5。

圖12-74電磁離合器的工作原理

1-滑環(huán)；雙線圈；3-壓力板；4-樣條；5-從動(dòng)軸；6-驅(qū)動(dòng)輪；7滾珠軸承

其工作原理是：當(dāng)電流進(jìn)入時(shí)

注意：由于轉(zhuǎn)向助力的工作范圍被限制在一個(gè)速度范圍內(nèi)，離合器一般被設(shè)置在一個(gè)速度范圍內(nèi)。比如車(chē)速超過(guò)30km/h，離合器會(huì)脫開(kāi)，電機(jī)會(huì)停止工作，沒(méi)有轉(zhuǎn)向助力。當(dāng)電機(jī)停止工作時(shí)，為了不使電機(jī)和離合器的慣性影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)及時(shí)分離離合器，切斷輔助動(dòng)力。當(dāng)系統(tǒng)中的電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，離合器會(huì)自動(dòng)分離，這意味著仍然可以恢復(fù)手動(dòng)轉(zhuǎn)向。

3)減速機(jī)構(gòu)

目前減速機(jī)構(gòu)的組合有很多種，一般是渦輪蝸桿和轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)的組合；有的還采用兩級(jí)行星齒輪和傳動(dòng)齒輪的組合，如圖12-75所示；圖12-72顯示了渦輪和斜齒輪的組合。渦輪與固定在轉(zhuǎn)向柱輸出軸上的斜齒輪相嚙合，使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)減速，并傳遞給輸出軸。為了抑制噪音和提高耐用性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹(shù)脂材料。

圖17-75兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)

1-轉(zhuǎn)向扭矩傳感器；2-旋轉(zhuǎn)軸；3-扭桿；4-輸入軸；5-電機(jī)和離合器；6-行星小齒輪a；7-太陽(yáng)齒輪；8-行星小齒輪b；9-驅(qū)動(dòng)小齒輪；10-齒圈b；1-齒圈a

3.控制設(shè)備和控制邏輯

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)如圖12-76所示。該系統(tǒng)的核心是一臺(tái)帶有4K只讀存儲(chǔ)器和256RAM的8位微型計(jì)算機(jī)。

圖12-76電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向扭矩信號(hào)和車(chē)速信號(hào)通過(guò)輸入接口發(fā)送到微型計(jì)算機(jī)。隨著車(chē)速的增加，微型計(jì)算機(jī)控制輔助馬達(dá)的電流以減小輔助扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)也發(fā)送到微型計(jì)算機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，助力電機(jī)和離合器因供電不足而不工作。因此，當(dāng)EPS工作時(shí)，EPS ECU必須控制發(fā)動(dòng)機(jī)在高怠速下工作。

點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的ON/OFF信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換接口發(fā)送到微機(jī)。當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電機(jī)和離合器不能工作。微電腦輸出控制指令通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換接口送到電機(jī)和離合器的驅(qū)動(dòng)放大電路，控制電機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的電流通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路、電流表A和A/D轉(zhuǎn)換接口反饋給微機(jī)，即把電機(jī)的實(shí)際電流與根據(jù)微機(jī)的指令應(yīng)該給定的電流進(jìn)行比較，調(diào)整電機(jī)的實(shí)際電流使之接近。

至此，我們對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有了基本的了解，但似乎并不直觀和現(xiàn)實(shí)。一個(gè)實(shí)用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖12-77所示，并應(yīng)用于三菱MINI（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）ka。控制系統(tǒng)圖如圖12-78所示。

圖12-77三菱微型車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。

1速傳感器；2-速度計(jì)輸出電纜的位置；3-傳動(dòng)軸；4-車(chē)速信號(hào)(主)；5-車(chē)速信號(hào)(副)；6-電子控制器；7-在副駕駛的腳邊；8-電機(jī)；9-扭桿；10個(gè)機(jī)架；11-點(diǎn)火電源；12-電池；13-發(fā)電信號(hào)；14-指示燈電流；15-增加空載電流；16-電機(jī)電流；17-離合器電流；18-扭矩信號(hào)(主)；19-扭矩信號(hào)(次級(jí))；20-離合器；21-電機(jī)齒輪；22-傳動(dòng)齒輪；23-小齒輪；24-點(diǎn)火開(kāi)關(guān)；25-保險(xiǎn)絲；26-扭矩傳感器；27-轉(zhuǎn)向器總成；28-交流發(fā)電機(jī)(L端子)；29-指示燈；30-怠速升降電磁法；31-發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器；32-電機(jī)和離合器

圖三菱微型車(chē)電動(dòng)EPS電子控制系統(tǒng)

從圖12-77和圖12-78可以看出，交流發(fā)電機(jī)的“L”端可以看作是向電子控制器輸入信號(hào)的傳感器，通過(guò)交流發(fā)電機(jī)“L”端的電壓可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否在轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法工作。

電機(jī)離合器接收電子控制器輸出的控制電流，產(chǎn)生助力扭矩，通過(guò)傳動(dòng)齒輪減速，再通過(guò)小齒輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)力轉(zhuǎn)向，電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)傳遞。離合器是由電磁鐵和彈簧組成的電磁離合器。

當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)接通時(shí)，EPS電子控制器通電，因此

行駛時(shí)，電子控制器根據(jù)不同車(chē)速下的方向盤(pán)扭矩控制電機(jī)的電流，完成電子轉(zhuǎn)向和普通轉(zhuǎn)向控制之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)車(chē)速高于30km/h時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)為普通轉(zhuǎn)向控制。電子控制器沒(méi)有離合器信號(hào)和電機(jī)電流輸出，離合器處于分離狀態(tài)。當(dāng)車(chē)速低于27km/h時(shí)，EPS電子控制器輸出離合器信號(hào)和電機(jī)電流，普通轉(zhuǎn)向控制轉(zhuǎn)為助力轉(zhuǎn)向。

EPS控制器還具有自校正控制功能。當(dāng)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電機(jī)輸出電流，恢復(fù)正常轉(zhuǎn)向功能；同時(shí)，車(chē)速表中的EPS警示燈亮起，通知駕駛員動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

總結(jié)：

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一種形式，主要由扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制器組成。

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定速度低于27km/h時(shí)，系統(tǒng)將切換到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模式。速度越低，助力電機(jī)的電流越大。當(dāng)車(chē)速高于30km/h時(shí)，將轉(zhuǎn)為普通轉(zhuǎn)向控制(無(wú)輔助)；

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電機(jī)輸出電流，恢復(fù)正常轉(zhuǎn)向功能；同時(shí)，車(chē)速表中的EPS警示燈亮起，提醒駕駛員。