具有功能安全特點(diǎn)的EPS電控系統(tǒng)方案(上)

1 前言
     電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Eelectric Power Steering 簡(jiǎn)稱EPS)是 一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它作為一 種新型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與已有幾十年發(fā)展歷史的傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向 技術(shù)相比，EPS具有諸多優(yōu)點(diǎn)。可以通過軟件改變它的電動(dòng) 助力轉(zhuǎn)向特性，因此提高了硬件資源的利用率；而且在低速 行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向具有沉穩(wěn)感；助力電機(jī) 只在轉(zhuǎn)向時(shí)工作，能夠節(jié)省汽車能源。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)將 最新電子技術(shù)和高性能電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 大大提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和機(jī)動(dòng)性，適應(yīng)了現(xiàn)代汽 車發(fā)展的要求；而且電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、便于安裝和維護(hù)等特點(diǎn)；采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽 車，在轉(zhuǎn)向時(shí)由蓄電池向電機(jī)提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，而在直 線行駛時(shí)蓄電池僅向電機(jī)提供很小的控制電流，而且控制系 統(tǒng)可根據(jù)路況和車況調(diào)整控制電機(jī)的助力或阻尼，降低了對(duì)

圖1  EPS系統(tǒng)  

圖2  C - EPS
發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求，并大大提高了駕駛轉(zhuǎn)向的舒適性和行駛
安全性。

2  EPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、方向盤扭矩傳感 器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等 組成，如圖1所示。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是：ECU 根據(jù)扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器的信號(hào)以及通訊總線發(fā)來的車 速等其他信息決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和最佳助力扭矩，向電機(jī) 發(fā)出控制信號(hào)，通過功率驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的 輸出經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)減速增扭后，驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生相 應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。通過精確的控制算法，可改變電機(jī)的扭矩， 使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)獲得所需的助力值。
電 機(jī) 是 電 動(dòng) 助 力 轉(zhuǎn) 向 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 力 源 ， 其 作 用 是 根 據(jù) ECU的指令輸出適當(dāng)?shù)妮o助扭矩。電機(jī)對(duì)EPS系統(tǒng)的性能有 很大的影響，所以EPS系統(tǒng)對(duì)電機(jī)有很高的要求，不僅要求 扭矩大、扭矩波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、功率密度高，而且要 求可靠性高和壽命長(zhǎng)。由于永磁同步電機(jī)PMSM和直流無 刷 電 機(jī) B L D C 既 具 有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、運(yùn)行可靠、維護(hù) 方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效 率高、無勵(lì)磁損耗、 調(diào)速性能好等諸多優(yōu) 點(diǎn)，因此這兩種三相電機(jī)被廣泛運(yùn)用于各

圖3  P - EPS

圖4   R - EPS  

圖6  EPS安全狀態(tài)（safe state）
種EPS系統(tǒng)。
根據(jù)電機(jī)安裝位置和機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)系統(tǒng)可以分為：管柱助力式(Column Mounted)、小齒輪 助力式(Pinion mounted)和齒條助力式(Rack mounted)。
如圖2所示，管柱助力式EPS 系統(tǒng)中將助力電機(jī)安裝在 管柱上，通過減速增扭機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸 助力轉(zhuǎn)向。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝，但由于助 力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi)，受到空間布置和噪聲的影響，電機(jī)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。

圖5  歐洲部分整車廠和一級(jí)部件供應(yīng)商共識(shí)的功能安全目標(biāo)
小齒輪助力式EPS 系統(tǒng)中將助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與 小齒輪相連，直接驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。由于助力電機(jī)不 是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機(jī)以獲得較高的 助力扭矩，而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。詳見 圖3。
如圖4所示，齒條助力式EPS系統(tǒng)中將助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力，因此能 提供更大的助力，但整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 成本較高，所以適用于豪華車和商務(wù)車。
無論哪種EPS 系統(tǒng)，所實(shí)現(xiàn)的功能大致相同：

(1)助力控制 在汽車停車及低速行駛時(shí)提供較大助
力扭矩，使轉(zhuǎn)向過程快捷輕便，而在汽車 高速行駛時(shí)提供較小的助力扭矩以保持轉(zhuǎn) 向過程的可靠與沉穩(wěn)。
(2)阻尼控制
利用電機(jī)扭矩來減弱汽車高速行駛時(shí) 出現(xiàn)的方向盤抖動(dòng)現(xiàn)象，目的是提高汽車 高速直線行駛穩(wěn)定性。
(3)回正控制
駕駛員松開方向盤后，隨著作用在方 向盤上的力的減小，方向盤將在回正力矩 的作用下回正。需要防止兩種情況：回正 力矩過大，引起方向盤位置超調(diào)；回正力矩過小，方向盤不能回到中間位置。

(4)系統(tǒng)通信功能 通過CAN/LIN總線與其他汽車控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。

(5)系統(tǒng)故障診斷功能 能實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，具有故障報(bào)警和提示功能，在
故障不能自動(dòng)排除時(shí)切斷EPS 使車輛進(jìn)入傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向模式。(未完待續(xù))