詹克旭

（博世华域转向系统有限公司）

汽车智能化技术的发展和应用使得汽车在安全、环保和舒适性等方面都得到了提升。随着汽车电子技术的进步，汽车智能化程度大幅提高[1-2]，目前对汽车智能化的研究已经成为汽车行业的一大热点。电动助力转向系统（EPS）是一种新型的汽车转向系统，其核心部件电控单元可根据转向盘操控力矩的不同和车速，决定助力的大小以及是否助力，使得汽车操控更加智能化，具有以往任何助力转向系统所不具备的车速感应能力和助力效果[3]。此外，通过外部信号的输入，使转向系统可以与其他汽车部件合作，拥有了更多智能化控制策略，进一步提升了汽车的安全性和舒适性，更加符合人们对现代化智能汽车的需求。

1 EPS系统结构及原理

EPS是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。系统主要由电子控制装置、转向助力机构（离合器、电动机、减速传动机构）及信号传感装置（包括转角传感器、扭矩传感器、车速传感器）三大部分构成，它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作。电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵转向盘时，扭矩转角传感器根据转向角的大小和输入扭矩产生相应的电压信号，车速传感器检测到车速信号，控制单元根据车速信号和电压，给出指令控制电动机运转，从而产生所需的转向助力[4]。EPS系统构造，如图1所示。

EPS的基本原理是：转向轴（小齿轮轴）和转矩传感器连接在一起，当转向轴转动时，转矩传感器开始工作，相对转动角位移会通过输入轴和输出轴在扭杆作用下产生，并将其变成电信号传给微控制器，助力电流的大小和电动机的旋转方向由微控制器根据转矩传感器的信号和车速传感器来决定，从而完成实时控制助力转向。通过这种方式，EPS 可以在车速不同时提供电动机不同的助力效果，保证汽车在高速转向行驶时稳定可靠，低速转向行驶时轻便灵活。

2 EPS 系统优势

相比传统液压动力转向系统，EPS 具有以下优点[5]：

1）结构紧凑，装配方便。EPS 的减速机构及电动机可以和转向器、转向柱做成一个整体，并且取消了油罐、液压转向油泵、液压管路及油缸等部件，使得整个转向系统质量轻、结构紧凑，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。

2）节能环保。可以显著降低燃油消耗，只在转向时电动机才提供助力。传统的液压助力转向系统的转向油泵由发动机带动，发动机部分的动力不管转向或者不转向都要被消耗，而EPS 不转向时不消耗能量，只是在转向时助力才由电动机提供。因此，EPS可以降低汽车的燃油消耗。与液压助力转向系统的对比试验表明：在转向时，电动助力转向可以降低5.5%的燃油消耗；在不转向时，可以降低2.5%的燃油消耗。

3）可扩展性好。EPS 可以简单地通过程序设置与不同车型匹配，缩短开发和生产的周期。

4）路感好、回正性好。EPS 可以通过软件方便地调整助力大小。在低速时，为提高汽车的转向轻便性，EPS可以提供较大的转向助力；随着车速的提高，为保证汽车的稳定性，使驾驶员能够感受到明显的“路感”，EPS提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大。而传统的液压助力转向系统所提供的转向助力的大小不能随车速的提高而改变。这样就使得汽车虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转向盘太轻，降低了驾驶员的安全感和汽车的稳定性，驾驶员缺少显著的“路感”，会产生转向“发飘”的现象。

EPS还可以通过调整EPS 控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车操纵的舒适性和稳定性。EPS 为了兼顾汽车低、高速时的回正性能，还可以施加一定的附加阻尼力矩或回正力矩，使得低速时转向盘能够精确地回到中间位置，并且可以抑制高速回正过程中转向盘的超调和振荡。

由于EPS具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。

3 EPS智能化控制策略

近年来，随着汽车智能化研究的兴起，EPS 以其自身的优势被广泛地应用在智能化汽车上。转向系统是汽车的核心安全系统。当汽车行驶过程中将要发生危险的时候，仅凭驾驶员制动或转向可能无法完全避开，还需要更加智能化，系统要分析出最大的危险所在，继而选择一个安全性最优、危险性最小的策略，并能够通过汽车自主操控来实现，这就需要自动转向来参与。为了配合实现汽车的智能化，在操纵的稳定性、舒适性和安全性上对转向系统提出了更高的要求。因此，EPS 将通过一系列控制策略来满足汽车智能化的要求。

3.1 主动回正控制和阻尼控制

原则上转向盘可以通过悬置系统本身和轮胎提供一定的回正力朝中位运动。但是通常情况下，转向盘并不能回到中位，原因是汽车本身的回正力不足以克服所有的阻力。在低车速情况下，系统阻力太大；在高车速情况下，因汽车本身的回正力太大，放开转向盘时又容易出现摇头的现象。阻尼控制和回正控制各司其责，在高车速的情况下，为防止转向盘摇头，阻尼控制起作用，提供一个反向的力矩；在低车速情况下，回正控制起作用，为帮助转向盘回到中位提供一个额外的力矩[6]。主动回正控制原理，如图2所示。

3.2 摩擦与惯量补偿

摩擦补偿主要是补偿系统摩擦力，该摩擦力主要来源于管柱轴承的摩擦、压块与齿条的摩擦等，表现为库伦摩擦力的形式，通常为了克服库伦摩擦力，根据电动机转速大于某阈值作为触发信号，施加一个与其运动方向相同的力。

惯量补偿可以理解为一个纯超前的矫正环节，主要是补偿电动机的转动惯量。

3.3 转向截止

在转向机中，因为机械止点的存在，转向的齿条行程范围是有限的。为了避免撞击止点产生的噪声和触感，以及因撞击产生机械损坏，在到达机械止点前，通过软止点（Software End Stop）实现弹簧阻尼器作用，衰减助力从而限制冲向机械止点，转向截止示意图，如图3所示。

图3 软止点逻辑示意图

3.4 路面振颤抑制

在车辆运动过程中，由于路面的凹凸不平，各种各样的路面振颤噪声将作用于驾驶员的手部，其中一个与轮速正相关的噪声的频率是比较典型的。路面振颤抑制算法检测轮速信号，同时对转向盘力矩中与轮速频率正相关的频率特征进行提取后，在最终施加给电动机的力矩中减掉这一频率特征信号，与路面振颤进行抵消，从而达到抑制的目的，如图4所示。

图4 路面振颤抑制示意图

3.5 驾驶模式切换（DMS）

多模式助力功能用于为驾驶员提供可选的助力模式，使驾驶员得到不同的驾驶乐趣。驾驶员可以通过开关选择助力模式，微控制器确认选择的模式后发送模式请求至EPS；在接收到模式请求后，EPS 会根据工作条件（包括力矩、车速、转向盘转速）切换其工作的助力模式，此外EPS 需有助力模式记忆功能，在下次点火循环默认上次点火循环内的助力模式。图5 示出通过音响娱乐系统进行的驾驶模式切换。

图5 驾驶模式切换

3.6 车道保持辅助（LKA）和车道偏离报警（LDW）

EPS作为高级驾驶辅助系统（ADAS）的执行机构，可实现车道保持辅助（LKA）和车道偏离报警（LDW）功能。

LKA是一种驾驶辅助系统，如图6所示，当ADAS系统发现汽车将要驶离正常的车道时，为了保证将汽车保持在本车道内，EPS 能够接收ADAS 系统的请求扭矩。当该扭矩不足以使汽车保持在本车道内，LKA系统会向驾驶员发出道路偏离警告。

图6 车道保持辅助示意图

LDW是当检测到汽车即将偏出车道时，在转向盘上给出一个振动的信号对驾驶员进行提醒。

3.7 扭力转向补偿（TSC）

任何汽车的转向盘不可能安装在正中间，转向横拉杆左右长度是不一样的，角度也会有细微差异，如图7所示。另外在急加速的过程中，左右车轮上的牵引力也会不一致，这就会导致出现行驶跑偏的现象。

图7 汽车轴距不等长示意图

TSC功能根据车速、转角、侧向加速度、轮速、横摆角速度、各轮牵引力等信号，当行驶跑偏将要发生时，给电动机施加一个反向的力矩，防止行驶跑偏产生。

3.8 拉动漂移补偿（PDC）

PDC功能触发的条件多样，可能是悬架系统安装左右不对称，也可能是汽车受到侧风作用，还有可能是汽车行驶在拱形路面上。其工作原理是汽车在直行过程中检测到扭矩传感器的力矩超过正常范围，为保证驾驶员在中位附近感受到的力矩很小，则由电动机主动施加一个反向力矩[7]。

3.9 自动泊车辅助（APA）

APA功能是一种驾驶辅助系统，当汽车泊车时，EPS根据泊车控制器发来的目标转角，控制转向盘实际转角跟随目标转角，以位置环-速度环-电流环3环控制的形式实现角度伺服功能，做到准确、平顺、快速泊车入位。

4 结论

EPS涉及传感器技术、微电子控制、现代控制理论和传统的机械设计，其代表未来汽车动力转向技术的发展方向之一。汽车EPS智能化控制策略的应用符合智能汽车的时代要求，以其卓越的操纵轻便性和稳定性、助力特性随汽车工况而变化的特性、良好的主动安全性等，不仅能有效地提升汽车性能，同时还能减少对环境的污染，对提升人们的出行质量起到重要的作用。

随着EPS关键技术的发展，EPS的性能必将更加完善，其将作为标准配件装备到汽车上，并将在汽车智能化助力转向领域占据主导地位。