電動助力轉向系統(EPS)的組成結構和工作原理

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又稱轉向傳感器，其作用是測量方向盤與轉向器之間的相對扭矩，是電動助力的基礎之一。

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)結構圖；b)示意圖

由磁性材料制成的定子和轉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。轉向桿的扭轉角度與扭矩成正比，所以我們可以通過測量轉向桿的扭轉角度來間接知道轉向力。

連續脈沖電壓信號Ui被施加到線圈的U端子和T端子。當轉向桿上的扭矩為零時，定子和轉子之間的相對角度也為零。此時，轉子的縱向對稱面位于定子AC和BD的對稱面上，每個極片上的磁通相同。電橋是平衡的，V和W的電位差U0=0。

如果轉向桿上有力矩，定子和轉子之間的相對角度不為零，那么轉子和定子之間就會產生角位移。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。每個極靴的磁阻不同，電橋失去平衡，在V和w之間產生電位差，這個電位差與杠桿的扭轉角度和輸入電壓Ui成正比，這樣就可以知道方向盤杠桿的扭矩。

圖12-70顯示了一種實用的扭矩傳感器結構。其工作原理與上述基本相同，其優點是安裝方便。

圖12-70實際應用中的扭矩傳感器

1-檢測環；2-檢測線圈；3-輸入軸；4-輸出軸

日本富士重工電動助力轉向系統使用的扭矩傳感器，測量負載扭矩引起的扭桿扭轉角位移，并轉換為電位器的電阻變化。轉子上產生的電信號由定子通過滑環傳輸，其結構如圖12-71所示。

圖12-71日本富士重工電控電動轉向系統扭矩傳感器

1軸；2-扭桿；3-輸出端；4-外殼；5-電位計；6-舵機；7-滑環

注意：關于車速傳感器的結構和工作原理，請參考自動變速器部分。

電機、離合器和減速機構

由電機、離合器和減速機構組成的整體稱為電機總成，其結構如圖12-72所示。

圖12-72電機組件

1-電磁離合器；2-渦輪；三斜齒輪

1)電機

轉向電機是一般的永磁電機(原理不贅述)。通過控制其輸入電流來控制電機的輸出扭矩，通過電子控制單元(ECU)輸出的正反轉觸發脈沖來控制電機的正反轉。圖12-73是一個簡單適用的正反向控制電路。

圖12-73電機正反轉控制電路

A1和a2是觸發信號端子。從電子控制器獲得的DC信號被輸入到端子a1和a2，以觸發電機向前和向后旋轉。當端子a1接收到輸入信號時，晶體管T3導通，基極電流導通晶體管T2。電流通過T2管的發射極和集電極，電機M和T3管的集電極和發射極接地，電機隨著電流通過正轉。當端子a2接收到輸入信號時，晶體管T4導通，并且晶體管T1通過基極電流導通。電流通過T1管的發射極和集電極，電機的M管和T4管的集電極和發射極接地，使電機由反向電流換向。通過控制觸發信號端子處的電流，可以控制通過電機的電流。

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，額定轉速下傳遞的扭矩為15nm，線圈電阻(20小時時)為19.5。

圖12-74電磁離合器的工作原理

1-滑環；雙線圈；3-壓力板；4-樣條；5-從動軸；6-驅動輪；7滾珠軸承

其工作原理是：當電流進入時

注意：由于轉向助力的工作范圍被限制在一個速度范圍內，離合器一般被設置在一個速度范圍內。比如車速超過30km/h，離合器會脫開，電機會停止工作，沒有轉向助力。當電機停止工作時，為了不使電機和離合器的慣性影響轉向系統，應及時分離離合器，切斷輔助動力。當系統中的電機出現故障時，離合器會自動分離，這意味著仍然可以恢復手動轉向。

3)減速機構

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

圖17-75兩級行星齒輪減速機構

1-轉向扭矩傳感器；2-旋轉軸；3-扭桿；4-輸入軸；5-電機和離合器；6-行星小齒輪a；7-太陽齒輪；8-行星小齒輪b；9-驅動小齒輪；10-齒圈b；1-齒圈a

3.控制設備和控制邏輯

電動助力轉向控制系統如圖12-76所示。該系統的核心是一臺帶有4K只讀存儲器和256RAM的8位微型計算機。

圖12-76電動助力轉向控制系統

轉向扭矩信號和車速信號通過輸入接口發送到微型計算機。隨著車速的增加，微型計算機控制輔助馬達的電流以減小輔助扭矩。發動機轉速信號也發送到微型計算機。發動機怠速時，助力電機和離合器因供電不足而不工作。因此，當EPS工作時，EPS ECU必須控制發動機在高怠速下工作。

點火開關的ON/OFF信號通過A/D轉換接口發送到微機。當點火開關關閉時，電機和離合器不能工作。微電腦輸出控制指令通過D/A轉換接口送到電機和離合器的驅動放大電路，控制電機和離合器的轉動。電機的電流通過驅動放大電路、電流表A和A/D轉換接口反饋給微機，即把電機的實際電流與根據微機的指令應該給定的電流進行比較，調整電機的實際電流使之接近。

至此，我們對電動助力轉向系統有了基本的了解，但似乎并不直觀和現實。一個實用的電動助力轉向系統如圖12-77所示，并應用于三菱MINI（查成交價|參配|優惠政策）ka。控制系統圖如圖12-78所示。

圖12-77三菱微型車電動助力轉向系統結構原理。

1速傳感器；2-速度計輸出電纜的位置；3-傳動軸；4-車速信號(主)；5-車速信號(副)；6-電子控制器；7-在副駕駛的腳邊；8-電機；9-扭桿；10個機架；11-點火電源；12-電池；13-發電信號；14-指示燈電流；15-增加空載電流；16-電機電流；17-離合器電流；18-扭矩信號(主)；19-扭矩信號(次級)；20-離合器；21-電機齒輪；22-傳動齒輪；23-小齒輪；24-點火開關；25-保險絲；26-扭矩傳感器；27-轉向器總成；28-交流發電機(L端子)；29-指示燈；30-怠速升降電磁法；31-發動機電子控制器；32-電機和離合器

圖三菱微型車電動EPS電子控制系統

從圖12-77和圖12-78可以看出，交流發電機的“L”端可以看作是向電子控制器輸入信號的傳感器，通過交流發電機“L”端的電壓可以判斷發動機是否在轉動。當發動機未啟動時，系統無法工作。

電機離合器接收電子控制器輸出的控制電流，產生助力扭矩，通過傳動齒輪減速，再通過小齒輪實現動力轉向，電機的動力通過行星齒輪機構傳遞。離合器是由電磁鐵和彈簧組成的電磁離合器。

當點火開關接通時，EPS電子控制器通電，因此

行駛時，電子控制器根據不同車速下的方向盤扭矩控制電機的電流，完成電子轉向和普通轉向控制之間的轉換。當車速高于30km/h時，會轉為普通轉向控制。電子控制器沒有離合器信號和電機電流輸出，離合器處于分離狀態。當車速低于27km/h時，EPS電子控制器輸出離合器信號和電機電流，普通轉向控制轉為助力轉向。

EPS控制器還具有自校正控制功能。當電動助力轉向系統出現故障時，能自動切斷電機輸出電流，恢復正常轉向功能；同時，車速表中的EPS警示燈亮起，通知駕駛員動力轉向系統出現故障。

總結：

電動助力轉向系統是電動助力轉向系統的一種形式，主要由扭矩傳感器、轉速傳感器、電機、電磁離合器、減速機構和電子控制器組成。

當系統設定速度低于27km/h時，系統將切換到電動助力轉向模式。速度越低，助力電機的電流越大。當車速高于30km/h時，將轉為普通轉向控制(無輔助)；

當系統出現故障時，能自動切斷電機輸出電流，恢復正常轉向功能；同時，車速表中的EPS警示燈亮起，提醒駕駛員。