通常，EPS由檢測駕駛者的轉(zhuǎn)向操作扭矩的扭矩傳感器、根據(jù)扭矩信號計算助力扭矩并控制電機驅(qū)動的EPS ECU、產(chǎn)生助力的電機、使電機驅(qū)動力傳遞至轉(zhuǎn)向機構(gòu)的減速器等構(gòu)成。

EPS的構(gòu)成 ▲

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EPS的種類

如下圖所示，依據(jù)電機的種類和助力位置，EPS可分為轉(zhuǎn)向柱助力、齒輪助力、齒條助力3個種類。

轉(zhuǎn)向柱助力式EPS成本低，被廣泛采用。齒輪助力式EPS是在齒輪附近布置電機。齒條助力式EPS的最終輸出端為接近輪胎的齒條，所以助力損失小；并且，執(zhí)行器距離駕駛者遠，具有聲音較小、振動較小的優(yōu)點，大多用于高檔車。齒條助力式EPS的執(zhí)行器、控制器均布置于發(fā)動機艙內(nèi)，要求具備耐熱、防水等性能，因此系統(tǒng)的成本升高。

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EPS電機

可在EPS中使用的電機分為有刷電機和無刷電機。

有刷電機在電刷和整流子轉(zhuǎn)動的同時切換電流，所以接通電源就能轉(zhuǎn)動，成本較低。但是，有刷電機的繞組布置于轉(zhuǎn)子側(cè)，隨著輸出功率的增加，電機的慣性力矩增加，就需要解決轉(zhuǎn)向操作靈敏度變差的問題。

無刷電機本身不帶有整流作用，所以需要內(nèi)置轉(zhuǎn)角傳感器，通過電路切換對應(yīng)轉(zhuǎn)角信號的電流，結(jié)構(gòu)復雜且成本高。但是，無刷電機的繞組布置于定子側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)為磁體，即使輸出功率增加，也能抑制慣性力矩增加的問題。

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扭矩傳感器

扭矩傳感器是檢測駕駛者轉(zhuǎn)向操作扭矩的傳感器，是檢測EPS所需基本信息的重要裝置，其構(gòu)造如下圖所示，由設(shè)置于轉(zhuǎn)向軸上的扭力桿和檢測扭力桿扭轉(zhuǎn)角度的傳感器構(gòu)成。

扭矩傳感器的構(gòu)造▲

EPS的扭矩傳感器是非常重要的部件，所以常用的類型是能夠確保可靠性的非接觸式。接下來，對非接觸式扭矩傳感器中3種主要方式進行說明。

（1）磁感應(yīng)式

磁感應(yīng)式是指安裝于扭力桿上下位置的檢測線圈和補償線圈的凹凸相對位置隨著扭力桿的扭轉(zhuǎn)而變化，并通過外側(cè)設(shè)置的檢測線圈獲取相應(yīng)磁路變化的方式，且這種方式的扭矩傳感器已被廣泛應(yīng)用。

磁感應(yīng)式扭矩傳感器（出處：JETKT）▲

（2）霍爾集成電路式

霍爾集成電路式是在扭力桿上布置多極磁體，通過周圍設(shè)置的磁束環(huán)使扭力桿扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁力不平衡得以聚合，并使用霍爾集成電路的方式。

霍爾集成電路具有溫度特性，有的可在集成電路內(nèi)完成修正，且滿足實用條件。

霍爾集成電路式扭矩傳感器▲

（3）雙旋轉(zhuǎn)變壓器式

雙旋轉(zhuǎn)變壓器式是在扭力桿的上下位置裝有轉(zhuǎn)角傳感器（旋轉(zhuǎn)變壓器），直接檢測各轉(zhuǎn)角值，依據(jù)其差量計算扭轉(zhuǎn)量，并換算成扭矩的方式。

雙旋轉(zhuǎn)變壓器式扭矩傳感器（出處：JETKT）▲

直接使用轉(zhuǎn)角傳感器，不僅能檢測扭矩，還能檢測轉(zhuǎn)向操作角度。另外，如果扭矩傳感器要使用旋轉(zhuǎn)變壓器，則需在ECU側(cè)設(shè)置電路。

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EPS ECU

EPS ECU由用于控制的微控制器、用于監(jiān)測的集成電路（有時為微控制器）、電機的驅(qū)動電路（驅(qū)動電路和轉(zhuǎn)換電路）、通斷電機路徑及電源路徑的繼電器、接收外部信號的接口電路等構(gòu)成。電機驅(qū)動電路的作用是對功率元件MOSFET實施通斷的PWM控制。

EPS ECU的電路示例（無刷）▲

EPSECU的印制電路板如下圖所示，由排除電源線路中干擾所需的線圈、吸收電流變動所需的電解電容器、通斷電源所需的電源繼電器等構(gòu)成。由于要求印制電路板的體積不能太大，有些類型的印制電路板搭載半導體繼電器。

EPS ECU的構(gòu)成示例（有刷）▲

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控制

EPS的助力控制如下圖所示，可分為助力基本控制、助力輔助控制、電機電流控制、失效保護處理。各廠商的控制方法有所不同，此處對常見的控制方法進行說明。

EPS控制的示例▲

（1）助力基本控制

為了補償系統(tǒng)對扭矩傳感器信號的響應(yīng)延遲量，應(yīng)實施相位補償。根據(jù)相位補償后的值，確定助力量。這些控制與車輛特性緊密相關(guān)，大多以圖譜形式設(shè)定。此外，也可以通過車速調(diào)節(jié)助力量，施加車速感應(yīng)特性。之后，加上輔助控制量，將最終助力指令值交給電流控制部分。

（2）助力輔助控制

方向盤不僅受駕駛者的轉(zhuǎn)向操作支配，當路面對輪胎施加扭矩時，也會出現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)動的狀況。所以，除了常規(guī)的助力基本控制，還應(yīng)實施助力輔助控制。主要的助力輔助控制為：排除電機的慣性力矩影響時，為了平穩(wěn)助力進行“慣性補償”；轉(zhuǎn)向后由于回正轉(zhuǎn)矩使方向盤回位時，進行對應(yīng)的回位修正；松手后回位時等，為了充分使方向盤穩(wěn)定進行“阻尼修正”；由于電機或機構(gòu)部分的摩擦引起的助力延遲，進行對應(yīng)的摩擦修正。

修正量與助力圖相同，是依據(jù)車輛特性改變的值，都應(yīng)在匹配后確定。

（3）電機電流控制

為了使電機實時跟蹤上述電機電流指令值，就需要控制電機的電流。通常是在檢測出電機電流之后，修正指令值對應(yīng)的差量，即反饋控制。并且，按求取助力指令值的一半周期，設(shè)定電機電路控制周期。基本上，針對指令值和電流檢測值的差量，可實施PI（比例積分）控制，轉(zhuǎn)換為電壓指令值，并將此電壓指令轉(zhuǎn)換為PWM的占空比，通過此占空比通斷MOSFET，控制電機。

PWM控制（有刷）▲

此外，使用無刷電機時，電機電流控制通常為獲取電機轉(zhuǎn)角信號的矢量控制，此時矢量的d軸、q軸同樣要進行反饋PI控制。

除了反饋控制，有的電機電流控制也采用觀察器控制、模型匹配控制。

（4）失效保護

EPS為了提供約10倍于駕駛者轉(zhuǎn)向操作力的助力，需要在助力出現(xiàn)異常時迅速進行檢測，并采取準確的應(yīng)對措施（下表）。

EPS最應(yīng)該避免的異常狀態(tài)除了異常過熱，還有方向盤無法轉(zhuǎn)動的方向盤鎖死、方向盤隨意自由轉(zhuǎn)動的自由轉(zhuǎn)。當確實檢測出可能產(chǎn)生異常時，必須關(guān)閉系統(tǒng)。

因此，大多EPS采用監(jiān)測駕駛者轉(zhuǎn)向操作扭矩的方向和助力方向是否一致的聯(lián)鎖方式。但是，與其他系統(tǒng)協(xié)同工作的EPS已經(jīng)實用化，助力方向不一定能與轉(zhuǎn)向操作扭矩方向保持一致，所以在這種系統(tǒng)中，采用監(jiān)測控制計算本身的方式。

助力轉(zhuǎn)向中的電流檢測，可以選用集成式霍爾電流傳感器 ?

CH704 是專為大電流檢測應(yīng)用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1mΩ 的初級導體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨特的溫度補償電路以實現(xiàn)芯片在 -40 到150-°C全溫范圍內(nèi)良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)（零電流）輸出電壓的校準，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準確性。

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產(chǎn)品信息如下：

? 隔離電壓：4800VRMS

? AEC-Q100 汽車認證 (CH704A)

? 電源：4.5-5.5V

? 輸出電壓與電流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

? 帶寬：120kHz

? 響應(yīng)時間：2us

? 寬溫度范圍：-40-°C 至 150-°C

? 使用 EEPROM 進行高分辨率偏移和靈敏度調(diào)整

? 導線電阻：0.1 mΩ

? 集成數(shù)字溫度補償電路

? 幾乎為零的磁滯

? 電源電壓的比例輸出

? 抗外部磁場

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審核編輯：劉清