隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用范圍不斷擴大。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從簡單的純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HydraulicPowerSteering，簡稱HPS）、電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectricHydraulicPowerSteering，簡稱EHPS）發(fā)展到如今的更為節(jié)能及操縱性能更為優(yōu)越的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElectricalPowerSteering，簡稱EPS）。EHPS和EPS等助力系統(tǒng)在汽車上的采用，改善了汽車轉(zhuǎn)向力的控制特性，降低了駕駛員的轉(zhuǎn)向負擔，然而汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)始終處于機械傳動階段，由于轉(zhuǎn)向傳動比固定，汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化進行一定的操作補償，從而控制汽車按其意愿行駛。如果轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪通過控制信號連接，即采用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering-By-WireSystem，簡稱SBWS），轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和汽車前輪轉(zhuǎn)角之間關(guān)系（汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性）的設(shè)計就可以得到改善，從而降低駕駛員的操縱負擔，改善人—車閉環(huán)系統(tǒng)性能。本文綜述了電子控制轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展、原理，并探討了該項技術(shù)的發(fā)展趨勢。 一、電子控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況 自1953年通用汽車公司在凱迪拉克和別克轎車上首次批量使用液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給汽車的發(fā)展帶來了巨大的變化，使駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力大大降低，轉(zhuǎn)向的靈敏性得到了提高。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、價格和所消耗的功率等方面都取得了驚人的進步。在20世紀80年代后期，又開發(fā)了變減速比、電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。但是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新都是基于液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的，無法消除HPS系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的缺陷。直到1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，才真正擺脫了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛[1]。 此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi公司，英國的Lueas公司，德國的ZF公司，都研制出了各自的EPS。如大發(fā)汽車公司在其Mira車上裝備了EPS，三菱汽車公司在其Minica車上裝備了EPS，本田汽車公司在Accord車上裝備了EPS。Delphi公司已經(jīng)為大眾的Polo、菲亞特Punto開發(fā)出EPS[2]。本田還在其AcuraNXS賽車上裝備了EPS[3]。 EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進一步加強。日本早期開發(fā)的EPS僅僅在低速和停車時提供助力，高速時EPS將停止工作。新一代的EPS則不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。如日本鈴木公司裝備在WagonR+車上的EPS是一個負載-路面-車速感應(yīng)型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[4]。由Delphi公司為Funte車開發(fā)的EPS為全范圍助力型，并且設(shè)置了兩個開關(guān)，其中一個用于郊區(qū)，另一個用于市區(qū)和停車。當車速大于70km/h后，這兩種開關(guān)設(shè)置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時有合適的路感，這樣即使汽車行駛到高速公路時駕駛員忘記切換開關(guān)也不會發(fā)生危險。市區(qū)型開關(guān)還與油門有關(guān)，使得在踩油門加速和松油門減速時，轉(zhuǎn)向更平滑。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應(yīng)用范圍將越來越大。 早在20世紀60年代末，德國Kasselmann等試圖將轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間通過導(dǎo)線連接（即電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)），但由于當時電子和控制技術(shù)的制約，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直無法在實車上實現(xiàn)。奔馳公司于1990年開始了前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并將其開發(fā)的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于概念車F400Carving上。世界其他各大汽車廠家、研發(fā)機構(gòu)（包括Daimler-Chrysler、寶馬、ZF、DELPHI、TRW等）以及日本的光洋（Koyo）精工技術(shù)研究所、日本國立大學、本田汽車公司等也先后對汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了深入研究。目前許多汽車公司開發(fā)了自己的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一些國際著名汽車生產(chǎn)商已在其概念車上安裝了該系統(tǒng)。 日本Koyo技術(shù)研究所根據(jù)他們自己的研究試驗結(jié)果，利用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行主動控制的汽車，在摩擦系數(shù)很小的堅實雪地上進行蛇行、移線、側(cè)向風試驗中基本按照預(yù)定的軌跡行駛，比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在路線跟蹤性能上有較大的提高。在對開路面上進行制動試驗也能基本保證汽車的直線行駛，制動距離也大大縮短。 日本大學和本田汽車公司在汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面也做了一些理論工作和模擬器試驗研究。他們從人—車閉環(huán)系統(tǒng)特性出發(fā)，設(shè)計了理想的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比，使汽車的穩(wěn)態(tài)增益不隨車速變化，并重點研究了駕駛員角控制特性和力控制特性對汽車主動安全性的影響 寶馬汽車公司的概念車BMWZ22，應(yīng)用了SBWS和BBW（Brake-By-Wire）技術(shù)，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動范圍減少到了160°，使緊急轉(zhuǎn)向時駕駛員的忙碌程度得到了很大程度的降低。 目前由于汽車供電系統(tǒng)的因素，轉(zhuǎn)向電動機難以提供較大功率，現(xiàn)階段電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究以及近期的應(yīng)用對象主要針對轎車。要在重型載貨汽車上應(yīng)用，還必須采用液壓執(zhí)行機構(gòu)。隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展和42V電子設(shè)備在汽車上的應(yīng)用，全電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將應(yīng)用到中型和重型車上。目前，42V電源已經(jīng)在一些概念車上得到應(yīng)用，通用的“自主魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42V電源。 國內(nèi)動力轉(zhuǎn)向器目前還處于機械—液壓動力轉(zhuǎn)向階段，對于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，清華大學、北京理工大學、華南理工大學等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和系統(tǒng)建模及動力分析等研究，但目前還沒有實用的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 二、EPS的組成原理和分類 （一）EPS的組成 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電子控制器、電動機、電磁離合器和減速機構(gòu)等組成[5]。Alto汽車電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖1所示。 （二）EPS的原理 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用電動機作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等，由微機完成助力工作的，其原理可概述如下。 不轉(zhuǎn)向時，電動機不工作；當操縱轉(zhuǎn)向盤時，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷檢測轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩，并由此產(chǎn)生一個電壓信號，該信號與車速信號同時輸入電子控制器，由控制器中的微機根據(jù)這些輸入信號進行運算處理，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，即選定電動機的電流和轉(zhuǎn)向，調(diào)整轉(zhuǎn)向的輔助動力。電動機的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過減速機構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。 電子控制電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的核心是一個4kBROM和256kBRAM的8位微機。 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號和車速信號經(jīng)過輸入接口送入微機，隨著車速的提高，通過微機控制相應(yīng)地降低助力電動機電流，以減少助力轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號也被送入微機，當發(fā)動機處于怠速時，由于供電不足，助力電動機和離合器不工作。點火開關(guān)的通斷（on/off）信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接口送入微機，當點火開關(guān)斷開時，電動機和離合器不能工作。微機控制指令經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送入電動機和離合器的驅(qū)動放大電路中，控制電動機的旋轉(zhuǎn)方向和離合器的結(jié)合。電動機的電流經(jīng)驅(qū)動放大回路、電流表A、A/D轉(zhuǎn)換接口反饋給微機，將電動機的實際電流與按微機指令應(yīng)給的電流相比較，調(diào)節(jié)電動機的實際電流，使兩者接近一致。 （三）EPS分類 根據(jù)電動機驅(qū)動部位的不同，將電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為3類：轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式和齒條助力式[6-10]。 圖1為轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機、離合器和轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)組成一體，安裝在轉(zhuǎn)向柱上。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所測取的轉(zhuǎn)矩信號與控制直流電動機助力的響應(yīng)性較好。這種類型一般在轎車上使用。 小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機、離合器和轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)仍為一體，只是整體安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可獲得較大的轉(zhuǎn)向力。該形式可使各部件布置更方便，但當轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間裝有萬向傳動裝置時，轉(zhuǎn)矩信號的取得與助力車輪部分不在同一直線上，其助力控制特性難以保證準確。 齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器單獨地安裝在小齒輪處，電動機與轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據(jù)減速傳動機構(gòu)的不同可分為兩種:一種是電動機做成中空的。齒條從中穿過，電動機的動力經(jīng)一對斜齒輪和螺桿螺母傳動副以及與螺母制成一體的鉸接塊傳給齒條。這種結(jié)構(gòu)是第一代電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于電動機位于齒條殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，維修也困難。另一種是電動機與齒條的殼體相互獨立。電動機動力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于易于制造和維修，成本低，已取代了第一代產(chǎn)品。因為齒條由一個獨立的齒輪驅(qū)動，可給系統(tǒng)較大的助力，主要用于重型汽車。 三、電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering-By-WireSystem，SBWS）由轉(zhuǎn)向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和主控制器（ECU）3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成，如圖2所示。轉(zhuǎn)向盤模塊包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)向盤回正力矩電動機。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖（通過測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器;同時接收主控制器送來的力矩信號，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。 轉(zhuǎn)向執(zhí)行 模塊由前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動機、轉(zhuǎn)向電動機控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等組成。其主要功能是接收主控制器的命令，控制轉(zhuǎn)向電動機實現(xiàn)要求的前輪轉(zhuǎn)角，完成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。 主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電動機和轉(zhuǎn)向電動機發(fā)送命令，控制兩個電動機的工作，盡可能保證在不同車速下汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性基本一致，減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化而進行補償?shù)娜蝿?wù)，減輕駕駛員負擔。同時控制器還可以對駕駛員的操作指令進行識別，判定在當前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理，當汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將自動進行穩(wěn)定控制或?qū)Ⅰ{駛員錯誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，而以合理的方式自動駕駛車輛，使汽車盡快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。 故障處理控制器是電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級作出相應(yīng)的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。它采用單獨的專用處理器，能更好地提高汽車安全性能。 電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前存在兩種形式:前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和后輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。前者，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向元件被2個布置在汽車前側(cè)角落的激勵器所代替，這2個激勵器從控制器獲取信息，從而驅(qū)動前輪，同時，該系統(tǒng)還利用電動機向駕駛員提供路面信息。至于后輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，則是利用傳感器來確定后輪的偏轉(zhuǎn)，并以前輪的偏轉(zhuǎn)角度和車速作為參考。 四、電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點 將電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同普通液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能進行比較[8-12]，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 1．在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減輕汽車低速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。并且可通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向助力特性來滿足不同使用對象的需要。 2．電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只有在轉(zhuǎn)向時電動機才提供助力（而HPS即使在不轉(zhuǎn)向時，油泵也一直運轉(zhuǎn)），因而能減少燃料消耗。同時取消了油泵、皮帶、皮帶輪、液壓軟管等，其零件比HPS大大減少，因而其質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，在安裝位置選擇方面也更容易，并且能降低噪聲、節(jié)省能源、減少廢氣排放。 3．由于直接由電動機提供助力，電動機由蓄電池供電，因此EPS能否助力與發(fā)動機是否起動無關(guān)，即使在發(fā)動機熄火或出現(xiàn)故障時也能提供助力。 4．電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有液壓回路，比HPS更容易調(diào)整和檢測，裝配自動化程度更高。并且可以通過設(shè)置不同的程序能快速地與不同車型相匹配，因而能縮短開發(fā)和生產(chǎn)周期。 5．液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低溫下起動發(fā)動機后，由于低溫下油的粘度較大，轉(zhuǎn)向時作用力較高。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低溫下不會增加轉(zhuǎn)向作用力和發(fā)動機負荷，因而其低溫運行狀況好于前者。 6．SBWS系統(tǒng)還能改善駕駛員的“路感”。由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間無機械連接，駕駛員“路感”通過模擬生成。在回正力矩控制方面可以從信號中提出最能夠反映汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為轉(zhuǎn)向盤回正力矩的控制變量，使轉(zhuǎn)向盤僅僅向駕駛員提供有用信息，從而為駕駛員提供更為真實的“路感”。 7．SBWS能消除轉(zhuǎn)向干涉問題，為實現(xiàn)多功能全方位的自動控制以及汽車動態(tài)控制系統(tǒng)和汽車平順性控制系統(tǒng)的集成提供了顯著的先決條件。 8．對前輪驅(qū)動汽車，在安裝發(fā)動機時需要考慮剛性轉(zhuǎn)向軸占用空間，轉(zhuǎn)向軸必須依據(jù)汽車是左側(cè)還是右側(cè)駕駛，安裝在發(fā)動機附近，設(shè)計人員必須協(xié)調(diào)處理各種需要安排部件。而SBWS去掉了原來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個模塊之間的剛性機械連接，大大方便了系統(tǒng)的總布置。 五、電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在降低自重、減少生產(chǎn)成本，控制系統(tǒng)發(fā)熱、電流消耗、內(nèi)部摩擦，整車進行匹配獲得合理的助力特性以及保證良好的路感方面取得了重大進步。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在操縱舒適性和安全性、節(jié)能等方面充分顯示了其優(yōu)越性，如今已在輕型車和轎車上得到應(yīng)用并具有良好的工作性能。隨著直流電機性能的改進，其應(yīng)用范圍將越來越廣。據(jù)TRW公司預(yù)測，到2010年，全世界生產(chǎn)的每3輛轎車中就有1輛裝備EPS，特別是低排放汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、電動汽車將構(gòu)成未來汽車發(fā)展的主體，這給電子控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶來了更加廣闊的應(yīng)用前景。 盡管目前在歐洲汽車法規(guī)中要求駕駛員與轉(zhuǎn)向車輪之間必須有機械連接，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還不允許在歐洲上市。但只要生產(chǎn)商能夠有足夠的證據(jù)表明電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全可靠性，它得到上市許可還是完全可能的。電子控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最終發(fā)展趨勢在以下幾個方面。 1．改善控制系統(tǒng)性能、減小控制單元和驅(qū)動單元的體積及降低控制系統(tǒng)的 制造成本，使之更好地與不同檔次汽車相適應(yīng)。如改進電動機控制技術(shù)，消除由于電動機慣性大、摩擦力所帶來的轉(zhuǎn)向路感不足等缺點，使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也能應(yīng)用于重型載貨汽車上。 2．實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元與汽車上其他控制單元的通訊聯(lián)系，以實現(xiàn)整車電子控制系統(tǒng)一體化。 3．將根據(jù)車速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號進行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向路感。 4．提高系統(tǒng)的可靠性。這應(yīng)從提高系統(tǒng)各部件的可靠性入手，如采用非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器。 5．提高系統(tǒng)的安全性。采用取消轉(zhuǎn)向盤的SBWS系統(tǒng)后，駕駛室有更大的空間用于布置被動安全部件，減少了危險發(fā)生時對乘員的傷害。 電動轉(zhuǎn)向技術(shù)由于其技術(shù)先進，性能優(yōu)越，未來必將取代其他動力轉(zhuǎn)向技術(shù)，成為動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的主流。線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，是未來汽車對安全性、操縱穩(wěn)定性和舒適性的更高要求，有著很好的發(fā)展前景。 當然，在汽車邁向全面線控轉(zhuǎn)向之前，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是“中站”，是第一步，當汽車裝有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，其中的轉(zhuǎn)向電動機將接受一系 列傳感器信號，例如轉(zhuǎn)向控制、動態(tài)穩(wěn)定控制等，最后機械的部分一個一個消失，逐漸變成了全面線控轉(zhuǎn)向。