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電動動力轉向系統(EPS)部件結構及工作原理

轉矩傳感器
亦稱轉向傳感器,其作用是通過測定轉向盤與轉向器之間的相對轉矩,作為電動助力的依據之一。
轉矩傳感器的基本工作原理,如圖12-69所示。

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圖12-69轉矩傳感器原理
a)結構圖;b)原理圖


用磁性材料制成的定子和轉子可以形成閉合的磁路,線圈A、B、C、D分別繞在極靴上,形成一個橋式回路。轉向盤桿扭轉變形的扭轉角與轉矩成正比,所以只要測定桿的扭轉角,就可間接地知道轉向力的大小。
在線圈的U、T兩端施加連續的脈沖電壓信號Ui,當轉向桿上的轉矩為零時,定子與轉子的相對轉角也為零。這時轉子的縱向對稱面處於定子AC、BD的對稱平面上,每個極靴上的磁通量是相同的。電橋平衡,V、W兩端的電位差U0=0。
如果轉向桿上存在轉矩時,定子與轉子的相對轉角不為零,此時轉子與定子間產生角位移θ。極靴A、D間的磁阻增加,B、C間的磁阻減小,各個極靴的磁阻產生差別,電橋失去平衡,在V、W兩端產生電位差。這個電位差與桿的扭轉角θ和輸入電壓Ui成比例,從而可知道轉向盤桿的轉矩。


一種實際應用的轉矩傳感器結構如圖12-70所示,其工作原理與上基本相同,優點是便於安裝。

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圖12-70實際應用的轉矩傳感器
1-檢測環;2-檢測線圈;3-輸入軸;4-輸出軸
日本富士重工電動動力轉向系統用轉矩傳感器,是將負載力矩引起的扭桿扭轉角位移測出,並轉換為電位計電阻的變化。轉子上產生的電信號經滑環由定子傳遞出來,其結構如圖12-71所示。

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圖12-71日本富士重工電子控制電動轉向系統用轉矩傳感器
1-軸;2-扭桿;3-輸出端;4-外殼;5-電位計;6-轉向器主動齒輪;7-滑環
提示:車速傳感器的結構和工作原理參考自動變速器部分。


電動機、離合器與減速機構
電動機、離合器和減速機構組成的整體稱為電機組件,其結構如圖12-72所示。

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圖12-72 電機組件
1-電磁離合器;2-渦輪;3-斜齒輪
1)電動機
轉向助力電動機就是一般的永磁電動機(原理不再敘述),電動機的輸出轉矩控制是通過控制其輸入電流來實現,而電動機的正轉和反轉則是由電子控制單元(ECU)輸出的正反轉觸發脈沖控制。圖12-73是一種比較簡單適用的正反轉控制電路。

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圖12-73 電動機正反轉控制電路
a1、a2為觸發信號端。從電子控制器得到的直流信號輸入到a1、a2端,用以觸發電動機產生正反轉。當a1端得到輸入信號時,晶體管T3導通,T2管得到基極電流而導通,電流經T2管的發射極和集電極、電動機M、T3管的集電極和發射極搭鐵,電動機有電流通過而正轉。當a2端得到輸入信號時,晶體管T4導通,T1管得到基極電流而導通,電流經過T1管的發射極和集電極,電動機M、T4管的集電極和發射極搭鐵,電動機有反向電流通過而反轉。控制觸發信號端的電流大小,就可以控制電動機通過電流的大小。
2)離合器
一般使用干式單片電磁離合器,如圖12-74所示。工作電壓為DC12V,額定轉速時傳遞的轉矩為15 N·m,線圈電阻(20℃時)為19.5Ω。

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圖12-74 電磁離合器工作原理
1-滑環;2-線圈;3-壓板;4-花鍵;5-從動軸;6-主動輪;7-滾珠軸承
其工作原理是:當電流通過滑環進入離合器線圈時,主動輪產生電磁吸力,帶花鍵的壓板被吸引與主動輪壓緊,電動機的動力經過軸、主動輪、壓板、花鍵、從動軸傳給執行機構。


該離合器什麼時候結合?什麼時候分離?
提示:由於轉向助力的工作范圍限定在一速度區域內,所以離合器一般設定一個速度范圍,如當車速超過30km/h時,離合器便分離,電動機也停止工作,這時就沒有轉向助力的作用。當電動機停止工作時,為了不使電動機及離合器的慣性影響轉向系的工作,離合器也應及時分離,以切斷輔助動力。當系統中電動機等發生故障時,離合器會自動分離,這是仍可恢復手動控制轉向。


3)減速機構
目前使用的減速機構有多種組合方式,一般采用渦輪蝸桿與轉向軸驅動組合式;也有的采用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式,如圖12-75所示;圖12-72是渦輪與斜齒輪組合方式。渦輪與固定在轉向柱輸出軸上的斜齒輪相嚙合,它把電機的回轉運動減速後傳遞到輸出軸上。為了抑制噪聲和提高耐久性,減速機構中的齒輪有的采用特殊齒形,有的采用樹脂材料制成。

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圖17-75 雙級行星齒輪減速機構
1-轉向力矩傳感器;2-轉軸;3-扭力桿;4-輸入軸;5-電動機與離合器;6-行星小齒輪A;7-太陽輪;8-行星小齒輪B;9-驅動小齒輪;10-齒圈B;11-齒圈A


3.控制裝置與控制邏輯
電動動力轉向的控制系統如圖12-76所示。該系統的核心是一個有4K ROM和256RAM的8位微機。

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圖12-76 電動動力轉向的控制系統
轉向盤轉矩信號和車速信號經過輸入接口送入微機,隨著車速的升高,微機控制相應地降低助力電動機電流,以減少助力轉矩。發動機轉速信號也被送入微機,當發動機處於怠速時,由於供電不足,助力電動機和離合器不工作。因此,EPS工作時,EPS ECU必須控制發動機處於高怠速工作狀態。

點火開關的通斷(ON/OFF)信號經A/D轉換接口送入微機。當點火開關斷開時,電動機和離合器不能進入工作。微機輸出控制指令經D/A轉換接口送入電動機和離合器的驅動放大電路中,控制電動機的旋轉轉向和離合器的離合。電動機的電流經驅動放大回路、電流表A、A/D轉換接口反饋給微機,即電動機的實際電流與按微機指令應給的電流相比較,調節電動機的實際電流,使兩者接近一致。
至此,電動動力轉向系統已有了基本的認識,但似乎還不直觀和現實,一種實際應用的電動動力轉向系統如圖12-77所示,該系統應用於三菱“米尼卡”車。其控制系統簡圖如圖12-78所示。



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圖12-77 三菱“米尼卡”車電動動力轉向系統的結構原理
1-車速傳感器;2-速度表引出電纜的部位;3-傳動軸;4-車速信號(主);5-車速信號(副);6-電子控制器;7-副駕駛員腳下部位;8-電動機;9-扭桿;10-齒條;11-點火電源;12-蓄電池;13-發電信號;14-指示燈電流;15-提高怠速電流;16-電動機電流;17-離合器電流;18-轉矩信號(主);19-轉矩信號(副);20-離合器;21-電動機齒輪;22-傳動齒輪;23-小齒輪;24-點火開關;25-熔斷絲;26-轉矩傳感器;27-轉向器齒輪總成;28-交流發電機(L端子);29-指示燈;30-怠速提高電磁法;31-發動機電子控制器;32-電動機與離合器

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圖三菱“米尼卡”微型車電動式EPS電子控制系統
由圖12-77和12-78可知:交流發電機的“L”端子可視為向電子控制器輸入信號的一個傳感器,利用交流發電機的“L”端子電壓可以判斷發動機是否轉動。當發動機還未發動時,該系統不能工作。
電動機和離合器接受電子控制器輸出的控制電流,產生助力轉矩,經傳動齒輪減速後,再經過小齒輪實現動力轉向,電動機的動力是通過行星齒輪機構傳遞的。離合器是由電磁鐵和彈簧等組成的電磁離合器。
當點火開關接通時,電源加於EPS電子控制器上,電動助力轉向系統才能進行工作。在發動機已被起動時,交流發電機的L端子的電壓加到電子控制器上。當檢測到發動機處於起動狀態時,動力轉向系統轉為工作狀態。
行車時,電子控制器按不同車速下的轉向盤轉矩,控制電動機的電流,並完成電子控制轉向和普通轉向控制之間的轉換。當車速高於30km/h時,則轉換成普通的轉向控制,電子控制器沒有離合器信號和電動機電流輸出,離合器處於分離狀態。當車速低於27km/h時,EPS電子控制器又輸出離合器信號和電動機電流,普通轉向控制又轉換為動力轉向的工作方式。


EPS電子控制器還具有自我修正的控制功能。當電動助力轉向系統出現故障時,可自動斷開電動機的輸出電流,恢復到通常的轉向功能;同時速度表內的EPS報警燈點亮,以通知駕駛員,動力轉向系統發生故障。


小結:

電動式動力轉向系統是電子控制動力轉向系的一種形式,其主要由轉矩傳感器、車速傳感器、電動機、電磁離合器和減速機構、電子控制器組成。

該系統在其設定車速(27km/h)以下時,變為電動助力轉向工作模式,車速越低,助力電動機的電流越大;當車速高於30km/h時,則轉換成普通的轉向控制(不起助力作用);

當系統出現故障時,可自動斷開電動機的輸出電流,恢復到通常的轉向功能;同時速度表內的EPS報警燈點亮,以提醒駕駛員。

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