电动动力转向系统（EPS）部件结构及工作原理

转矩传感器
亦称转向传感器，其作用是通过测定转向盘与转向器之间的相对转矩，作为电动助力的依据之一。
转矩传感器的基本工作原理，如图12-69所示。

图12-69转矩传感器原理
a)结构图；b)原理图

用磁性材料制成的定子和转子可以形成闭合的磁路，线圈A、B、C、D分别绕在极靴上，形成一个桥式回路。转向盘杆扭转变形的扭转角与转矩成正比，所以只要测定杆的扭转角，就可间接地知道转向力的大小。
在线圈的U、T两端施加连续的脉冲电压信号Ui，当转向杆上的转矩为零时，定子与转子的相对转角也为零。这时转子的纵向对称面处于定子AC、BD的对称平面上，每个极靴上的磁通量是相同的。电桥平衡，V、W两端的电位差U0=0。
如果转向杆上存在转矩时，定子与转子的相对转角不为零，此时转子与定子间产生角位移θ。极靴A、D间的磁阻增加，B、C间的磁阻减小，各个极靴的磁阻产生差别，电桥失去平衡，在V、W两端产生电位差。这个电位差与杆的扭转角θ和输入电压Ui成比例，从而可知道转向盘杆的转矩。

一种实际应用的转矩传感器结构如图12-70所示，其工作原理与上基本相同，优点是便于安装。

图12-70实际应用的转矩传感器
1-检测环；2-检测线圈；3-输入轴；4-输出轴
日本富士重工电动动力转向系统用转矩传感器，是将负载力矩引起的扭杆扭转角位移测出，并转换为电位计电阻的变化。转子上产生的电信号经滑环由定子传递出来，其结构如图12-71所示。

图12-71日本富士重工电子控制电动转向系统用转矩传感器
1-轴；2-扭杆；3-输出端；4-外壳；5-电位计；6-转向器主动齿轮；7-滑环
提示：车速传感器的结构和工作原理参考自动变速器部分。

电动机、离合器与减速机构
电动机、离合器和减速机构组成的整体称为电机组件，其结构如图12-72所示。

图12-72 电机组件
1-电磁离合器；2-涡轮；3-斜齿轮
1）电动机
转向助力电动机就是一般的永磁电动机（原理不再叙述），电动机的输出转矩控制是通过控制其输入电流来实现，而电动机的正转和反转则是由电子控制单元（ECU）输出的正反转触发脉冲控制。图12-73是一种比较简单适用的正反转控制电路。

图12-73 电动机正反转控制电路
a1、a2为触发信号端。从电子控制器得到的直流信号输入到a1、a2端，用以触发电动机产生正反转。当a1端得到输入信号时，晶体管T3导通，T2管得到基极电流而导通，电流经T2管的发射极和集电极、电动机M、T3管的集电极和发射极搭铁，电动机有电流通过而正转。当a2端得到输入信号时，晶体管T4导通，T1管得到基极电流而导通，电流经过T1管的发射极和集电极，电动机M、T4管的集电极和发射极搭铁，电动机有反向电流通过而反转。控制触发信号端的电流大小，就可以控制电动机通过电流的大小。
2）离合器
一般使用干式单片电磁离合器，如图12-74所示。工作电压为DC12V，额定转速时传递的转矩为15 N·m，线圈电阻（20℃时）为19.5Ω。

图12-74 电磁离合器工作原理
1-滑环；2-线圈；3-压板；4-花键；5-从动轴；6-主动轮；7-滚珠轴承
其工作原理是：当电流通过滑环进入离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主动轮压紧，电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键、从动轴传给执行机构。

该离合器什么时候结合？什么时候分离？
提示：由于转向助力的工作范围限定在一速度区域内，所以离合器一般设定一个速度范围，如当车速超过30km/h时，离合器便分离，电动机也停止工作，这时就没有转向助力的作用。当电动机停止工作时，为了不使电动机及离合器的惯性影响转向系的工作，离合器也应及时分离，以切断辅助动力。当系统中电动机等发生故障时，离合器会自动分离，这是仍可恢复手动控制转向。

3）减速机构
目前使用的减速机构有多种组合方式，一般采用涡轮蜗杆与转向轴驱动组合式；也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式，如图12-75所示；图12-72是涡轮与斜齿轮组合方式。涡轮与固定在转向柱输出轴上的斜齿轮相啮合，它把电机的回转运动减速后传递到输出轴上。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成。

图17-75 双级行星齿轮减速机构
1-转向力矩传感器；2-转轴；3-扭力杆；4-输入轴；5-电动机与离合器；6-行星小齿轮A；7-太阳轮；8-行星小齿轮B；9-驱动小齿轮；10-齿圈B；11-齿圈A

3．控制装置与控制逻辑
电动动力转向的控制系统如图12-76所示。该系统的核心是一个有4K ROM和256RAM的8位微机。

图12-76 电动动力转向的控制系统
转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的升高，微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。因此，EPS工作时，EPS ECU必须控制发动机处于高怠速工作状态。

点火开关的通断（ON/OFF）信号经A/D转换接口送入微机。当点火开关断开时，电动机和离合器不能进入工作。微机输出控制指令经D/A转换接口送入电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转转向和离合器的离合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机，即电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。
至此，电动动力转向系统已有了基本的认识，但似乎还不直观和现实，一种实际应用的电动动力转向系统如图12-77所示，该系统应用于三菱“米尼卡”车。其控制系统简图如图12-78所示。

图12-77 三菱“米尼卡”车电动动力转向系统的结构原理
1-车速传感器；2-速度表引出电缆的部位；3-传动轴；4-车速信号（主）；5-车速信号（副）；6-电子控制器；7-副驾驶员脚下部位；8-电动机；9-扭杆；10-齿条；11-点火电源；12-蓄电池；13-发电信号；14-指示灯电流；15-提高怠速电流；16-电动机电流；17-离合器电流；18-转矩信号（主）；19-转矩信号（副）；20-离合器；21-电动机齿轮；22-传动齿轮；23-小齿轮；24-点火开关；25-熔断丝；26-转矩传感器；27-转向器齿轮总成；28-交流发电机（L端子）；29-指示灯；30-怠速提高电磁法；31-发动机电子控制器；32-电动机与离合器

图三菱“米尼卡”微型车电动式EPS电子控制系统
由图12-77和12-78可知：交流发电机的“L”端子可视为向电子控制器输入信号的一个传感器，利用交流发电机的“L”端子电压可以判断发动机是否转动。当发动机还未发动时，该系统不能工作。
电动机和离合器接受电子控制器输出的控制电流，产生助力转矩，经传动齿轮减速后，再经过小齿轮实现动力转向，电动机的动力是通过行星齿轮机构传递的。离合器是由电磁铁和弹簧等组成的电磁离合器。
当点火开关接通时，电源加于EPS电子控制器上，电动助力转向系统才能进行工作。在发动机已被起动时，交流发电机的L端子的电压加到电子控制器上。当检测到发动机处于起动状态时，动力转向系统转为工作状态。
行车时，电子控制器按不同车速下的转向盘转矩，控制电动机的电流，并完成电子控制转向和普通转向控制之间的转换。当车速高于30km/h时，则转换成普通的转向控制，电子控制器没有离合器信号和电动机电流输出，离合器处于分离状态。当车速低于27km/h时，EPS电子控制器又输出离合器信号和电动机电流，普通转向控制又转换为动力转向的工作方式。

EPS电子控制器还具有自我修正的控制功能。当电动助力转向系统出现故障时，可自动断开电动机的输出电流，恢复到通常的转向功能；同时速度表内的EPS报警灯点亮，以通知驾驶员，动力转向系统发生故障。

小结：

电动式动力转向系统是电子控制动力转向系的一种形式，其主要由转矩传感器、车速传感器、电动机、电磁离合器和减速机构、电子控制器组成。

该系统在其设定车速（27km/h）以下时，变为电动助力转向工作模式，车速越低，助力电动机的电流越大；当车速高于30km/h时，则转换成普通的转向控制（不起助力作用）；

当系统出现故障时，可自动断开电动机的输出电流，恢复到通常的转向功能；同时速度表内的EPS报警灯点亮，以提醒驾驶员。