8.3.3.1 扭矩传感器

扭矩传感器是用来检测方向盘转矩的大小和方向的，它是EPS的主要控制信号之一。精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS能否迅速占领市场的关键因素。目前已经产品化的扭矩传感器大致分为以下几种：

1.电位计式扭矩传感器

电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。

扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角/位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角/位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由钢球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴，可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，扭矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差使滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。

扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件，因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接，另外的一端通过径向销与转向输出轴连接。

扭杆式扭矩传感器在早期的EPS中应用比较多，但由于是接触式的，工作时产生的摩擦使其易磨损，影响其精度，将会被逐步淘汰。

2.电磁式扭矩传感器

该扭矩传感器的测量方法基于磁感应原理。使用时在被测的转向柱扭力轴上相距一定距离的两端处各安装一个齿形转轮，靠近转轮沿径向各放置一个感应式脉冲发生器（在永久磁铁上绕线而成，又称电磁检测器）。当转轮旋转时，便在两个脉冲发生器中产生正弦信号，而这两个正弦信号的相位差与外加转矩成正比，所以通过检测这个相位差，即可测量出扭力轴所传递的扭矩。这种扭矩传感器也是非接触测量，测量精度高，转速范围大，结构简单、可靠，对工作环境要求不高，可测起动和低速转矩，但该扭矩传感器很难满足一定的电磁兼容性。另外，电动助力转向系统的转向扭力轴实际的转动角度范围比较小，倘若采用此类传感器，就要考虑解决传感器占据的空间和测量角度范围不能过小这对矛盾。因此，很难直接应用于汽车电动助力转向系统上。

3.光电式扭矩传感器

目前在电动助力转向系统采用的光电扭矩传感器主要是光电编码器。光电编码器是在平板玻璃圆盘或其他透明材料上，通过光学刻划和照相复制，对盘面按一定的数学模式分割，形成明暗相间的刻线或刻区而制成的传感器。基本上可以分为两类：一类是圆光栅编码器，也即增量式光电式编码器；另一类是在很多同心圆上刻制了绝对位置码，做成的绝对式编码器，码盘实际是转角的数字编码器，该类传感器是通过测量扭杆的相对扭转角来获得作用在转向柱上扭力的大小。应用于电动助力转向系统时，在光电编码器盘的一侧放上光源，向盘投射可见光或红外光，在盘的另一面设置一组光电器件。转动方向盘时，带动圆盘转动，光电器件就可以把透过圆盘和指标光栅或狭缝的光信号转换成电信号。经过放大、整形等后续处理，就将转动信号传递给控制单元，从而获得转向轴上的扭矩的大小。其输出多为格雷码，转化也比较方便。既可以采用硬件译码，也可以采用软件译码，所设计系统中的光电扭矩传感器是采用软件译码的方法。其工作示意图如图8-5所示。

图8-5 光电扭矩传感器结构及其工作原理

光电式扭矩传感器的误差只和码盘的刻制精度有关，不会产生多次计数的积累误差。要提高编码器的精度，关键在于提高码盘的划分精细度和准确度。这种转矩传感器属于非接触测量，测量精度较高，数字化，结构比较简单一，寿命比较长。但可靠性稍差、静标困难，价格也比较高。但是应该说该类传感器的应用前景很好。

8.3.3.2 角位移传感器

角位移传感器的功能是实时地给控制单元（ECU）提供方向盘的绝对位置和方向盘的运动趋势，以及方向盘运动的角速度，为控制单元判断助力模式提供重要依据。由于助力电动机和方向盘转向柱是通过机械连接，通过对助力电动机的运动判断，从而来判断方向盘的运动，这是一般设计思路。对电动机的机械位置的定位和旋转角速度的计算，可以选用光电编码器。光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。对助力电动机旋转角度的测量选用EPC-755A光电编码器作为传感器，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°，当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，系统芯片通过对A、B通道波形的相位来判断助力电动机的旋转方向，从而来判断方向盘的旋转方向。

8.3.3.3 电动机

电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适当的助力矩，是EPS的动力源。电动机要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大。电动机具体参数的确定，一方面要依据负载特性，另一方面温升、过载和通频带等也是确定参数的着眼点。电动机的主要要求归纳如下：

1）起动快速、转矩惯量大。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。在驱动负载的情况下，要求电动机的起动转矩大，转动惯量小。(www.daowen.com)

2）控带的连续性和线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。体积小、质量小、轴向尺寸短，调速范围宽。要有足够的调速范围，低速运行平稳、力矩波动小。能使用于1∶1000～10000的调速范围。

3）能经受得起苛刻的运行条件，电动机在额定负载下运行时，允许施加周期性过载，过载的次数及每次过载持续时间、间隔时间以及整个运行时间应在产品标准中规定，并能在短时间内承受过载。

4）温度、湿度和盐雾：当周围环境温度在-45～+125℃时，电动机能长时间连续运行。电动机在相对湿度不超过100%的情况下能正常工作。作为汽车电气设备产品，应具有一定的抗盐雾能力，并能满足相应的标准规定。

5）防水、防尘、防振动。当淋雨、高压水冲洗时，电动机的构造、安装和通风的方式应保证电动机不出现损坏。同时，根据电动机安装部位，电动机及控制器应经受上下、左右、前后在各方向的定频振动。电动机对EPS的性能有很大影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机有很高要求，不仅要求转矩大、转矩波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、而且要求可靠性高，易控制。为此，设计时常针对EPS的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理，如沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等。

另外，电动机的选择还和助力机构的减速比、前轴载荷、蓄电池电压有关。

永磁电动机的励磁磁场由永久磁钢产生，无须外加励磁线圈，从而省去励磁电路，与电磁式电动机相比结构简单，体积较小，重量轻。而且永久磁钢产生的磁场可认为恒定，在控制方案中视为常数，从而简化了控制方案的设计。此外，其稳定性能和可靠性能超过了电磁式电动机，EPS系统属于中小功率范围，永磁式电动机可提供足够的功率，因此系统采用永磁式电动机。永磁式电动机有直流伺服电动机、无刷直流电动机和直流力矩电动机三种选择方案。

直流伺服电动机的起动转矩大，调速范围广，机械特性和调节特性的线性度好，控制系统和控制方案简单。但是直流电动机的转子是带铁心的，加之铁心有齿槽，如果电动机的转动惯量大，机电时间常数较大，灵敏度较差；转矩波动较大，低速运转不够平稳；电动机换向时易产生火花，不够安全，并影响电动机的寿命。电动机结构做了特殊处理之后，可以保证转矩波动小，转动惯量低，电动机采取全封闭的形式，从而去除了因换向火花带来的不良影响。

由于直流伺服电动机有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触影响了电动机的精度、性能和可靠性，所产生的电火花不够安全，因此有的电动助力转向系统采用无刷直流电动机。无刷直流电动机既有直流电动机的特性，又有交流电动机的结构简单、运行可靠及维护方便等优点。

无刷直流电动机是把电子技术融入电动机领域，将电子线路和电动机融为一体的产物。无刷直流电动机是由电动机转子位置传感器和电子开关线路一部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而控制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。其中转子是由永磁材料制造，具有一定磁极对数的永磁体。

无刷直流电动机是采用电子换向开关元件进行换向，既具有直流电动机的优点，又具有交流电动机的没有换向器和电枢、维护方便、无火花、无电磁干扰、能在恶劣环境下工作的诸多优点，但无刷直流电动机的价格较高，且控制系统和控制方案复杂。

直流力矩电动机的工作原理和普通的直流伺服电动机相同。只是在结构和外形尺寸的比例有所不同。直流力矩电动机结构上采用扁平电枢，可增加电枢槽数、元件数和换向器片数，而且适当加大电动机气隙，所以力矩波动小，从而保证了低速下能够稳定运行。直流力矩电动机由于结构的特殊设计，因此其机械特性和调节的线性度好。直流力矩电动机的电磁时间常数小，电动机响应迅速，动态特性好。直流力矩电动机虽具有诸多优点，但价格比较高。

从价格、性能、控制的复杂度、开发周期以及现今国内电动机制造水平等方面进行综合权衡，本节所介绍的电动助力转向系统最终选择了直流伺服电动机。伺服电动机输出的转矩、转速和功率，应能满足负载运动要求，控制特性应能保证所需的调速范围和转矩变化范围。

8.3.3.4 电磁离合器

电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机，恢复手动控制转向。此外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器状态区域。本次设计采用的是干式单片电磁离合器。

8.3.3.5 减速机构

减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统上作性能的影响较大，因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。综合考虑助力电动机的安装位置和实现设计的难易程度，在此介绍的系统选用了蜗轮蜗杆减速机构，总减速比为29。

8.3.3.6 EPS控制器

整个控制器可分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节，进行电动机目标电流的决策，下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压，跟踪目标电流，对目标电流进行反馈和修正。根据EPS的特点，上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。EPS的电流控制方式为：控制器根据转向盘转矩传感器的输出、方向盘转角、角速度、车速传感器的输出和侧向加速度输出。由助力特性确定电动机的目标电流，然后电流控制器控制电动机的电流，使电动机输出目标助力矩。