隨著電子技術的迅速發展，電子技術在汽車上的應用范圍不斷擴大。汽車轉向系統已從簡單的純機械式轉向系統、液壓動力轉向系統（HydraulicPowerSteering，簡稱HPS）、電動液壓助力轉向系統（ElectricHydraulicPowerSteering，簡稱EHPS）發展到如今的更為節能及操縱性能更為優越的電動助力轉向系統（ElectricalPowerSteering，簡稱EPS）。EHPS和EPS等助力系統在汽車上的采用，改善了汽車轉向力的控制特性，降低了駕駛員的轉向負擔，然而汽車轉向系統始終處于機械傳動階段，由于轉向傳動比固定，汽車轉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。如果轉向盤與轉向輪通過控制信號連接，即采用電子轉向系統（Steering-By-WireSystem，簡稱SBWS），轉向盤轉角和汽車前輪轉角之間關系（汽車轉向的角傳遞特性）的設計就可以得到改善，從而降低駕駛員的操縱負擔，改善人—車閉環系統性能。本文綜述了電子控制轉向技術的發展、原理，并探討了該項技術的發展趨勢。 一、電子控制轉向系統的發展概況 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向系統以來，液壓動力轉向系統給汽車的發展帶來了巨大的變化，使駕駛員的轉向操縱力大大降低，轉向的靈敏性得到了提高。隨著生產技術的發展，動力轉向系統在體積、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，又開發了變減速比、電控液壓動力轉向系統。但是動力轉向系統的技術革新都是基于液壓動力轉向系統的，無法消除HPS系統在布置、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出一種全新的電子控制式電動助力轉向系統，才真正擺脫了液壓動力轉向系統的束縛[1]。 此后，電動助力轉向技術得到迅速發展，其應用范圍已經從微型轎車向大型轎車和客車方向發展。日本的大發汽車公司、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公司已經為大眾的Polo、菲亞特Punto開發出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展，并且其控制形式與功能也進一步加強。日本早期開發的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-車速感應型助力轉向系統[4]。由Delphi公司為Funte車開發的EPS為全范圍助力型，并且設置了兩個開關，其中一個用于郊區，另一個用于市區和停車。當車速大于70km/h后，這兩種開關設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也不會發生危險。市區型開關還與油門有關，使得在踩油門加速和松油門減速時，轉向更平滑。 隨著電子技術的發展，EPS技術日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應用范圍將越來越大。 早在20世紀60年代末，德國Kasselmann等試圖將轉向盤與轉向車輪之間通過導線連接（即電子轉向系統），但由于當時電子和控制技術的制約，電子轉向系統一直無法在實車上實現。奔馳公司于1990年開始了前輪電子轉向系統的深入研發，并將其開發的電子轉向系統應用于概念車F400Carving上。世界其他各大汽車廠家、研發機構（包括Daimler-Chrysler、寶馬、ZF、DELPHI、TRW等）以及日本的光洋（Koyo）精工技術研究所、日本國立大學、本田汽車公司等也先后對汽車電子轉向系統做了深入研究。目前許多汽車公司開發了自己的電子轉向系統，一些國際著名汽車生產商已在其概念車上安裝了該系統。 日本Koyo技術研究所根據他們自己的研究試驗結果，利用電子轉向系統進行主動控制的汽車，在摩擦系數很小的堅實雪地上進行蛇行、移線、側向風試驗中基本按照預定的軌跡行駛，比傳統轉向系統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向系統方面也做了一些理論工作和模擬器試驗研究。他們從人—車閉環系統特性出發，設計了理想的轉向系統傳動比，使汽車的穩態增益不隨車速變化，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，應用了SBWS和BBW（Brake-By-Wire）技術，轉向盤的轉動范圍減少到了160°，使緊急轉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的因素，轉向電動機難以提供較大功率，現階段電子轉向系統的研究以及近期的應用對象主要針對轎車。要在重型載貨汽車上應用，還必須采用液壓執行機構。隨著蓄電池技術的發展和42V電子設備在汽車上的應用，全電子轉向系統將應用到中型和重型車上。目前，42V電源已經在一些概念車上得到應用，通用的“自主魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42V電源。 國內動力轉向器目前還處于機械—液壓動力轉向階段，對于電動助力轉向系統，清華大學、北京理工大學、華南理工大學等高校開展了系統結構方案設計和系統建模及動力分析等研究，但目前還沒有實用的電動助力轉向系統和電子轉向系統。 二、EPS的組成原理和分類 （一）EPS的組成 電動助力轉向系統是在傳統機械轉向機構的基礎上發展起來的。系統通常由轉矩傳感器、車速傳感器、電子控制器、電動機、電磁離合器和減速機構等組成[5]。Alto汽車電子控制動力轉向系統的組成如圖1所示。 （二）EPS的原理 電子控制動力轉向系統是利用電動機作為助力源，根據轉向參數和車速等，由微機完成助力工作的，其原理可概述如下。 不轉向時，電動機不工作；當操縱轉向盤時，裝在轉向盤軸上的轉矩傳感器不斷檢測轉向軸上的轉矩，并由此產生一個電壓信號，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這些輸入信號進行運算處理，確定助力轉矩的大小和方向，即選定電動機的電流和轉向，調整轉向的輔助動力。電動機的轉矩由電磁離合器通過減速機構減速增矩后，加在汽車的轉向機構上，使之得到一個與工況相適應的轉向作用力。 電子控制電動助力轉向控制系統的核心是一個4kBROM和256kBRAM的8位微機。 轉向盤轉矩信號和車速信號經過輸入接口送入微機，隨著車速的提高，通過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工作。微機控制指令經D/A轉換后送入電動機和離合器的驅動放大電路中，控制電動機的旋轉方向和離合器的結合。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，將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。 （三）EPS分類 根據電動機驅動部位的不同，將電動助力轉向系統分為3類：轉向軸助力式、轉向器小齒輪助力式和齒條助力式[6-10]。 圖1為轉向軸助力式轉向系統。其轉矩傳感器、電動機、離合器和轉向助力機構組成一體，安裝在轉向柱上。其特點是結構緊湊，所測取的轉矩信號與控制直流電動機助力的響應性較好。這種類型一般在轎車上使用。 小齒輪助力式轉向系統的轉矩傳感器、電動機、離合器和轉向助力機構仍為一體，只是整體安裝在轉向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可獲得較大的轉向力。該形式可使各部件布置更方便，但當轉向盤與轉向器之間裝有萬向傳動裝置時，轉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。 齒條助力式轉向系統的轉矩傳感器單獨地安裝在小齒輪處，電動機與轉向助力機構一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據減速傳動機構的不同可分為兩種: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。這種結構是第一代電動助力轉向系統，由于電動機位于齒條殼體內，結構復雜，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，已取代了第一代產品。因為齒條由一個獨立的齒輪驅動，可給系統較大的助力，主要用于重型汽車。 三、電子轉向系統 電子轉向系統（Steering-By-WireSystem，SBWS）由轉向盤模塊、轉向執行模塊和主控制器（ECU）3個主要部分以及自動防故障系統、電源等輔助模塊組成，如圖2所示。轉向盤模塊包括轉向盤、轉向盤轉角傳感器、轉矩傳感器和轉向盤回正力矩電動機。其主要功能是將駕駛員的轉向意圖（通過測量轉向盤轉角）轉換成數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，產生轉向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應的路感信息。 轉向執行 模塊由前輪轉角傳感器、轉向執行電動機、轉向電動機控制器和前輪轉向組件等組成。其主要功能是接收主控制器的命令，控制轉向電動機實現要求的前輪轉角，完成駕駛員的轉向意圖。 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，向轉向盤回正力矩電動機和轉向電動機發送命令，控制兩個電動機的工作，盡可能保證在不同車速下汽車轉向響應特性基本一致，減少駕駛員對汽車轉向特性隨車速變化而進行補償的任務，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，判定在當前狀態下駕駛員的轉向操作是否合理，當汽車處于非穩定狀態或駕駛員發出錯誤指令時，電子轉向系統將自動進行穩定控制或將駕駛員錯誤的轉向操作屏蔽，而以合理的方式自動駕駛車輛，使汽車盡快地恢復到穩定狀態。 故障處理控制器是電子轉向系統的重要模塊，它包括一系列的監控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級作出相應的處理，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。 電子轉向系統目前存在兩種形式:前輪電子轉向系統和后輪電子轉向系統。前者，傳統的轉向元件被2個布置在汽車前側角落的激勵器所代替，這2個激勵器從控制器獲取信息，從而驅動前輪，同時，該系統還利用電動機向駕駛員提供路面信息。至于后輪電子轉向系統，則是利用傳感器來確定后輪的偏轉，并以前輪的偏轉角度和車速作為參考。 四、電子控制動力轉向系統的特點 將電子控制動力轉向系統同普通液壓動力轉向系統的性能進行比較[8-12]，其優越性主要表現在以下幾個方面。 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向系統的擾動，改善汽車的轉向特性，減輕汽車低速行駛時的轉向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉向穩定性，進而提高汽車的主動安全性。并且可通過設置不同的轉向助力特性來滿足不同使用對象的需要。 2．電子控制動力轉向系統只有在轉向時電動機才提供助力（而HPS即使在不轉向時，油泵也一直運轉），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，因而其質量輕，結構緊湊，在安裝位置選擇方面也更容易，并且能降低噪聲、節省能源、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能否助力與發動機是否起動無關，即使在發動機熄火或出現故障時也能提供助力。 4．電子控制動力轉向系統沒有液壓回路，比HPS更容易調整和檢測，裝配自動化程度更高。并且可以通過設置不同的程序能快速地與不同車型相匹配，因而能縮短開發和生產周期。 5．液壓動力轉向系統在低溫下起動發動機后，由于低溫下油的粘度較大，轉向時作用力較高。電動助力轉向系統在低溫下不會增加轉向作用力和發動機負荷，因而其低溫運行狀況好于前者。 6．SBWS系統還能改善駕駛員的“路感”。由于轉向盤和轉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和路面狀況的信息，作為轉向盤回正力矩的控制變量，使轉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能消除轉向干涉問題，為實現多功能全方位的自動控制以及汽車動態控制系統和汽車平順性控制系統的集成提供了顯著的先決條件。 8．對前輪驅動汽車，在安裝發動機時需要考慮剛性轉向軸占用空間，轉向軸必須依據汽車是左側還是右側駕駛，安裝在發動機附近，設計人員必須協調處理各種需要安排部件。而SBWS去掉了原來轉向系統各個模塊之間的剛性機械連接，大大方便了系統的總布置。 五、電子控制動力轉向系統的發展趨勢 電動助力轉向系統經過十幾年的發展，在降低自重、減少生產成本，控制系統發熱、電流消耗、內部摩擦，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。電動助力轉向系統在操縱舒適性和安全性、節能等方面充分顯示了其優越性，如今已在輕型車和轎車上得到應用并具有良好的工作性能。隨著直流電機性能的改進，其應用范圍將越來越廣。據TRW公司預測，到2010年，全世界生產的每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、電動汽車將構成未來汽車發展的主體，這給電子控制轉向系統帶來了更加廣闊的應用前景。 盡管目前在歐洲汽車法規中要求駕駛員與轉向車輪之間必須有機械連接，電子轉向系統還不允許在歐洲上市。但只要生產商能夠有足夠的證據表明電子轉向系統的安全可靠性，它得到上市許可還是完全可能的。電子控制轉向系統的最終發展趨勢在以下幾個方面。 1．改善控制系統性能、減小控制單元和驅動單元的體積及降低控制系統的 制造成本，使之更好地與不同檔次汽車相適應。如改進電動機控制技術，消除由于電動機慣性大、摩擦力所帶來的轉向路感不足等缺點，使電動助力轉向系統也能應用于重型載貨汽車上。 2．實現電動助力轉向系統控制單元與汽車上其他控制單元的通訊聯系，以實現整車電子控制系統一體化。 3．將根據車速、轉矩、轉向角、轉向速度、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，以獲得更好的轉向路感。 4．提高系統的可靠性。這應從提高系統各部件的可靠性入手，如采用非接觸式轉矩傳感器。 5．提高系統的安全性。采用取消轉向盤的SBWS系統后，駕駛室有更大的空間用于布置被動安全部件，減少了危險發生時對乘員的傷害。 電動轉向技術由于其技術先進，性能優越，未來必將取代其他動力轉向技術，成為動力轉向技術的主流。線控動力轉向系統將是動力轉向系統的發展方向，是未來汽車對安全性、操縱穩定性和舒適性的更高要求，有著很好的發展前景。 當然，在汽車邁向全面線控轉向之前，電動轉向系統是“中站”，是第一步，當汽車裝有電動轉向系統時，其中的轉向電動機將接受一系 列傳感器信號，例如轉向控制、動態穩定控制等，最后機械的部分一個一個消失，逐漸變成了全面線控轉向。