一、电动助力转向系统概述

在汽车技术的不断演进中，转向系统的性能始终是研究的焦点。转向系统，作为汽车底盘系统不可或缺的一部分，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性、驾驶舒适性以及行驶安全性。为了不断提升转向系统的性能，满足驾驶员在低速时对转向轻便性的需求，以及在高速时对路感和燃油经济性的追求，汽车转向系统已经历了多个发展阶段，包括机械转向系统、液压助力转向系统、电控液压助力转向系统，最终演变为电动助力转向系统。

液压助力转向系统（HPS）通过发动机驱动的转向油泵提供液压动力，并借助转向控制阀来实现助力转向。虽然它解决了机械转向系统在原地和低速转向时驾驶员负担过重的问题，但因其助力特性不随车速变化，高速行驶时容易导致转向“发飘”，影响驾驶员对路面反馈信息的掌握，进而降低转向路感。

为了克服这些不足，上世纪80年代日本光洋株式会社推出了电控液压助力转向系统（EHPS）。EHPS在传统HPS的基础上增加了电控系统，能够根据车速信号通过电磁阀调节液压助力系统的助力大小，从而实现助力矩随车速变化。然而，EHPS虽然满足了驾驶员在低速和高速时的不同需求，但其结构更为复杂，成本较高，且仍无法完全克服传统HPS的固有缺陷，如工艺复杂、助力特性受发动机转速影响、不转向时的能量消耗、液压油泄漏风险等。因此，EHPS更多被视为是从HPS到电动助力转向系统（EPS）的过渡性产品。
为了克服电控液压助力转向系统（EHPS）的诸多不足，日本捷太格特公司在上世纪80年代后期取得了重大突破，成功研发出首款转向柱式电动助力转向系统（EPS），并率先将其应用在铃木公司的Cervo小型轿车上。此后，众多汽车制造厂商纷纷加入EPS系统的研发与生产，推动了EPS技术的迅猛发展。如今，EPS系统已凭借其出色的性能，逐步成为汽车动力转向系统的新宠，并有望全面取代传统的液压动力转向系统，展现出广阔的应用前景。在现代汽车工业中，除了少数特定车型（例如比亚迪低配F0）外，几乎所有车型都配备了某种形式的转向助力系统。

二、EPS的基本结构

电动助力转向系统（EPS）是一种利用电动机提供动力，辅助驾驶员进行转向操作的动力转向系统。其助力电机安装位置的不同，会导致EPS系统类型的差异。大致上，EPS系统可分为三类：转向管柱助力式EPS（Column-EPS, C-EPS）、小齿轮助力式EPS（Pinion-EPS, P-EPS）和齿条式助力式EPS（Rack-EPS, R-EPS）。这些不同类型的EPS系统，如上图1所示，各具特点，广泛应用于各类汽车中。

图1展示了三种不同类型的EPS系统：转向管柱助力式EPS（Column-EPS, C-EPS）、小齿轮助力式EPS（Pinion-EPS, P-EPS）和齿条式助力式EPS（Rack-EPS, R-EPS）。这些系统因助力电机安装位置的不同而有所差异，各自具有独特的特点，并广泛适用于各种汽车。

1. C-EPS
   在C-EPS系统中，助力电机及其减速器被精心布置在转向管柱之上。当电机启动时，其产生的转矩会与驾驶员的转矩相互协作，共同驱动转向管柱的旋转。这一旋转动作再经由中间轴和小齿轮的传递，最终作用于齿条，从而为驾驶员提供所需的助力。由于C-EPS系统特别适合那些助力需求不高的紧凑型汽车，并且电机位置靠近方向盘，因此它能够轻松地将路面的振动反馈至方向盘，为驾驶者带来更为真实的驾驶体验。
   
   图2展示了C-EPS的详细结构。从图中可以看出，助力电机及其减速器被巧妙地安置在转向管柱之上，与驾驶员的转矩协同工作，共同驱动转向管柱的旋转。这一旋转动作再经由中间轴和小齿轮的精密传递，最终推动齿条，为驾驶员提供所需的助力。这种设计不仅适用于助力需求不高的紧凑型汽车，更因其电机位置靠近方向盘，能有效地将路面振动反馈至方向盘，为驾驶者带来逼真的驾驶感受。

2. P-EPS
   电机被精心布置在小齿轮与齿条的啮合位置，使得整个系统结构显得紧凑且高效。这种设计特别适用于那些助力需求不大的小型车辆，既节省了空间又满足了驾驶需求。
   
   图3展示了P-EPS的结构图，它清晰地描绘了电机与小齿轮、齿条之间的巧妙布置，彰显了该系统的紧凑与高效。这种设计非常适合助力需求较小的小型车辆，不仅节省了宝贵的空间，还能充分满足驾驶时的助力需求。

3. DP-EPS
   双小齿轮EPS，其转向机设计巧妙，配备了两个小齿轮与齿条进行啮合。其中一个齿轮由电机驱动，实现助力转向，而另一个齿轮则负责传递驾驶员的受力，确保精准操控。这种设计在小型车辆上表现出色，既节省了空间，又提供了卓越的操控性能。
   
   图4展示了DP-EPS的详细结构，其中包括两个小齿轮与齿条的巧妙啮合设计。这种结构不仅节省了空间，更为小型车辆带来了卓越的操控性能。
   

4. R-EPS

R-EPS，即齿条平行式电子助力转向系统，其特点在于将电机直接与齿条相结合，实现助力功能。这种设计特别适用于需要较大助力的中大型车辆，通常通过滚珠丝杆和皮带等传动机构，将电机的助力有效地传递至齿条，从而提升车辆的操控性能。

图6展示了R-EPS的结构图，其中电机与齿条直接相连，通过滚珠丝杆和皮带等传动部件，实现助力功能的有效传递。这种设计在中大型车辆上得到广泛应用，旨在提升车辆的操控性能。

三、EPS的基本工作原理

不同类型的EPS系统，其组成和工作原理大致相似。它们通常包含机械转向系统、扭矩传感器、车速传感器、EPS控制单元、助力电机以及减速机构等核心部件。这些系统的结构选择会受到助力需求和空间布局的显著影响。为了更具体地说明这一点，我们以C-EPS系统的结构示意图为例进行分析。

图2展示了C-EPS系统的结构示意图。当驾驶员转动方向盘时，扭杆会发生变形，这一变形被扭矩传感器捕捉并转化为电压信号，随后传递给EPS控制单元。控制单元会依据当前的转向盘转矩、车速等综合信息，计算出助力电机所需的目标电流大小。结合实际电机电流的检测结果，通过电流控制算法，控制单元会计算出适当的控制电压，并通过逆变器作用于助力电机上。助力电机产生的力矩经过蜗轮蜗杆减速器的传递，最终作用在转向输出轴上，从而实现了助力转向的功能。

EPS系统具有诸多优点：它能在不同的工况下提供最适宜的助力效果，如低速时提供大助力，高速时则调整手感；它还改善了回正功能，通过主动施加回正力矩及阻尼力矩，实现在低速时的快速回正，以及在高速时的抑制超调和振荡；此外，EPS系统具有高达90%的效率，结构紧凑，工作温度区间广泛，且易于调整和匹配。同时，其功能还具有良好的扩展性，能够与其他电控系统进行协调控制。

四、EPS的控制策略

EPS系统的控制策略是确保其能够根据不同的驾驶需求和车辆状态提供适宜助力的重要环节。它涉及多个方面的综合考量，包括对转向盘转矩、车速等信息的实时捕捉和处理，以及对助力电机目标电流的精准计算和控制。通过先进的电流控制算法和逆变器技术，EPS系统能够实现对助力电机的有效控制，从而确保助力转向功能的稳定发挥。同时，其控制策略还具有高度的灵活性和可调整性，以适应不同驾驶员的驾驶习惯和车辆性能的需求。

1. 基本助力控制
   在汽车低速转向时，EPS系统会提供足够的助力力矩，帮助驾驶员轻松完成转向操作，既提升了转向的便捷性，又减轻了驾驶员的负担。而当汽车高速行驶时，EPS系统则会减少助力力矩的输出，确保驾驶员能够清晰地感受到路面的反馈，从而保障汽车在高速行驶中的稳定性。
2. 回正控制
   虽然汽车自身具备一定程度的被动回正能力，但仅凭这种回正力矩往往不足以使EPS系统方向盘自动回到中间位置。因此，EPS系统需要介入并执行主动回正控制，以确保方向盘能够平稳且迅速地回到中间位置。ECU根据方向盘转矩、转角以及车速等输入信号来解读驾驶员的驾驶意图。一旦ECU判断出方向盘正在进行自动回正操作，便会指令助力电机提供适当的助力，从而协助方向盘完成回正动作。
3. 阻尼控制
   当汽车以较高速度行驶时，方向盘的转速过快可能会引发车辆侧翻的风险。因此，阻尼控制被引入以抑制方向盘的转速，确保高速行驶的稳定性。此外，在高速公路上行驶经过不平坦路面时，阻尼控制能够通过助力电机的反电动势来减轻方向盘的抖动，进而提升驾驶员的行车舒适度。