【基本知识】
电子控制动力转向系统（Electronic Control Power Steering，EPS），简称电控动力转向系统，根据动力源不同可分为液压式电控动力转向系统（液压式EPS）和电动式电控动力转向系统（电动式EPS）。液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。通过电控动力转向系统，可使驾驶员在汽车低速行驶时操纵转向轻便、灵活，而在中、高速行驶时又可以增加转向操纵力，使驾驶员的手感增强，从而可获得良好的转向路感和提高转向操纵的稳定。
一、液压式电控动力转向系统
液压式电控动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同，液压式电控动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式。
（一）流量控制式EPS
这是一种根据车速传感器信号调解动力转向装置供应的压力油液，改变油液的输入输出流量，以控制转向力的方法。优点是，在原来动力转向功能上再增加压力油液流量控制功能即可，可以降低价格，简化结构。缺点是，当流向动力转向机构的压力油液降低到极限值时，将改变转向控制部分的刚度，使其下降到接近普通转向刚性，这样，在低供给油量区域内，对于快速转向会产生压力油量不足，降低了适应性。
图2-3-1所示为流量控制式电控动力转向系统的结构及原理。它的特点是在一般液压动力转向系统上再增加旁通流量控制阀、车速传感器、转向角速度传感器、电子控制单元和控制开关等。在转向液压泵与转向机体之间设有旁通管路，在旁通管路中又设有旁通流量控制阀。根据车速传感器、转向角速度传感器和控制开关等信号，电子控制单元向旁通流量控制阀按照汽车的行驶状态发出控制信号，控制旁通流量，从而调整向转向器供油的流量。
图2-3-1 日本蓝鸟牌轿车的电控动力转向装置
（a）结构；（b）系统原理
1—储液罐；2—转向柱；3—转向角速度传感器；4—EPS控制器；5—转向角速度传感器连接器；6—旁通流量控制阀；7—EPS控制线圈；8—转向传动机构；9—机油泵
当转向器供油流量减少时，动力转向控制阀灵敏度下降，转向助力作用降低，转向力增加。在这一系统中，利用仪表板上的转换开关，驾驶员可以选择三种适应不同行驶条件的转向力特性曲线，如图2-3-2所示。另外，电子控制单元还可根据转向角速度传感器输出信号的大小，在汽车急转弯时，按照图2-3-3所示的转向力特性实施最优控制。
图2-3-4所示为该系统旁通流量控制阀的结构。在阀体内装有主滑阀和稳压滑阀，在主滑阀的右端与电磁线圈柱塞连接，主滑阀与电磁线圈的推力成正比移动，从而改变主滑阀左端流量主孔的开口面积。调整调节螺钉可以调节旁通流量的大小。稳压滑阀的作用是保持流量主孔前后压差的稳定，以使旁通流量与流量主孔的开口面积成正比。当因转向负荷变化而使流量主孔前后压差偏离设定值时，稳压滑阀阀芯将在其左侧弹簧张力和右侧高压油压力的作用下发生滑移。如果压差大于设定值，则阀芯左移，使节流孔开口面积减小，流入到阀内的液压油量减少，前后压差减小；如果压差小于设定值，则阀芯右移，使节流孔开口面积增大，流入到阀内的液压油量增多，前后压差增大。流量主孔前后压差的稳定，保证了旁通流量的大小只与主滑阀控制的流量主孔的开口面积有关。
图2-3-2 三种不同的转向力特性曲线
图2-3-3 汽车急转弯时的转向力特性
图2-3-4 旁通流量控制阀结构
1—流量主孔；2—主滑阀；3—电磁线圈柱塞；4—调节螺钉；5—电磁线圈；6—节流孔；7—稳压滑阀
当控制单元、传感器、开关等电气系统发生故障时，安全保险装置能够确保与一般动力转向装置的功能相同。
（二）反力控制式EPS
反力控制式电控动力转向系统是一种根据车速大小，控制反力室油压，从而改变输入、输出增益幅度以控制转向力。其优点表现在，具有较大的选择转向力的自由度，转向刚度大，驾驶员能感受到路面情况，可以获得稳定的操作手感等。其缺点是结构复杂，且价格较高。
反力控制式动力转向系统的组成与工作原理如图2-3-5所示。该系统主要由转向控制阀、分流阀、电磁阀、转向动力缸、转向液压泵、储液罐、车速传感器及电子控制单元等组成。转向控制阀是在传统的整体转阀式动力转向控制阀的基础上增设了油压反力室而构成。扭力杆的上端通过销子与转阀阀杆相连，下端与小齿轮轴用销子连接。小齿轮轴的上端通过销子与控制阀阀体相连。转向时，转向盘上的转向力通过扭力杆传递给小齿轮轴。当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀体和转阀阀杆之间将发生相对转动，于是就改变了阀体和阀杆之间油道的通、断和工作油液的流动方向，从而实现转向助力作用。
图2-3-5 反力控制式动力转向系统的组成与工作原理
1—转向盘；2—扭杆；3—储液罐；4—接口；5—销钉；6—控制阀轴；7—回转阀；8—小齿轮轴；9—左室；10—右室；11—动力缸；12—活塞；13—齿条；14—小齿轮；15—转向齿轮箱；16—柱塞；17—油压反力室；18—电磁阀；19—油泵；20—分流阀；21—小节流孔
分流阀的作用是把来自转向液压泵的液压油向控制阀一侧和电磁阀一侧进行分流。按照车速和转向要求，改变控制阀一侧与电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一侧具有稳定的液压油流量。固定小孔的作用是把供给转向控制阀的一部分流量分配到油压反力室一侧。
电磁阀的作用是根据需要，将油压反力室一侧的液压油流回储液罐。
电子控制单元（ECU）根据车速的高低线性控制电磁阀的开口面积。当车辆停驶或速度较低时，ECU使电磁线圈的通电电流增大，电磁阀开口面积增大，经分流阀分流的液压油，通过电磁阀重新回流到储液罐中，所以作用于柱塞的背压（油压反力室压力）降低。于是柱塞推动控制阀转阀阀杆的力（反力）较小，因此只需要较小的转向力就可使扭力杆扭转变形，使阀体与阀杆产生相对转动而实现转向助力作用。
当车辆在中、高速区域转向时，ECU使电磁线圈的通电电流减小，电磁阀开口面积减小，所以油压反力室的油压升高，作用于柱塞的背压增大，于是柱塞推动转阀阀杆的力增大，此时需要较大的转向力才能使阀体与阀杆相对转动（相当于增加了扭力杆的扭转刚度）而实现转向助力作用，所以在中、高速时可使驾驶员获得良好的转向手感和转向特性。
图2-3-6所示为丰田汽车公司“马克Ⅱ”型车用反力控制式动力转向系统结构。图2-3-7所示为转向控制阀（增设了反力油压控制阀和油压反力室）的结构。
图2-3-8所示为电磁阀的结构及其特性。输入到电磁阀中的信号是通、断脉冲信号，改变信号占空比（信号导通时间所占的比例），就可以控制流过电磁阀线圈平均电流值的大小。
（三）阀灵敏度控制式EPS
阀灵敏度控制式电控转向系统是根据车速控制电磁阀，直接改变动力转向控制阀的油压增益（阀灵敏度）来控制油压的。这种转向系统结构简单、部件少、价格便宜，而且具有较大的选择转向力的自由度，与反力控制式转向相比，转向刚性差，但可以最大限度提高原来的弹性刚度来加以克服，从而获得自然的转向手感和良好的转向特性。图2-3-9所示为89型地平线牌轿车所采用的阀灵敏度可变控制式动力转向系统。该系统对转向控制阀的转子阀进行了局部改进，并增加了电磁阀、车速传感器和电子控制单元等。
图2-3-6 “马克Ⅱ”型电控动力转向系统结构
图2-3-7 反力控制式动力转向控制阀结构
1—扭杆；2—回转阀；3—油压反力室；4—柱塞；5—控制阀轴
1.转子阀
图2-3-10所示为实际的转子阀结构剖面。一般在圆周上形成6条或8条沟槽，各沟槽利用阀部外体，与泵、动力缸、电磁阀及储液罐连接。
图2-3-11（a）所示为阀部的等效液压回路，转子阀的可变小孔分为低速专用小孔（1R、1L、2R、2L）和高速专用小孔（3R、3L）两种，在高速专用可变孔的下边设有旁通电磁阀回路。其工作过程如下：
当车辆停止时，电磁阀完全关闭，如果此时向右转动转向盘，则高灵敏度低速专用小孔1R及2R在较小的转向扭矩作用下即可关闭，转向液压泵的高压油液经1L流向转向动力缸右腔室，其左腔室的油液经3L、2L流回储液罐。所以此时具有轻便的转向特性。而且施加在转向盘上的转向力矩越大，可变小孔1L、2L的开口面积越大，节流作用就越小，转向助力作用越明显，如图2-3-11（b）所示。
图2-3-8 电磁阀的结构及其特性
（a）阀节流面积随电流的变化；（b）输出电流随车速的变化
图2-3-9 阀灵敏度可变控制动力转向装置
随着车辆行驶速度的提高，在电子控制单元的作用下，电磁阀的开度也线性增加，如果向右转动转向盘，则转向液压泵的高压油液经1L、3R旁通电磁阀流回储液罐。此时，转向动力缸右腔室的转向助力油压就取决于旁通电磁阀和灵敏度低的高速专用可变孔3R的开度。车速越高，在电子控制单元的控制下，电磁阀的开度越大，旁路流量越大，转向助力作用越小；在车速不变的情况下，施加在转向盘上的转向力越小，高速专用小孔3R的开度越大，转向助力作用也越小，当转向力增大时，3R的开度逐渐减小，转向助力作用也随之增大。由此可见，阀灵敏度控制式动力转向系统可使驾驶员获得非常自然的转向手感和良好的速度转向特性，具有从低速到高速的过渡区间的多工况转向特性，如图2-3-11（c）所示。由于电磁阀的作用，按照车速控制可变小孔的油量，因而可以按顺序改变特性。
图2-3-10 转子阀及电磁阀剖面
1—动力缸；2—电磁阀；3—储液罐；4—泵
图2-3-11 阀部的等效液压回路
2.电磁阀
电磁阀结构如图2-3-10中部件2，该阀设有接控制上下流量的旁通油道，是可变的节流阀。在低速时向电磁线圈通以最大的电流，使可变孔关闭，随着车速升高，依次减小通电电流，可变孔开启；在高速时，开启面积达到最大值。该阀在左右转向时，油液流动的方向可以逆转，所以在上下流动方向中，可变小孔必须具有相同的特性。为了确保高压时流体有效作用于阀，必须提供稳定的油压控制。
3.电子控制单元
电子控制单元接收来自车速传感器的信号，控制向电磁阀和电磁线圈输出电流。图2-3-12所示为控制系统电路。
图2-3-12 控制系统电路
电动转向系统组成及原理
二、电动式电控动力转向系统
电动式电控动力转向系统是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的电动助力式转向系统。该系统仅需要控制电机电流的方向和幅值，不需要复杂的控制机构。另外，该系统由于利用微机控制，为转向系统提供了较高的自由度，同时还降低了成本，减小了质量。
电动式动力转向系统主要特点如下：
（1）电动机、减速机、转向柱和转向齿轮箱可以制成一个整体，管道、油泵等不需单独占据空间，易于装车。
（2）基本上只增加电动机和减速机，省去了液压管道等部件，使整个系统趋于小型轻量化。
（3）油泵仅在必要时用来使电动机运转，故可以节能。
（4）因为零件数目少，不需要加油和抽空气，所以在生产线上的装配性好。由此，从发展的角度看，电动式电控动力转向系统将成为标准件装备在汽车上。
（一）电动式电控动力转向系统的结构与工作原理
电动式电控动力转向系统基本上是由扭矩传感器、车速传感器、控制元件、电动机等组成的，如图2-3-13所示。
图2-3-13 电动式电控动力转向系统的组成
1—转向盘；2—输入轴；3—电控单元；4—电动机；5—电磁离合器；6—转向齿条；7—横拉杆；8—转向轮；9—转向齿轮；10—输出轴；11—扭杆；12—转矩传感器
在操纵转向盘时，扭矩传感器根据输入力的大小产生相应的电压信号，由此检测出操纵力的大小，同时根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再控制电动机的电流，形成适当的转向助力。
1.扭矩传感器
扭矩传感器的作用是测量转向盘与转向器之间的相对转矩，以作为电动助力的依据之一。
图2-3-14所示为无触点式扭矩传感器的结构及工作原理。在输出轴的极靴上分别绕有A、B、C、D四个线圈，转向盘处于中间位置（直驶）时，扭力杆的纵向对称面正好处于图示输出轴极靴AC、BD的对称面上。当在U、T两端加上连续的输入脉冲电压信号Ui时，由于通过每个极靴的磁通量相等，所以在V、W两端检测到的输出电压信号UO＝0。转向时，由于扭力杆和输出轴极靴之间发生相对扭转变形，极靴A、D之间的磁阻增加，B、C之间的磁阻减少，各个极靴的磁通量发生变化，于是在V、W之间就出现了电位差。其电位差与扭力杆的扭转角和输入电压Ui成正比。
图2-3-14 无触点式扭矩传感器
（a）结构；（b）工作原理
所以，通过测量V、W两端的电位差就可以测量出扭力杆的扭转角，于是也就知道转向盘施加的转矩。
图2-3-15所示为滑动可变电阻式扭矩传感器的结构。它是将负载力矩引起的扭力杆角位移转换为电位器电阻的变化，并经滑环传递出来作为转矩信号。
图2-3-15 滑动可变电阻式扭矩传感器结构
1—小齿轮；2—滑环；3—轴；4—扭杆；5—输出端；6—外壳；7—电位器
2.电动机、离合器、减速机
EPS上所采用的电动机是在一般汽车用电动机基础上加以改进后得到的。为了改善操纵感、降低噪声和减少振动，有的电动机转子外圆表面开有斜槽，有的则改变定子磁铁的中心处或底部的厚度。电动机的特性如图2-3-16所示。
转向助力用直流电动机需要正反转控制，图2-3-17所示为一种比较简单适用的控制电路。a1、a2为触发信号端。当a1端得到输入信号时，晶体管T3导通，T2得到基极电流而导通，电流经T2、电动机M、T3搭铁而构成回路，于是电动机正转；当a2端得到输入信号时，电流则经T1、电动机M、T4搭铁而构成回路，电动机则因电流方向相反而反转。控制触发信号端电流的大小，就可以控制通过电动机电流的大小。
图2-3-16 电动机的特性
图2-3-17 电动机正反转控制电路
电动机的工作范围限定在某一速度区域内，如果超过规定速度，则离合器使电动机停转，离合器分离，不再起传递动力的作用。在不加助力的情况下，离合器可以清除电动机惯性的影响。同时，在系统发生故障时，因离合器分离，可以恢复手动控制转向。
为了减少加与不加助力时驾驶车辆感觉的差别，可设法使离合器具有滞后输出特性，同时还使其具有半离合状态区域。
图2-3-18为单片干式电磁离合器的工作原理。当电流通过滑环进入电磁离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主动轮压紧，于是电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键、从动轴传递给执行机构。
减速机构（如图2-3-19所示）是把电动机的输出放大后再传给转向齿轮箱的主要部件，有多种组合方式，如两级行星齿轮与传动齿轮驱动组合式，蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式等。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构上采用了部分树脂材料及特殊齿形。
图2-3-18 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—滚动轴承
图2-3-19 减速机构
1—电动机传动齿轮；2、6—传动齿轮；3、5—太阳轮；4、7—齿圈；8—传动齿
（二）电动式电控动力转向系统的控制
1.控制电路
控制电路如图2-3-20所示。控制电路的中心是8位的单片微型计算机，内装256字节的RAM，4K位的ROM和8位的A/D变换器。
主扭矩传感器和辅助扭矩传感器的扭矩及电动机的电流信号通过A/D变换器输入微型计算机中，而车速信号、发动机转速、蓄电池电压和起动机开关的通断状态、交流发电机的L端子电压则通过接口电路输入微型计算机中。
扭矩信号通过A/D变换器输入计算机后，计算机根据车速范围按照规定的扭矩——电动机电流变换值，确定出电动机的电流指令值，把电流指令值输入到D/A变换成模拟信号，之后输入电流控制电路中；同时，计算机还输出电动机的旋转方向指示信号，这个信号输入电动机的驱动电路后，便决定了电动机的旋转方向。
图2-3-20 控制电路
电流控制电路把上述的已成为模拟信号的电流指令与电动机的实际电流相比较后，产生二者幅度相同的斩波信号，驱动电路收到斩波信号与旋转方向指令信号之后，则输出指令，驱动功率MOS-FET电路，控制电动机的电流，使其按规定的方向旋转。
当超过规定的车速时，离合器的驱动信号被切断，电动机与减速机构分离，同时电动机也停止工作。
2.故障诊断与安全保护
控制元件具有故障自我诊断功能，当发生电气系统故障时，能自动停止助力。同时，计算机可以记忆故障内容，并使故障指示灯点亮。维修时可读取故障码，找出故障原因。
提示：出现电气故障后，控制电路停止向电动机供电，在装有离合器的EPS上，离合器脱开，恢复到手动控制转向。
三、电控动力转向系统检修
下面以丰田皇冠轿车为例介绍电动式电控动力转向系统检修方法。
（一）系统组成及部件安装位置
电动式电控动力转向系统组成如图2-3-21所示。部件安装位置如图2-3-22所示。
为了提供转向助力，电控动力转向系统通过操作安装在动力转向拉杆总成上的电机产生扭矩。
辅助动力的方向和大小由来自扭矩传感器的信号来确定，并根据车速来控制。因此，在低速行驶时，转向力小；高速行驶时，转向力应适度地提高。
1.组件功能
组件功能如表2-3-1所示。
图2-3-21 电动式电控动力转向系统组成
图2-3-22 部件安装位置
表2-3-1 组件功能
2.操作说明（如图2-3-23所示）
（1）扭矩传感器安装在主轴的输入轴上和小齿轮轴的输出轴上。输入和输出轴通过铰链扭杆连接在一起。
（2）如果转动转向盘，则铰链扭杆就会扭曲，每一个扭矩传感器就会检测到转向角的不同。根据转向角的不同，动力转向ECU总成计算扭矩。
（3）根据车速和步骤（2）中获得的扭矩，动力转向ECU总成计算合适的辅助扭矩，然后ECU控制电机驱动电路，以使之产生辅助扭矩。
图2-3-23 操作说明
（4）滚珠螺母安装在电机轴上。通过滚珠可以把电机的旋转运动转变成转向齿条的直线运动。
（5）以上过程中助力的产生，将会减小驾驶员操作时的转向力。
（二）系统检修
1.检修注意事项
（1）断开蓄电池负极端子后，在重新连接端子时，要对下列系统进行初始化。
①电动窗控制系统。
②滑动天窗系统。
③驻车辅助监视系统。
（2）操作电子部件。
①避免撞击电子零件，比如ECU和继电器。如果掉落撞击或严重弯曲则更换新件。
②不要把任何电子部件暴露在高温和潮湿环境下。
③为了防止由于静电而引起变形或故障，不要触摸连接器端子。
④如果更换新的动力转向ECU总成，则需初始化转向角传感器并校准扭矩传感器的零点。
（3）操作动力转向拉杆总成。
①避免撞击动力转向拉杆总成，尤其是电机或扭矩传感器。如果掉落撞击或发生严重弯曲则更换新件。
②移动动力转向拉杆总成时，不要拉线束。
③如果更换新的动力转向拉杆总成，则应初始化转向角传感器并校准扭矩传感器的零点。
（4）断开和重新连接连接器。
①断开与电动转向系统相关的连接器：打开点火开关（IG），打正转向盘，关闭点火开关，然后断开连接器。
②重新连接与电动转向系统相关的连接器：应确保关闭点火开关，打正转向盘，然后打开点火开关（IG）。
③转向盘没有打正时，不要打开点火开关（IG）。
④如果以上操作有误，则转向角中立点（零点）将会偏离，这样会导致在左右转向时转向力不同。如果左右转向时转向力不同，则应校准转向零点。
（5）CAN通信注意事项。
①CAN通信系统用于从制动防滑控制ECU、ECM和转向角传感器接收通信并传送警报至组合仪表。它也用于DLC3的TC和TS端子间的通信。如果CAN通信线路有问题，就会输出指示通信线路故障的DTC。
②如果CAN通信DTC输出，则应对通信线路进行故障排除。数据通信正常时，一定要启动电动转向系统的故障排除。
③由于每个CAN通信线路的长度和路径都是有规定的，所以不能用旁路接线等临时安装或修理。
2.故障症状
如果在DTC检查时显示故障代码，则要针对这个代码对所列电路进行检查。DTC检查期间，显示正常的系统码后，如果仍有故障发生，则按表2-3-2的顺序对应每个故障症状检查组件。
电动转向系统故障排除
表2-3-2 故障症状
