2024-01-15 Share: 某純電動車電動輔助轉向調校及客觀測試

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目前隨著汽車產業的發展，汽車智慧駕駛功能普及，傳統的液壓轉向系統逐漸無法滿足要求，而電動輔助轉向系統則可滿足自動泊車、車道偏離等智慧駕駛功能要求。

電動輔助轉向系統的工作過程主要包括：駕駛員在轉向時，安裝在轉向管柱中的扭矩和角度感測器，根據檢測到的扭矩角度大小，發送信號到轉向控制器中。轉向控制器再結合整車CAN訊號中的車速訊號進行判斷，根據助力曲線中對應的扭矩大小，發送指令給轉向馬達輸出對應的大小的轉向助力扭矩，從而產生助力效果，減輕駕駛員操作手力。本文主要介紹某純電動車轉向調校過程及轉向客觀測試結果。

轉向阻力矩主要受汽車載重、四輪參數及轉向系統剛度等影響，這些隨整車參數確認而定。而駕駛直覺感受只有方向盤力矩，調整方向盤力矩只有透過優化調整電動輔助轉向曲線來實現，轉向曲線主要包括基本輔助和動態補償兩大部分，其具體工作原理如圖1。

基本助力包括：助力、回正和阻尼3大控制，其根據制定良好的曲線關係，根據即時擷取的方向盤轉矩、角度和車速訊號，輸出對應的助力扭力。而動態補償包括：摩擦、阻尼和慣性3大補償，其主要彌補馬達輔助的弊端，提高轉向時的整體效果。

本次轉向調校在轉向系統剛度不變的前提下，更換轉向馬達（馬達功率、電流提升），搭配對應助力曲線，進而滿足駕駛者的要求，提升轉向整體品質。

不同車速下轉向時對方向盤施加的扭矩不同，而整車滿載前載荷是固定的，因此需要電動助力轉向系統根據輸入扭矩的不同，產生對應的輸出扭矩，為駕駛員提供轉向助力。轉向調校的整體方向：駐車低速輕便，高速穩重。

在轉向小轉矩範圍內，助力矩應最小，​​隨轉矩值的上升，助力矩逐漸上升後維持一定值不變。其中小扭力內馬達小助力或不助力的目的為：保持駕駛時路面感覺的傳遞，防止喪失路感。而為保持較好的中間位置感覺，隨著車速的升高，不助力的區域應會增加。另一方面，助力上升後維持一定值不變，也是受馬達峰值功率限值，達到保護馬達的目的，避免過載狀況。

根據汽車轉向特性可知，汽車在靜止和低速狀態下受到的轉向阻力最大，因此所需的轉向輔助值最大。為達此目的，原地和低速時轉向助力曲線最高。而隨著車速的增加，施加的轉向輔助應逐步減小，使駕駛手力逐漸增大，以便獲得較好的路感，達到高速穩定的目的，提高行車安全。

在中高車速下，曲線中助力矩增大到一定值時也應該保持不變，且最高值的大小隨車速的增加逐漸降低，以便駕駛手力有明顯清晰增加的感覺，提高駕駛樂趣。曲線隨車速、轉角增加，各曲線的間隙要保持均勻，過渡要平滑，使力的增加過程無突變無波動，力的線性感好。

由於本次調校助力馬達功率提升，針對問題①，加大原地及低速時助力扭矩峰值大小，減小駕駛員手力，通過調校後評估測試滿足要求；針對問題②和問題③，增加各車速助力曲線間隙和峰值，使力的建立感清晰。而峰值提高可解決中高速和大轉角手力偏重問題。

圖2為調校前後基本助力曲線對比，橫坐標為扭矩傳感器檢測到的扭矩信號，其中轉向角度和扭矩成正比關係；縱坐標為助力電機扭矩的大小，值越大助力矩越大，手力越輕；不同顏色代表不同的速度下的助力曲線。透過調校前後的曲線對比可知，調校後曲線縱座標最大值提高到60 N·m，各速度下曲線峰值整體提高，且各曲線間隔較之前更加均勻，不同速度下曲線峰值有明顯的區分。經過一輪轉向調校，轉向品質有提升。

汽車的主動回正功能與車輪結構形式、車輪外傾角、主銷後傾角、內傾角、四輪參數及前軸總成摩擦力矩有關，而回正則主要包括低速回正和高速回正。某車型回正性能主要有以下問題：①低速工況轉向回正有較大的殘餘角，極限位置有卡滯情況；②中高速工況，小角度不回正，大角度回正速度偏快，方向盤有多次振盪情況。針對這2項問題，進行回正和阻尼控制調校。

回正控制主要針對中低速工況，不同角度、不同車速下的回正參數不同。原地靜止工況不存在回正性能；低速工況下所需回正力矩最大；隨車速的增加四輪主動回正力矩增加，所需力矩逐漸降低。當車速達到某一值後，助力矩為零，防止助力矩大於同工況下無助力時轉向驅動力矩，出現「打手」現象。

回正控制隨轉向角度的變化而逐漸增大，轉向達到一定角度後保持力矩恆定，0°轉向情況下方向盤已為回正狀態，回正力矩為零。而5～10°小角度工況，避免不回正情況，回正力矩最大。

圖3為回正控製曲線，橫座標為方向盤角度訊號，縱座標為助力馬達扭力大小，不同的顏色代表不同的速度曲線。透過調校前後的回正控製曲線對比，調校前的曲線針對低速回正有較大殘餘角，主要原因為回正力矩不足導致。調校後提高各速度下的助力扭矩，另一方面針對低速極限位置卡滯情況，提高低速（圖3中5 km/h）時極限角度的助力扭矩值，可有效避免卡滯不回位情況。

阻尼控制主要針對中高速工況，用於不同車速、不同角速度的阻尼補償。阻尼補償主要為了避免車輛本身回正力矩過大不容易收斂，EPS馬達以一定反向電流並持續一定的時間來抵消。當小於一定車速時，不添加阻尼，以防止低速迴位卡滯情況發生；而當大於一定車速工況時，車速和轉向速率越快，阻尼補償越大，來限值方向盤回正後來回左右擺動情況。

阻尼控制的另一個目的，則是減少路面衝擊對方向盤的影響。汽車中高速行駛時，由於路面的激勵較大，傳遞到方向盤上的振動比低速時大得多。為了抑制這種振動並優化手感，必須採用阻尼控制。

圖4為阻尼控製曲線，橫座標為方向盤轉角變化的角速度，縱座標為助力馬達扭力大小，不同的顏色代表不同的速度。透過對比調校前後的阻尼控製曲線，調校後的曲線針對回正速度過快的問題，降低助力扭矩的縱坐標大小，減少回正扭矩大小，以減緩回正速度。同時提高各曲線的斜率，阻尼控制更加精準，可有效抑制方向盤在中高速回正時來回擺動的問題。

透過回正和阻尼的協調調校，不同速度下的轉向回正性能有很大提升。

由於電動輔助轉向系統在機械轉向系統中增加了助力馬達和減速結構，使得整個轉向系統質量變大，隨之導致系統慣性變大，因此必須添加動態補償控制（圖5）。動態補償是根據預估的助力馬達轉速，產生一定反向的補償力矩，避免轉向馬達在開始階段和結束階段存在轉向黏滯感，導致轉向輔助跟隨性變差。

摩擦補償：由於轉向系統摩擦的存在，使方向盤正轉迴轉力矩均有差異。摩擦補償可有效彌補此力矩差，避免駕駛有「髮飄」的感覺，增強路感。

阻尼補償：用來克服馬達的阻尼對EPS動態性能的影響，確保高速時抑制回正超調和振盪的情況發生。阻尼補償產生的扭力與助力馬達的方向相反。

慣性補償：主要目的為克服轉向馬達的慣量對輸出的影響，抑制輸出力矩擾動，避免輸出有力矩波動情況，影響轉向手感。

從目前的汽車性能開發來說，都還是嚴格遵循著「從人的感覺中來，到人的感覺中去」的規則。也就是說，系統的性能發展是以人的感覺為出發點，然後設定轉向系統的性能工程目標，最後再用主觀評估的方式對轉向系統的性能開發目標進行驗證，客觀測試作為輔助。

將助力曲線調校後的樣車，從轉向力、轉向響應和轉向線性3方面進行主觀評估驗證（表1），透過與調校前和目標值進行對比，達到目標要求（圖6）。

主觀評估目標達成，後續進行一輪轉向客觀測試，作為最終的驗證發布數據留存。客觀測試主要進行轉向力測試及中間位置轉向，採用設備為測力方向盤及V-box車輛測試系統（圖7）。

轉向力測試中，包括原地轉向力和低速轉向力，測試方法參考JASO C705-2004中的要求。透過測試結果可以看出（表2） 、駐車及低速的目標為輕便，減輕駕駛人操作手力。經過對比，調校前平均力矩為2.53 N·m，調校後為1.47N·m，整體轉向力矩有下降，符合一般客戶的使用要求。

中間位置轉向試驗方法參考IS013674-1-2010141。透過測試不同車速下（40 km/h、60 km/h、80 km/h和100 km/h），側向加速度為0g和0.1g時方向盤力矩值（表3）。透過測試結果可以得出，隨著車速的逐漸提高，方向盤力矩逐漸增加，力的建立清晰。

綜上所述，電動輔助轉向調校的過程，首先針對調校車輛進行一輪初始狀態主觀評價，針對評估後的問題點，專項進行問題整改及性能最佳化。其過程主要是進行轉向曲線的最佳化調校，包括調整基本助力、回正控制、阻尼控制和動態補償等參數，然後根據調校的經驗值和建議值設定曲線的範圍和方向。當調校後目標達到要求後再進行一輪主觀評估和客觀測試留存。當軟體無法滿足要求後，可以透過提升轉向系統剛度（轉向管柱總成或轉向機安裝座椅襯套等），輔助提升轉向性能。

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