EPS là gì
1. Sơ lượt
Hệ thống lái trợ lực điện EPS (Electric power Driving) là hệ thống trợ lực lái trực tiếp dựa vào động cơ để cung cấp mô-men xoắn phụ trợ. So với hệ thống lái trợ lực thủy lực truyền thống HPS (trợ lực lái thủy lực), hệ thống EPS có nhiều ưu điểm hơn: chỉ khi cần đánh lái. nó có thể cung cấp sự trợ lực tốt nhất trong các điều kiện lái xe khác nhau và giảm sự xáo trộn của mô-men xoắn đầu ra của động cơ gây ra bởi mặt đường không bằng phẳng để hỗ trợ hệ thống thông qua hoạt động của thiết bị truyền động. Cải thiện đặc tính lái của ô tô và nâng cao tính an toàn chủ động của ô tô; không có mạch thủy lực, việc điều chỉnh và phát hiện dễ dàng hơn, mức độ tự động hóa lắp ráp cao hơn và có thể nhanh chóng khớp với các mô hình khác nhau bằng cách thiết lập các chương trình khác nhau, rút ngắn chu kỳ sản xuất và phát triển; không có vấn đề rò rỉ dầu và giảm ô nhiễm môi trường.
Hệ thống EPS là một xu hướng phát triển của hệ thống trợ lực lái trong tương lai.
Sơ đồ cấu trúc EPS
Hình 1 Sơ đồ cấu trúc EPS
Như trong hình 1, EPS chủ yếu bao gồm cảm biến mô-men xoắn, cảm biến tốc độ xe, động cơ điện, cơ cấu giảm tốc và bộ điều khiển điện tử (ECU). Cảm biến phát hiện độ lớn và hướng của mô-men xoắn hoặc góc do vô lăng tạo ra trong quá trình lái của người lái, đồng thời chuyển đổi thông tin cần thiết thành tín hiệu kỹ thuật số và đưa chúng vào bộ phận điều khiển. Cuối cùng, lệnh được đưa ra để điều khiển động cơ làm việc, và mô-men xoắn đầu ra của động cơ được hỗ trợ bởi hoạt động của thiết bị truyền động. Do đó, cảm biến mô men xoắn là một trong những thành phần quan trọng nhất trong hệ thống EPS. Có nhiều loại cảm biến mô-men xoắn, chủ yếu bao gồm cảm biến mô-men xoắn chiết áp, cảm biến mô-men xoắn đo biến dạng kim loại, cảm biến mô-men xoắn không tiếp xúc,… Với sự tiến bộ của công nghệ, sẽ có những loại cảm biến có độ chính xác cao hơn và giá thành thấp hơn.
2. Cảm biến mômen chiết áp
Cảm biến mô-men xoắn chủ yếu có thể được chia thành loại cánh tay xoắn, loại bánh răng hành tinh hai tầng và loại thanh xoắn. Trong số đó, thước đo thanh xoắn có cấu tạo đơn giản và độ tin cậy tương đối cao, được sử dụng rộng rãi trong thời kỳ đầu.
2.1 Cấu tạo và nguyên lý của cảm biến mômen xoắn thanh xoắn trong EPS
Cảm biến mô men xoắn thanh xoắn có cấu tạo chủ yếu là lò xo thanh xoắn, bộ biến đổi góc và chiết áp. Chức năng chính của lò xo thanh xoắn là phát hiện mô men xoắn mà người lái tác động lên vô lăng và chuyển nó thành góc quay tương ứng. Bộ chuyển đổi độ dịch chuyển góc quay là một cặp cơ cấu xoắn, chuyển đổi góc quay tương đối của hai đầu của lò xo thanh xoắn thành độ dịch chuyển dọc trục của ống trượt, bao gồm một quả cầu cứng, một rãnh xoắn ốc và một thanh trượt. Thanh trượt có thể di chuyển theo hướng xoắn so với trục đầu vào, trong khi thanh trượt được gắn trên trục đầu ra thông qua một chốt và có thể di chuyển theo hướng thẳng đứng so với trục đầu ra. Do đó, khi trục đầu vào quay so với trục đầu ra, con trượt sẽ di chuyển theo phương thẳng đứng theo chiều quay của trục đầu vào và lượng quay so với trục đầu ra. Khi vô lăng quay, mômen xoắn được truyền đến thanh xoắn, và hướng của trục đầu vào so với trục đầu ra bị lệch. Độ lệch là chuyển động của thanh trượt, chuyển động của các hướng trục này được chuyển thành góc quay đòn bẩy của chiết áp, chuyển động của tiếp điểm trượt trên đường kháng làm cho giá trị điện trở của chiết áp thay đổi tương ứng, và sự thay đổi của điện trở được biến đổi thành điện áp thông qua chiết áp. Bằng cách này, tín hiệu mô-men xoắn được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp.
2.2 Thiết kế cảm biến mô men xoắn thanh xoắn
Thanh xoắn là một bộ phận quan trọng trong toàn bộ cảm biến mô men xoắn thanh xoắn, vì vậy mấu chốt của việc thiết kế cảm biến mô men xoắn thanh xoắn chính là thiết kế của thanh xoắn. Thanh xoắn được nối với trục vô lăng thông qua một trục vô lăng có răng mịn và đầu kia được nối với trục ra của lái thông qua một chốt xuyên tâm (đường kính D). Cấu trúc cơ bản được thể hiện trong Hình 2.
Cấu trúc thanh xoắn phần hình trụ
Hình 2 Sơ đồ cấu tạo của thanh xoắn tiết diện hình trụ
Đường kính ngoài của cấu trúc cuối của thanh xoắn răng cưa spline bất khả kháng
d {{0}} (1,15 ~ 1,25) d, chiều dài L=(0. 5 ~ 0,7) d, để tránh tập trung căng thẳng quá mức, khi sử dụng miếng phi lê quá mức, bán kính R=(3 ~ 5) d, chiều dài hiệu dụng của thanh xoắn là l, d là đường kính chiều dài hiệu dụng của thanh xoắn.
Độ cứng xoắn k của thanh xoắn là một đại lượng vật lý quan trọng của thanh xoắn, có thể được tính bằng cách tham khảo công thức sau.
Khi nó chịu mômen T, ứng suất cắt xoắn τ và góc biến dạng φ lần lượt là:
Độ cứng xoắn của nó là:
Trong đó đường kính thanh xoắn d, chiều dài hiệu dụng, mômen quán tính Ip, hệ số tiết diện xoắn Zi
Hình 3 cho thấy đường cong thử nghiệm của thanh xoắn cảm biến mômen và độ dốc của đường cong là độ cứng xoắn k.
Cảm biến mô men xoắn thanh xoắn được sử dụng rộng rãi trong thời kỳ đầu của EPS, nhưng vì nó là loại tiếp xúc nên ma sát sinh ra trong quá trình hoạt động khiến nó dễ bị mòn và ảnh hưởng đến độ chính xác của nó, và sẽ bị loại bỏ dần.
3. Cảm biến mô-men xoắn của máy đo biến dạng điện trở kim loại
Phép đo mô-men xoắn cảm biến sử dụng công nghệ đo điện biến dạng. Một cầu đo được hình thành bằng cách dán một máy đo biến dạng trên trục đàn hồi. Khi trục đàn hồi bị biến dạng nhẹ bởi mômen, giá trị điện trở của cầu sẽ thay đổi, và sự thay đổi của điện trở của cầu biến dạng sẽ được chuyển thành sự thay đổi của tín hiệu điện để thực hiện phép đo mômen. Cảm biến hoàn thành việc chuyển đổi thông tin sau:
Cảm biến bao gồm trục đàn hồi, cầu đo, bộ khuếch đại dụng cụ và mạch giao diện. Trục đàn hồi là một phần tử nhạy cảm, nó tạo ra ứng suất nén và ứng suất kéo tối đa theo các hướng 45 độ và 135 độ. Lúc này, ứng suất chính và ứng suất cắt bằng nhau. Công thức tính là:
trong đó τ — ứng suất chính, bằng σ tại thời điểm này
Wp — mômen cực của phần trục
Cầu đo có thể sử dụng đồng hồ đo biến dạng điện trở bán dẫn và kết nối chúng để tạo thành cầu toàn phần vi sai, có điện áp đầu ra tỷ lệ với mômen quay mà trục xoắn nhận được. Điện trở của máy đo biến dạng R {{0}} R 2= R 3= R 4= R0, công thức sau có thể nhận được:
Mô đun đàn hồi của vật liệu trục E
u - điện áp cung cấp của cầu
S - Hệ số nhạy của máy đo biến dạng điện trở
Mạch khuếch đại sử dụng mạch khuếch đại cho các nhạc cụ, mạch này bao gồm các mạch khuếch đại cho các nhạc cụ đặc biệt và cũng bao gồm ba mạch op-amp đơn. Hệ số khuếch đại là K và điện áp khuếch đại V là:
Để có độ chính xác cao với nhau thì hệ số nhạy phải được làm không đổi.
Trong cảm biến mô-men xoắn của máy đo biến dạng điện trở kim loại, chìa khóa kỹ thuật cần giải quyết là:
(1) Diện tích làm việc của trục đàn hồi không được lớn hơn 1/3 diện tích đàn hồi, và lấy đoạn ban đầu. Để giảm thiểu sai số trễ, chọn đường kính trục lớn nhất theo chỉ số khả năng quá tải.
(2) Máy đo biến dạng toàn cầu nhạy cảm với lực khuếch tán silicon kiểu LM được sử dụng, có độ nhạy tốt hơn và độ phi tuyến nhỏ.
(3), việc sử dụng nguồn điện được điều chỉnh chính xác cao.
4. Cảm biến mô-men xoắn không tiếp xúc
Cảm biến mô-men xoắn không tiếp xúc
Hình 4 mô tả cấu trúc điển hình của cảm biến mômen không tiếp xúc. Trục đầu vào và trục đầu ra được nối với nhau bằng một thanh xoắn, trục đầu vào có rãnh và trục đầu ra có rãnh then. Khi thanh xoắn bị xoắn bởi mômen quay của vô lăng, vị trí tương đối giữa các rãnh trên trục vào và rãnh then hoa trên trục ra bị thay đổi. Độ dịch chuyển tương đối của đường xoắn và rãnh then bằng lực xoắn của thanh xoắn nên cường độ cảm ứng từ trên dây thay đổi, cường độ cảm ứng từ thay đổi thành hiệu điện thế qua cuộn dây. Phần tần số cao của tín hiệu được lọc bởi mạch phát hiện và chỉ phần tín hiệu mô-men xoắn được khuếch đại. Do phương pháp làm việc không tiếp xúc nên cảm biến mômen không tiếp xúc có tuổi thọ cao, độ tin cậy cao, không dễ bị mài mòn, có độ trễ nhỏ hơn, ít bị ảnh hưởng bởi sự lệch trục và lệch trục. Nó đã được sử dụng rộng rãi bây giờ. Trong ô tô và xe nhẹ, nó là sản phẩm chủ đạo của cảm biến EPS.
5. Các cảm biến mô-men xoắn khác
Hình 5 mô tả cấu trúc và nguyên lý đo của cảm biến mô-men xoắn phát hiện mô-men xoắn bằng cảm biến lệch pha. Cảm biến này có đặc điểm là độ chính xác cao và độ lặp lại cao. Nguyên tắc đo như sau: lắp một bánh răng vào mỗi đầu của trục xoắn và lắp một cảm biến điện từ đối diện với bề mặt răng, và hai tín hiệu AC không tiếp xúc với trục nguồn có thể được tạo ra từ cảm biến. Loại bỏ độ lệch pha của tín hiệu và chèn tín hiệu đồng hồ có độ chính xác cao, ổn định cao được tạo ra bởi bộ dao động tinh thể giữa hai độ lệch pha. Dựa trên tín hiệu đồng hồ này, mô-men xoắn được áp dụng có thể được đo chính xác bằng cách sử dụng khéo léo công nghệ xử lý tín hiệu kỹ thuật số.
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý đo của cảm biến mômen phát hiện mômen bằng phương pháp cảm biến lệch pha
6. Xu hướng phát triển của cảm biến mô men xoắn EPS
Với sự cải tiến và phát triển liên tục của hệ thống EPS, các yêu cầu cao hơn được đặt ra đối với độ chính xác, độ tin cậy và tốc độ phản hồi của cảm biến mô-men xoắn. Cảm biến mô-men xoắn EPS đang cho thấy các xu hướng phát triển sau:
(1) Hệ thống thử nghiệm đang phát triển theo hướng thu nhỏ! Số hóa, trí tuệ hóa, ảo hóa và kết nối mạng;
(2) Phát triển từ chức năng đơn lẻ sang đa chức năng, bao gồm tự bù trừ, tự sửa lỗi, tự điều chỉnh, tự chẩn đoán, thiết lập từ xa, kết hợp trạng thái, lưu trữ thông tin và bộ nhớ;
(3) Phát triển theo hướng thu nhỏ và tích hợp. Phần phát hiện của cảm biến có thể được thu nhỏ thông qua thiết kế hợp lý và tối ưu hóa cấu trúc, và phần IC có thể tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn và điện trở nhất có thể vào một thành phần IC duy nhất, giảm số lượng các thành phần bên ngoài.
(4) Phát triển từ thử nghiệm tĩnh sang thử nghiệm trực tuyến động.
