W ciągu ostatnich dwudziestu lat rozpowszechnione zostało elektryczne wspomaganie układu kierowniczego (EPS – Electric Power Steering). Artykuł wyjaśnia jego działanie na przykładzie kolumny kierowniczej montowanej w samochodzie Hyundai i30.

Alternatywnie elektryczne wspomaganie układu kierowniczego nazywane jest mianem układu kierowniczego wspomaganego silnikiem (MDPS – Motor Driven Power Steering). Obecnie jest ono stosowane w większości małych lub średniej wielkości samochodach. Spotykane są różne typy tego rozwiązania wykorzystujące różne technologie, ale zasadniczo sposób działania pozostaje ten sam.

Niniejszy artykuł jest jednym z dwóch poświęconych kolumnie kierowniczej montowanej w samochodzie Hyundai i30. Układ został opracowany prze firmę TRW i pod względem sposobu funkcjonowania jest podobny do innych rozwiązań. Jak każdy inny podzespół elektromechaniczny, również układ kierowniczy wspomagany silnikiem elektrycznym może ulec awarii. Dotyczy to także systemu wykorzystywanego przez firmę Hyundai.

Jak funkcjonuje elektrycznie wspomagany układ kierowniczy z silnikiem elektrycznym zamontowanym w kolumnie kierowniczej?

Podzespoły mechaniczne mają stosunkowo prostą konstrukcję. Silnik napędza przekładnię ślimakową, która zmniejsza prędkość obrotową silnika, a jednocześnie zwiększa moment obrotowy potrzebny do zmniejszenia siły wymaganej podczas obracania kołem kierownicy (rysunek 1).

Jednostka sterująca otrzymuje informację, z jaką siłą kierowca kręci kołem kierownicy i zapewnia odpowiednią siłę wspomagania. Wszystko to sprawia wrażenie prostego rozwiązania, ale w rzeczywistości mamy do czynienia z zaawansowanym układem czujników i siłowników. Do historii przeszły wyposażone w szczotki komutatorowe silniki na prąd stały, podobnie zresztą jak stykowe czujniki kąta skrętu. Nowoczesne układy wykorzystują elektryczne silniki bezszczotkowe (coraz częściej stosowane w nowych samochodach oraz w pojazdach przyszłości) i bezstykowe elementy optoelektroniczne, które dostarczają informacji odnośnie siły i ruchu koła kierowniczego.

Bezszczotkowe silniki na prąd stały (D.C.B.M)

Typowy silnik elektryczny wyposażony jest w stałe magnesy współpracujące z uzwojeniem. Natomiast nowoczesne rozwiązania wykorzystują magnesy ziem rzadkich (neodymowe) o bardzo silnym polu magnetycznym, co z kolei oznacza brak konieczności stosowania uzwojenia oraz komutatora mechanicznego. Dzięki temu zapotrzebowanie na energię elektryczną jest mniejsze, a silnik taki pozbawiony jest wad typowych dla silników prądu stałego.

Na rysunku nr 2 przedstawiono układ elektrycznego wspomagania kierownicy, w którym wirnik (uzwojenie) obraca się wewnątrz stojana (występują również inne typy tego rozwiązania). Trzy oddzielne uzwojenia stojana wytwarzają pole elektromagnetyczne. Biegunowość magnesów zależy od kierunku przepływu prądu – prąd przepływający przez uzwojenie z A1 do A2 generuje biegun główny w A1 i biegun pomocniczy w A2. Odwracając kierunek przepływu (z A2 do A1) skutek będzie odwrotny.

Przełączając przepływ prądu do uzwojenia B magnes wirnika zostanie do niego przyciągnięty (bieguny przeciwne przyciągają się), a silnik obróci się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Tak więc zasilając prądem po kolei pozostałe trzy uzwojenia, wirnik wykona obrót. Odwracając kolejność wirnik obróci się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Przełączanie wykonywane jest przez tranzystory, a dokładniej przez tranzystory polowe typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET), które są w stanie z dużą szybkością przełączać wysokie prądy i wytwarzają mniej ciepła w porównaniu ze zwykłymi tranzystorami.

Na rysunku nr 3 został przedstawiony przykład: przełączenie na tranzystorze 1 i 6 spowoduje przepływ prądu do uzwojenia wirnika 1 i 2. Natomiast przełączenie na tranzystorach 3 i 4 również wywoła przepływ prądu do uzwojenia wirnika 1 i 2, ale prąd będzie przepływał w kierunku przeciwnym i tym samym biegunowość magnesów stojana zostanie odwrócona. Odpowiednia sekwencja przełączania tranzystorów pozwala na kontrolę kierunku przepływu, a zastosowanie modulacji impulsów prądu zasilającego (PWM) umożliwia sterowanie prędkością i wydajnością silnika.

Prędkość i pozycja wirnika

Przełączanie pól elektromagnetycznych musi być zsynchronizowane z pozycją wirnika i odpowiadają za to czujniki położenia wirnika. W rozwiązaniu Hyundai’a wykorzystano czujniki Hall’a. Czujniki Hall’a są czułe na zmianę biegunowości i powodują załączenie lub wyłączenie wraz ze zmianą biegunowości wirnika czujnika. W układzie znajduje się trzy czujniki Hall’a, co oznacza, iż jednostka sterująca może ustalić pozycję wirnika – nawet, jeżeli znajduje się on w bezruchu.

Siła wspomagania i czujnik położenia kątowego

Stosowany w Hyundai’u układ kierowniczy wspomagany silnikiem (MDPS) wykorzystuje połączony czujnik siły wspomagania i kąta położenia. Nie posiada styków elektrycznych i dzięki temu niezawodność czujnika jest na wyraźnie wyższym poziomie.

Górna i dolna część kolumny kierowniczej oddzielone są drążkiem skrętnym, który pozwala na uzyskanie niskiego kąta położenia względem siebie obydwu wałków (rysunek nr 4). Kąt położenia jest uzależniony od siły wspomagania i jednocześnie jest ograniczony mechanicznie. Nacinane tarcze o różnych szerokościach nacięć połączone są z górną i dolną częścią kolumny kierowniczej (rysunek nr 5). Umieszczone są one pomiędzy źródłem światła a matrycą fotodiodową, która rejestruje cień wytwarzany przez nacinane tarcze. Podczas obrotów układu kierowniczego obraz jest przechwytywany, a przemieszczenie nacięć oraz szybkość ruchu tarcz są podstawą do ustalenia odpowiedniej siły wspomagania, kierunku, pozycji kątowej oraz ilości obrotów. W układzie znajdują się dwa czujniki umieszczone naprzeciwko siebie. Informacje z obydwu czujników są porównywane pod kątem poprawności i w przypadku usterki jednego z nich układ może działać nadal, a jednocześnie zapamiętywany jest odpowiedni kod usterki.

Zachowanie proporcjonalnego układu sił

Działanie silnika wspomagania zależy od tego, z jaką siła obracana jest kierownica. Jeżeli kierownica jest obracana, jest moment obrotowy, a silnik wspomagania z odpowiednią siłą napędza kolumnę kierowniczą. Przy zatrzymaniu ruchu kierownicy silnik wspomagania napędza dolną część kolumny kierowniczej do momentu, aż wałek skrętny nie będzie obciążony i działanie wspomagania zatrzymuje się.

Rozpoznawanie typu przekładni kierowniczej

Charakterystyka przekładni kierowniczej różni się w zależności od modelu. Przykładowo: cięższa wersja wyposażona w silnik wysokoprężny wymaga większej wydajności i siły wspomagania układu w porównaniu z lżejszą wersją benzynową (rysunek nr 6). Parametry są ustawiane fabrycznie (lub przez warsztat zajmujący się regeneracją), ale w przypadku wymiany przekładni może wymagać to zresetowania.

Bezwzględne położenie układu kierowniczego (ASP)

Informacja ta służy do ustalenia, czy koła znajdują się w kierunku jazdy na wprost. Parametr ten jest ustawiany fabrycznie (lub przez warsztat zajmujący się regeneracją), ale w przypadku wymiany przekładni lub ustawieniu zbieżności kół musi zostać zresetowany. Zarówno informacja dotycząca typu przekładni, jak i bezwzględnego położenia układu kierowniczego może zostać utracona przez sterownik w przypadku odłączenia akumulatora w momencie aktywności sterownika. Do ponownego zaprogramowania należy użyć testera diagnostycznego.

W drugiej części artykułu, zostanie opisana komunikacją pomiędzy elektrycznym wspomaganiem układu elektrycznego a pozostałymi podzespołami samochodu, jak również zabezpieczenia wmontowane w układ, które chronią kierowcę w przypadku awarii układu elektrycznego. Ponadto omówione zostaną sposoby diagnozowania i kody błędów generowane w przypadku usterki.

Firma Blue Print oferuje części zamienne do wszystkich ośmiu typów Hyundai’a i30 od roku 2007 wzwyż. Oferta obejmuje wszystko – od filtrów, układu hamulcowego, elementów sprzęgła, zawieszenia i układu kierowniczego po sterowanie silnikiem, układ chłodzenia i elementy przeniesienia napędu. W celu zapoznania się z pełną ofertą części zamiennych Blue Print do Hyundai ’a i30 wystarczy zalogować się na stronie Blue Print LIVE – www.blue-print.com/bpl