فرمان برقی و عملکرد آن

خودروهای مدرن بیش از یک دهه است که از فرمان برقیEPS) ) استفاده می‌کنند. بنابراین، احتمالا تاکنون با خودرویی که از این سیستم بهره می‌برد، کار کرده‌اید. جالب اینجاست که فقط مدل‌های لوکس یا گران‌قیمت از EPS استفاده نمی‌کنند. از آنجا که فرمان برقی ماشین، مصرف سوخت را کاهش می‌دهد و انتشار آلاینده‌ها را کم می‌کند، این سیستم در بسیاری از خودروهای رایج و اقتصادی نیز به کار رفته است؛ ضمن آنکه این نوع از فرمان خودرو موجب حذف پمپ هیدرولیک می‌شود که حدود ۱۰ تا ۱۵ اسب بخار از قدرت موتور را به خود اختصاص می‌دهد.

بنابراین خودروهای مجهز به فرمان برقی و فاقد پمپ هیدرولیک فرمان، از راندمان پیشرانه بهتری نیز برخوردار هستند. به همین دلیل لازم است بدانید این سیستم چگونه کار می‌کند، چه مشکلاتی ممکن است پیش بیاید و چطور می‌توانید فرمان برقی خودرو را سریع، ایمن و به‌صرفه عیب‌یابی و حتی تعمیر کنید.

فرمان برقی چیست؟

فرمان الکتریکی یا همان فرمان برقی خودرو اگرچه در خودروهای مدرن استفاده می‌شود، اما در اصل توسط مخترعی به نام فیتس در سال ۱۸۷۶ میلادی ابداع شد و برای اولین بار سال ۱۹۰۳ میلادی در اتومبیل‌ها به کار رفت.

سیستم فرمان برقی خودرو یا EPS تجربه‌ای روان و راحت نسبت به فرمان هیدرولیکی سنتی  هنگام هدایت خودرو ارائه می‌دهد. این سیستم از یک موتور الکتریکی به جای نیروی هیدرولیک برای گردش راحت‌تر غربیلک فرمان توسط راننده استفاده می‌کند. این موتور الکتریکی مستقیما به گیربکس یا ستون فرمان متصل است. در واقع در این سیستم اجزای کمکی هیدرولیکی جعبه فرمان حذف شده و جای آن تجهیزات الکترونیکی قرار گرفته است.

این موتور الکتریکی همواره آماده به کار است و با دریافت سیگنال ولتاژ صحیح فعال می‌شود و انرژی خود را از باتری خودرو تامین می‌کند.

سیستم EPS به تسهیل حرکت فرمان در خودروهایی که از اتصال مکانیکی استفاده می‌کنند، کمک می‌کند. حسگرها گشتاور و حرکت ستون فرمان را تشخیص می‌دهند و یک ماژول کامپیوتری موتور الکتریکی را کنترل می‌کند.

نحوه عملکرد فرمان برقی

ایده پشت فرمان برقی ماشین ایده‌ای مشابه سیستم‌های هیدرولیکی کمکی فرمان دارد و اساس آن کاهش تلاش مورد نیاز برای چرخاندن فرمان است. فرمان برقی به جای استفاده از فشار هیدرولیکی، از یک موتور الکتریکی برای ایجاد نیروی کمکی استفاده می‌کند. این سیستم به دلیل کارایی بیشتر، فقط زمانی که راننده در حال چرخاندن فرمان است، نیروی کمکی ایجاد می‌کند و نیازی به چرخش مداوم پمپ ندارد. همچنین، به دلیل عدم استفاده از مایعات مضر که نیاز به تخلیه یا تعویض دارند، سازگار با محیط زیست است.

هنگامی که فرمان الکتریکی را می‌چرخانید، حسگری که  روی ستون فرمان نصب شده، حرکت را تشخیص می‌دهد و سیگنال‌هایی را به واحد کنترل خودرو که به آن ماژول کنترل پیشرانه یا ایسیو گفته می‌شود، ارسال می‌کند. سپس ECU جریان الکتریکی را به یک موتور برقی که در انتهای ستون فرمان قرار دارد، می‌فرستد.

دنده‌های موتور برقی به‌طور دائم با سیستم فرمان درگیر هستند و نیروی کمکی لازم برای هدایت چرخ‌های جلو را فراهم می‌کنند. با چرخش دنده‌های موتور، حرکت میله جعبه فرمان خودرو کنترل می‌شود و چرخ‌های جلو به سمت موردنظر هدایت می‌شوند.

فرمان با سیستم کمکی برقی (EPS) جدیدترین فناوری است که اکنون در فرمان ماشین با آن سروکار داریم. جایگزینی سیستم کمکی هیدرولیک با یک موتور الکتریکی کنترل‌شده توسط کامپیوتر، در ابتدا ایده‌ای منطقی به نظر می‌رسید.

روزی فرا خواهد رسید که تمام کنترل‌های خودرو به صورت الکترونیکی انجام شود؛ سیستم EPS امروزی گامی در این جهت است. اما در یک دهه گذشته، تجربه رانندگی با خودروهای مجهز به EPS نشان داده که این سیستم در انتقال حس فرمان ضعیف عمل می‌کند، به‌خوبی تنظیم نشده و گاهی در مقایسه با سیستم‌های هیدرولیکی که بیش از نیم‌قرن توسعه یافته‌اند، عجیب به نظر می‌رسد.

این موضوع اهمیت دارد، زیرا فرمان اصلی‌ترین راه ارتباط راننده با خودرو است؛ هرگونه نقص در این کانال، باعث دشوارتر شدن درک سایر احساسات مربوط به رانندگی می‌شود.

فرایند چرخاندن فرمان برقی

چرخاندن فرمان به سمت راست: ولتاژ سیگنال ۱ افزایش و ولتاژ سیگنال ۲ کاهش می‌یابد.
چرخاندن فرمان به سمت چپ: ولتاژ سیگنال ۱ کاهش و ولتاژ سیگنال ۲ افزایش می‌یابد.

ماژول PSCM تغییرات ولتاژ سیگنال‌ها را به‌عنوان جهت و گشتاور میل فرمان تفسیر می‌کند. حسگر موقعیت فرمان نیز یک دستگاه دوگانه با سیگنال آنالوگ ۵ ولت است که در بازه ۰ تا ۵ ولت کار می‌کند. ولتاژ سیگنال ۱ و سیگنال ۲ با چرخاندن فرمان افزایش یا کاهش می‌یابد، اما همواره در فاصله ۲.۵ تا ۲.۸ ولت از یکدیگر باقی می‌مانند.

یکی از نکات قابل توجه این است که PSCM از حسگر فرمان برای تعیین موقعیت مرکزی بهره می‌گیرد و مقدار کمی بازگشت به موقعیت مرکزی را ایجاد می‌کند.

آیا فرمان برقی کاملا برقی است؟

خیر فرمان برقی برای گردش راحت‌تر غربیلک صرفا از یک موتور الکتریکی جهت تامین نیروی کمکی برخوردار است و اساس کارکرد آن با سیستم فرمان هیدرولیک در خودروهای معمولی فرقی ندارد.

اجزای فرمان برقی (EPS)

به طور کلی، سیستم EPS یا فرمان برقی در خودروهای مختلف شامل اجزای زیر است:

مجموعه ستون فرمان

این مجموعه شامل موتور فرمان برقی، حسگر گشتاور میل فرمان و سنسور موقعیت فرمان است و وظیفه اصلی هدایت خودرو و تشخیص میزان نیروی کمکی را بر عهده دارد.

ماژول های کنترلی

ماژول‌های کنترلی مختلف مانند ماژول کنترل قوای محرکه (PCM)، ماژول کنترل بدنه (BCM) و ماژول کنترل فرمان برقی (PSCM)، وظیفه پردازش اطلاعات و تصمیم‌گیری را دارند.

ولتاژ باتری

انرژی لازم برای عملکرد فرمان برقی از باتری خودرو تامین می‌شود.

مدار داده سریال و اتصالات مرتبط

این سیستم برای انتقال داده‌ها و تامین برق (ارتباط الکتریکی) کاربرد دارد.

مرکز اطلاعات راننده

مرکز اطلاعات برای نمایش پیام‌های هشدار به راننده به کار می‌رود.

سیستم EPS نسبتا ساده است. حسگر گشتاور میل فرمان، که در بخشی از میل پیچشی بین ورودی و خروجی فرمان قرار دارد، ورودی اصلی PSCM برای تعیین جهت فرمان و میزان نیروی کمکی لازم است. به زبان فنی، سیگنال‌های گشتاور با توجه به موقعیت نسبی بین روتورهای بالایی و پایینی سنسور تعیین می‌شوند. این سنسور یک دستگاه دوگانه با سیگنال آنالوگ ۵ ولت است که در بازه ۰.۲۵ تا ۴.۷۵ ولت عمل می‌کند (ولتاژ خارج از این بازه معمولا نشان‌دهنده ایراد و اشکال است و با کد خطای تشخیصی (DTC) ثبت می‌شود.

موتور فرمان

موتور فرمان معمولا یک موتور DC معکوس‌پذیر است که از طریق چرخ‌دنده‌های حلزونی و کاهنده، نیروی کمکی را فراهم می‌کند. ماژول PSCM با ترکیب ورودی‌هایی مانند حسگر گشتاور میل فرمان، سرعت خودرو (از طریق داده سریال)، دمای سیستم محاسبه‌شده و تنظیمات فرمان، میزان نیروی کمکی موردنیاز را تعیین می‌کند. به‌عنوان مثال، نیروی کمکی بیشتری برای پارک کردن با سرعت کم نسبت به تغییر مسیر در سرعت بالا فراهم می‌شود. سپس، PSCM مقدار جریان صحیح را به موتور فرمان برقی ارسال می‌کند.

نکته: موتور فرمان برای تحمل توان بسیار بالا در مدت طولانی طراحی نشده است (مانند چرخاندن مکرر فرمان از یک طرف به طرف دیگر در حالت ایستا). بنابراین، سیستم EPS برای حفاظت از خود، جریان ارسال‌شده به موتور را کاهش داده تا دمای سیستم کم شود. این موضوع ممکن است باعث محدود شدن نیروی کمکی شود.

انواع مختلف فرمان برقی (EPS) بر اساس محل نصب

فرمان برقی انواع مختلفی دارد که عمده تفاوت آنها به محل نصب موتور برقی کمکی مرتبط است.

نصب روی ستون فرمان (C-EPS)

• محل نصب موتور: موتور برقی و دنده‌های کاهشی روی ستون فرمان نصب می‌شوند. گشتاور موتور به همراه نیروی ورودی راننده باعث چرخش ستون فرمان می‌شود که نیرو را از طریق محور واسط و پینیون به رک یا دنده شانه‌ای جعبه فرمان منتقل کرده و نیروی کمکی فرمان را فراهم می‌کند.
• نوع خودروهای قابل استفاده: این نوع فرمان برقی مناسب خودروهای کوچک است که نیاز به کمک فرمان زیاد ندارند. 
• ویژگی‌های ساختاری: طراحی فشرده، نصب آسان و نیاز به فضای کم.
• تجربه رانندگی: فرمان سبک در سرعت‌های پایین، کنترل پایدار در سرعت‌های بالا و عملکرد بازگشت به مرکز عالی.
• ویژگی‌های اضافی: مجهز به قابلیت خودعیب‌یابی و کنترل ایمنی، تطبیق‌پذیری بالا و امکان سفارشی‌سازی ستون فرمان و کنترلرهای برقی بر اساس مدل‌های مختلف خودرو.

نصب روی پینیون (P-EPS)

• محل نصب موتور: موتور مستقیم به پینیون سیستم فرمان کمک می‌کند و قابلیت تنظیم دقیق فرمان برقی را با بازخورد قوی جاده در سیستم‌های هیدرولیکی ترکیب می‌کند.
• عملکرد سیستم: مجهز به واحد موتور-ECU یکپارچه، ضدآب، فشرده و سبک با کارایی بالا که استحکام زیاد و عملکرد عالی فرمان‌دهی دینامیک را ارائه می‌دهد.
• ویژگی‌های ساختاری: ساختار بدنه یکپارچه و فشرده، دقت ساخت قطعات را افزایش داده و قابلیت اطمینان کلی محصول را بهبود می‌بخشد.
• هزینه: سیستم P-EPS گران‌تر از C-EPS است.

کمک پینیونی دوگانه (DP-EPS)

• محل نصب موتور: یک موتور کمکی اضافی در بخش دیگری از رک قرار می‌گیرد که نیرو را از طریق یک پینیون به میل رابط اعمال می‌کند. این ساختار با پینیون در محور واسط و میل رابط، ساختار پینیونی دوگانه را تشکیل می‌دهد.
• نوع خودروهای قابل استفاده: مناسب برای خودروهای شاسی‌بلند متوسط و بزرگ، MPVها، وانت‌ها و سایر خودروهای سواری، هماهنگ با نیازهای سیستم‌های کمک راننده پیشرفته.
• مزایای عملکردی: موتور سروو تنها در زمان نیاز به کمک فرمان فعال می‌شود و مصرف سوخت را ۳ تا ۵ درصد کاهش می‌دهد. این سیستم مطابق با استانداردهای ایمنی عملکردی ISO26262 در سطح ASIL D است. این فرمان برقی دارای استحکام بالا برای شرایط رانندگی پیچیده و دقت فرمان بالا برای پشتیبانی از کمک رانندگی در سرعت‌های سریع است. سیستم DP-EPS مزایای متعددی دارد که شامل بهبود در تامین توان، ارتباطات، حسگرها، کنترل الکترونیکی و خروجی موتور است که قابلیت اطمینان و ایمنی سیستم را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. 

نصب روی دنده شانه ای (R-EPS)

• محل نصب موتور: موتور در این نوع فرمان برقی، معمولا نیرو را از طریق تسمه تایم یا پیچ ساچمه‌ای به رک اعمال می‌کند. در برخی تنظیمات، موتور محوری به‌طور مستقیم از طریق پیچ غلتکی وارد عمل می‌شود.
• ویژگی‌های ساختاری: ساختار نسبتا فشرده که برای وضعیت‌هایی که بارهای محور جلو در حال افزایش هستند و سیستم فرمان از راننده فاصله بیشتری دارد، مناسب است.
• تجربه رانندگی: حس فرمان‌دهی بهبودیافته و کارایی بیشتر، مناسب برای خودروهای لوکس.
• مزایای عملکردی: با تنظیم دقیق حس فرمان‌دهی و عملکرد NVH عالی، به‌طور کامل نیازهای فرمان‌دهی خودروها از سدان‌های متوسط تا MPVهای لوکس را برآورده می‌کند. همچنین از رانندگی خودکار سطح ۲+ پشتیبانی می‌کند که شامل قابلیت‌هایی مانند حفظ خط LKA))، کمک پارک خودکار و فرمان‌پذیری از راه دور است.
• ایمنی: تمام پلتفرم محصول مطابق با فرآیندهای استاندارد ISO26262 توسعه یافته و ایمنی عملکردی در سطح ASIL D را تضمین می‌کند.

مزایای فرمان برقی

مزایای فرمان برقی ماشین به شرح زیر است.

ارتباط با سایر سیستم های خودرو

از آنجا که سیستم‌های فرمان برقی بخشی از شبکه الکترونیکی گسترده خودرو هستند، می‌توانند با سایر سیستم‌های داخلی ماشین هماهنگ شوند، از جمله آپشن‌هایی مانند پارک خودکار. در واقع، تصور می‌شود که فرمان برقی نقش قابل توجهی در پیشرفت فناوری هوش مصنوعی و خودروهای خودران ایفا می‌کند.

قابلیت تنظیم آسان برای تجربه متفاوت در کنترل

یکی از مزایای مورد توجه فرمان برقی، امکان تنظیم آسان کنترل خودرو بر اساس نیازهای دقیق راننده است. به عنوان مثال، فعال کردن حالت «اسپرت» در یک خودروی مدرن معمولا نحوه عملکرد سیستم فرمان برقی را تغییر می‌دهد و در پیچ‌ها وزن بیشتری به فرمان اضافه می‌کند تا تجربه‌ای لمسی‌تر و حسی‌تر ارائه شود. پیشرفته‌ترین سیستم‌های فرمان برقی امکان تنظیم کاملا سفارشی را فراهم می‌کنند، که نتیجه آن تجربه‌ای کاملا منحصر به‌فرد در کنترل و فرمان‌دهی خودرو است.

دقت بالا و راحتی در استفاده از سیستم فرمان برقی

فرمان برقی عملکرد نرم و روانی دارد، بنابراین راننده در مواقع مختلف می‌تواند به سهولت و راحتی از فرمان استفاده و خودرو را هدایت کند.

حفظ ثبات و پایداری خودرو با سیستم EPS

فرمان برقی سیگنال‌های دقیقی از جهت گردش خودرو به سیستم کنترل پایداری ارسال می‌کند که در نتیجه باعث جلوگیری از انحراف ماشین در برخی شرایط ناپایدار و به ویژه حین انحراف خودرو خواهد شد‌.

معایب فرمان برقی

فرمان برقی ماشین اگرچه رانندگی را راحت‌تر کرده، اما معایبی نیز دارد.

حس غیرطبیعی رانندگی

یکی از معایب اصلی فرمان برقی ماشین، کاهش حسی است که از طریق فرمان به راننده منتقل می‌شود. از آنجا که هیچ ارتباط هیدرولیکی با سیستم فرمان وجود ندارد، بسیاری از رانندگان اظهار می‌کنند که سیستم‌های برقی به هیچ وجه لذت رانندگی مشابه با سیستم‌های هیدرولیکی معمولی را ارائه نمی‌دهند.

کالیبراسیون ضعیف

مانند هر سیستم برقی، فرمان برقی الکترونیکی به کالیبراسیون دقیق نیاز دارد تا عملکرد بهینه‌ای داشته باشد. در برندها و مدل‌های ارزان‌تر، معمولا تفاوت‌های زیادی در نحوه تنظیم سیستم‌های فرمان برقی در کارخانه وجود دارد که منجر به کاهش کیفیت و عملکرد بلندمدت فرمان می‌شود.

دلایل سفت شدن فرمان برقی و خرابی آن

خرابی و سفت شدن فرمان برقی دلایل مختلفی دارد که به آن اشاره می‌کنیم:

کار نکردن موتور برقی

اگر موتور کمکی برقی به هر دلیلی خراب شود و از کار بیفتد، مسلما کل مجموعه به مشکل می‌خورد. سوختن موتور یا خرابی سیم‌کشی آن می‌تواند دلیل این مشکل باشد.

خرابی سنسورها

هر گونه ایراد در سنسورهای فرمان برقی نظیر سنسور زاویه فرمان موجب عملکرد نامناسب کل مجموعه می‌شود.

نقص در واحد کنترلی

اگر ایسیو خودرو ایراد داشته باشد، ممکن است در تحلیل داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط سنسورها و ارسال دستور فرمان به خوبی عمل نکند و در نتیجه فرمان برقی هم دچار مشکل شود‌.

نقص در مکانیزم فرمان

اگر بخش‌های مکانیکی فرمان نظیر چهار شاخ، سیبک فرمان و… ایراد داشته باشند، فرمان برقی هم با مشکل مواجه می‌شود‌.

نقص در باتری خودرو

منبع تغذیه سیستم فرمان معمولا از باتری خودرو تامین می‌شود و خرابی باتری می‌تواند منجر به عملکرد نامناسب فرمان برقی شود.

کاهش کیفیت رانندگی با فرمان EPS

فرمان برقی معمولا بسیار نرم و روان عمل می‌کند که ابتدا خوشایند احساس می‌شود، اما شاید در بعضی مواقع حس مصنوعی و غیرطبیعی به راننده انتقال دهد که موجب کاهش لذت رانندگی می‌شود. البته سیستم‌های پیشرفته و گران‌تر فرمان برقی این مشکل را تاحدی رفع کرده‌اند.

نتیجه گیری

هدایت ماشین از طریق فرمان خودرو انجام می‌شود و فرمان برقی این کار را بسیار ساده و روان انجام می‌دهد. گرم کن فرمان هم در روزهای سرد سال یکی از تجهیزات کاملا کاربردی است که در خودروهای لوکس مجهز به فرمان الکتریکی وجود دارد. فرمان برقی با حذف متعلقات هیدرولیکی می‌تواند موجب کارایی بهتر و همچنین کاهش بار موتور خودرو شود و قیمت خودرو را هنگام خرید ماشین افزایش دهد.

سوال های متداول

فرمان برقی (EPS) چیست؟

فرمان کمکی برقی یا EPS در واقع همان سیستم فرمان مکانیکی است که از یک موتور الکتریکی کوچک برای گردش راحت‌تر غربیلک توسط راننده استفاده می‌کند. این سامانه باعث می‌شود که گردش غربیلک توسط راننده به انرژی بسیار کمتری نیاز داشته باشد.

فرمان برقی چگونه کار می‌کند؟

در این سیستم ایسیو بلافاصله بعد از تشخیص شروع به گردش فرمان توسط راننده، به موتور برقی دستور فعال شدن می‌دهد تا نیروی کمکی لازم برای گردش فرمان را ارائه دهد. بدین ترتیب راننده با انرژی بسیار کمتر می‌تواند فرمان را بچرخاند.

سیستم EPS بهتر است یا هیدرولیک؟

تفاوت‌ فرمان برقی و هیدرولیک این است که در سیستم EPS دیگر متعلقاتی نظیر پمپ هیدرولیک، مخزن هیدرولیک فرمان، شلنگ‌ها و… حذف می‌شود. در نتیجه فشار کمتری روی موتور خودرو وارد می‌آید و دردسرهای خرابی پمپ و نشتی مایع هیدرولیک هم از بین می‌رود.
البته فرمان برقی هم ممکن است با خرابی های متفاوتی روبرو شود و حس رانندگی کمی مصنوعی داشته باشد، اما به هر حال مزایای آن نسبت فرمان هیدرولیک بیشتر است.

نویسنده: حسین باباپور