현재 모든 조향 시스템에는 한 가지 기본원리가 있다. 조향 핸들의 회전 이동은 기계적으로 선형 또는 스윙(swing) 운동으로 변환돼 기계적으로 차륜에 전달된다. 이를 위해 조향 핸들과 구동 차륜 간에는 폐쇄된 기계 부품 체인이 있다. 유압, 전기 및 전자 장치는 조향 과정을 지원하는 역할만 한다. 이러한 구조의 주요 장점은 높은 시스템 의존성에 있다.
개별 유압, 전기 또는 전자부품이 고장나더라도 차량은 여전히 기본 조향 기능을 유지한다. 그러나 엄밀히 말해 기계적 기본원리는 추가적인 발전을 제한한다.

- 조향 칼럼은 전방 충돌 시 그 자체가 위험 요소이다. 
- 소형 차량을 지향하는 추세에서 공간 문제가 발생한다.

조향 칼럼이 없다면, 두 가지 문제가 해결될 수 있다. 조향은 근본적인 변화가 이뤄지기 전에는 운전자 보조 시스템으로의 통합 가능성이 희박한 대표적인 분야다. 전체 부품의 기계적 연결로 인해 능동 조향 보조장치는 조향 핸들의 갑작스런 회전과 같은 동작을 수행해 운전자를 혼란스럽게 할 수도 있다. 그러나 ZF는 이러한 시스템을 제공하고 있다. 기계적 조향 구조의 혁신만이 이같은 문제를 해결할 수 있으며, 이에 따라 조향의 미래는 운전자에 의한 조향 이동(steering movement)이 휠의 조향 이동으로부터 독립해 가고 있다.

전동식 동력 조향장치
전동식 동력 조향장치(Electronic Power Assisted Steering, EPAS) 시스템은 조향각, 조향각속도, 차량 및 각 차륜의 속도 및 가속도, 그리고 요레이트(yaw rate)를 포함한 ECU에 연계되는 정보에 따라 조향 동작을 위한 보타력(assist force)을 효과적으로 변경할 수 있다. EPAS 시스템은 운전 상황에 따라 조향 부하를 줄이고 보타력을 최적화할 수 있다.
EPAS 구현을 위한 핵심 요소는 다음과 같다.

- 운전 동특성 향상
- 소음 수준 저감
- 에너지 효율, 능동 안전
- 안락감 및 편의 기능

또한 EPAS는 차량 구매 및 소유 비용에 일부 긍정적인 영향을 미치며 유압 시스템에 비해 조립 시간이 줄어들고 전기 지원 조향 시스템을 유압 시스템 위로 설치함으로써 상당한 패키징 장점을 제공한다. OEM들은 엔진 및 실내의 부품수를 효과적으로 줄일 수 있다.
유압 시스템은 EPAS 시스템보다 설치 시간이 수 분 이상 더 길다. 이것은 유압 시스템 설치가 엔진룸 라인, 커플링, 호스 연결 및 충진을 포함하기 때문이다.
EPAS는 기본적으로 네 가지 패키징 옵션이 있다.

칼럼 보조식(Column-assist type): 파워 보조 장치, 컨트롤러, 토크 센서는 조향 칼럼에 부착된다. 소형차에 적합한 이 옵션은 고정 조향 칼럼, 틸트형 조향 칼럼(tilt-type steering column) 등에 적용될 수 있다.
피니언 보조식(Pinion-assist type): 파워 보조 장치는 조향 기어의 피니언 샤프트에 연결된다. 파워 보조 장치가 실내 외부에 위치하기 때문에, 내부 소음의 증가 없이 파워 토크가 대폭 향상될 수 있다. 이 옵션은 또한 소형차에 적합하다.
랙 보조식(Rack-assist type): 파워 보조 장치는 조향 기어 랙에 부착되고, 높은 감속 기어비로 초저 관성이 가능하다. 이 형태는 중대형 차량에 적합하다.
직접 구동식(Direct-drive type): 이  옵션은 조향 기어 랙과 파워 보조 장치가 단일 장치로 구성돼 마찰과 관성이 적다.

EPAS를 적용하면, 에너지 소비량과 중량이 줄어들고 패키징과 설치가 용이하다. 예를 들면 기존 유압 시스템은 조립 라인 설치 시간이 30분 남짓인 데 반해 EPAS는 4~6분이 소요된다. 따라서 총 차량 조립 시간은 평균 5~7% 줄어든다.
EPAS는 동작 시에만 에너지를 소비한다. 피아트는 EPAS를 탑재한 푼토(Punto)에서 연료 소비량이 3% 저감되었음을 확인했다. 이는 자동차 중량을 50 kg 줄인 것과 같은 효과다. 제어장치를 포함해 시스템 중량은 약 8 kg(16.5 lb)으로 기존 유압 시스템에 비해 1 kg(2.2 lb) 이상 가볍다. 또한 피아트는 소음의 근원지인 기존 유압 펌프를 제거함으로써 실내 소음이 대폭 줄었다고 주장했다. 그러나 EPAS에 장착된 칼럼은 IP 빔에 고정된 질량, 그리고 차량 탑승자에 대한 차단 수단의 결여로 인해 콕핏 NVH 문제를 초래할 수 있다.
시스템은 폐기할 유체 또는 고무를 포함하지 않기 때문에, 전기 시스템은 재활용률이 95%이다(유압 시스템은 85%). EPAS는 기존 시스템보다 탁월한 저온 동작이 가능하기 때문에 신뢰성이 높다. OEM이 특정 차량 핸들링 요건을 충족하기 위해 시스템을 튜닝하는 데 소요되는 시간은 기존 시스템이 9개월인 데 반해 EPAS는 평균적으로 몇 주 수준이며 운전자의 개인 요구에 맞게 커스터마이징 할 수도 있다.
EPAS 발전의 동인 중 하나는 하이브리드 파워트레인 차량의 등장이다. EPAS 기술은 또한 연료전지와 완전 전기자동차에 적용될 수 있다.

표면탄성파
EPAS 및 미래 전자식(by-wire) 시스템의 성패는 정확하고 신뢰성 있는 저비용 토크 센서에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 그러나 토크 측정 시스템은 복잡하고 비싼 편이다. 이것들은 대체로 조향 축에 중간 적응 요소(일반적으로 비틀림 바), 그리고 조향 축과 전자장치 사이에 물리적 전기 연결이 필요한 기술을 기초로 한다. 다른 비접촉식 센서는 고가이고 생산이 어려우며 온도나 전자기 간섭에 민감하다.
영국 Transense Technologies가 생산하는 Torqsense 트랜스튜서는 표면탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW)라는 현상을 이용한다. 이 방식을 사용하면, 회전축과 그 하우징 간에 물리적 접촉이 필요하지 않은 극소형 트랜스튜서(5.0 mm × 2.0 mm × 0.5 mm)가 가능하다.
1999년 Dura Automotive에 인수되기 전 Adwest Steering이 개발한 시스템은 전자장치의 패키지를 통해 운전자에게 피드백을 시뮬레이션 하는 대신, 특정 속도로 휠을 회전하기 위해 필요한 토크를 직접 측정하여 이를 모터 제어 신호로 변환한다. Elektra-Steer로 불리는 이 시스템은 폭스바겐이 시연했다. 표면탄성파는 교류 전압을 압전 기판의 한쪽 끝에 배치된 두 개의 삽입 빗살형(interleaved comb-shaped) 배열의 터미널로 통과시킴으로써 발생한다. 트랜스튜서의 다른 한 쪽 끝에 배치된 유사한 ‘수신’ 배열은 탄성파를 전기 신호로 다시 변환한다.
발생 파의 주파수는 빗살 배열의 ‘티스(teeth)’의 간격에 따라 결정된다. 파의 전자 방향은 티스의 직각 방향이다. 길이 변화는 티스의 간격을 변경하며, 이와 같이 트랜스튜서의 인장은 작동 주파수를 줄이고 압축은 증가시킨다.
두 트랜스듀서는 축에서 45도 각도로 샤프트에 견고히 부착되어 ‘하프브리지’ 구성 상에 연결된다. 따라서 샤프트에 토크가 가해지면 하나는 압축되고 다른 하나는 인장된다. 두 트랜스튜서로부터의 주파수는 상호 ‘차(difference)’ 또는 ‘합(sum)’ 신호를 생성하여 각각 토크 또는 온도 측정이 가능하다. 신호들은 두 링을 구성하는 RF 커플링 장치를 통해 교환된다. 하나는 샤프트와 함께 회전하고 다른 하나는 정지 상태를 유지한다. 일반적으로 사용되는 여기 주파수는 100~1,000 MHz이며 주파수 변이는 최대 1 MHz까지 발생한다. 이에 기초해 토크는 1/100만의 정밀도로 측정될 수 있다.
연속적인(notch-free) 성능은 SAW 기술과 모터 정밀 제어의 결합을 통해 제공된다. 그 시스템은 또한 자기 중심 조정(self-centring) 기능을 갖는다.

전기유압식 동력 조향장치
전기유압식 동력 조향장치(Electro Hydraulic Power Steering, EHPS)는 EPAS와 기존 유압 시스템 간의 중간 단계에 있는 시스템이다. 이 시스템은 전기 모터가 기존 파워 조향 시스템에 유압 유체를 제공하는 유압 펌프를 구동한다. 유압 회로는 탱크와 펌프가 ‘power-pack(조향 기어와 통합돼 완전한 조향 시스템 모듈을 구성)’을 구성하기 위해 보다 쉽게 모터 드라이브와 통합될 수 있다는 것을 제외하곤 매우 유사하다. 그러나 EHPS는 필요할 때만 동력을 제공하지는 않으며, 필요하지 않은 경우엔 모터가 완전히 동작하지는 않으나 EHPS 시스템의 형태에 따라 700~2,000 rpm 사이에서 공전한다.
기존의 유압식 동력 조향장치(Hydraulic Power Assisted Steering, HPAS)를 사용할 수 있고 개발 기간과 비용이 줄어들고 장애 시 유압 보조 기능만 손실되는 장점이 있다. ECU, 파워 팩, 센서는 안전성과 무관하고 조향장치와 직접 관련된 고관성으로 인한 불안정 문제는 없다. 이러한 시스템은 GM의 Opel/Vauxhall Astra에 양산 적용됐다.
TRW의 독일, 벨기에, 영국 공장에서는 단일 모듈로서 유압 유체가 충진된 상태로 시험을 거쳐 제공된다. GM이 이 모듈을 차량의 전기 시스템에 설치하고 연결하는데 필요한 시간은 약 30초다. TRW에 따르면, 이 방식은 기존 유압 시스템에 비해 조립시간이 93% 빠르고 품질은 획기적으로 향상된다.

AEM_Automotive Electronics Magazine