汽車電動助力轉向(EPS)系統(tǒng)的設計論文

1 目 錄 一、 緒論 1.1 前言 1 1.2 EPS 的特點 2 1.3 EPS 系 統(tǒng)在國內外的應用狀況 3 二、 EPS 的基本構造和 工作 原理 2.1 EPS 系統(tǒng)結構及其工作原理 4 2.2 EPS 的關鍵部件 5 2.2.1 扭矩傳感器 5 2.2.2 電動機 6 2.2.3 電磁離合器 6 2.2.4 減速機構 7 2.3 EPS 的電流控制 7 2.4 助力控制 8 2.5 回正控制 9 2.6 阻尼控制 9 三、 EPS 系統(tǒng)電機驅動電路的設計 3.1 微控制器的選擇 10 3.2 硬件電路總體框架 10 3.3 電機控制電路設計 11 3.3.1 H 橋上側橋 MOSFET 功率管驅動電路設計 12 3.3.2 H 橋下側橋 MOSFET 功率管驅動電路設計 13 3.4 蓄電池倍壓電源 14 3.5 電機驅動電路臺架試驗 15 3.6 結論與展望 16 四、電動助力轉向系統(tǒng)故障自診斷的研究 4.1 故障自診斷的基本原理 17 4.2 電動助力轉向系統(tǒng)故障自診斷 17 4.2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識 17 4.2.2 轉矩傳感器故障自診斷 18 4.2.3 電機故障自診斷 20 4.2.4 車速和發(fā)動機轉速信號故障自診斷 21 4.2.5 電磁 離合器故障自診斷 22 4.2.6 控制單元電源線路故障自診斷 22 4.2.7 控制單元故障自診斷 23 4.3 故障代碼顯示控制及安全防范措施 23 4.4 實例分析 26 4.5 結束語 27 致 謝 27 2 汽車電動助力轉向 (EPS)系統(tǒng)的設計 緒 論 1.1 前言 轉向系統(tǒng)作為汽車的一 個重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉向特性、穩(wěn)定性和行駛安全性。 汽車助力轉向依次經歷了機械式轉向系統(tǒng)、液壓式轉向系統(tǒng)、電控液壓式轉向系統(tǒng)等階段，國際上已有一些大的汽車公司在探討開發(fā)的下一代線控電動轉向系統(tǒng)。在國外，各大汽車公司對汽車電動助力轉向系統(tǒng)（ Electric power steering-EPS,或稱 Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有 20 多年的歷史。隨著近年來電子控制技術的成熟和成本的降低， EPS 越來越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動力轉向系統(tǒng)不可比 擬的優(yōu)點，迅速邁向了應用領域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動力轉向系統(tǒng)（ Hydraulic powersteering,簡稱 HPS）。 實踐證明電動助力轉向系統(tǒng)（ EPS）具有節(jié)能、成本低和便于控制，易于裝車，提高操縱穩(wěn)定性和輕便性以及符合機電一體化的要求等優(yōu)點，正迎合了時代的要求。 1.2 EPS 的特點 1.EPS 節(jié)能環(huán)保。 由于發(fā)動機運轉時，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉向系統(tǒng)使整個發(fā)動機燃 油消耗量增加了 3 5，而 EPS 以蓄電池為能源，以電機為動力元件，可獨立于 發(fā)動機工作， EPS 幾乎不直接消耗發(fā)動機燃 油。 EPS 不存在液壓動力轉向系統(tǒng)的燃油 泄漏問題， EPS 通過電子控制，對環(huán)境幾乎沒有污染。 2.EPS 裝配方便。 EPS 的主要部件可以集成在一起，易于布置，與液壓動力轉向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲油罐等，元件數目少，裝配方便，節(jié)約時間。 3. EPS 效率高。 液壓動力轉向系統(tǒng)效率一般在 60% 70%，而 EPS 的效率較高，可高達 90以上。 4. EPS 路感好。 3 傳統(tǒng)純液壓動力轉向系大多采用固定放大倍數，工作驅動力大，但卻不能實現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時的輕便性 和路感。而 EPS 系統(tǒng)的滯后特性可以通過 EPS 控制器的軟件加以補償，使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉向助力。 5. EPS 回正性好。 EPS 系統(tǒng)結構簡單，不僅操作簡便，還可以通過調整 EPS 控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。 6、動力性： EPS 系統(tǒng)可隨車速的高低主動分配轉向力，不直接消耗發(fā)動機功率，只在轉向時才起助力作用，保障發(fā)動機充足動力。 (不像 hps 液壓系統(tǒng)，即使在不轉向時，油泵也一直運轉處于工作狀態(tài)，降低了使用壽命 ) 1.3 EPS 系統(tǒng)在國內外的應用狀況 國外 EPS 的發(fā)展之路： 因為微型轎車上狹小的 發(fā)動機 艙空間給液壓助力轉向系統(tǒng)的安裝帶來了很大的 麻煩，而 EPS 元件比較少，重量輕，裝配方便，比較適合在微型轎車上安裝。因此 在國外， EPS 系統(tǒng)首先是在微型轎車上發(fā)展起來的。 上世紀 80 年代初期，日本鈴木公司首次在其 Cervo 轎車上安裝了 EPS 系統(tǒng)， 隨后還應用在其 Alto 車上。此后， EPS 在日本得到迅速發(fā)展。出于節(jié)能環(huán)保的考慮 ， 歐、美等國的汽車公司也相繼對 EPS 進行了開發(fā)和研究。雖然比日本晚了 10 年時 間，但是歐美國家的開發(fā)力度比較大，所選擇的產品類型也有所不同。日本起初選擇 了技術相對成熟的有刷電機。 有刷電機比較成熟，在汽車上的應用較廣，比如雨刷、車窗等部分，稍做改進就 適應了 EPS 的要求，因此研發(fā)周期較短，上世紀 80 年代末期就開始產業(yè)化，主要 裝配在微型車上。而歐美則選擇了難度較大的無刷電機，但是電子控制系統(tǒng)比較復雜， 延長了研發(fā)周期。直到 90 年代中期歐美才開始批量生產。從長遠發(fā)展看，有刷電機 存在一定弊端，比如電刷產 生的噪聲較難克服，磨損較嚴重，存在電磁干擾等問題。 因此，日本現(xiàn)在國內配裝的 EPS 也逐漸轉向無刷電機類了。 國內 EPS 的發(fā)展現(xiàn)狀： 我國 汽車電子 行業(yè)的總體發(fā)展相對滯后，但是，隨著汽車對環(huán)保、節(jié)能和安全性要求 4 的進一步提高，代表著現(xiàn)代汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向的 EPS 電動助力轉向系統(tǒng)已被我國列為高新科技產業(yè)項目之一，國內各大院校、科研機構和企業(yè)已經紛紛開始對EPS 這一領域進 行了研究，使得 EPS 得到了迅速的發(fā)展。據悉，自主品牌研發(fā)的EPS 系統(tǒng)離產業(yè)化就差整車廠批量裝車認可這一臺階了，相信很快就可以實現(xiàn)量產。 二、 EPS 的基本構造和 工作 原理 2.1 EPS 的結構及工作原理 電動助力式轉向系統(tǒng)在不同車上的結構部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉矩（轉向）傳感器、電子控制單元 ECU,電動機、電磁離合器以及減速機構構成，其機構示意如圖 1所示。 其基本工作原理是：當轉向軸轉動時，扭矩傳感器將檢測到的轉矩信號轉化為電信號送至電子控制單元 ECU， ECU 再根據扭矩信號、車速信號、軸重信號等進行計算，得出助力電動機的轉向和助力電流的大小，完成轉向助力控制， EPS 系統(tǒng)控制框圖如圖 2所示。 5 圖 2 EPS 系統(tǒng)控制框圖 2.2 EPS 的關鍵部件 2.2.1 扭矩傳感器 扭矩傳感器用來檢測轉向盤轉矩的大小和方向，以及轉向盤轉角的大小和方向，它是 EPS 的控制信、號之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定 EPS 能否占領市場的關鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要是電位計式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭 桿式三種類型，而非接觸式轉矩傳感器主要有光電式和磁電式 (如圖 3所示 )兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進行折中，難以實現(xiàn)絕對轉角和角速度的測量。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強、剛度相對較高，易實現(xiàn)絕對轉角和角速度的測量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據 EPS 的性能要求綜合考慮。 6 圖 3 磁電式扭矩傳感器 2.2.2 電動機 電動機根據 ECU 的指令輸出適宜的轉矩，一般采用無刷永磁電動機，無刷永磁電機具有無激磁損耗、效率較高、體 積較小等特點。電機是 EPS 的關鍵部件之一，對 EPS 的性能有很大的影響。由于控制系統(tǒng)需要根據不同的工況產生不同的助力轉矩，具有良好的動態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機具有線性的機械特性和調速特性。此外還要求電機低轉速大扭矩、波動小、轉動慣量小、尺寸小、質量輕、可靠性高、抗干擾能力強。 2.2.3 電磁離合器 電磁離合器是保證電動助力只在預定的范圍內起作用。當車速、電流超過限定的最大值或轉向系統(tǒng)發(fā)生故障時，離合器便自動切斷電動機的電源，恢復手動控制轉向。此外，在不助力的情況下，離合器還能消除電動機的慣性對轉 向的影響。為了減少與 7 不加轉向助力時駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。 2.2.4 減速機構 減速機構用來增大電動機傳遞給轉向器的轉矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機構 (圖 4)和蝸輪蝸桿減速機構 (圖 5)。由于減速機構對系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉向操作的對稱性方面對其提出了較高的要求。 圖 4 雙 級行星減速機構 圖 5 蝸輪蝸桿減速機構 2.3 EPS 的電流控 制 EPS 的上層控制器用來確定電動機的目標電流。根據 EPAS 的特點，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。 EPS 的電流控制方式控制過程為：控制器根據轉向盤轉矩傳感器的輸出 Th和車速傳感器的輸出 V 由助力特性確定電動機的目標電流 Imo，然后電流控制器控制電動機的電流 Im,使電動機輸出目標助力矩。因此 EPS 的控制要解決兩個問題：（ 1）確定助力特性；（ 2）跟蹤該助力特性。整個控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來根據基本助力特性及其補償調節(jié)，進行電動機目標電流的決策，下層控制器通過控制電動 機電樞兩端的電壓，跟蹤目標電流。 8 圖 6 EPS 的電流控制 2.4 助力控制 助力控制是在轉向過程（轉向角增大）中為減輕轉向盤的操縱力，通過減速機構把電機轉矩作用到機械轉向系（轉向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。 步驟如下： (1)輸入由車速傳感器測得的車速信號； (2)輸人由轉向盤轉矩傳感器測得的轉向盤力矩大小和方向； (3)根據車速和轉向盤力矩，由助力特性得到電動機目標電流； (4)通過電動機電流控制器控制電動機輸出力矩。在這一基 本控制過程中，助力特性曲線確定系統(tǒng)的控制目標，決定著 EPS 系統(tǒng)的性能。 EPS 的助力特性曲線屬于車速感應型，在同一轉向盤力矩輸人下，電動機的目標電流隨車速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。 9 2.5 回正控制 當汽車以一定速度行駛時，由于轉向輪主銷后傾角和主銷內傾角的存在，使得轉向輪具有自動回正的作用。隨著車速的提高，回正轉矩增大，而輪胎與地面的側向附著系數卻減小，二者綜合作用使得回正性能提高。駕駛員松開轉向盤后，隨著作用在轉向盤上的力的減小，轉向盤將在回正力矩的作用下回正。 在轉向盤回正過程中，有兩種情況需要考慮：（ 1）回正力矩過大，引起轉向盤位置超調；（ 2）回正力矩過小，轉向盤不能回到中間位置。對前一種情況，可以利用電動機的阻尼來防止出現(xiàn)超調。后一種情況需要對助力進行補償，以增加回正能力。 根據轉向盤轉矩和轉動的方向可以判斷轉向盤是否處于回正狀態(tài)。回正控制的內容有：低速行駛轉向回正過程中， EPS 系統(tǒng) H橋實行斷路控制，保持機械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉向回正時，為防止回正超調，采用阻尼控制。 2.6 阻尼控制 阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快 速轉向收斂性提出的。汽車高速直線行駛 時，如果轉向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會有通常說的 “飄”的感覺，這給駕駛帶來很大的危險。為提高高速行駛時駕駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內進行阻尼控制，適當加重轉向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時手感的穩(wěn)重”。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉向盤轉向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的 10 慣性比機械式轉向系統(tǒng)的慣性大，轉向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采 用阻尼控制時，只需將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機產生阻尼效果。 三、 EPS 系統(tǒng)電機驅動電路的設計 3.1 微控制器的選擇 MOTOROLA 公司的 MC9S12 系列單片機是基于 16位 HCS12 CPU 及 0.5m 制造工藝的高速、高性能 5.0V FLASH 微控制器，是根據當前汽車的要求設計出來的一個系列 l。它使用了鎖相環(huán)技術或內部倍頻技術，使內部總線速度大大高于時鐘產生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較同類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車內部惡劣的環(huán) 境。設計方案采用 MC9S12DP256 單片機，其主頻高達 25 MHz，同時片上還集成了許多標準模塊，包括 2 個異步串行通信口 SCI，3 個同步串行通信口 SPI， 8通道輸人捕捉 /輸出比較定時器、 2 個 10 位 8通道 A/D轉換模塊、 1 個 8 通道脈寬調制模塊、 49 個獨立數字 I/0 口（其中 20個具有外部中斷及喚醒功能）、兼容 CAN2.OA/B 協(xié)議的 5個 CAN 模塊以及一個內部 IC 總線模塊；片內擁有 256 KB 的 Flash EEPROM， 12KB 的 RAM 及 4KB 的 EEPROM，資源十分豐富。 3.2 硬件電路總體框架 電動助力 轉向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊： MC9S12DP256 微控制器、電源電路、信號處理電路、直流電機功率驅動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感 11 器、扭矩傳感器、發(fā)動機點火信號、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等， EPS 系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖 8 所示。 3.3 電機控制電路設計 直流電動機是 EPS 系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機的控制電路在系統(tǒng)設計中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調制（ PWM）控制 H 橋電路實施對直流電動機的控制，由 4個功率 MOSFET 組成 2，如圖 9 所示。采用 PWM 伺服控制方式 ， MOSFET 功率管的驅動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關狀態(tài)下。系統(tǒng)采用 4個International Reetifier 公司生產的 IRF3205 型 MOSFET 功率管組成 H橋路的 4個臂。 IRF3205 具有 8 m 導通電阻、功耗小、耐壓達 55V、最大直流電流 110A、滿足 EPS 系統(tǒng)對 MOSFET 功率管低壓（正常工作不超過 15V）大電流（額定電流 30 A）的要求。 12 3.3.1 H 橋上側橋臂 MOSFET 功率管驅動電路設計 上側橋臂的 MOSFET 功率管驅動電路如圖 10 所示，其中 Qa/Qb 為上 側橋臂的功率MOSFET a 管或 b 管， vdble 為倍壓電源電路提供的電源電壓。當 MOSFET 的控制信號 a（ b）為高電平時， Q1 和 Q2 導通，電源通過 Q2， D1 以及 R5 與 C1 的并聯(lián)電路向 Qa 充電，直至 Qa 完全導通， Q3 截止。當 Qa 導通時，忽略 Qa 的漏極和源極之間的電壓降，則 Qa 的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時， Qa 的柵 源極電壓降 VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中 VCE 為 2N2907 的集一射極飽和導通電壓，其典型值為0.4V3， VF 為 D1 的正向導通壓降，其典型值為 0.34V4， Vbat 為蓄電池電壓。為保證器件可靠導通，降低器件的直流導通損耗， VGS 不低于 l0V5。因此需設計高效的倍壓電源電路，以保證 Vdble 的值足夠大，滿足功率 MOSFET 的驅動要求。如果蓄電池電壓為12V 時， Vdble12V 0.34V 0.4V 10V=22.74V。 13 當 MOSFET 的控制信號 a（ b）管為低電平時， Q1 和 Q2 均截止， Q3 導通， Qa 的柵 源極電壓通過 R5 與 C1 的并聯(lián)電路及 Q3 迅速釋放，直至 Qa 關斷。 Qa 關斷時，連接其柵 -源之間的電阻 R6 使其柵 -源電壓為零。 IRF3205 的導通門限電壓為 2 4V， OV 的柵 源極電壓能夠使其關斷。 3.3.2 下側橋臂的功率 MOSFET 管驅動電路 下側橋臂的功率 MOSFET 驅動電路如圖 11 所示，其中 Qc/Qd 為下側橋臂的功率MOSFET 的 c管或 d管。當 MOSFET 的控制信號 c（ d）為高電平時， Q1 導通， Q2截止，Q1 的柵極電壓通過 R3 與 C1組成的并聯(lián)電路、 D及 Q1 迅速釋放， Qc/Qd 關斷。 14 當 MOSFET 的控制信號 c（ d）低電平時， Q1截止， Q2 導通，電源通過 Q2 以及R3 與 C，組成的并聯(lián)電路對 Qc 的柵極充電，直至 Qc 完全導通。當 Qc導通時 ，其柵 源極電壓等于電源電壓減去 Q2 的集 射極飽和導通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去 1N5819 二極管的正向導通電壓。所以， Qc的柵 源極電壓 VGS=（ Vbat-VCE-VF），當蓄電池電壓為 12V，取各參數為典型值得 Qc 的柵 -源極電壓為11.26V，滿足 IRF3205 的柵極驅動（ 10V）所需的電壓。 3.4 蓄電池倍壓工作電源 由于上側橋臂的 MOSFET 功率管的柵 -源電壓必需大于 22.74V，而蓄電池電壓只有 12V。因此需要設計蓄電池倍壓電源，產生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H 橋 a、 b 功率管 的驅動電路，保證高側 MOSFET 功率管能夠完全導通。 電源倍壓電路如圖 12 所示， NE555 定時器工作于多諧振蕩器模式，于引腳 3產生幅值等于 NE555 的供電電壓，頻率為 1/0.7（ R2+2R1） C1 的矩形波。 C3、 C4， Dl和 D2 構成電荷泵電路。當 NE555 引腳 3 輸出高電平時，由于電容電壓不能突變， C3正極電壓為 24V 或接近 24V，并通過 D2向 C4 充電，使 C4 電壓為 24V 或接近 24V。由于受電路的工作效率、二極管 D1 和 D2 上的正向電壓降以及負載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的 2 倍，即供電電壓為 12V 時，輸出電壓低于 24V，當供電電源為 12V 時，倍壓電源電壓約為 22.9V，大于 Vdb1（ 22.74V），可以滿足需要。 15 3.5 電機驅動電路臺架試驗 根據電動轉向控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu) H二控制器編制電動轉向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動轉向試驗臺上進行臺架模擬試驗，車速信號用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號代替網。圖 13 為中等車速轉向助力時，測量的方向盤轉矩（ T）和助力電動機電流（ I）變化曲線。從圖 7中可以看出，在轉向過程中，助力電動機電流隨著方向盤轉矩的變化而變化，電動機電流的變化趨勢 和方向盤轉矩的變化趨勢相吻合，表明電動機的助力轉矩對方向盤轉矩有良好的跟蹤性能。轉向操作時，無助力滯后感，轉向平穩(wěn)，表明轉向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。 向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動助力轉向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。 16 3.6 結論與展望 MC9S12 系列 16 位單片機片內資源豐富，對于一般的簡單應用，只需一片單片機加少量圍電路即可。開發(fā)的直流電機電路經初步試驗，性能良好，可基本滿足電動助力系統(tǒng)轉向系統(tǒng)的需要。文中只介紹電動助力轉向系統(tǒng)硬件電路設計的基本框架，為獲取良好的控制效果，電動 助力轉向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據車速和扭矩這 2 個基本的信號進行電動助力轉向系統(tǒng)的研制，轉向角、轉向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動助力轉向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。 17 四、電動助力轉向系統(tǒng)故障自診斷的研究 4.1 故障自診斷的基本原理 故障自診斷系統(tǒng)的作用是監(jiān)測、診斷電子控制系統(tǒng)各傳感器、執(zhí)行器以及電子控制器（ ECU）的工作是否正常。當 ECU 中某一電路超出規(guī)定范圍的信號時，自診斷系統(tǒng)就判定該電路及相關的傳感器或執(zhí)行器發(fā)生故障，并控制故障指示燈閃爍，目前常用的故障代碼指示有 二種：一是以閃爍次數和時間長短表示不同故障，如三菱、現(xiàn)代、克萊斯勒、寶馬等；二是不同顏色的幾盞燈（一般為紅、綠燈）閃爍表示不同故障，如本田、日產等。同時將故障信息以故障代碼的形式存儲到 ECU 內部的存儲器中，然后 ECU 控制系統(tǒng)采取相應的安全防范措施。故障信息一旦被存儲，即使故障已經排除且故障指示燈熄滅，仍將儲存在存儲器中。 消除故障碼的方法有二：一是將保險絲盒中的保險絲拔下 10S 以上；二是將蓄電池搭鐵線拆下 10S 以上。 4.2 電動助力轉向系統(tǒng)故障自診斷 4.2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識 根據 EPS 系統(tǒng)控制 線路（如圖 14）， 18 圖 14 EPS 系統(tǒng)控制線路圖 19 本文對 EPS 系統(tǒng)各組成部件進行如下故障診斷。 4.2.2 轉矩傳感器故障自診斷 我們開發(fā)的電動助力轉向系統(tǒng)應用的是擺臂式的轉矩傳感器。其工作原理相當于一個電位計，如圖 15 所示，它具有雙回路輸出，即主扭矩（對應 IN+端電壓值）、副扭矩（對應 IN-端電壓值）輸出，其主、副扭矩輸出特性如圖 16 所示，即當轉矩傳感器正常工作時，電位計的兩個輸出即主扭和副扭信號，理論上，正常工作范圍在1V 4V，并且當轉向盤處于中間位置時，轉矩傳感器的主扭和副扭的輸出電壓均為2.5V。一旦其本身及信號采集電路（如圖 17）出現(xiàn)異常，輸入 CPU（我們選用 P87C591芯片為核心的 8 位微控制器，其本身自帶有 A/D 轉換器）的主、副扭矩信號將大于4V 或小于 1V 或兩信號之差超過 3V。但實際車輛行駛中，雖然硬件和軟件設計中考慮了各種抗干擾措施，各種偶爾的噪聲或振動還是或多或少的會引起轉矩信號的暫時偏差，而這種偏離是暫時的且系統(tǒng)能自動修復，故將轉矩信號的異常界限值設為 0.9V -4.1V，并且只有當信號值超出其范圍持續(xù)一定時間（如 30ms），才判定轉矩傳感器有故障，這樣可以減少因其它外界原因而引起對 轉矩傳感器故障的誤判。 此外，轉矩傳感器的信號檢測是建立在 +5V 的穩(wěn)壓電源基礎上的，因此穩(wěn)壓電源電路的正常與否將直接影響到主、副扭矩信號。因此在檢測轉矩傳感器主、副扭矩信號異常之前，首先判斷轉矩傳感器電源電壓是否在規(guī)定范圍內?？紤]到三端穩(wěn)壓集成塊 MC78T05 在環(huán)境溫度影響下其輸出電壓會有 0.1V 的偏差，因此我們規(guī)定其正常 20 輸出電壓為 5 0.2V。如果 CPU 檢測到電源電壓異常，此時就跳過對轉矩傳感器信號的檢測，這樣可以避免對轉矩傳感器本身故障的誤判。 通過信號值比較可以診斷如下傳感器故障： 主扭矩 線路斷開或短路 主線路與輔線路輸出電壓差異過大 轉矩傳感器電源電壓過高或過低 輔扭矩線路斷開或短路 圖 17 主、副扭矩信號采集 4.2.3 電機故障自診斷 轉向助力大小是通過控制電機電流來實現(xiàn)，因此檢測電機兩端的實際控制電流就顯得非常重要。電機電流采集電路（如圖 18），通過測量串聯(lián)在驅動回路中的精密電阻 R62 兩端的電壓，經過信號放大和適當的電容濾波，然后通過 ADC2 端口反饋給CPU，此時程序設計將此電壓與理論計算電壓進行比較，如果兩者懸殊過大；或者連續(xù)幾分鐘之內的平均電流消耗超過預先規(guī)定的數值，就判 斷電機及其線路有故障，以防止電機過載而燒壞或工作不穩(wěn)定。其中我們選用的精密電阻值約 7m，這樣和電動機電樞電阻 168m相比要小的多，因此基本不影響系統(tǒng)工作。 通過上述信號比較可以診斷如下電機故障： 電機的控制電流過高，使電機出現(xiàn)過載而燒壞 CPU 計算的電機控制電流與實際檢測的控制電流相差太大 控制單元有控制電流傳遞給電機，但電機仍不能起動 21 圖 18 電機電流采集 4.2.4 車速和發(fā)動機轉速信號故障自診斷 車速信號和發(fā)動機轉速信號都是數字信號，因此不需要經過 A/D 轉換，只需經過一定的整形電路，就可以 直接送給 CPU 的定時器 /計數器端口，然后通過計數器對波形的一定時間內的計數即可采集車速和發(fā)動機轉速。如車速整形電路（如圖 19），車速信號通過一定的濾波和比較器比較，然后直接送給 CPU 的計數器 T0。通過上述信號的采集，然后與相應工況的規(guī)定值比較，即可以診斷如下故障： 發(fā)動機起動后立即升到 4000r/min 或更高時，行車中持續(xù) 60 秒沒有車速信號輸入 CPU 發(fā)動機在 2500 r/min 或更高速狀態(tài)下運轉時，行車中持續(xù) 60 秒沒有車速信號輸入 CPU 發(fā)動機機起動后，無發(fā)動機速度信號輸入 CPU 22 圖 19 車速整形電路 4.2.5 電磁離合器故障自診斷 電磁離合器連接了助力電機和轉向柱，它的分離與接合穩(wěn)定與否將直接影響轉向特性，因此系統(tǒng)工作時，其狀態(tài)信號要及時反饋給 CPU。電磁離合器狀態(tài)信號采集電路如圖 20 所示：當離合器處于接合狀態(tài)時， P0.0 端口輸出高電平；反之，輸出高電平。因此離合器線路斷開或短路可以通過 P0.0 端口反應。 圖 20 電磁離合器狀態(tài)信號采集 4.2.6 控制單元電源線路故障自診斷 如圖 14 所示：當點火開關閉合時，蓄電池電壓將通過 ADC4 端口送給 CPU，因此當 ADC4 端檢測的電壓信號低于 10V，程序設計就可以控制故障燈顯示蓄電池電壓太低。 23 4.2.7 控制單元故障自診斷 控制單元主要由電子元件和軟件組成，其本身不易出現(xiàn)故障。我們主要通過在硬件方 面進行合理的布線和相應的濾波、抗干擾等措施來減少故障的發(fā)生；軟件上通過使用看門狗技術、容錯技術和設置軟件陷阱等 處理程序運行