（光学工程专业论文）eps系统故障诊断及系统保护策略的研究.pdf

摘要 摘要 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 具有节能、高效、 安全等优点，是未来动力转向系统的发展趋势。转向系统是汽车的安全部件， 必须高度可靠。电动助力转向作为一项新技术，和液压动力转向相比存在不同 的故障模式，其故障诊断和系统保护控制策略是实现产品化的关键技术之一， 在提高系统可靠性中扮演了重要角色。本文依托为上海华普混合动力汽车“汽 车电动助力转向系统 项目，进行了电动助力转向系统的故障诊断及保护策略 的研究。 故障诊断及保护策略的功能是及时检测出故障并对故障进行分类和存储故 障代码，对于不同等级的故障采取不同的保护策略。本文在对其转向系统的结 构与组成特点进行了深入分析以及前人已开发的e p s 系统故障模式分析和故障 树分析策略开发方法的基础上，并以实时故障诊断和及时系统保护为目标，对 于e p s 系统的关键故障研究了故障诊断的策略算法，其中包括扭矩故障诊断， 转角故障诊断，上电保护，车速故障诊断，初始化故障诊断以及过热保护策略。 并尝试了对于车速信号的运用小波变换的故障诊断方法并进行了基于a u t o b o x 的m 枷a b s i m u l i n k 仿真试验。 通过e p s 故障诊断的台架试验、e c u 试验和实车试验，表明了此故障诊断 控制策略的诊断精度达到了正确诊断的要求，并能够及时地进行合适的系统保 护策略操作。可以用于电动助力转向的实时故障诊断。 关键词：电动助力转向系统，e p s ，小波变换，故障诊断，故障代码，故障检 测，系统保护 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fl o we n e r g yc o s t ， e f f i c i e n c y , s a f e t ya n ds oo n ，w h i c hi s t h et e n d e n c yo fp o w e rs t e e r i n gs y s t e m s t e e r i n gs y s t e mi so n e o fv e h i c l e ss a f e t yp a r t s ，w h i c hh a st ob ew i t hh i g hr e l i a b i l i t y a san e wt e c h n o l o g y , e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a sd i f f e r e n t f a u l tm o d e s c o m p a r e d w i t hh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，w h o s ef a u l td i a g n o s i sa n d p r o t e c t i o ns t r a t e g yi st h ek e yt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a l i z a t i o na n dp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei ni m p r o v i n gs y s t e m sr e l i a b i l i t y d e p e n d i n g0 1 1t h es m a s ( s h a n g h a im a p l e a u t o m o b i l ec o m p a n y ) p r o j e c t “d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g o nt h e h y b r i dv e h i c l e ，t h i sp a p e rs t u d yt h ef a u l td i a g n o s i sa n dp r o t e c t i o ns t r a t e g yo f i t se p s t h ef u n c t i o no ff a u l td i a g n o s i sa n dp r o t e c t i o ns t r a t e g yi st od e t e c tf a u l t si nt i m e ， c a t e g o r i z et h ef a u l t sa n ds t o r et h ed i a g n o s t i ct r o u b l ec o d e s ( d t c ) a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tf a u l tc a t e g o r i e s ，d i f f e r e n tp r o t e c t i o ns t r a t e g i e sw i l lb et a k e n b a s e do nt h e d e e pa n a l y s i so f t h ec o n s t r u c t i o na n df e a t u r e so fs t e e r i n gs y s t e ma n de p sf m e a a n d f t ac o n t r o ls t r a t e g yd e s i g n e db yt h ea n c e s t o r , t h i sp a p e ra i m sa td e t e c t i n gf a u l t so n r e a lt i m ea n dp r o t e c t i n gs y s t e mi nt i m e t h ef a u l td i a g n o s i ss t r a t e g yi ss t u d i e do n c r i t i c a lf a u l t so fe p ss y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st o r q u ed i a g n o s i s ，a n g l ed i a g n o s i s ，s t a r t p r o t e c t i o n ，v e h i c l es p e e dd i a g n o s i s ，i n i t i a ld i a g n o s i sa n do v e r h e a tp r o t e c t i o n t h e s t u d yo nw a v e l e tt r a n s f o r mo fv e h i c l es p e e dd i a g n o s i sh a sb e e nd e v e l o p e da n dt h e s i m u l a t i n ge x p e r i m e n th a sb e e nt a k e ni nm a t l a b s i m u l i n k t h r o u g ht h ee p sb e n c ht e s t ，e p s - e c ut e s ta n dv e h i c l et e s t ，i ti ss h o w nt h a tt h e p r e c i s i o no ft h i s f a u l td i a g n o s i ss t r a t e g yh a sr e a c h e dt h er e q u i r e m e n to fc o r r e c t d i a g n o s i s ，a n dt h es y s t e mp r o t e c t i o nh a sb e e nt a k e ni nt i m e s oi tc o u l db et a k e n a s t h er e a lt i m ef a u l td i a g n o s i sf o re p ss y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，e p s ，f a u l td i a g n o s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r m ， d t c ，f a u l td e t e c t i o n ，s y s t e mp r o t e c t i o n n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e i j 届l l 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本学位论 文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发 表的作品的内容对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均已在文中以明确方式标明本学位论文原创性声明的法律责 任由本人承担 凌动 哀汕 到1 d 2 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 本课题来源于“上海市科学技术委员会2 0 0 3 年度第五批重大科研公关课 题 中的“电动助力转向系统的研究和开发课题的子课题：电动助力转向系 统故障诊断及系统保护。并辅助为上海华普混合动力汽车提供安全可靠的电动 助力转向系统，为其设计切实可行的电动助力转向系统故障诊断及系统保护策 略。 电动助力转向系统作为汽车电子先进技术的典型代表之一，必将成为下一 代轿车的转向系统的发展趋势，文献【2 1 中有详细介绍。e p s 系统故障诊断及系 统保护策略作为控制策略的设计的核心技术之一，在e p s 发生故障时必须具有 一定的系统保护功能，比如e c u 在e p s 系统发生致命故障时切断电动助力，同 时要有完备的故障记录功能，报警功能等。并针对非常关键的故障模式进行故 障检测以及故障保护策略的研究。本e p s 故障诊断及保护系统策略中主要包括 扭矩故障，转角故障，车速诊断，上电保护，初始化诊断和过热保护，并将e p s 故障诊断策略用控制器实现并验证了其功能。从而探索出对于目前处于研究热 点尚未产品化的e p s 故障诊断系统的开发平台，为后续故障诊断功能的完善奠 定坚实的基础。 1 2 国内外研究现状 国内在故障诊断方面的探索，主要是停留在对算法进行数学上的介绍这样 一种学术理论层面上。例如吉林大学的潘海涛的电动助力转向故障诊断技术 研究 1 2 】文章中提到了采用具有两个隐层的b p 神经网络，运用动量法和自适 应学习率算法用于诊断电动助力转向的关键故障，但缺少具体的试验数据。在 查询与e p s 系统故障模式，故障树，故障检测，故障保护等关键词有一点关联 的文献，几乎没有。从实际应用的角度来讲，国内的文献多半集中在出现故障 如何检修的层次上。同济大学汽车学院的前辈师兄邓念在e p s 系统故障模式， 第一章绪论 故障树上也具有较深入的研究，其在文章c e p s 故障诊断及系统保护策略的开 发1 3 j 上有详细介绍。 从国外来看，d e l p h i 公司的s o n gy o u 和l a c ij a l i c s ，在一篇题为( ( h i e r a r c h i c a l c o m p o n e n t - b a s e df a u l td i a g n o s t i c sf o rb y w i r es y s t e m s ) ) 1 8 】的文章中，建立起 了基于m a t l a b l 7 s i m u l i n k 包括动力转向系统，制动系统，循航控制系统等多子系 统的整车故障诊断仿真框图，并给出了加入故障诊断后，整车性能仿真曲线。 但是框图内部结构没有公开。同样是d e l p h i 公司的s a n k e ta m b e r k a r ，m a r k k u s h i o n ，k i r te s c h t r u t h 和f a r h a db o l o u r c h i 在一篇题为( ( d i a g n o s t i cd e v e l o p m e n t f o ra ne l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) ) 1 1 9 】的文章中，从宏观的角度给出了一个故 障诊断算法的软件框图，并且阐述了控制算法与故障诊断算法软件之间的联系 并通过仿真结果，阐明了故障诊断技术对于提高系统可靠性的作用。这为故障 发生后系统的保护的实现启发了思路。 1 3 主要研究内容、意义以及方法 本课题的构想是能够根据e p s 系统的工作原理，e p s 系统的工作原理在文 献 2 l q b 有所介绍。建立系统的故障树1 8 】【9 1 ，根据故障树及故障模式与后果分析， 进行定性定量的分析，确定关键故障点，对于这些故障点进行故障检测，进而 实现故障状态下的故障报警，存储故障码，系统保护。 主要研究内容如下： 一、在熟悉e p s 系统的基础上，进行故障树的分析，并进行故障模式与 后果分析的研究，最终对各故障点就关键程度进行分类。 二、对于已经确定的故障点，对其进行故障检测，确立故障模式与故障 特征之间的对应关系。考虑选取冗余技术，信号检测理论，基于系统 仿真虚拟故障模拟实验，真实故障模拟实验方法来进行分析研究。 三、研究故障诊断处理策略，从实现故障报警，系统保护，对应故障码 的存储。 四、将故障检测及系统保护策略用控制器硬件实现，通过台架和实车试 验，进行故障诊断功能的验证。 其中，拟解决的关键技术如下： 1 ) 对于关键度高的扭矩故障，车速诊断，上电保护，初始化诊断和过热 2 第一章绪论 保护故障进行故障检测以及非接触式传感器的转角信号故障进行检 测。 劲进行故障处理及保护策略的研究。 3 ) 完成实车e p s 的可靠性试验 4 ) 对车速脉冲信号p w m 进行小波变换检测其频率奇异变化 电动助力转向系统，作为控制系统，其核心部件e c u 除了满足基本的控制 功能外，还必须具备故障诊断功能，e p s 如此，其它电子控制系统e c u 也是如 此。当系统出现故障后，诊断保护功能起作用，报警，存储故障码，系统保护。 这样可以在系统故障发生后根据故障码判定故障部位及故障原因，也可以在发 生严重故障后，让系统实现自保护，这对于汽车安全性的提高，对于故障维修的 省时省力具有重大的意义。 本课题是开发e p s 控制系统的故障诊断。从控制器软件的开发这一层面来 讲，当前国际上汽车电子产品新的开发理念如下，也即控制界熟悉的“控制程 序开发v 模式一 4 1 7 1 。本课题在进行故障诊断软件的开发过程中具体实施的 步骤分别是：概念设计，快速控制原型的半实物仿真，程序自动代码生成1 1 0 】， e c u 标定。 1 4e p s 故障模式分析 在对e c u 故障诊断功能做深入研究前必须先研究e p s 控制系统故障模式， 从而为一些非常关键的故障模式进行故障检测以及故障保护策略的研究奠定基 础。在邓念师兄的论文【3 】主要采用了故障树分析法、故障模式和后果分析 ( f m e a ) 用来分析e p s 系统的故障，并从分析结果来决定针对某些故障进行 诊断。文献【8 】【9 1 中有详细介绍。 故障树分析法( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 简称f f a 法，是一种将系统故障形成 的原因由总体至部分按树枝状逐渐细化的分析方法。 f m e a 即故障模式与后果分析。根据可能的元部件故障，推断其导致的系 统级故障，并根据系统级故障的级别，对这些故障模式进行分类。 结合前面的f t a 分析，以及f m e a 中所讨论故障模式的故障影响度，故障 发生频率，以及由它们共同决定的故障重要度，底事件故障原因分析，底事件 是否检测等，给出e p s 系统故障模式，其在文章中有详细介绍，下表为其中一 3 第一章绪论 部分。 裹1 1e p s 故障模式f m e a 分析 顶故故故故结概关 事障障障障构 塞 键 件影频重处底事件故障原因推断 重 重 重 响度要理要要要 度度度度度 车速传感器内部故障车速由高速迅速跌落到低速 54c 车速传感器开路霉断或锈断 44a 转矩传感器短路不明5 4a 转离合器本身故障外在撞击，设计缺陷 42c 诊离合器线路开路过流烧断，磨损或拉断34b 向 43b 蓄电池电量不足超过使用寿命，未及时充电 2 3c 继电器本身故障外在撞击，设计缺陷 32d 沉断 继电器线路开路过流烧断，磨损或拉断 24b e c u 到电机断开插接松脱，线路断裂2 4b 重 转矩传感器短路不明5 4a 转矩传感器到e c u 松开受到拉扯，接头损坏 24b 转向柱机械卡住锈蚀，落入异物，变形 42c 减速机构机械卡住锈蚀使接触粗糙。落入异物 4 2c 转向器机械卡住 锈蚀，落如异物，变形 4 2c 1 5 本章小结 本章介绍了国内外现有的e p s 系统故障诊断方法以及师兄前辈在这方面领 域的研究内容，并阐述了e p s 系统故障诊断及系统保护策略的功能，主要研究 内容，需要解决的关键技术和所采取的研究开展方法。并在前人已完成的使用 f t a 和f m e a 方法得出的e p s 系统故障模式的基础上选取关键的故障，从而考 虑采用恰当合适的故障诊断策略。 4 第二章故障诊断方法与诊断对象分析 第二章故障诊断方法与诊断对象分析 2 1 故障诊断概述及方法 控制系统故障诊断技术是一门应用型的边缘学科，它的基础理论是现代控 制论，计算机工程，数理统计，信号处理，模式识别，人工智能，人工神经网 络极其相应的应用学科。它的研究已经成为控制领域中的前沿课题。 故障诊断的理论或方法很多，一般有以下理论或方法： ( 1 ) 基于观测器，滤波器的故障诊断方法 ( 2 ) 基于自适应仿模技术的故障诊断方法 ( 3 ) 基于故障参数估计的故障诊断方法 ( 4 ) 直接测量系统输入输出的故障诊断方法 ( 5 ) 基于信号处理的的诊断方法 ( 6 ) 基于信息融合的方法 ( 7 ) 基于状态识别法的故障诊断方法 ( 8 ) 基于专家系统的故障诊断方法 ( 9 ) 基于模糊数学的故障诊断方法 ( 1 0 ) 基于神经网络的故障诊断方法 ( 1 1 ) 基于小波变换的故障诊断方法 根据本文中关键故障模式的特点，选用基于状态识别法的故障诊断方案。 汽车状态识别问题是故障诊断中的核心问题。状态识别法通常有以下几种方法： 时域模型识别法，频域模型识别法，逻辑推理法，距离函数分类法，故障树分 析法等。本文根据e p s 系统及其故障模式固有特点，先采用故障树分析法确定 重点需要检测的故障模式，然后针对重点需要检测的故障模式采用时域模型识 别方法来对故障加以诊断。 除了状态识别法之外，本文还对基于小波变换的信号处理的故障诊断方法 进行了探索性的研究，并针对车速的p w m 脉冲信号的奇异变化进行小波变换 的m 文件编程，并创建了基于s f u n c t i o n 的s i m u l i n k 的模型，并在a u t o b o x 上进行了试验验证。因为小波变换本身是信号处理的方法，需要截取较多的信 5 第二章故障诊断方法与诊断对象分析 号信息用于卷积积分，所以不适合实时信号的处理，所以目前针对于变化较慢 的车速信号进行小波变化的尝试。目前的试验表明小波变化可以诊断出p w m 脉冲信号频率变化。 2 1 1 小波变换简介 小波变换是一种时频局域化分析方法，在低频部分有较高的频率分辨率和 较低的时间分辨率，在高频部分有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率，这 种特性使小波变换具有对信号的自适应性。与傅立叶变换、窗口傅立叶变换 ( g a b o r 变换) 相比，小波变换能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移 等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析( m u l t i s c a l ea n a l y s i s ) ，解决了傅 立叶变换不能解决的许多困难问题，因而被人们誉为“数学显微镜。 小波变换的主要特点有： ( 1 ) 在高频范围内时间分辨率高，在低频范围内频率分辨率高。 ( 2 ) 既适合于分析平稳信号，又适合于分析非平稳信号。 ( 3 ) 利用离散小波变换可以将信号分解到各个尺度( 频带) 上。 1 、小波的定义 定义1 ：设妒( f ) 为一平方可积函数( 妒( f ) 僻) ) ，即： l 矽 ) 1 2 出 0 ，a 为伸缩因子，f 为平移因子，我们称妒t ，( f ) 为连续小 波函数基。它们是由同一母函数妒( f ) 经伸缩和平移后得到的一组函数序列。 定义3 ：将任意平方可积空问r 俾) 中的函数，( f ) 在小波基下展开，称这种 展开为函数厂o ) 的连续小波变换( c w t ) ，其表达式为： 吁聃啪脚 咖2 卸( 仁q 若采用的小波满足可容许条件，则连续小波变换存在着逆变换，其公式为： m 2 可躲，去妒争f 仁5 ， 其中： q 吖瞥姒 仁回 2 2 关键传感器故障诊断对象的分析 2 2 1 关键传感器故障模式的选取 由f j 面章节的叙述，我们知道e p s 整个系统的故障模式很多。这些故障点 是本着严谨，实事求是，安全可靠，不遗漏的态度，通过对系统结构原理仔细 的分析，列举出来的。由于技术水平和实际条件的限制，本课题很难一次将所 列故障都进行处理。故在实际工作中，是按照开放系统的思路来进行故障诊断 7 第二章故障诊断方法与诊断对象分析 和处理的，电路板上预留出的一些端口作为此系统后续完善所用。考虑到e p s 系统运行过程中，受影响最直接，最关键，并且所需要额外硬件投入最少的故 障模式是几大信号的故障，所以，e p s 系统输入信号的故障诊断是本课题的研 究重点。 2 2 2 转矩传感器及转角传感器的信号特征及冗余通道 目前试验车上e p s 转向器所用的是b it e c h n o l o g i e s 公司的扭矩传感器，该 传感器是一种接触式传感器，由于成本低廉，适合于e p s 控制策略的初期开发 阶段。这种扭矩传感器还集成了转角测量的功能。此传感器采用5 v 电源供电， 其输出信号有5 路：p 1 、p 2 、p 3 用于提供角度信息，t l 、1 r 2 用于提供扭矩信 息。转矩传感器输出信号特性如图3 1 所示。转角传感器输出信号特性如图3 2 所示。 图2 1b i 转矩传感器输出信号特性图 p a l , i l i n 伽州l i i n u l _ n l d oh l i l i o gs i l o o l ! l - i - i 啊 i _ 一，、人。一八，每一，i _ r 。 一二，一；l 十，_ o 二j 一 ； | 一 ：”一r = 二 ：i 嬲i l l 囊萎j - - p l ： ： ! 瑚 一 靠 7 斗黼专骊”v v 霞v - m 一 舢酬一一，一 瞳 彳谢 i i 嚣 i 棚 ! 孤 l n l 瑚 咐 m - -_啊 。脚。m 。i l l 。 l 并哪讲 一棚i 瑚埘棚m 瑚撙咐# i - m 撙m 脚u 瑚m 啊- i l w l h 蛔_ 口 | l l m qa n l t 8 第二章故障诊断方法与诊断对象分析 图2 2b l 转角传感器输出信号特性图 观察转角传感器输出信号特性可以看出p 1 、p 3 两个信号提供了计算角度的 充分信息。p 2 信号对于角度的计算来讲，不是必需的，因此它是一个冗余通道， 便于故障检测。t 1 和t 2 每个信号都有充分的信息来计算扭矩，因此，用t 1 和t 2 两个信号的任何一个，都可以计算出扭矩。它们互为冗余信号。既便于故 障检测，又便于在出现故障后起到信号备份的作用，同时采用两路扭矩信号， 可以消除共模干扰，让计算出的扭矩更加精确。 2 2 3 非接触式传感器 非接触式传感器的扭矩信号同样是集成扭矩传感器和转角传感器的，它的 扭矩传感器的信号和b it e c h n o l o g i e s 公司的扭矩传感器的是几乎相同的，区别 仅仅是量程范围不同，非接触式传感器的量程范围更大，为0 2 5 v 到4 7 5 v ； 而b i 传感器的量程仅为0 5 v 到4 5 v ，所以说非接触式传感器的扭矩检测更准 确。文献【2 1 1 中有详细介绍 非接触式传感器的转角信号为两路p w m 信号，其幅值为0 5 v ，范围为 1 2 5 - - 8 7 5 。其表示的量程范围为0 1 6 2 0 。并且任意定义零位，可根据 机械定位来确定零位。但若使用非接触式传感器，传感器的信号输出到e c u 控 制器需要经过硬件放大电路才能使e c u 控制器接收处理，其硬件转换电路在第 四章中会进行详细介绍，非接触式转角传感器的原理在文献【2 2 】有详细介绍。 非接触式传感器的转角部分是基于使用多层p c b 电路板的游标轨迹复合 测量技术开发的。使用游标轨迹复合测量是一种提高传感器测量精度和丰富测 量方法的常用方法。一个最常见的例子就是使用两个测量尺度的游标卡尺来决 定毫米以下的长度。h e l l a 公司的非接触感应式的角度传感器就利用了游标的优 势来实现非常精确的3 6 0 。的角度测量，对于转向的应用开发( 包括线控转向 s t e e r - b y - w i r e ) 来说非常适合。 本实验中使用的非接触式传感器的量程范围为1 6 2 0 。，是主游标信号为 0 9 0 。( 即以9 0 。为一个周期，达到9 0 。后再从零开始) ，副游标信号为0 3 2 4 。( 即以9 0 。为一个周期，达到9 0 。后再从零开始) 的传感器，其主要参数为： v d p ：1 8 v d s j5 9 第二章故障诊断方法与诊断对象分析 y m a x ： 9 0 v m 7 他们使用的游标信号计算步骤为： 在传感器安装时不需要特定选择零位，只要在安装机械定位好以后，记录 下此处的p w m l 和p w m 2 值就可，则此位置就为角度传感器的零点。以后的 角度都是以此处为零位，若相对此处的角度为正角度便从零开始递增，若相对 此处的角度为负角度便从1 6 2 0 度开始递减。其实际角度如图显示： 图3 1 0 实际传感器角度显示图 对于本传感器的两个p w m 信号，其占空比的范围为1 2 5 到8 7 5 ，而 且其幅值范围为o 一5 v 。 计算上述零点的两个p w m 信号与1 2 5 的差值( 下重合点) d i f f e r e n z l = p w m i ( 0 ) 一1 2 ，5 d i f f e r e n z 2 = p w m 2 ( 0 ) 一1 2 ，5 把传感器置于要测量的转角位置处接收p w m 信号，并计算与d i f f e r e n z 的差值 s i g n a l l = p w m l ( x ) - d i f f e r e n z l s i g n a l 2 = p w m 2 ( x ) - d i f f e r e n z 2 如果s i g n a l l 小于1 2 5 ，则必须加上7 5 如果s i g n a l 2 小于1 2 5 ，则必须加上7 5 将信号进行标准化处理，基数为9 0 该方法有一个优点，即：计算出的游 标信号在数值上等于角度的位置 1 0 第二章故障诊断方法与诊断对象分析 p 乃诅以s i g n a l l - 1 2 , 5 9 0 7 5 s 乃口c 七。s i g n a l 2 - 1 2 , 5 9 0 7 5 计算游标信号： n s - p m 叫删叫 5 p 乃口c 七一1 8 st r a c k 计算出的游标信号值就是当前的转角 2 3 故障等级及编码 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 根据e p s 工作原理，本文对于故障等级划分为5 个等级。故障等级是按照 故障发生后对系统可能造成的危险程度进行定义的。分别为：0 ，1 ，2 ，3 ，4 。 o 级故障也就是没有故障。1 级故障为轻微故障。该故障发生后，对系统的影响 很小。2 级故障为中等故障。该等级故障的发生对系统的影响不大。可以直接 以一个常数值替代参与控制算法的计算，并且这样做对系统的性能不会造成明 显的影响。3 级故障为较严重故障，该等级的故障的发生会影响系统的性能， 控制程序需要降级运行，降级运行的程序不需要这个传感器的信号。4 级故障 为严重故障，该等级故障的发生使得系统不能安全运行，必须停止e p s 助力转 向功能，恢复为手动转向。故障等级是故障处理的一个重要依据。 本课题故障代码遵循的故障诊断协议是s a ej 2 0 1 2r e v i s e da p r 2 0 0 2 协议。 其具体定义可见文献【3 】 表3 2 故障代码表 故障部位故障模式故障代码数据总线值 t 1 和电源正短路c 1 9 1 1 o x 5 9 1 1 t 1 自身短路 c 1 9 1 2o x 5 9 1 2 转矩 t 1 和电源地矩路c 1 9 1 20 x 5 9 1 2 传感 t 2 和l 乜源讵短路c 1 9 1 10 x 5 9 1 1 器故 1 r 2 自身断路c 1 9 1 2o x 5 9 1 2 粥8 丑 刀 础 研 ， g 第二章故障诊断方法与诊断对象分析 障t 2 和电源地短路c 1 9 1 2o x 5 9 1 2 转矩传感器内部故障c 1 9 1 4 0 】【5 9 1 4 t 1 和t 2 均断路c 1 9 1 2 o x 5 9 1 2 p w m l 和电源正短路c 1 9 2 1o x 5 9 2 1 p w m 2 和电源正短路c 1 9 2 1o x 5 9 2 1 p w m l 自身断路c 1 9 2 20 】【5 9 2 2 转角 p w m 2 自身断路c 1 9 2 2o x 5 9 2 2 传感 p w m l 和电源地短路c 1 9 2 2 0 x 5 9 2 2 器故 p w m 2 和电源地短路c 1 9 2 20 x 5 9 2 2 障 p w m l ，p w m 2 相互短路c 1 9 2 3o 】【5 9 2 3 转角传感器内部故障c 1 9 2 40 【5 9 2 4 车速故障车速传感器故障c 1 9 3 1 o 】【5 9 3 1 2 4 本章小结 本章介绍了故障诊断的方法和策略。e p s 系统使用的主要传感器，并对他 们的信号做了介绍和分析，为后续的故障诊断方法做理论铺垫，并且简要地阐 述了e p s 关键故障模式的故障检测。并对不同的故障根据s a e j 2 0 0 2 故障诊断 协议划分故障等级，而且对关键故障部位的不同故障模式，进行了故障代码编 制，运用故障代码，准确地对故障进行了定位。 1 2 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 3 1 故障诊断及系统保护策略概述 电动助力转向系统核心技术之一是控制策略的设计，控制策略中相当重要 一部分内容是故障诊断与处理策略。在e p s 发生故障时必须具有一定的系统保 护功能，比如e c u 在e p s 系统发生致命故障时切断电动助力，同时要有完备的 故障记录功能，报警功能等。因此，必须对于e c u 另一不可缺少的故障诊断功 能做深入研究，研究e p s 控制系统故障模式，基于故障树以及故障模式及后果 分析对于该故障模式进行关键度的排序和分类。并针对非常关键的故障模式进 行故障检测以及故障保护策略的研究。本e p s 故障诊断及保护系统策略中主要 包括扭矩故障，车速诊断，上电保护，初始化诊断和过热保护，并将e p s 故障 诊断策略用控制器实现并验证了其功能。从而探索出对于目前处于研究热点尚 未产品化的e p s 故障诊断系统的开发平台，为后续故障诊断功能的完善奠定峰 实的基础。 3 2 扭矩传感器故障诊断及保护处理 扭矩故障诊断是对于电动助力转向控制系统中使用的转向扭矩传感器发生 故障进行诊断并根据故障的严重等级不同采取不同系统保护策略，并对不同的 故障设置不同的故障等级，并记录相应的故障代码。其中可以诊断的故障有转 向扭矩传感器信号的对地短路，对电源短路和传感器的内部故障。对于轻微故 障，故障诊断系统使用冗余信号使得电动助力转向控制系统仍然继续工作：对 于严重故障，故障诊断系统就产生切断信号并输出零扭矩使得电动助力转向控 制系统停止工作。 1 3 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 图3 1 转矩传感器信号特性 电动助力转向中使用的转向扭矩传感器共有两路扭矩输出分别为：t 1 和 t 2 ，每一路都是在o 一5 v 之间变化，其中t 1 ，t 2 两路信号关于5 0 的电源电 压对称。传感器供电电源为5 v 。因此t 1 ，t 2 信号电压值关于2 5 v 电压对称， 当t 1 ，1 2 均没有故障的时候，则采用t o r q u e = ( t 1 t 2 ) 曩4 6 式来计算。其中 一路扭矩信号t 1 或者t 2 出现超限，即上限超过4 9 6 v ，下限低于0 3 2 7 v 时， 就使用另一路扭矩信号t 2 或者t 1 计算扭矩信号：t o r q u e = ( 2 5 t 2 ) 奉9 2 ；t o r q u e = ( t 1 2 5 ) 毒9 2 。当两路扭矩信号同时产生故障时，则迅速切断扭矩输出，并产 生切断警告信号。如果扭矩传感器发生内部故障，即t 1 ，t 2 两路信号不再关 于5 0 的电源电压对称，t 1 + t 2 5 v ，则迅速切断扭矩输出，并产生切断警告 信号。当故障消失后则恢复扭矩输出，电动助力转向系统继续工作。 内部故障阈值的确定 t 1 ，t 2 两路信号互为冗余信号。所谓冗余信号，顾名思义，多余的信号。 很容易看得出来，t 1 ，他两路信号关于5 0 的电源电压对称。本课题中，传感 器供电电源为5 v 。因此t 1 ，t 2 信号电压值关于2 5 v 电压对称。用数学表达 式表示为：t i + t 2 = 5 v 。 在实际当中，供电电源往往不可能绝对是5 v ，所以修正的表达式为： i t i + t 2 5 l ( 0 1 6 。其中o 1 6 的合理性需要在实际的程序调试中，结合具体情况 而定。 在这里，主要讨论诊断阀值o 1 6 的实验确定。 i t i + t 2 5 i ( 0 1 6 这一故障检测表达式作为传感器内部故障方法之一，诊断 1 4 z z l l l l l z l l”n加抛扑 -。一。，-皇一_ 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 阀值的确定，不同于外部线路故障诊断阀值的确定，因为它不便于在实验中模 拟众多的内部故障模式，从而直接来观察诊断阀值。本课题采用如下方法来确 定诊断阀值，既科学合理又便捷简单。 在传感器正常状态下，采集t 1 和t 2 的值，在与d s p a c e 配套的软件环境 c o n t r o l d e s k 下，进行t l + t 2 - 5 的运算，并将结果作为一个曲线绘制出来，如图 32 所示： 刚3 2t 1 + 1 2 5 值示意图 从l 图中很容易看出来，在正常情况下，t i + t 2 5 值小于某一个值即诊断 阀值，因此诊断阀值确定为01 6 。 在实际车上试验时，根据实际情况，此闽值调整为0 2 以满足故障诊断的 需要，因为阈值过小，可能在无故障的情况下产生误诊断，所以需要根据实车 的情况进行橱整，所以在本试验中此值调整为02 。 使用转向扭矩传感器故障诊断系统可以使得电动助力转向系统在发生轻微 故障时仍然可以继续工作，当发生严重故障时及时切断恢复到机械转向状态， 何效地提高车辆转向的安令性和可靠性。 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 3 2 1扭矩传感器故障诊断的软件设计 下面直接给出的是转矩传感器故障检测软件算法框图，如图3 3 e 转矩恃感器信号t 1 t l 超暖检测j 故簟陵式l ， 故障模式2 一 碑毋捡潮 n 连续 飞 l i ：f ： 故障模式3 、_ 步k ， t l 和t 2 冗余关系校棱 r l ：l 国 - 波障 故障模式n 、 k 转矩传为器信号t 2 确认 故障判断逻辑 、 基千故障检测的转 蕃王越隍检测的 4 矩计算 计算转矩、 转衡! f 譬感麓 i 乏# 氍协溉4 图3 3 扭矩传感器故障检测软件算法 图3 4t 1 的超限检测 图3 4 ，对于一路扭矩信号t 1 的超限检测，可见它的上限阈值为4 9 6 ，它 的下限阈值为0 3 2 7 。一旦产生超限故障则置t l _ j u d g e 为l ，此外，对于产生故 障的原因不同，当超过上限时设置f a u l ta ，超过下限时设置f a u l tb ，为后续生 成故障代码做准备。 1 6 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 对于另一路扭矩信号他的超限检测与t 1 的检测策略相同，它的上限阈值 为4 9 0 ，它的下限阈值为0 3 2 7 。 图3 5 内部故障的诊断 图3 5 ，对于扭矩传感器发生内部故障的诊断，当t 1 ，t 2 信号的和与5 的 差值大于o 2 时，认为传感器发生内部故障，置t 1 剧u d g e 为1 。 图3 6 扭矩计算 图3 6 ，当t 1 ，1 r 2 均没有故障的时候，则采用t o r q u e = ( t 1 - t 2 ) 宰4 6 式来 计算。其中一路扭矩信号t 1 或者t 2 出现超限，即上限超过4 9 6 v ，下限低于 0 3 2 7 v 时，就使用另一路扭矩信号t 2 或者t 1 计算扭矩信号：t o r q u e = ( 2 5 t 2 ) 宰9 2 ；t o r q u e = ( t 1 2 5 ) t 9 2 。当两路扭矩信号同时产生故障时，则扭矩输出为 1 7 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 0 5 ，为很小值。如果扭矩传感器发生内部故障，即t 1 + t 2 5 v ，则迅速切断 扭矩输出，扭矩输出为o 5 ，为很小值。 对t 1 ，t 2 故障和传感器内部故障进行诊断，并得到诊断信号和故障模式 的信号，其中的诊断的阈值的选取可以通过实验不断调整。针对不同的诊断信 号即根据不同的故障类型产生适合的扭矩输出。对于产生的诊断信号和故障模 式信号将经过1 0 m s 的故障确认，即当连续1 0 个步长( 一个步长为l m s ) 内诊 断信号一直保持1 才认为是诊断信号为1 ，只要1 0 个步长内任何一共步长不为 1 就不认为是诊断信号为1 。对于故障模式的不同，划分故障等级。 当只有一路扭矩信号有故障时，故障等级为1 ，当两路信号同时发生故障， 或者传感器发生内部故障时，故障等级为4 。没有故障时，故障等级为0 。 根据不同的故障类型设置不同的故障代码，故障代码的标准为s a e j 协议 的故障编码机理。 当故障等级为4 时，使得扭矩的实际输出为o ，并产生切断信号c u t 。以备 切断控制器的继电器，使得e c u 控制器完全停止工作。 c 嘣 图3 7 故障等级划分 1 8 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 i - 0 a i t 4 1 l e g i e a l o p t r j t a , 1 2o p e f g c e l a 图3 8 扭矩输出以及切断信号的产生 转向扭矩传感器故障诊断系统的总体设计思路如图3 9 ，两路扭矩信号输 入后进行故障判断，产生故障模式信号，故障类型信号和处理过的扭矩输出。 故障模式信号，故障类型信号经过故障确认后，产生故障等级和故障代码。根 据故障等级严重程度判断是否切断扭矩信号和输出切断警告信号。 t i i w n _ t m 7 ： t 1 t m n j 1 w 广 r t l 9 1 _ i 1 j u 一 。乙n _ n _ - t p m e m m 3 9 转向手h 矩传感器故障诊断系统的总体设计 9 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 3 2 2 扭矩传感器故障诊断试验结果 ( 1 ) t 1 端子和电源正极短路 故障检测目标：经过1 0 m s 故障确认：故障报警，不切断e p s ，存储故障 代码c 1 9 1 1 ，识别故障等级为1 级。 试验结果如分别如图3 1 0 ，图3 1 1 ，图3 1 2 ，图3 1 3 ，图3 1 4 所示： 图3 1 0t 1 端子和电源止极短路信号特征图 图3 1 1 故障报警指令图3 1 2c 1 9 1 1 故障代码存储指令 图3 1 3e p s 切断指令图3 1 4 经识别的故障等级值 第三章e p s 系统关键故障诊断及系统保护策略 ( 2 ) t i 信号端予断路 故障检测目标：经过1 0 m s 故障确认：故障报警，不切断e p s 离合器，存 储故障代码c 1 9 1 2 ，识别故障等级为1 级。 试验结果如分别如图3 1 5 ，图3 1 6 ，图3