（电力电子与电力传动专业论文）汽车电动助力转向故障诊断系统的设计.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：寺弓 冷 日期：洲6 年6 月i ) r 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1汽车电动助力转向系统 当前，随着汽车行驶速度的提高，人们对其操纵性、舒适性、安全性等各 项性能的要求也越来越高，为了保证车辆在任何工况下转动方向盘时，都有较理 想的操纵稳定性和转向轻便性，即在停车情况下转动方向盘能轻便灵敏，在高速 行驶时不会感到轻飘不稳，人们对转向系统正进行着不断地改进。目前，以改善 汽车操纵稳定型、安全性为主要目的的汽车转向的研究，已成为世界汽车技术发 展的研究热点。 1 1 1电动助力转向系统发展概述 1 电动助力转向的优点 汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统到机械液压动力转向 系统，到电控液压动力转向系统，直到更为节能、操纵性能更优的电子控制式电 动助力转向系统( e l e c t r i cp o w c fs t e 丽n gs y s t e m 简称e p s ) 等几个阶到2 1 。 电动助力转向与传统液压动力转向相比它有许多优点： ( 1 ) 电动助力转向能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小路面不平度所引 起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵 力，提高汽车高速行驶时转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性，并且可通过 设置不同的助力特性来满足不同使用对象的需要； ( 2 ) 电动机只在需要时才启动，耗用电能较少，不像传统液压动力转向在没 有转向时，油泵也一直运转，浪费能量，因此能减少发动机燃油消耗，可节约燃 油3 5 ； ( 3 ) 由于电动机由蓄电池供电，是否能够实现助力与发动机是否起动无关所 以即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力； ( 4 ) 取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比 传统液压动力转向系统大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，安装方便无须 维护保养； 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 没有液压回路，调整和检测更容易，装配自动化程度更高，并且可以通 过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，缩短生产和开发周期，并且不存在渗 漏问题，可大大降低保修成本，减少对环境的污染。 2 电动助力转向系统的发展概况 因为电动助力转向有如此多的优点，国外汽车公司对其非常重视。几十年来， 动力转向系统的技术革新都是在液压动力转向系统基础上的。直到1 9 8 8 年3 月， 日本铃木公司开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真正摆脱了液 压动力转向系统的束缚。随后日本铃木公司在其c e r v o 车上装备电动助力转向。 在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展，日本的大发汽车公司、 三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的d e l p l l i 汽车系统公司、t r w 公司，德国 的z f 公司，都相继研制出各自的电动助力转向。如大发汽车公司的m 曲车、 三菱汽公司的m i n i c a 车都装备了电动助力转向；本f 玎汽车公司的a c c o r d 车目前已 经选装电动助力转向；d e l p l l i 汽车系统公司已经为大众的p 0 1 0 ，欧宝的3 1 8 l 以及菲 亚特的p u i l t o 开发出电动助力转向。t r w 的电动助力转向已经装备在f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等轿车上。随着高级轿车对转向系统提出的性能上的更高要求， 近几年国外开发出了更为成熟的电动助力转向系统，用于凌志、皇冠等高档轿车。 该装置优于普通的动力转向器，在不同车速下可通过转向e c u 自动调节转向盘 的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行 转向；而在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳定性。德 尔福汽车系统公司开发了全新的电动助力转向系统，它可分别在齿条、齿轮或转 向轴上施加助力。英国汽车制造商l u c 弱公司研制的电动助力转向系统投入批量 生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动式的o 5 ，相比之下， 电动液压助力系统的损耗为2 ，全液压助力系统损耗为8 【3 1 。 在我国，电动助力转向的开发还处于起步阶段，一些院校已经开展了电动 助力转向的深入研究。电动助力转向可以应用在轿车、微型面包车、轻型客车和 轻型货车等车型上，这几种车型在我国的年产量超过3 0 0 万辆，因此应用前景广 阔。 2 江苏大学硕士学位论文 1 1 2e p s 的组成及工作原理 电动助力转向系统的构成及工作原理如图1 1 所示。电动助力转向系统主要 由车速传感器、转向盘转矩传感器、电动机电流传感器、控制器( e c u ) 、功率 驱动电路、故障指示灯、离合器和直流电动机等组成。控制器根据各传感器输出 的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩，向电动机和离合器发出控制信 号，通过功率驱动电路控制直流电动机的转动，电动机的输出经过减速机构减速 增扭后，驱动齿轮齿条机构，产生相应的转向助力。通过精确的控制算法，可任 意改变电动机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。同时，控制器对 系统进行实时故障诊断，一旦发生故障，将中断对电动机的电压供给，并点亮转 向系统故障警示灯，同时将故障类型以代码的形式存储【4 ，5 j 。 图1 1电动助力转向系统的组成及工作原理 1 2 故障诊断技术的研究现状及诊断方法概述 1 2 1 故障诊断技术的研究现状 故障诊断是2 0 世纪6 0 年代末发展起来的一门新技术。1 9 6 7 年在美国宇航 局n a s a ( n a t i o n a la e m n a u t i c sa i l ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) 倡导下，由美国海军研 究室o n r 率先开始了机械故障诊断技术的开发和研究，并在故障激励研究和故 障检测、故障诊断和故障预测等方面取得了许多使用性的研究成果。如j o l l i l s m i t c h e l 公司的超低温水泵和空压机监测诊断系统，s p 也公司用于军用机械轴 和轴承的诊断系统，i e d e c o 公司的润滑油分析诊断系统，d e 公司的内燃机车 故障诊断系统，d e l t e 西屋公司的汽车及发电机组智能化故障诊断专家系统等， 都在国际上具有特色【6 1 。 江苏大学硕士学位论文 英国和日本相继在2 0 世纪7 0 年代初开始了故障诊断的开发研究，并在锅炉、 压力容器、核发电站、核反应堆、铁路机车等方面取得了许多研究成果。根据资 料报道，国外采用故障诊断技术，设备维修费用平均降低1 5 之o ，美国对故 障诊断技术的投入占其生产成本的7 2 ，日本为5 6 ，德国为9 4 。我国在 2 0 世纪8 0 年代初开始进行设备故障诊断方面的研究，并在石化、冶金、电力等 行业首先得到成功应用。进入9 0 年代后，故障诊断技术迅速渗透到国民经济的 各个领域，得到了蓬勃发展。 随着汽车技术性能越来越好，结构越来越复杂，汽车故障诊断技术也得到迅 速发展，成为科技研究的热点之一。目前浙江大学，吉林工业大学，合肥工业大 学等国内知名高校都在汽车电动助力转向及其故障诊断上开展了相应的研究，但 综合国内研究来看，目前对电动助力特性、控制策略及系统设计等方面取得了很 大的成果，但是对电动助力转向相应的失效模式分析和故障诊断系统设计方面还 较少看到相关的文章。 目前查到的相关文献中，关于e p s 的故障诊断只是在e c u 单元中对系统中 的阀值故障作出诊断，例如传感器的输出限值超出了传感器自身范围，助力电流 的输出始终为零等故障进行辨别，对系统内部出现的故障没有进行深入的研究。 1 2 2 故障诊断方法概述 随着汽车电子技术的应用和发展，汽车e p s 系统同趋复杂。传统的诊断方法 和诊断设备无论是精确度和使用方便性，还是对汽车技术发展的适应性，均不能满 足用户的需要。为了提高故障诊断技术，不断完善诊断理论和方法，必须广泛应用 其他学科的成果，并且借助于数学工具和计算机。目前诊断的主要方法有【7 8 1 ： 1 基于数学模型方法 ( 1 ) 参数估计诊断法 当故障由参数的显著变化来描述时，可利用已有的参数估计方法来检测故 障，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判定系统的故障情况。 ( 2 ) 状态估计诊断法 被控过程的状态直接反映系统运行状态，通过估计出系统的状态，并结合适 当模型则可进行故障诊断。首先重构被控过程状态，并构造残差序列使其包括各 4 江苏大学硕士学位论文 种故障信息、基本残差序列，通过构造适当的模型并采用统计检验法，就能把故 障从中检测出来，并作进一步分离、估计及决策。通常可用l u 饥b e 玛e r 观察器及 卡尔曼滤波器进行状态估计。 2 基于人工智能的故障诊断 ( 1 ) 基于专家系统的故障诊断方法 专家系统( e p ) 是依据具备某一专业领域特长的人类专家的知识与经验，在 计算机内建立的基于这些知识的信息系统，它能以人类专家的知识水平完成专门 领域的任务。汽车故障可建立三个数据库：( 1 ) 发动机故障诊断数据库；( 2 ) 底盘机 械传动故障诊断数据库；( 3 ) 电路电气故障三种类型故障诊断数据库，而每个数据 库中又包括若干个相互关联的数据表，在数据表中存储每种汽车故障表现症状、 故障发生原因、故障发生的部位等字段，在数据表与数据表之间建立一对一或一 对多的层次树结构，使整个维修知识库成为有机整体。 ( 2 ) 基于人工神经网络的故障诊断方法 由于神经元网络具有处理复杂多模式进行联想、推测和记忆功能，它非常适 合应用于故障诊断系统。它具有自组织自学习能力，能克服传统专家系统当启发 式规则未考虑到时就无法工作的缺陷，因此，将神经元网络应用于过程监测系统 己成为一个非常活跃的研究领域，并有不少成功的应用实例。当控制系统出现故 障时，把故障信息或现象输入神经元网络，神经元网络经过自组织、自学习，输 出合理的解决办法，用于诊断控制系统。传统的故障诊断专家系统，因为是以启 发式规则为基础的，所以当遇到未见过的新故障信息或现象时，就不能正确处理， 而神经元网络是利用它的相似性、联想能力进行诊断的，给神经元网络存入大样 本，神经元网络即对这些样本进行学习，当n 个类似的样本被学习后，根据样本 的相似性，把它们归类为按相似的权值分布。当n + 1 个相似的样本输入时，神经 元网络的归类标准表现在权值的分布上。这样，当部分信息丢失时，如n 个样本 中丢失了n 1 个( n l e ( + 1 ) 仅( + 1 ) = ( 1 一p ) 仪( ) ，e ( r ) e ( + 1 ) 式中：0 p 0 7 5 v c c 待机 i r s 1 1 0 陋i l0 p a 一i r s 2 0 0 雌 斜率o 4 v c c v r s 0 6 v c c v r s o 3v c c 高速 一i r s 5 0 0 雌 在高速工作方式下，发送器输出晶体管简单地以尽可能快的速度启闭。在这 种方式下，不采取任何措施限制上升和下降斜率。建议使用屏蔽电缆以避免射频 干扰问题。通过将引脚8 接地，可选择高速方式。对于较低速度或较短总线长度， 可用非屏蔽双绞线或平行线作总线。为降低射频干扰，应限制上升和下降斜率。 上升和下降斜率可通过由引脚8 至地连接的电阻进行控制。斜率正比于引脚8 上的电流输出。若引脚8 加有高电平，则电路进入低电流待机方式。在这种方式 下，发送器被关掉，而接收器转至低电流。由于在待机方式下，接收器是慢速的， 4 7 江苏大学硕士学位论文 因此，第一个报文将被丢失。本系统中采用斜率控制方式，以降低射频干扰。 s j a l 0 0 0 的t x l 脚悬空，r x l 引脚的电位必须维持在约o 5v c c 上，否则，将不 能形成c a n 协议所要求的电平逻辑。 4 4 主要的传感器信号采集电路 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的 器件或装置。在实际中，大量的被测量是随时间变化的动态信号，这就要求传感 器的输出不仅能精确地反映被测量的大小，还要j 下确再现被测量随时问变化的规 律，即要求传感器的动态特性要好。因此，传感器的选择不但要考虑其精度、静 态和动态性能是否能达到检测要求，还要考虑传感器的输出信号与工控机板卡的 接口标准、在现场的安装分布、易于扩展及价格等。e p s 系统需要采集方向盘扭 矩信号、车速传感器信号、发动机转速信号、电机电流信号等。 4 4 1 扭矩信号处理电路 主扭矩传感器的信号处理电路如图4 13 所示。 十i ，v 图4 1 3 主扭矩传感器的信号处理电路 由于a r m 微处理器的a d c 的输入范围是o 2 5 v ，故需对主扭矩传感器的 信号进行处理。此处理电路中，u 1 a 组成反向比例运算电路，u l b 组成反向跟 随电路，1 n 5 2 2 3 为稳压管，起保护作用。 同理，副扭矩传感器的信号处理电路如图4 1 4 所示。 江苏大学硕士学位论文 图4 1 4 副扭矩传感器的信号处理电路 由于a r m 微处理器的a d c 的输入范围是啦2 5 v ，故需对副扭矩传感器的 信号进行处理。此处理电路中，u l c 组成反向比例运算电路，u 1 d 组成反向跟 随电路，1 n 5 2 2 3 为稳压管，起保护作用。 4 4 2 电动机反馈电流信号处理电路 电流传感器用于测量电动机的工作电流，本系统采用系列霍尔电流传感器测 量电动机的电流。c s 0 5 0 l x 系列霍尔电流传感器如图4 1 5 a ，基本技术参数如表 4 3 所示。 表4 3c s 0 5 0 l x 系列霍尔电流传感器及基本技术参数 ip n 原边额定输入电流 5 0a ip 原边电流测量范围 1 0 0a vs n 副边额定输出电压 钍1 v v c 电源电压士1 2 士1 5 ( 士5 ) v l 线性度 1f s vo 电失调电压ta = 2 5 时：土4 0m v t r 响虑时间 s3 “s f 频带宽度( 3 d b ) d c ，一2 0k h