（车辆工程专业论文）电动助力转向系统故障诊断的研究.pdf

_jj1-_-11 j一，- 学位论文作者签名：叶红名 日期：2 0 06 年2 月2 7 日 电动助力转向系统故障诊断的研究 s t u d y o ff a u l td i a g n o s i so fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m 姓 江苏大学 二零零六年二月 j p 江苏大学硕士学位论文 摘要 电动助力转向系统近年来在国外得到迅速发展，国内也陆续开始使用进口产品，并 且，国内出现了开发电动助力转向系统的热潮。但是，直至目前，还没有具有自主知识 产权的产品进入市场，这其中很重要原因之一是：各种样机装车试用时，都出现各种各 样的故障问题，不能保证车辆行驶的可靠性和安全性。因此在e p s 产业化前，必须具 有一套完善的故障自诊断、在线监测和安全防范功能。本论文对各种故障进行分析 和辨识，建立一套基于转向柱驱动式电动助力转向系统的故障在线监测、自诊断和 安全防范系统。 首先，根据e p s 具体的结构和工作过程，分析系统中各组成部分转矩传感 器、电动机、离合器和控制器等的常见故障及类型。然后，结合e p s 的动态模型和 电控系统故障自诊断原理，提出了e p s 的故障自诊断思想包括信息采集、故障 辨识和故障处理，同时，通过对其中各种方法进行对比分析，提出优于国外同类产 品，并具有更安全和更符合人一车一道路系统的e p s 故障处理方法，特别是转矩传 感器故障后的辅助助力控制和电动机的过热保护控制。 其次，根据提出的e p s 故障自诊断策略，设计了相应的硬件和软件，其中硬件 设计包括：单片机系统、信息采集电路、故障控制电路、各种保护电路和硬件抗干 扰设计；软件设计主要是利用单片机c 语言，通过抗干扰措施和程序调试，实现对 各采集信息的处理和故障辨识，然后控制相应的执行部件主要是电动机、电磁 继电器和故障指示灯等完成故障处理。 最后，建立了e p s 故障自诊断系统的可靠性评价指标，并对提出的自诊断策略 进行了台架试验，论证了所提出的自诊断方案和安全防范措施的有效性；同时鉴于 e p s 与整车行驶安全性的密切关系，提出了在进行e p s 设计时，必须要考虑故障发 生时对行驶车辆侧偏的影响，从而进一步说明了本文提出的自诊断思想的合理性和 有效性。 关键词：电动助力转向，故障，信号采集，故障辨识，故障处理，自诊断 s e l f - d i a g n o s t i cs y s t e m ，c o m p l e t e ss o m ec o r r e l a t i v et e s t so nt h eb e n c h ，a n de v a l u a t e st h e v a l i d i t y o ft h es e l f - d i a g n o s t i c s t r a t e g y a n di t s s a f e g u a r d m e a s u r e s i na d d i t i o n ， c o n s i d e r i n gt h en e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e ne p sa n dd r i v i n gs a f e t y , i tp o i n t so u ti tn e c e s s a r y t ot a k ei n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c eo fe p s st r o u b l et oc a r sl a t e r a ld i s t a n c e s e l f - d i a g n o s t i cs t r a t e g yd e v e l o p e di sp r o v e dt ob er e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ea g a i n k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，f a u l t ，s i g nc ( i l e c t i n g ，f a u l ti d e n t i f i c a t i o f a u l td i s p o s a l ，s e l f - d i a g n o s i s n l i - 江苏大学硕士学位论文 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 第4 章 4 1 4 2 目录 绪论1 汽车动力转向系统的概述1 国内外电动助力转向系统及其故障诊断的研究现状3 本课题研究的目的和意义8 本课题的主要研究内容8 e p s 系统的结构及其故障类型分析l o 系统的结构和工作原理1 0 系统的常见故障及其故障类型分析1 1 2 2 。1 转矩传感器i 1 1 2 2 2 车速和发动机转速信号1 3 2 2 3电动机1 4 2 2 4 离合器1 7 2 2 5电子控制单元( e c u ) 1 8 本章小结一1 9 e p s 故障自诊断系统诊断策略研究2 0 e p s 动态模型分析2 0 3 1 1 机械部分的数学模型2 0 3 1 2e p s 的控制模型2 3 3 1 3 e p s 的仿真控制模型2 7 电控系统的故障自诊断原理2 9 e p s 的故障自诊断策略3 1 3 3 1 系统的故障自诊断要求3 2 3 3 2 故障信息采集3 3 3 3 3 故障辨识3 4 3 3 4 故障处理3 9 本章小结4 2 e p s 故障自诊断系统硬件设计4 5 单片机系统设计4 7 4 1 1系统定时4 8 4 1 2 系统复位4 9 数据采集电路4 9 l i i 章n章勉 1 2 第 第 江苏大学硕士学位论文 4 2 1 稳压电源电路4 9 4 2 2 转矩传感器信号采集5 0 4 2 3 车速和发动机转速信号采集和计算5 0 4 2 4电动机电压和电流信号采集5l 4 2 5 离合器状态信号采集5 2 4 3 故障控制电路5 2 4 4 保护电路5 3 4 5 硬件电路的抗干扰措施5 3 4 6 本章小结5 5 第5 章e p s 故障自诊断系统软件设计5 6 5 1 系统故障诊断主程序5 6 5 2a d 转换( 模拟量输入) 子程序5 7 5 - 3 各部件的故障诊断子程序5 8 5 4 软件抗干扰措施6 2 5 5 本章小结6 3 第6 章e p s 故障自诊断系统的试验和评价研究。6 4 6 1e p s 试验台介绍6 4 6 2 故障诊断可靠性评价指标6 5 6 3 台架试验及分析6 7 6 3 1 “直线型”辅助控制试验6 7 6 3 2 “直线型”电动机过热保护试验6 8 6 3 3 故障显示试验6 9 6 3 4 故障发生时各控制信号输出的区别7 1 6 4 本章小结7 2 第7 章结论与展望7 3 7 1 结论7 3 7 2 论文的创新点7 4 7 3 展望7 4 参考文献7 6 致 谢7 9 读研期间参加科研工作及发表学术论文情况8 0 _ k 江苏大学硕士学位论文 注释表 ( 本表仅列出本论文中常用的符号和缩略语) 尻一转向轴的粘性阻尼系数 层一电动机粘性阻尼系数 鼠一减速机构的阻尼系数 6 ，一齿条的阻尼系数 一反电动势 占一助力装置减速机构的减速比，为1 6 5 厶一电动机实际检测电流 厶一电动机目标电流 以一蓄电池电压( 1 2 v ) 以一电动机回路两端的电压 上一减速机构的转动惯量 正一电动机部分( 包括电动机电枢、电 磁离合器以及蜗杆) 的转动惯量 上一转向盘、转向轴的转动惯量 厄一电动机和减速机构的刚性系数 厄一转向盘到减速机构蜗轮处的刚度， 主要是扭杆的刚性系数 k ，等效弹簧的弹性系数 毋一齿条及小齿轮的等效质量 厄一电动机的反电动势常数 厨一电动机的电磁转矩系数 一电动机回路的总电感 斤一电动机回路的总电阻 乃一施加在e p s 输出轴部分的转矩 无一电动机电磁转矩 乃一施加在转向盘上的转矩。 一转矩传感器承受的转矩。 7 = 一电动机负载 口，口，一p w m 和p 1 ；i m 1 系统的占空比 v 护e p s 输出轴分的角位移 口，一转向盘的角位移 口。一矽。与口，之差，主要是扭杆变形量， 也是转矩传感器的输入信号。 口一电动机角位移 护。一小齿轮转角 工，一齿条的位移 口，两万向节的夹角 克，色一转向盘的转速和转加速度 丸，吃一电动机的转速和转加速度 晓，包一输出轴的转速和转加速度 戈，戈，一齿条的速度和加速度 e p s 一电动助力转向，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g p w m 一脉宽调制，p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 删电器电磁线圈端电压( 反映了电源 电压) e c u 一电子控制单元，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t 妒卜转矩传感器电源电压 m s v - - 传感器主扭信号电压 钙卜传感器副扭信号电压 翻卜电动机实际端电压 以一e c u 输出的控制信号( 控制电动机) 仞一电动机的实际电流 以卜电动机的目标电流 册一胳矿对应的转矩值 d t c 一故障代码 m t t r 一平均故障修复时间 l j 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1汽车动力转向系统的概述 转向系统是汽车必备的一个重要组成部分，它的作用是根据驾驶员的操作指令， 改变或保持汽车的行驶方向。转向系统一般由转向控制机构、转向传动装置、转向 轮和专用机构组成。汽车的转向性能是汽车的主要性能之一，它直接影响到汽车的 操纵稳定性，对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、 改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。目前，汽车上采用的转向系统按照转向能 源的不同可分为机械转向系统和动力转向系统。机械转向系统是完全靠驾驶员的体 力操纵的转向系统，动力转向系统是借助动力来操纵的转向系统。动力转向系统又 分为两种：全动力转向系统和助力转向系统。全动力转向系统是只由专用机构提供 转向动力的转向，一般只用于低速行驶的车辆，如工程机械等；助力转向是由驾驶 员体力和专用机构两者共同提供转向动力的转向，助力转向系统一般是在机械转向 系的基础上加设转向加力装置组成，这样不仅可以保证在助力转向系统中的助力部 件部分或全部失效后，转向系统仍然具有控制汽车行驶的能力；而且可以给驾驶员 提供路面信息，驾驶员可从转向盘来感知路面的状况，这对于高速行驶车辆的行车 安全也是至关重要的。 转向轻便性和转向灵敏性是对转向系的基本要求，如果在转向负荷较大的汽车 上采用机械转向系，则很难协调轻便性和灵敏性二者之间的矛盾，采用变传动比的 转向器只能部分地缓和二者之间的矛盾，并不能从根本上解决问题，所以必须采用 动力转向系统；高级轿车为了提高操纵轻便性和保证高速行驶的安全性，也大多安 装动力转向系统n3 。按照传统的汽车设计观点n 1 ，当转向轴质量超过2 5 t 时就可以采 用动力转向，但是随着汽车行驶速度的提高以及驾驶员对工作环境要求的提高，为 了进一步减轻劳动强度，改善工作条件，助力转向系统已经成为不少车型的基本配 置；在一些发达国家，轿车早己进入家庭，并且出现越来越多的女性驾驶员，她们 对转向轻便性有更高的要求比3 。为了满足以上的要求，现在发达国家的汽车上普遍安 装了动力转向系统，几乎把它作为一种标准装备，甚至发动机排量只有7 0 0m l 一8 0 0m l 的微型车也是如此口3 。我国国家标准g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安全技术条件规定 “机动车转向桥轴载质量大于40 0 0k g 时，必须采用转向助力装置。装有转向助力 装置的车辆，当转向助力器失效后，仍应具有用转向盘控制车辆的能力 。所以，我 江苏大学硕士学位论文 国汽车上装用的动力转向系统是助力转向系统。在国际上也存在类似的规定，比如欧 盟的法令7 0 3 1 1 e e c 各成员国关于汽车及其挂车转向机构的协议。 2 0 世纪5 0 年代，d e l p h is a g i a w 首次将液压助力转向系统推向市场【4 】【5 j 。而且现 在仍然是动力转向的主流产品，技术比较成熟，它一般是由发动机驱动转向油泵提 供液压油，由转向控制阀来控制液压油的作用以实现助力。但这种转向系统的助力 特性与汽车的实际要求不一致，因为汽车不同速度行驶时对助力特性的要求是不同 的，而这种系统无法做到这一点。后来，把电子技术引进了转向系统，由控制单元 根据实际情况来控制电动机，驱动转向油泵运转，就形成了电子控制的液压助力转 向系统( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称为e h p s ) ，它符合当代节能与环 保的要求，因为传统的液压助力转向系统中转向油泵不停地运转，但真正转向的时 间却不多，这样存在很大的寄生损失；在阴p s 中，正常转向时，驾驶员转向动作不 快，电动机低速运转；需要快速转向时，电动机加速，以提供足够的液压油；不需 要转向动作的时候，可以让电机停转或低速运转，大大节约能量消耗3 。 电子和电气技术的应用造就了新一代的转向系统一一电动助力转向系统 ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称为e p s ) ，e p s 属于另一种形式的动力转向系统，它 不需要使用汽车发动机的动力，而以汽车上蓄电池作为其电源，根据作用在转向盘 上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的辅助 力来驱动转向机构，使汽车的转向轮偏转。这种转向系统与传统的液压助力转向相 比，它具有诸多优点：( 1 ) 节能。在不转向情况下，装有e p s 的车辆燃油消耗降低 2 5 ，在使用转向情况下，降低了5 5 t 7 1 。( 2 ) 耐严寒。即使在- 4 0 。c 的低温下， e p s 也能够很好地工作嗍。( 3 ) 增强了随动性。在e p s 中，电动机产生助力转矩， 通过适当的控制方法，可以消除液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对 转向盘的随动性能【7 1 。( 4 ) 提高了操纵稳定性【7 1 。( 5 ) 有利于环保。首先不使用液压 油，避免了污染：其次电能作为能源，适应当前开发电动汽车的发展潮流；再次e p s 还降低噪声，因为它没有转向油泵，而转向油泵是一个噪声源【9 1 。( 6 ) 易于装配、维 护与保养。e p s 不存在软管漏油和油泵漏油等问题，实际上，液压油泵和软管的事 故率占整个系统故障的5 3 【8 】；e p s 具有自我诊断的功能，有助于维修。( 7 ) 易于 调整。当不同车型对助力特性有不同的要求时，e p s 可以通过软件实现不同助力特 性的要求，比如d e l p h i 的e p s 性能的调节可以现场进行，把笔记本电脑与e p s 的 e c u 相连，只需要一个小时左右就可以完成调整工作【引。 汽车转向系统进一步的发展是主动转向系统，这种转向系统的最大优点就是能 够实现变传动比，它在原有机械转向系统的基础上增加了一套周转轮系机构，这种 2 江苏大学硕士学位论文 转向系统的助力特性是不变的，更准确地说这是一种助位移系统而不是助力系统。 为了同时实现助力功能，就需要增加助力装置。这种主动转向系统造价比较高，现 在仅在宝马( b m w ) 的5 系列上采用，而且还同时具有液压助力转向装置。 当前，国际上又掀起开发下一代电动转向器的热潮，这就是线控转向系统 ( s t e e r b y w i r e ) 渤】，它取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全采用电能实 现转向。现在世界上的一些大汽车零部件制造商，比如k o y 0 和d e p p h i ，在生产和改 进电动助力转向系统的同时，也在研发线控转向系统，并且已经有样机在欧洲展出 n 。线控转向系统的应用要解决一系列技术问题，其中最突出的问题是安全性问题， 因为线控转向系统中不存在转向盘和转向轮之间的机械连接，因此也就无法像助力 转向系统或主动转向系统那样在系统失效的时候转变为手动转向，也就无法控制车 辆的运行，这对于高速行驶的车辆来说是危险的：而按照目前的技术，在成本相同 的情况下，电子和电气系统的可靠性还很难达到机械系统的可靠性。为了解决安全 性问题，就需要采用多重冗余，而冗余就大幅度增加了成本。而且，线控转向系统 的开发和应用还受到现有电子通讯协议“2 1 以及法规的约束。因此，现行标准出于可 靠性和安全性的考虑，不允许采用全动力转向系统，比如我国强制性国家标准 g b l 7 6 7 5 1 9 9 9 汽车转向系基本要求规定“不得装用全动力转向系统”，“转向系 统中的液压、气压或电气部件部分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶的 能力”，欧洲也有类似的标准n 1 1 。这就对线控转向系统的发展提出了严格的技术标准， 使其在很长一段时期内还不能市场化。目前实际应用的电控动力转向系统都是把传 统的机械转向系统作为后备，一旦助力转向系统出现故障，驾驶员可以使用手动转 向把车开到修理站口副。 1 2 国内外电动助力转向系统及其故障诊断的研究现状 其实早在2 0 世纪5 0 年代，汽车工程师就提出了电动助力转向的概念h 6 1 ，但是 由于当时技术水平的限制而无法实现。在8 0 年代初期，日本就开展了对e p s 研究， 并且1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备e p s 口1 ，随后还用在其a l t o 车上。之后，日本的大发( d a i h a t s u ) 汽车公司、三菱( m i t s u b i s h i ) 汽车公司、本田( h o n d a ) 汽车公司等都相继研制出各自的e p s 。比如：大发汽车公司在其m i r a 车上装备了 e p s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车上装备了e p s ：本田汽车公司的a c c o r d 车选装 e p s 。但此段时间的商业化进展不大，这当中原因很多，除了价格因素外，其可靠性 差和系统故障诊断技术不完善是一个非常重要的原因。 直到上世纪9 0 年代后半期以后，随着电子技术在车辆上的日趋应用，e p s 技术 江苏大学硕士学位论文 的也日趋成熟，e p s 的装车率逐渐提高。在日本，1 9 9 7 年在微型车( 6 6 0 c c ) 上e p s 的装车率已经达到3 9 ，超过了液压助力式( 2 4 ) 和机械式( 3 7 ) 【l 舶。此时，国外 的几大汽车零部件厂商也看到了e p s 的市场前景，如美国的德尔福( d e l p h i ) 公司， t r w 公司，德国的z f 公司，日本的精工( n s k ) 公司，光洋( k o y o ) 公司，英国的卢 卡斯( l u c a s ) 公司都开发了自己的产品。如t r w 最初针对客车开发出转向轴驱动的 电动助力转向系统( c e p s ) ，1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已经装备在轿车上。现今小 齿轮驱动的电动助力转向系统( p e p s ) 的开发也已获成功。如f o r df i e s t a 和m a z d a 3 2 3 f 等，则是世界上第一种把e p s 作为标准配置进行大量生产的车型n 引。m e r c e d e s 川e n z 和s i e m e n s ，他们两大a u t o m o t i v e 公司共同投大量资金用于开发e p s ，他们 计划开发出适用于汽车前轴负荷超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的 装备目标。早期的e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高速时e p s 将停止工作。新 一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳 定性。如铃木公司装备在w a g o nr + 车上的e p s 是一个负载一路面一车速感应型助 力转向系统。由d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属全速范围助力型，并且首次设置了 两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于7 0 k m h 后，这 两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感。这样即使汽 车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门相 关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。电动助力转向系统最初设定 在车速处于3 0 k m h 以下时提供转向助力，后期的车型一般都改为车速在4 5 k m h 以 下时提供助力，车速达到4 5 k m h 以上时自动解除动力转向功能。再后来又发展了一 种全速提供动力转向功能的系统，不过转向助力与车速有关。到目前为止，e p s 经 过了二十多年的发展，其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车 方向发展，而且，助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控 制形式与功能也进一步加强。 与此同时，随着e p s 不断广泛地应用以及道路交通法规和道路交通安全的要求 越来越高，对e p s 系统的故障自诊断和安全防范功能也提出了更高的要求。从目前 装车于国内车辆上的国外e p s 的使用情况可以发现，当车辆正常行驶和转向时，e p s 基本能满足车辆转向的轻便性和灵活性的要求；当系统出现故障时，其自诊断系统 也能比较准确地显示相应的故障和采取一定的应急处理( 一般采取切断电动机和继 电器的通电) ，以及存储相应的故障代码；但是，通过对国外某e p s 产品的试验，发 现一个潜在的比较严重的问题，如图1 - 1 所示，如果在车辆行驶中系统出现异常( 图 中显示了转矩传感器的主扭线路断路) ，自诊断系统将立即控制切断电动机助力，即 4 江苏大学硕士学位论文 助力电流( 左侧纵坐标) 瞬间下降到零，此时，车辆从由驾驶员转动方向盘和电动 机助力转动共同完成转向即刻变成只有驾驶员单独通过机械系统控制转向，助力电 流的这种突变将使方向盘对驾驶员造成“打手”现象，引起安全问题，这点可以从 切断助力瞬间的方向盘返回看出，由于这里有驾驶员操纵方向盘，图中显示的这种 返回不是非常明显，但试验中方向盘出现很严重的“打手 。此外，根据相关的文献 资料f 1 5 】【1 6 】( 由于对产品关键技术的保护，国外各e p s 开发公司不公开发表关于系统 故障自诊断和安全防范措施等技术) 介绍，e p s 系统的故障自诊断功能也有了很大 的改进，俄亥俄大学的v i j a yn a r a y a n a na n dg i o r g i or i z z o n i 在1 9 9 8 年发表于s a e 的 文献 1 5 】主要讨论基于残余发生器基础上的、一个线性未知输入观察器( u i o ) 的设 计，这种观察器用于检测电子控制转向系统的故障，但这种检测受到车速和电子器 件非线性的限制，试验表明并不是非常可靠。德尔福汽车的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 ha n df a r h a db o l o u r c h i 在2 0 0 0 年发表于s a e 的文献 1 6 】介绍了 通过对系统的原始事故分析( p h a ) 和设计故障模式及其影响分析( d f m e a ) 辨识 各类故障模式，结合相关的产业标准来确定故障诊断策略，此外还建立了e s i m 的 车辆模型进行模拟各种行车试验来确定各故障的严重程度( 根据车辆偏离目标路径 的程度判断) ，但是这种故障诊断需要进行大量的试验和对原始故障事故的分析，具 有明显的破坏性，可以应用于新产品投入市场前的试车检验和修正系统参数使用。 现有的e p s ，根据助力机构的位置不同，有三种结构形式 1 7 ：转向轴式( 图1 - 2 ) 、 转向齿轮式( 图1 - 3 ) 、齿条式；齿条式又有两种：采用齿轮齿条助力，也就是在原 来机械转向器的基础上又增加了个齿轮来驱动齿条进行助力( 图1 - 4 ) ，电动机的 江苏大学硕士学位论文 图1 - 2 转向轴式图1 - 3 转向齿轮式 图1 4 双齿轮式 图1 - 5 滚珠丝杠杆式 轴线与齿条轴线不平行；另一种是采用滚珠丝杠杆助力，电动机轴线与齿条轴线重 合或者平行( 图卜5 ) 。其中，转向轴式e p s ，转向助力机构安装在转向轴上。当驾驶 员转动转向盘时，电控单元接受转矩、车速等信号，计算出所需要的电动机助力的 最优值，电动机的动力经离合器、减速机构传给转向轴的齿轮，然后经万向节及中 间轴传给转向器。该驱动方式主要应用在前轴负荷较小或中型汽车上。由于其具有 安装方便、电子装置无需特殊的防水和散热措施以及成本低等诸多优点，转向轴式 是目前国内外最常见的一种。转向齿轮式e p s ，转向助力机构安装在转向器小齿轮处， 其结构和转向轴驱动方式相同但安装位置不同，它是安装在发动机空间的最下面， 靠近发动机的排气管，就需要额外的隔热处理。与转向轴驱动相比，可以提供较大 的转向力，适用于中型车，但在助力控制特性方面增加了难度。齿条式e p s ，转向助 力直接作用在齿条上，与前两者相比，可以提供更大的转向力，适用于前轴负荷较 大的大型车，但是它需要对原有的转向传动机构作较大的改动。 图卜6 就是我们课题组开发的样机，它由转 矩传感器、离合器、蜗轮蜗杆减速装置、电动机 和控制器组成，控制器5 根据转矩传感器l 和车 速传感器的信号来控制电动机4 通过离合器3 和 蜗轮蜗杆减速装置2 来实现助力。转向轴式e p s 安装在驾驶室内部，工作环境较好，但是对其噪 声要求较高，这种结构在国产的昌河北斗星和爱 迪尔上采用：广州本田的飞度( f i t ) 采用了转向 齿轮式，而新上市的上海大众途安( t o u r a n ) 则采 6 l2345 图1 - 6 一种e p s 卜转矩传感器，2 一蜗轮蜗杆减速装置 3 一离合器，4 一电动机，5 _ 控制器 江苏大学硕士学位论文 用了图1 - 4 双齿轮助力式。 国外电动助力转向系统的研究已经体现出实际的应用价值，在世界汽车行业中， 电动助力转向系统正以9 到1 0 的增长速度发展，增长量达1 3 0 万1 5 0 万套，至 2 0 0 5 年，该产品的产量将由目前的1 5 0 万套增长到8 0 0 万套，按此速度发展，用不 了几年的时间，电动助力转向系统将完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中 型车扩展。 随着2 0 0 0 年昌河北斗星厢式车安装进口电动转向器，掀开了我国汽车转向器历 史上新的一页。由于它在转向方面明显的优越性，很受广大客户欢迎，最初组装的 2 0 0 台电动转向器试销车很快被销售一空。这几年正逐年增加安装电动转向器的汽 车产量，今年将达到3 6 0 0 0 台。正是由于北斗星汽车在国内首装电动转向，带动了 国内电动转向开发热，但都还处于探索阶段，目前尚未有成熟的技术产品投向市场。 在国内，清华大学、江苏大学、吉林大学等多所高校正在这方面作探索性的研究工 作，在台架上实现了转向助力功能，但在一些关键的技术方面未有突破性的进展， 其中，系统的故障在线监测、自诊断和安全防范功能方面研究很少，电机和控制器 常出现过热烧坏以及噪声等问题，不能确保系统安全、可靠工作以及车辆行驶的安 全性。此外系统的总体性能还不够理想。而且，目前有关标准是针对机械和液压助 力转向装置，并且国家标准g b l l 5 5 7 1 9 9 8 中一些关于转向装置的安全性的规定：也 主要针对于机械装置，而这里强调e p s 安全性主要针对电子电气装置。因为，如果 e p s 助力功能正常，符合预期的功能，不会带来危险；如果e p s 助力功能失效，一 直没有助力( 相当于机械转向器) ，也不会带来危险；危险的情况是助力功能的突然 改变而超出驾驶员的预期，比如有的企业在开发e p s 的过程中就遇到过转向盘突然 转向的情况，这对于高速行驶的车辆是危险的。e p s 的安全性目前在国内似乎并没 有得到应有的重视，比如转矩传感器是事关e p s 安全性最主要的零部件之一，国外 产品采用了两路信号实现“双保险”功能，而国内有的e p s 在转矩传感器方面只采 用了一路信号，这就给故障诊断以及安全性带来了隐患。 e p s 的优点以及它不断扩大的市场正使得国内的专家、学者以及有关企业对e p s 产生越来越浓厚的兴趣，并将成为国内汽车技术发展的一个热点。我国非常重视电 动助力转向系统的开发，原机械工业局汽车司在1 9 9 9 年未来十年中国汽车工业产 品与技术发展报告中，就将电动助力转向器列为我国汽车工业积极开展研究的产 品与技术项目。“十五期间的国家8 6 3 电动汽车重大科技专项把电动助力转向器列 为子项目，并作为电动汽车优先发展的零部件产品。由科技部、财政部和国家税务 总局共同商定，联合制订的中国高新技术产品目录中包括了电动助力转向装置， 7 江苏大学硕士学位论文 科技部和商务部又在蒸y i x l _ i f e 图2 _ 4电位计原理图图2 5转矩传感器输出特性 从上述结构和工作原理可以看出，转矩传感器在长期的往复工作中，机械零件 间的相互磨损对信号输出会产生一定的影响，但目前成熟的转矩传感器的往复超过 2 0 0 万次可靠性试验表明，这种磨损在其使用寿命期内其影响可以忽略。因此本文主 1 2 江苏大学硕士学位论文 要考虑由于接线耦合器连接不当、意外损伤或其电源异常等引起的转矩传感器故障， 而这些故障又很明显的可以通过其输出信号( i n + 和i n - ) 两端的电压值或其两者之 和是否超出正常规定范围来判别。常见故障及信号判别如表2 1 。 表2 1 转矩传感器常见故障及其信号判别 转矩传感器常见故障 输入e c u 信号变化( 单位：v ) 主扭矩线路断开或短路肼+ = o v 或s g 转矩传感器本身性能不良 l n + + i n 一事s v 转矩传感器电源电压过高m 5 矿 辅扭矩线路断开或短路 i n = o v 或s v 2 2 2 车速和发动机转速信号 车速信号是决定助力大小的另一个重要因素，转向助力随着车速的提高应该有 所下降，以保证有适当的路感。特别在高速行驶时，路感信息对驾驶员尤为重要。 常用的车速传感器有电磁感应式、磁性式、光电式和霍尔式n 引。在e p s 中，车速信 号与电控单元的接线如图2 - 6 ，车速传感器测得的车速脉冲信号通过速度里程表送给 电控单元e c u ，车速里程表将这些信号转换成相应的车速指针读数，同时也把它转换 成双倍周期的o n o f f 信号s p i 。车辆行驶中，当速度里程表读数正常时，速度信号 的异常主要由e c u 与速度里程表之间的接线不当引起。 发动机转速信号s p 2 与电控单元e c u 的接线如图2 - 7 ，发动机点火一次，产生一 个脉冲信号，脉冲信号通过抑噪器送给e c u ，经过一定时间内的脉冲个数来计算发动 机的转速。在点火开关正常情况下，引起s p 2 信号异常的主要原因是点火开关与电 控单元间的接线不当。 薹点火开关谨度重程袭 图2 - 6 速度传感器与e c u 接线示意图图2 7发动机转速信号与e c u 的关系 与转矩传感器一样，凭一只车速传感器的信号往往很难判断该信号是否出现异 常，所以有些车辆的e p s 采用了两个车速传感器【7 1 ，通过其两者之差来判断其异常 与否，这明显地增加了系统的复杂性，并且提高了成本。我们知道，针对于某一具 江苏大学硕士学位论文 体车辆，发动机转速与车速存在一定比例关系，发动机转速越高则车速也越高，而 且车速信号和发动机信号同时出故障的情况概率很低。因此，考虑到系统简单，且 又不降低故障诊断率，笔者认为，可以采用了发动机信号作为故障诊断的辅助信号， 即通过一个车速传感器检测车速信号和一个发动机转速信号来判断信号异常。 根据上述分析，车速和发动机转速信号异常原因主要是：车速传感器、速度里 程表与e c u ，或者点火开关与e c u 之间的接线出现短路、断路或接触不良，或者车 速传感器、速度里程表等出现故障，而这些原因将直接导致输入e c u 的信号变化。 又因为在车辆行驶中，发动机转速和车速之间具有一定关系，因此可以通过发动机 转速信号来间接判断车速信号是否异常，由于车辆低速行驶或怠速转向时，需要有 大助力电流，以保证轻便性；高速行驶转向时，需要保证转向助力稳定在一个较小 的值，以保证驾驶员良好的路感。因此可以将发动机转速分为四个区段o n 。r m i n 、 n 。n 2r m i n 、和大于n 。r m i n ，然后分别判断在发动机转速在后三区段时，若车速 持续超过一定时间无信号输入e c u ，就判为车速信号有故障；但是，在第一区段不需 要判断车速情况，因为此时转向时，正需要零车速下的转向助力，而需要检测有无 发动机转速信号。其中n 。、n ：和n 。是分别对应某车辆的低( 5 k i n h ) 、中( 2 0 k m h ) 和高( 4 5 k m h ) 车速，针对具体可以相应设定不同值。具体的车速和发动机转速信 号常见故障及输入e c u 的信号值可以表征为如下四种情况，如表2 2 。 表2 2 车速和发动机转速信号的常见故障及其信号判别 车速和发动机转速信号的常见故障输入e c u 信号变化 点火开关o n 时，没有发动机转速信号输入e c us w i n = o n ，踢= 0 发动机转速在n - n 2r r a i n 时，持续超过t 秒钟没有 l 踞 2 ，t 之f ，s p , = 0 速度信号输入e c u 发动机转速在n 2 n sr m i n 时，持续超过t 秒钟没有 2s 皿 2 l ( i 。为额定电流) 电机线路断路、接触不良，或m o s f e t 管断开、继电器断开 l 儿一l i ，2 ( ，2 为规定值) 电控单元有控制电流传递给电机，但电机仍不能起动0a n d u ( u 规定值) 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 2 4 离合器 在本系统中，采用干式单片电磁离合器，通过电流流过电磁线圈产生的吸力实 现转矩的传递，因此可以通过控制电磁线圈的电流实现传递转向助力【2 l l 。此外，由 于其主要作用是传递助力转矩，在工作过程中其接合与分离正确与否将直接影响车 辆行驶的安全性，即需要对离合器的工作状态进行实时监测，一旦出现异常，系统 要能通过其它方式保证助力的切断。 因为e c u 是根据转向盘扭矩信号和车速信号控制电动机电流，提供助力转矩的， 最大助力转矩仅在原地转向和车速极低的情况下出现，随着车速的提高，电动机提 供的助力转矩逐渐减小。因此离合器并不需要在任何助力的情况下都要保证能够传 递最大助力转矩。而现有的技术中，在任何助力情况下通过离合器的电流都是能够 保证传递最大助力转矩甚至更大，这就造成 了能量的浪费，不利于节能与环保。而离合 器所能够传递的转矩与其结合压力成正比， 而结合压力与通过离合器线圈的电流成正 比。因此，可以用p w m 技术来控制离合器控 制电路中的开关( m o s f e t ) ，通过改变p w m 的占空比来改变线圈两端的平均电压，其原 理与p w m 控制电机的原理相同。具体的实施 电路如图2 1 0 ，e c u 根据电动机助力电流信 号，确定电磁离合器所要传递的转矩，并由 图2 - 1 0 离合器的p w m 控制电路 1 - e c u2 - p w m 波3 电阻4 晶体管 5 电阻6 电源7 二极管8 电磁离合器 9 大功率晶体管l o p w m 波 此确定电磁离合器所需要的电流，并根据这个电流发出具有适当占空比的p w m 波 驱动信号，这个信号经过放大以后去控制大功率晶体管9 的导通与关断，从而达到 控制电磁离合器电流的目的。因为p w m 的频率极高，完全可以保证通过离合器线 圈的电流是连续的。 当然，系统出现故障而需要切断电磁离合器，同样也可以改变其占空比口实现， 即控制口，= l ，晶体管4 导通，大功率晶体管9 关断，就切断了离合器的电源。 电磁离合器的工作情况比较简单，使用中可能出现的故障主要是离合器与e c u 间的接线的断路或短路。试验证明，在不转向时，只需要提供o 3 a 就可以保证离合 器正常的结合：传递最大助力转矩时，需要0 8 2 a 。而在线路出现短路或断路时，离 合器线路电流将远远超过0 8 2 a 或接近0 a 。因此可以通过实时监测离合器线路的电 流来判断其是否正常。 1 7 江苏大学硕士学位论文 2 2 5 电子控制单元( e c u ) 电子控制单元作为电动助力转向系统的关键部分，主要由8 位微处理器( 飞利 浦8 7 c 5 9 1 ) 、微处理器内置的模数转换器( a d ) 和脉宽调制器( p w m ) 、稳压电源 电路、一些信号采集、控制和检测电路、以及驱动功率放大器的脉宽调制驱动电路 和由场效应晶体管( m o s f e t ) 组成的h 桥驱动电路等部分组成。e c u 与系统各部 件的接线示意图如图2 1 l 所示，主要完成信号的采集和处理、助力控制的实现、系 统的故障辨识、诊断和安全防范控制等。 一一5 v ) v c c ，、g n d ( 接地) 龟 多l( 故障代码输出) f o u t ： 12 园 s a 5i ：磬黼s p p 基1 。 34 - 0 强 磊嚣；i n 一 56 ：s w i n ( 至点火开关) 78 ：k 1 2 v ( 1 2 v 蓄电池) ( 主扭信号) i n + ： 91 0 ：g o u t ( 至电磁离合器) 一 1 11 2 ：m 1 ( 至电机正极) 1 31 4 ( 数字接地) v s s ：m 2 ( 至电怕极) 1 51 6 图2 - 1le c u 与系统各部件的接线示意图 e c u 通过壳体封装安装在驾驶员侧仪表版下面，在实际中，具有良好的抗干扰 设计和容错设计的e c u 认为是具有相当可靠性和安全性的【8 】。针对e p s 的具体情况， 由于电动机h 桥驱动电路的m o s f e t 管是高频的场效应晶体管，在长期的高频开关 工作中会发热，而且当电机出现短路时，可能使得m o s f e t 管在电源和地之间出现 直通，从而导致烧坏或击穿，因此要专门设计电动机的短路保护电路，并且在不需 要转向助力时，控制四个m o s f e t 管都处于截止状态。具体的软硬件设计和保护电 路设计将在第4 、5 章中做详细的介绍和分析。 工作中，系统可以通过e c u 根据各输入或输出信号对系