电动助力转向系统故障自诊断的研究

电动助力转向系统故障自诊断的研究

2007-09-24 08:23:04 作者：qichejishu来源：浏览次数：0 网友评论 0 条

一、引言

转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性和行驶安全性。实践证明电动助力转向系统...

一、引言

转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性和行驶安全性。实践证明电动助力转向系统（EPS）具有节能、成本低和便于控制，易于装车，提高操纵稳定性和轻便性以及符合机电一体化的要求等优点，正迎合了时代的要求。自从1988年EPS在日本商业化以来，相继得到了国外各大汽车企业的大力开发和广泛应用，不仅用于微型汽车和小型汽车，还广泛应用于轻型汽车及普通型轿车上。国内近几年也得到了相当的重视，也有一些车辆（如昌河北斗星轿车）安装了进口EPS，但还没有自主知识产权的EPS进入市场，从几家研发的产品看出，这其中的因素有很多，特别是车辆在行驶中系统的故障在线监测、故障自诊断和安全防范，以及EPS装车后的行车安全性等方面还不能很好的得到保证。

电动助力转向系统通常由转矩传感器、车速传感器、控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成（如图1）。其基本工作原理：转矩传感器测得的方向盘转矩信号和车速信号一同送给控制单元，经控制单元处理和计算以决定电动机助力电流的大小，然后通过电磁离合器和减速机构实现转向助力。

二、故障自诊断的基本原理

故障自诊断系统的作用是监测、诊断电子控制系统各传感器、执行器以及电子控制器（E CU）的工作是否正常。当ECU中某一电路超出规定范围的信号时，自诊断系统就判定该电路及相关的传感器或执行器发生故障，并控制故障指示灯闪烁，目前常用的故障代码指示有二种：一是以闪烁次数和时间长短表示不同故障，如三菱、现代、克莱斯勒、宝马等；二是不同颜色的几盏灯（一般为红、绿灯）闪烁表示不同故障，如本田、日产等。同时将故障信息以故障代码的形式存储到ECU内部的存储器中，然后ECU控制系统采取相应的安全防范措施。故障信息一旦被存储，即使故障已经排除且故障指示灯熄灭，仍将储存在存储器中。消除故障码的方法有二：一是将保险丝盒中的保险丝拔下10S以上；二是将蓄电池搭铁线拆下1 0S以上。

三、电动助力转向系统故障自诊断

1 系统各组成部件的故障辨识

根据EPS系统控制线路（如图2），本文对EPS系统各组成部件进行如下故障诊断。

图2 EPS系统控制线路图

1.1转矩传感器故障自诊断

我们开发的电动助力转向系统应用的是摆臂式的转矩传感器。其工作原理相当于一个电位计，如图3所示，它具有双回路输出，即主扭矩（对应IN 端电压值）、副扭矩（对应I N-端电压值）输出，其主、副扭矩输出特性如图4所示，即当转矩传感器正常工作时，电位计的两个输出即主扭和副扭信号，理论上，正常工作范围在1V～4V，并且当转向盘处于中间位置时，转矩传感器的主扭和副扭的输出电压均为2.5V。一旦其本身及信号采集电路（如图5）出现异常，输入CPU（我们选用P87C591芯片为核心的8位微控制器，其本身自带有A/D转换器）的主、副扭矩信号将大于4V或小于1V或两信号之差超过3V。但实际车辆行驶中，虽然硬件和软件设计中考虑了各种抗干扰措施，各种偶尔的噪声或振动还是或多或少的会引起转矩信号的暂时偏差，而这种偏离是暂时的且系统能自动修复，故将转矩信号的异常

界限值设为0.9V -4.1V，并且只有当信号值超出其范围持续一定时间（如30ms），才判定转矩传感器有故障，这样可以减少因其它外界原因而引起对转矩传感器故障的误判。

此外，转矩传感器的信号检测是建立在 5V的稳压电源基础上的，因此稳压电源电路的正常与否将直接影响到主、副扭矩信号。因此在检测转矩传感器主、副扭矩信号异常之前，首先判断转矩传感器电源电压是否在规定范围内。考虑到三端稳压集成块MC78T05在环境温度影响下其输出电压会有±0.1V的偏差，因此我们规定其正常输出电压为5±0.2V。如果C PU检测到电源电压异常，此时就跳过对转矩传感器信号的检测，这样可以避免对转矩传感器本身故障的误判。

通过信号值比较可以诊断如下传感器故障：

·主扭矩线路断开或短路

·主线路与辅线路输出电压差异过大

·转矩传感器电源电压过高或过低

·辅扭矩线路断开或短路

图5 主、副扭矩信号采集

1.2电机故障自诊断

转向助力大小是通过控制电机电流来实现，因此检测电机两端的实际控制电流就显得非常重要。电机电流采集电路（如图6），通过测量串联在驱动回路中的精密电阻R62两端的电压，经过信号放大和适当的电容滤波，然后通过ADC2端口反馈给CPU，此时程序设计将此电压与理论计算电压进行比较，如果两者悬殊过大；或者连续几分钟之内的平均电流消耗超过预先规定的数值，就判断电机及其线路有故障，以防止电机过载而烧坏或工作不稳定。其中我们选用的精密电阻值约7mΩ，这样和电动机电枢电阻168mΩ相比要小的多，因此基本不影响系统工作。

通过上述信号比较可以诊断如下电机故障：

·电机的控制电流过高，使电机出现过载而烧坏

·CPU计算的电机控制电流与实际检测的控制电流相差太大

·控制单元有控制电流传递给电机，但电机仍不能起动

图6 电机电流采集

1.3车速和发动机转速信号故障自诊断

车速信号和发动机转速信号都是数字信号，因此不需要经过A/D转换，只需经过一定的整形电路，就可以直接送给CPU的定时器/计数器端口，然后通过计数器对波形的一定时间

内的计数即可采集车速和发动机转速。如车速整形电路（如图7），车速信号通过一定的滤波和比较器比较，然后直接送给CPU的计数器T0。通过上述信号的采集，然后与相应工况的规定值比较，即可以诊断如下故障：

· 发动机起动后立即升到4000r/min或更高时，行车中持续60秒没有车速信号输入C PU

· 发动机在2500 r/min或更高速状态下运转时，行车中持续60秒没有车速信号输入CPU

· 发动机机起动后，无发动机速度信号输入CPU

图7 车速整形电路

1.4电磁离合器故障自诊断

电磁离合器连接了助力电机和转向柱，它的分离与接合稳定与否将直接影响转向特性，因此系统工作时，其状态信号要及时反馈给CPU。电磁离合器状态信号采集电路如图8所示：当离合器处于接合状态时， P0.0端口输出高电平；反之，输出高电平。因此离合器线路断开或短路可以通过P0.0端口反应。