電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究

摘　要：本文在介紹電子控制系統(tǒng)故障自診斷的基本原理基礎(chǔ)上，提出了一套基于轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的故障診斷方法，并建立了相應(yīng)的故障自診斷系統(tǒng)，包括系統(tǒng)各組成部件的故障辨識和信號采集、故障代碼的顯示控制以及相應(yīng)的安全防范措施，并通過對其轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷的程序設(shè)計和實例分析驗證了該故障自診斷思路的可行性。

關(guān)鍵詞： EPS、故障辨識、信號采集、故障自診斷、安全防范
 
0引 言

　　轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性和行駛安全性。實踐證明電動助力轉(zhuǎn)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。自從1988年EPS在日本商業(yè)化[1][2]以來，相繼得到了國外各大汽車企業(yè)的大力開發(fā)和廣泛應(yīng)用，不僅用于微型汽車和小型汽車，還廣泛應(yīng)用于輕型汽車及普通型轎車上。國內(nèi)近幾年也得到了相當(dāng)?shù)闹匾?，也有一些車輛（如昌河北斗星轎車）安裝了進口EPS，但還沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的EPS進入市場，從幾家研發(fā)的產(chǎn)品看出，這其中的因素有很多，特別是車輛在行駛中系統(tǒng)的故障在線監(jiān)測、故障自診斷和安全防范，以及EPS裝車后的行車安全性等方面還不能很好的得到保證。

　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制單元、電動機、電磁離合器和減速機構(gòu)等組成（如圖1）。其基本工作原理：轉(zhuǎn)矩傳感器測得的方向盤轉(zhuǎn)矩信號和車速信號一同送給控制單元，經(jīng)控制單元處理和計算以決定電動機助力電流的大小，然后通過電磁離合器和減速機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。

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(dāng)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(guān)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(shù)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(chǎn)等。同時將故障信息以故障代碼的形式存儲到ECU內(nèi)部的存儲器中，然后ECU控制系統(tǒng)采取相應(yīng)的安全防范措施。故障信息一旦被存儲，即使故障已經(jīng)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。

2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷

2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識[4]

　　根據(jù)EPS系統(tǒng)控制線路，本文對EPS系統(tǒng)各組成部件進行如下故障診斷。

2.2.1轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷

　　我們開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用的是擺臂式的轉(zhuǎn)矩傳感器。其工作原理相當(dāng)于一個電位計，如圖3所示，它具有雙回路輸出，即主扭矩（對應(yīng)IN+端電壓值）、副扭矩（對應(yīng)IN-端電壓值）輸出，其主、副扭矩輸出特性如圖4所示，即當(dāng)轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時，轉(zhuǎn)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5）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[3]，其本身自帶有A/D轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(fù)，故將轉(zhuǎn)矩信號的異常界限值設(shè)為0.9V -4.1V，并且只有當(dāng)信號值超出其范圍持續(xù)一定時間（如30ms），才判定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩傳感器故障的誤判。

　　此外，轉(zhuǎn)矩傳感器的信號檢測是建立在+5V的穩(wěn)壓電源基礎(chǔ)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(zhuǎn)矩傳感器主、副扭矩信號異常之前，首先判斷轉(zhuǎn)矩傳感器電源電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)?？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