一、引言
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)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(shí)踐證明電動(dòng)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(jī)電一體化的要求等優(yōu)點(diǎn)，正迎合了時(shí)代的要求。自從1988年EPS在日本商業(yè)化以來，相繼得到了國(guó)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(guó)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(jìn)口EPS，但還沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS進(jìn)入市場(chǎng)，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(cè)、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(dòng)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(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等組成（如圖1）。其基本工作原理：轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得的方向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)一同送給控制單元，經(jīng)控制單元處理和計(jì)算以決定電動(dòng)機(jī)助力電流的大小，然后通過電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。
二、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(cè)、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(hào)時(shí)，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(shí)間長(zhǎng)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(shí)將故障信息以故障代碼的形式存儲(chǔ)到ECU內(nèi)部的存儲(chǔ)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(chǔ)，即使故障已經(jīng)排除且故障指示燈熄滅，仍將儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。 消除故障碼的方法有二：一是將保險(xiǎn)絲盒中的保險(xiǎn)絲拔下10S以上；二是將蓄電池搭鐵線拆下10S以上。
三、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷
1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識(shí)
根據(jù)EPS系統(tǒng)控制線路（如圖2），本文對(duì)EPS系統(tǒng)各組成部件進(jìn)行如下故障診斷。
圖2 EPS系統(tǒng)控制線路圖
1.1轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷
我們開發(fā)的電動(dòng)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(gè)電位計(jì)，如圖3所示，它具有雙回路輸出，即主扭矩（對(duì)應(yīng)IN 端電壓值）、副扭矩（對(duì)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(shí)，電位計(jì)的兩個(gè)輸出即主扭和副扭信號(hào)，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(shí)，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(hào)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，其本身自帶有A/D轉(zhuǎn)換器）的主、副扭矩信號(hào)將大于4V或小于1V或兩信號(hào)之差超過3V。但實(shí)際車輛行駛中，雖然硬件和軟件設(shè)計(jì)中考慮了各種抗干擾措施，各種偶爾的噪聲或振動(dòng)還是或多或少的會(huì)引起轉(zhuǎn)矩信號(hào)的暫時(shí)偏差，而這種偏離是暫時(shí)的且系統(tǒng)能自動(dòng)修復(fù)，故將轉(zhuǎn)矩信號(hào)的異常界限值設(shè)為0.9V -4.1V，并且只有當(dāng)信號(hào)值超出其范圍持續(xù)一定時(shí)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(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器故障的誤判。
此外，轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)檢測(cè)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(hào)。因此在檢測(cè)轉(zhuǎn)矩傳感器主、副扭矩信號(hào)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)。考慮到三端穩(wěn)壓集成塊MC78T05在環(huán)境溫度影響下其輸出電壓會(huì)有±0.1V的偏差，因此我們規(guī)定其正常輸出電壓為5±0.2V。如果CPU檢測(cè)到電源電壓異常，此時(shí)就跳過對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)的檢測(cè)，這樣可以避免對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器本身故障的誤判。
通過信號(hào)值比較可以診斷如下傳感器故障：
·主扭矩線路斷開或短路
·主線路與輔線路輸出電壓差異過大
·轉(zhuǎn)矩傳感器電源電壓過高或過低
·輔扭矩線路斷開或短路
圖5 主、副扭矩信號(hào)采集
1.2電機(jī)故障自診斷
轉(zhuǎn)向助力大小是通過控制電機(jī)電流來實(shí)現(xiàn)，因此檢測(cè)電機(jī)兩端的實(shí)際控制電流就顯得非常重要。電機(jī)電流采集電路（如圖6），通過測(cè)量串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)回路中的精密電阻R62兩端的電壓，經(jīng)過信號(hào)放大和適當(dāng)?shù)碾娙轂V波，然后通過ADC2端口反饋給CPU，此時(shí)程序設(shè)計(jì)將此電壓與理論計(jì)算電壓進(jìn)行比較，如果兩者懸殊過大；或者連續(xù)幾分鐘之內(nèi)的平均電流消耗超過預(yù)先規(guī)定的數(shù)值，就判斷電機(jī)及其線路有故障，以防止電機(jī)過載而燒壞或工作不穩(wěn)定。其中我們選用的精密電阻值約7mΩ，這樣和電動(dòng)機(jī)電樞電阻168mΩ相比要小的多，因此基本不影響系統(tǒng)工作。
通過上述信號(hào)比較可以診斷如下電機(jī)故障：
·電機(jī)的控制電流過高，使電機(jī)出現(xiàn)過載而燒壞
·CPU計(jì)算的電機(jī)控制電流與實(shí)際檢測(cè)的控制電流相差太大
·控制單元有控制電流傳遞給電機(jī)，但電機(jī)仍不能起動(dòng)
圖6 電機(jī)電流采集
1.3車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)故障自診斷
車速信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，因此不需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，只需經(jīng)過一定的整形電路，就可以直接送給CPU的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器端口，然后通過計(jì)數(shù)器對(duì)波形的一定時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)即可采集車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如車速整形電路（如圖7），車速信號(hào)通過一定的濾波和比較器比較，然后直接送給CPU的計(jì)數(shù)器T0。通過上述信號(hào)的采集，然后與相應(yīng)工況的規(guī)定值比較，即可以診斷如下故障：
· 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后立即升到4000r/min或更高時(shí)，行車中持續(xù)60秒沒有車速信號(hào)輸入CPU
· 發(fā)動(dòng)機(jī)在2500 r/min或更高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，行車中持續(xù)60秒沒有車速信號(hào)輸入CPU
· 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)起動(dòng)后，無發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號(hào)輸入CPU
圖7 車速整形電路
1.4電磁離合器故障自診斷
電磁離合器連接了助力電機(jī)和轉(zhuǎn)向柱，它的分離與接合穩(wěn)定與否將直接影響轉(zhuǎn)向特性，因此系統(tǒng)工作時(shí)，其狀態(tài)信號(hào)要及時(shí)反饋給CPU。電磁離合器狀態(tài)信號(hào)采集電路如圖8所示：當(dāng)離合器處于接合狀態(tài)時(shí)， P0.0端口輸出高電平；反之，輸出高電平。因此離合器線路斷開或短路可以通過P0.0端口反應(yīng)。
圖8 電磁離合器狀態(tài)信號(hào)采集
1.5控制單元電源線路故障自診斷
如圖2所示：當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí)，蓄電池電壓將通過ADC4端口送給CPU，因此當(dāng)ADC4 端檢測(cè)的電壓信號(hào)低于10V，程序設(shè)計(jì)就可以控制故障燈顯示蓄電池電壓太低。
1.6控制單元故障自診斷
控制單元主要由電子元件和軟件組成，其本身不易出現(xiàn)故障。我們主要通過在硬件方面進(jìn)行合理的布線和相應(yīng)的濾波、抗干擾等措施來減少故障的發(fā)生；軟件上通過使用看門狗技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)和設(shè)置軟件陷阱等處理程序運(yùn)行時(shí)的“跑飛”和 “死循環(huán)”等問題。
2. 故障代碼顯示控制及安全防范措施
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到各組成部件出現(xiàn)上述異常之一，且持續(xù)時(shí)間超過相應(yīng)的規(guī)定值，程序設(shè)計(jì)就通過對(duì)P0.5端口間斷的置0或1，故障顯示控制電路（如圖9）就控制發(fā)光二極管（故障燈）閃爍，其中閃爍的次數(shù)和延續(xù)的時(shí)間（各種故障代碼）通過計(jì)數(shù)指針和延時(shí)子程序?qū)崿F(xiàn)。如主扭矩信號(hào)出現(xiàn)異常，指示燈將顯示故障代碼號(hào)DTC11，如圖10所示，亮1.5S，暗2S；再亮0.5S，暗3S，往復(fù)進(jìn)行，直至故障排除，稱“一長(zhǎng)一短”。 故障顯示的同時(shí)，程序設(shè)計(jì)也對(duì)P0.4和P0.1端口分別置1和0，經(jīng)過電磁離合器控制電路（如圖11）和繼電器控制電路（如圖12）使得電磁離合器和繼電器同時(shí)被切斷，以確保電機(jī)助力完全被切斷，從而確保行車安全。
圖13轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷流程
四、實(shí)例分析
轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷流程如圖13所示：首先初始化時(shí)間延時(shí)計(jì)數(shù)指針、異常狀態(tài)標(biāo)志和各規(guī)定界限值（如表1），然后使主、副扭信號(hào)電壓及其差分別與各自的界限值進(jìn)行比較，如果超過界限值并持續(xù)時(shí)間超過30ms，那么將異常狀態(tài)標(biāo)志置1，記錄異常情況并控制故障燈顯示相應(yīng)的故障代碼，同時(shí)分別對(duì)P0.4和P0.1置1和0，以切斷電磁離合器和繼電器，從而切斷電機(jī)助力。
表1 參數(shù)初始化
五、結(jié)束語
從上述的理論和實(shí)例分析看出：本文提出的EPS系統(tǒng)各信號(hào)間和信號(hào)與規(guī)定界限值間進(jìn)行比較的故障診斷方法具有明顯的簡(jiǎn)單、可行、容易與主控制程序協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和調(diào)試等特點(diǎn)。而且在試驗(yàn)臺(tái)上我們通過人為設(shè)置各種故障（如短路、斷路和接觸不良等），然后觀察故障燈顯示情況，也顯示了該比較自診斷方法具有明顯的可行性。此外，雖然這種比較故障診斷方法是基于轉(zhuǎn)向柱驅(qū)動(dòng)（Column Drive）的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）上研究的，但是其故障辨識(shí)的基本原理具有廣泛的通用性，因此該故障自診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想同樣也適用于小齒輪驅(qū)動(dòng)（Pinion Drive）、齒條驅(qū)動(dòng)（Rack drive）的EPS和其它的電控系統(tǒng)。
（轉(zhuǎn)載）
