電動助力轉向系統故障自診斷的研究

摘　要：本文在介紹電子控制系統故障自診斷的基本原理基礎上，提出了一套基于轉向柱式電動助力轉向系統（EPS）的故障診斷方法，并建立了相應的故障自診斷系統，包括系統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的安全防范措施，并通過對其轉矩傳感器故障自診斷的程序設計和實例分析驗證了該故障自診斷思路的可行性。

關鍵詞： EPS、故障辨識、信號采集、故障自診斷、安全防范
 
0引 言

　　轉向系統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向特性、穩定性和行駛安全性。實踐證明電動助力轉向系統(EPS)具有節能、成本低和便于控制，易于裝車，提高操縱穩定性和輕便性以及符合機電一體化的要求等優點，正迎合了時代的要求。自從1988年EPS在日本商業化[1][2]以來，相繼得到了國外各大汽車企業的大力開發和廣泛應用，不僅用于微型汽車和小型汽車，還廣泛應用于輕型汽車及普通型轎車上。國內近幾年也得到了相當的重視，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權的EPS進入市場，從幾家研發的產品看出，這其中的因素有很多，特別是車輛在行駛中系統的故障在線監測、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。

　　電動助力轉向系統通常由轉矩傳感器、車速傳感器、控制單元、電動機、電磁離合器和減速機構等組成（如圖1）。其基本工作原理：轉矩傳感器測得的方向盤轉矩信號和車速信號一同送給控制單元，經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實現轉向助力。

1故障自診斷的基本原理

　　故障自診斷系統的作用是監測、診斷電子控制系統各傳感器、執行器以及電子控制器（ECU）的工作是否正常。當ECU中某一電路超出規定范圍的信號時，自診斷系統就判定該電路及相關的傳感器或執行器發生故障，并控制故障指示燈閃爍，目前常用的故障代碼指示有二種：一是以閃爍次數和時間長短表示不同故障，如三菱、現代、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、日產等。同時將故障信息以故障代碼的形式存儲到ECU內部的存儲器中，然后ECU控制系統采取相應的安全防范措施。故障信息一旦被存儲，即使故障已經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電動助力轉向系統故障自診斷

2.1 系統各組成部件的故障辨識[4]

　　根據EPS系統控制線路，本文對EPS系統各組成部件進行如下故障診斷。

2.2.1轉矩傳感器故障自診斷

　　我們開發的電動助力轉向系統應用的是擺臂式的轉矩傳感器。其工作原理相當于一個電位計，如圖3所示，它具有雙回路輸出，即主扭矩（對應IN+端電壓值）、副扭矩（對應IN-端電壓值）輸出，其主、副扭矩輸出特性如圖4所示，即當轉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，并且當轉向盤處于中間位置時，轉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矩信號的暫時偏差，而這種偏離是暫時的且系統能自動修復，故將轉矩信號的異常界限值設為0.9V -4.1V，并且只有當信號值超出其范圍持續一定時間（如30ms），才判定轉矩傳感器有故障，這樣可以減少因其它外界原因而引起對轉矩傳感器故障的誤判。

　　此外，轉矩傳感器的信號檢測是建立在+5V的穩壓電源基礎上的，因此穩壓電源電路的正常與否將直接影響到主、副扭矩信號。因此在檢測轉矩傳感器主、副扭矩信號異常之前，首先判斷轉矩傳感器電源電壓是否在規定范圍內。考慮到三端穩壓集成塊MC78T05在環境溫度影響下其輸出電壓會有