江蘇大學学报(自然科学版)2008年1月　第29卷　第1期　Jan.2008 Vol .29　No .1JO URNAL O F J I ANGSU UN I VERS I TY (Natural Science Editi on )电动助力转向系统故障诊断技术设计郑荣良,刘中良,陈　龙(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013)摘要:对电动助力转向系统(EPS )的主要组成部分可能出现的故障进行分析,并根据实践,把电动机过热也视为一种故障.使用硬件电路对扭矩传感器、继电器、离合器进行检测,并把检测结果送到单片机,这些故障一般是不可自恢复故障,系统不对故障本身进行处理,只是给出了故障代码和警报.对于电动机过热故障,通过实时监测电流大小,提出了以预防为主的故障处理措施,包括建立热系数表和设计过流保护电路.试验表明:通过软件硬件相结合进行故障检测和处理,可以准确地诊断和处理电动助力转向系统常见的故障并有效防止电动机过热.关键词:汽车;电动助力转向系统;故障诊断;过流;过热;保护电路中图分类号:U463.6 文献标志码:A 文章编号:1671-7775(2008)01-0021-04Trouble di a gnose of electri c power steeri n g systemZHEN G R ong 2liang,L IU Zhong 2liang,CHEN L ong(School of Aut omobile and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,J iangsu 212013,China )Abstract:The possible tr oubles of the main parts in Electric Po wer Steering Syste m (EPS )was discussed and analyzed .According t o the p ractice,the overheat of the mot or was als o regarded as a p r oble m.Hard 2ware circuits were used t o diagnose the tr ouble of the t orque sens or,the relay,and the clutch .The result was sent t o the single chi p p r ocess or .The syste m did not deal with such unrecoverable failure,but only gave the tr ouble code and warning .By monit oring the syste m in situ,a p reventive measure was intr oduced t o deal with the overheat of the mot or .The measure includes establishing ther mal coefficient and electric circuit of over 2current p r otecti on .The test result shows that by co mbinati on hard ware and s oft w are,the de 2sign can diagnose and p r ocess the common tr oubles correctly,and p revent the mot or fr om overheating .Key words:vehicle;electric power syste m;tr oubles diagnose;over current;over heat;p r otective electric circuit收稿日期:2007-06-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475121)作者简介:郑荣良(1945—),男,江苏镇江人,教授(zrl@ujs .edu .cn ),主要从事汽车电子的研究.刘中良(1983—),男,江苏连云港人,硕士研究生(liuzhong5853@s ohu .com ),主要从事汽车电子的研究. 电动助力转向系统是一个集电气系统和机械系统为一体的复杂系统,其控制对象的特殊性要求系统发生故障时不允许出现大的误动作,否则将引起严重事故.电动助力转向系统的安全性日益受到人们的关注[1,2].为此,在系统设计中就必须考虑故障的检测和处理.文献[3]应用人工神经网络在线检测故障,需要大量的试验数据,且控制算法烦琐.文献[4]利用线性未知输入观察器(U I O )来检测电子控制转向系统的故障,检测受到车速和电子器件非线性的限制,试验表明并不可靠.文献[5]通过对系统的原始事故分析(PHA )和设计故障模式及其影响分析(DF MEA )来辨识各类故障模式,故障诊断需要进行大量的试验和对原始故障事故的分析,具有较大的破坏性.22　江苏大学学报(自然科学版)第29卷根据电动助力转向系统控制器内部的工作原理,分析主要组成部分的常见故障及其辨别方法,通过软件和硬件相结合的方式对故障进行诊断和处理,设计比较简单,可以辨识系统的常见故障.另外笔者根据实际使用的需要,把电动机过热也做为一种故障进行检测,并提出相应的处理措施.1　系统的故障检测电路设计设计的电动助力转向系统中的故障检测主要包括7部分:扭矩传感器及其引线故障检测;车速和发动机信号故障检测;电压检测;继电器故障检测;离合器故障检测以及电动机过热故障检测.其中车速和发动机及电压检测信号在系统正常工作中也是必须的信号[6],笔者不再介绍它们的检测电路,而主要介绍其他四个专门用于EPS故障检测电路.1.1　扭矩传感器故障系统采用电位计式扭矩传感器,其两路输出电压之和恒为+5V[1].若传感器发生故障或者是传感器和控制器之间的接线断开,则两者之和将不再为+5V.这样就可以检测出扭矩信号的错误.1.2　继电器和离合器故障设计的电动助力转向系统,继电器的作用是使电池和H桥连通或断开.当发生故障时,单片机输出继电器吸合信号,如H桥没有电压或电压明显低于理论电压则说明继电器发生故障.通过检测H桥上端的电压配合当前的继电器控制信号,就可以检测出继电器是否发生故障.检测电路如图1所示.图1　继电器故障检测电路Fig.1　Electric circuit of relay tr ouble detecti onH桥上端电压通过R4,R5电阻分压后输入比较器L M311的反向输入端,L M311正向输入端接R2, R3分压形成的+2.5V电压,当继电器吸合时,H桥上端和蓄电池正极相连,电压应为约+12V,则L M311输出为低电平;继电器发生故障时H桥上端电压近似为0,LM311输出为高电平.由LM311的输出电平结合继电器的控制信号,就很容易检测出继电器的故障,如表1所示.表1　继电器故障判别真值表Tab.1　Truth va lue t able of rel ay trouble judg m en t继电器控制信号LM311输出是否发生错误11是10否01否00是离合器是控制电机和转向轴之间机械连接的装置,当离合器线圈中有足够大的电流流过时离合器就会吸合,电机和转向轴就成几乎刚性连接;当离合器线圈中流过的电流小于其吸合电流时离合器就切断电机和转向轴之间的机械连接[7].因此要检测离合器功能是否完好,只要检测离合器线圈中流过的电流大小即可.检测的电路原理和检测继电器的电路类似,如图2所示.图2　离合器故障检测电路Fig.2　Electric circuit of clutch tr ouble detecti on图中的L1为离合器电感线圈,L1下端串联一个1Ω(R4)的大功率电阻进行电流采集.L1和R4之间接到比较器L M311的反向输入端,比较器的正向输入端接由R2,R3分压形成的约+0.45V电压.这样当离合器电磁线圈中流过的电流小于0.45A时, L M311输出为高电平;当离合器电磁线圈中流过的电流大于0.45A时,L M311输出为低电平,结合离合器驱动电路的控制信号,就可以检测出离合器的故障情况,如表2所示.表2　离合器故障判别真值表Tab.2　Truth va lue t able of clutch trouble judg m en t 离合器控制信号LM311输出是否发生错误11是10否01否00是第1期郑荣良等:电动助力转向系统故障诊断技术设计231.3　电动机的过热故障由于电动机安装在很狭小的空间内,如果电动机长时间大电流工作,热量不容易散发出去,容易造成电动机过热,严重时会引起电动机烧毁等严重事故[1],因此笔者把电动机过热也视为一种故障.对于电动机过热故障处理,若要精确地测量温度,需要增加额外的设备,增加了成本,因此,笔者设计了一种根据大电流来粗略估计电动机热状况的方案,通过试验验证,取得较为满意的效果.在电动助力转向系统中,电机电流长时间过大是引起过热的主要原因.电流的大小主要通过P WM来进行调制,因此可以根据P WM的大小个数来粗略估计电动机电流情况.把P WM分成三个档: 00H～～A0H,A0H～～C0H,C0H～～FFH,通过设置一个专门的计数器1来计算送出去的P WM个数,当P WM在00H～～A0H档时,计数器1中的值减1,当P WM位于B0H～～C0H档时,计数器1中的值不变,当P WM位于C0H～～FFH档时,计数器1中的值加1,当计数器1中值增加到FFH时,向计数器2进位,计数器2中值加1,当计数器1中的值数小于80H时,认为电流很小,计数器2中值减10 H,主要是为了尽快减少计数器2中的个数,不影响正常助力时的电流.然后把计数器2中的值做为热情况系数,进行相应地计算.程序流程图如图3所示.当计数器2中的值为零时,给输出的P WM乘以系数1,当计数器2中的值为FFH时,给输出的P WM乘以系数0.45,中间的系数可以内插得到,建立相应的系数表.确定了系数表之后,就可以利用单片机查表得到相应的热系数,如表3所示.表3　热系数Tab.3　Ther ma l coeff i c i en t记数器中数热系数(10进制)热系数(16进制) 2551157325411674253116742521177525111775………6253FE5254FE4255FF3255FF2255FF1255FF0255FF图3　过流保护流程图Fig.3　Fl ow chart of over current p r otecti on2　故障处理设计对于扭矩传感器、离合器以及继电器故障,一般是不可恢复故障.处理这些故障需要专门的技术人员和使用专门的设备,因此不对故障本身进行处理,只给出了故障代码并警报.对于电动机过热故障,处理措施主要是以预防为主,除了上面的软件控制过热之外,我们还设计了硬件电路进行控制.即过流保护电路,本EPS中使用的过流保护[8]电路如图4所示.图4　过流保护电路Fig.4　Electric circuit of over current p r otecti on比较器L M311的正向输入端接可调电阻的中间引脚,反向输入端接电流采样信号,输出端接H 桥下管控制电路.电流采样信号是由H桥最下端的一个电流传感器获得,这个电流传感器实际上就是一个阻值约为0.005Ω的电阻,流过电机的电流在这个电阻上产生和电流大小成正比的电压降.将这24　江苏大学学报(自然科学版)第29卷个电压经过滤波后送到L M311的比较输入端和可调电阻分压以后的电压进行比较,当采样电流产生的压降低于可调电阻产生的分压时,L M311输出端输出高电平,使单片机的下管控制信号能顺利地控制下管.否则,LM311输出端就输出为低电平,将单片机的下管控制信号屏蔽掉,使下管进入关闭状态,这样电机电流就被迫下降,同时电流传感器的压降也下降,当这个电压低于电阻分压时,LM311的输出又变为高电平,使单片机的下管控制信号又控制下管开启.如此反复,就可以使流过电机的电流限定在安全范围内.可以通过调整可调电阻大小来调整比较电压,从而调整电机的实际保护电流大小.图5为LM311输出电压波形(波动段起限流作用).图5　过流保护起作用时L M311输出电压波形Fig .5　Voltage wave fr om LM311when overcurrent p r otecti on is p laying r ole3　试验验证电动助力转向系统中,原地转向时间长,电动机需要长时间地提供大电流,电机很容易产生过热,因此选择在原地转向的工况下进行论证所设计的过热控制策略.试验结果如图6所示.图6　电机电流对比Fig .6　Comparis on of mot or ′s current从上图可以看出,两者电流在10s 都达到最大电流30A ,30A 大电流持续10s 后,从21s 开始,过热保护起作用,电流平稳下降,经过3m in,在180s 时刻,电流下降到15A 左右,而没有过热保护的系统,电流一直保持30A 左右.试验结果表明,设计的软硬件电路能很好地解决电机过热问题.4　结　论(1)笔者设计的故障检测电路可以准确地辨别离合器、继电器和扭矩传感器的常见故障.(2)硬件过流保护和软件热系数表相结合的方法可有效防止电机过热,提高了系统的安全性,延长了电机使用寿命.参考文献(References)[1]　叶红弟.电动助力转向系统的故障诊断[J ].浙江工贸职业技术学院学报,2005,5(4):30-35.YE Hong 2di .Fault diagnosis of electric power steering syste m [J ].Journal of Zhejiang Industry &Trade poly 2technic ,2005,5(4):30-35.(in Chinese )[2]　Nakaya ma T,Suda E .The p resent and future of electricpower 2assisted steering [J ].Int J of vehicle D esign ,1994,15(3,4,5):243-254.[3]　邓文才.转向柱式电动助力转向器故障诊断研究[D ].杭州:浙江大学机械与能源工程学院,2006.[4]　V ijay Narayanan,Gi orgi o R izzoni .Fault dagnosis ofsteering syste m f or advanced vehicle contr ol syste m s[J ].SA E Paper ,1998,107:1134-1139.[5]　Sanket Amberkar,M ark Kushi on,Kirt Eschtruth,et al .Del phi aut omotive syste m s,diagnostic devel opment f or an electric power steering syste m [J ].SA E Paper ,2000,109:1112-1116.[6]　Yasuo Shi m izu,Shitake Ka wai .Devel opment of eclectricpower steering[J ].SA E ,1991,100:1-15.[7]　何　仁,徐勇刚,苗立东,等.电动助力转向系统中电磁离合器的节能[J ].江苏大学学报:自然科学版,2005,26(4):304-307.HE Ren,XU Yong 2gang,M I A O L i 2dong,et al .Energy saving for electr omagnetic clutch in electric power steer 2ing syste m [J ].Journal of J iangsu U niversity:N atural Science Edition ,2005,26(4):304-307.(in Chi 2nese )[8]　郑荣良,朱爱萍.用于电动助力转向系统的控制逻辑电路[J ].江苏大学学报:自然科学版,2004,25(3):221-223.Z HE NG Rong 2liang,ZHU A i 2p ing .Logic contr ol circuit used in electric power 2assisted steering system [J ].Journal of J iangsu U niversity:N atural Science Edition ,2004,25(3):221-223.(in Chinese )(责任编辑　陈建华)。