《汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計（34頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、 汽車電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計專 業(yè) 汽車運用工程 班 級 05*（1）班 學(xué)生姓名 * 指導(dǎo)教師 * 200* 年 *月 *日 目 錄一、緒論1.1 前言11.2 EPS的特點21.3 EPS系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用狀況3二、 EPS的基本構(gòu)造和工作原理 2.1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理42.2 EPS的關(guān)鍵部件52.2.1 扭矩傳感器52.2.2 電動機62.2.3 電磁離合器62.2.4 減速機構(gòu)72.3 EPS的電流控制72.4 助力控制82.5 回正控制92.6 阻尼控制9三、EPS系統(tǒng)電機驅(qū)動電路的設(shè)計3.1 微控制器的選擇 103.2 硬件電路總體框架 103.3 電機控制電
2、路設(shè)計 113.3.1 H橋上側(cè)橋MOSFET功率管驅(qū)動電路設(shè)計 123.3.2 H橋下側(cè)橋MOSFET功率管驅(qū)動電路設(shè)計 133.4 蓄電池倍壓電源 143.5 電機驅(qū)動電路臺架試驗 153.6 結(jié)論與展望 16四、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究4.1 故障自診斷的基本原理174.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷174.2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識174.2.2 轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷184.2.3 電機故障自診斷204.2.4 車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號故障自診斷214.2.5 電磁離合器故障自診斷224.2.6 控制單元電源線路故障自診斷224.2.7 控制單元故障自診斷234.3 故障代碼
3、顯示控制及安全防范措施234.4 實例分析264.5 結(jié)束語27致 謝27汽車電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計緒 論1.1前言轉(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。汽車助力轉(zhuǎn)向依次經(jīng)歷了機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等階段，國際上已有一些大的汽車公司在探討開發(fā)的下一代線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在國外，各大汽車公司對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric power steering-EPS,或稱Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20多年的歷史。隨著近年來電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低，E
4、PS越來越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點，迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic powersteering,簡稱HPS）。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。1.2 EPS的特點1.EPS節(jié)能環(huán)保。由于發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個發(fā)動機燃油消耗量增加了35，而EPS以蓄電池為能源，以電機為動力元件，可獨立于發(fā)動機工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動機燃油。EPS不存在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油泄漏問題，EPS
5、通過電子控制，對環(huán)境幾乎沒有污染。2.EPS裝配方便。EPS的主要部件可以集成在一起，易于布置，與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲油罐等，元件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時間。3. EPS效率高。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率一般在60%70%，而EPS的效率較高，可高達90以上。4. EPS路感好。傳統(tǒng)純液壓動力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動力大，但卻不能實現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過EPS控制器的軟件加以補償，使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。5. EPS回正性好。EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不僅操作簡便
6、，還可以通過調(diào)整EPS控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。6、動力性：EPS系統(tǒng)可隨車速的高低主動分配轉(zhuǎn)向力，不直接消耗發(fā)動機功率，只在轉(zhuǎn)向時才起助力作用，保障發(fā)動機充足動力。(不像hps液壓系統(tǒng)，即使在不轉(zhuǎn)向時，油泵也一直運轉(zhuǎn)處于工作狀態(tài)，降低了使用壽命)1.3 EPS系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用狀況國外EPS的發(fā)展之路： 因為微型轎車上狹小的發(fā)動機艙空間給液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝帶來了很大的麻煩，而EPS元件比較少，重量輕，裝配方便，比較適合在微型轎車上安裝。因此在國外，EPS系統(tǒng)首先是在微型轎車上發(fā)展起來的。 上世紀80年代初期，日本鈴木公司首次在其Cervo轎車上安裝
7、了EPS系統(tǒng)，隨后還應(yīng)用在其Alto車上。此后，EPS在日本得到迅速發(fā)展。出于節(jié)能環(huán)保的考慮，歐、美等國的汽車公司也相繼對EPS進行了開發(fā)和研究。雖然比日本晚了10年時間，但是歐美國家的開發(fā)力度比較大，所選擇的產(chǎn)品類型也有所不同。日本起初選擇了技術(shù)相對成熟的有刷電機。 有刷電機比較成熟，在汽車上的應(yīng)用較廣，比如雨刷、車窗等部分，稍做改進就適應(yīng)了EPS的要求，因此研發(fā)周期較短，上世紀80年代末期就開始產(chǎn)業(yè)化，主要裝配在微型車上。而歐美則選擇了難度較大的無刷電機，但是電子控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，延長了研發(fā)周期。直到90年代中期歐美才開始批量生產(chǎn)。從長遠發(fā)展看，有刷電機存在一定弊端，比如電刷產(chǎn)生的噪聲較難
8、克服，磨損較嚴重，存在電磁干擾等問題。因此，日本現(xiàn)在國內(nèi)配裝的EPS也逐漸轉(zhuǎn)向無刷電機類了。 國內(nèi)EPS的發(fā)展現(xiàn)狀： 我國汽車電子行業(yè)的總體發(fā)展相對滯后，但是，隨著汽車對環(huán)保、節(jié)能和安全性要求的進一步提高，代表著現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向的EPS電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已被我國列為高新科技產(chǎn)業(yè)項目之一，國內(nèi)各大院校、科研機構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)紛紛開始對EPS這一領(lǐng)域進行了研究，使得EPS得到了迅速的發(fā)展。據(jù)悉，自主品牌研發(fā)的EPS系統(tǒng)離產(chǎn)業(yè)化就差整車廠批量裝車認可這一臺階了，相信很快就可以實現(xiàn)量產(chǎn)。二、 EPS的基本構(gòu)造和工作原理 2.1 EPS的結(jié)構(gòu)及工作原理 電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車上的結(jié)構(gòu)部件盡管不盡
9、一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)向）傳感器、電子控制單元ECU,電動機、電磁離合器以及減速機構(gòu)構(gòu)成，其機構(gòu)示意如圖1所示。 其基本工作原理是：當轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，扭矩傳感器將檢測到的轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)化為電信號送至電子控制單元ECU，ECU再根據(jù)扭矩信號、車速信號、軸重信號等進行計算，得出助力電動機的轉(zhuǎn)向和助力電流的大小，完成轉(zhuǎn)向助力控制，EPS系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。圖2 EPS系統(tǒng)控制框圖2.2 EPS的關(guān)鍵部件 2.2.1 扭矩傳感器扭矩傳感器用來檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向，它是EPS的控制信、號之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場的
10、關(guān)鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要是電位計式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型，而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式(如圖3所示)兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進行折中，難以實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強、剛度相對較高，易實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。圖3 磁電式扭矩傳感器2.2.2 電動機 電動機根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無刷永磁電動機，無刷永磁電機具有無激磁損耗、效率較高、
11、體積較小等特點。電機是EPS的關(guān)鍵部件之一，對EPS的性能有很大的影響。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，具有良好的動態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機具有線性的機械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗干擾能力強。2.2.3 電磁離合器電磁離合器是保證電動助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。當車速、電流超過限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時，離合器便自動切斷電動機的電源，恢復(fù)手動控制轉(zhuǎn)向。此外，在不助力的情況下，離合器還能消除電動機的慣性對轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不加轉(zhuǎn)向助力時駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時還具
12、有半離合器狀態(tài)區(qū)域。 2.2.4 減速機構(gòu)減速機構(gòu)用來增大電動機傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機構(gòu)(圖4)和蝸輪蝸桿減速機構(gòu)(圖5)。由于減速機構(gòu)對系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對稱性方面對其提出了較高的要求。 圖4 雙級行星減速機構(gòu) 圖5 蝸輪蝸桿減速機構(gòu)2.3 EPS的電流控制 EPS的上層控制器用來確定電動機的目標電流。根據(jù)EPAS的特點，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。 EPS的電流控制方式控制過程為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出Th和車速傳感器的輸出V由助力特性確定電動機的目標電流Imo，然后電流控制器控制電動
13、機的電流Im,使電動機輸出目標助力矩。因此EPS的控制要解決兩個問題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來根據(jù)基本助力特性及其補償調(diào)節(jié)，進行電動機目標電流的決策，下層控制器通過控制電動機電樞兩端的電壓，跟蹤目標電流。圖6 EPS的電流控制2.4 助力控制 助力控制是在轉(zhuǎn)向過程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速機構(gòu)把電機轉(zhuǎn)矩作用到機械轉(zhuǎn)向系（轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。 步驟如下： (1)輸入由車速傳感器測得的車速信號； (2)輸人由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測得的轉(zhuǎn)向盤力矩大小和方向； (3)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤力矩，由助力特性得到電
14、動機目標電流； (4)通過電動機電流控制器控制電動機輸出力矩。在這一基本控制過程中，助力特性曲線確定系統(tǒng)的控制目標，決定著EPS系統(tǒng)的性能。EPS的助力特性曲線屬于車速感應(yīng)型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸人下，電動機的目標電流隨車速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。2.5 回正控制 當汽車以一定速度行駛時，由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。隨著車速的提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，二者綜合作用使得回正性能提高。駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤將在回正力矩的作用下回正。在轉(zhuǎn)向盤回正過程中，有兩種情況需要考慮：（1
15、）回正力矩過大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào)；（2）回正力矩過小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。對前一種情況，可以利用電動機的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況需要對助力進行補償，以增加回正能力。 根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)。回正控制的內(nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂?，保持機械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉(zhuǎn)向回正時，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制。 2.6 阻尼控制 阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會有通常說的 “飄”的感覺，這給駕駛帶來很大的危險。為提高高速行駛時駕駛的穩(wěn)定性
16、，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進行阻尼控制，適當加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時手感的穩(wěn)重”。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時，只需將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機產(chǎn)生阻尼效果。三、EPS系統(tǒng)電機驅(qū)動電路的設(shè)計3.1微控制器的選擇MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機是基于16位HCS12CPU及0.5m制造工藝的
17、高速、高性能5.0VFLASH微控制器，是根據(jù)當前汽車的要求設(shè)計出來的一個系列l(wèi)。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較同類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計方案采用MC9S12DP256單片機，其主頻高達25MHz，同時片上還集成了許多標準模塊，包括2個異步串行通信口SCI，3個同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時器、2個10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個8通道脈寬調(diào)制模塊、49個獨立數(shù)字I/0口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個CAN模
18、塊以及一個內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256KB的FlashEEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。3.2硬件電路總體框架電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號處理電路、直流電機功率驅(qū)動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動機點火信號、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖8所示。3.3電機控制電路設(shè)計直流電動機是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實施對直流電動機的控制，由4個功率
19、MOSFET組成2，如圖9所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個InternationalReetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個臂。IRF3205具有8m導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30A）的要求。3.3.1 H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動電路設(shè)計上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動電路如圖10所示，其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFETa管或b管，vdble為倍壓電源
20、電路提供的電源電壓。當MOSFET的控制信號a（b）為高電平時，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止。當Qa導(dǎo)通時，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時，Qa的柵源極電壓降VGS=（Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓，其典型值為0.4V3，VF為D1的正向?qū)▔航?，其典型值?.34V4，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導(dǎo)通，降低器件的直流導(dǎo)通損耗，VGS不低于l0V5。因此需設(shè)計高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSF
21、ET的驅(qū)動要求。如果蓄電池電壓為12V時，Vdble12V0.34V0.4V10V=22.74V。當MOSFET的控制信號a（b）管為低電平時，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為24V，OV的柵源極電壓能夠使其關(guān)斷。3.3.2下側(cè)橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動電路下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動電路如圖11所示，其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當MOSFET的控制信號c（d）為高電平時，Q1導(dǎo)通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過
22、R3與C1組成的并聯(lián)電路、D及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。當MOSFET的控制信號c（d）低電平時，Q1截止，Q2導(dǎo)通，電源通過Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對Qc的柵極充電，直至Qc完全導(dǎo)通。當Qc導(dǎo)通時，其柵源極電壓等于電源電壓減去Q2的集射極飽和導(dǎo)通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷?。所以，Qc的柵源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF），當蓄電池電壓為12V，取各參數(shù)為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿足IRF3205的柵極驅(qū)動（10V）所需的電壓。3.4蓄電池倍壓工作電源由于上側(cè)橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V
23、，而蓄電池電壓只有12V。因此需要設(shè)計蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a、b功率管的驅(qū)動電路，保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導(dǎo)通。電源倍壓電路如圖12所示，NE555定時器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路。當NE555引腳3輸出高電平時，由于電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V，并通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍，
24、即供電電壓為12V時，輸出電壓低于24V，當供電電源為12V時，倍壓電源電壓約為22.9V，大于Vdb1（22.74V），可以滿足需要。3.5電機驅(qū)動電路臺架試驗根據(jù)電動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動轉(zhuǎn)向試驗臺上進行臺架模擬試驗，車速信號用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號代替網(wǎng)。圖13為中等車速轉(zhuǎn)向助力時，測量的方向盤轉(zhuǎn)矩（T）和助力電動機電流（I）變化曲線。從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)向過程中，助力電動機電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動機電流的變化趨勢和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢相吻合，表明電動機的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操
25、作時，無助力滯后感，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。3.6結(jié)論與展望MC9S12系列16位單片機片內(nèi)資源豐富，對于一般的簡單應(yīng)用，只需一片單片機加少量圍電路即可。開發(fā)的直流電機電路經(jīng)初步試驗，性能良好，可基本滿足電動助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要。文中只介紹電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基本框架，為獲取良好的控制效果，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據(jù)車速和扭矩這2個基本的信號進行電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制，轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。四、電
26、動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究4.1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
27、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。4.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷4.2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識根據(jù)EPS系統(tǒng)控制線路（如圖14），圖14 EPS系統(tǒng)控制線路圖本文對EPS系統(tǒng)各組成部件進行如下故障診斷。4.2.2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。其工作原理相當于一個電位計，如圖15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16所示，即當轉(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
28、上，正常工作范圍在1V4V，并且當轉(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17）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
29、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)。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有0.1V的偏差，因此我們規(guī)定其正常輸出電壓為50.2V。如果CPU檢測到電源電壓異常，此時就跳過對轉(zhuǎn)矩傳感器信號的檢測，這樣可以避免對轉(zhuǎn)矩傳感器本身故障的誤判。通過信號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17
30、 主、副扭矩信號采集4.2.3電機故障自診斷轉(zhuǎn)向助力大小是通過控制電機電流來實現(xiàn)，因此檢測電機兩端的實際控制電流就顯得非常重要。電機電流采集電路（如圖18），通過測量串聯(lián)在驅(qū)動回路中的精密電阻R62兩端的電壓，經(jīng)過信號放大和適當?shù)碾娙轂V波，然后通過ADC2端口反饋給CPU，此時程序設(shè)計將此電壓與理論計算電壓進行比較，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，就判斷電機及其線路有故障，以防止電機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7m，這樣和電動機電樞電阻168m相比要小的多，因此基本不影響系統(tǒng)工作。通過上述信號比較可以診斷如下電機故障：電機的控制電流過
31、高，使電機出現(xiàn)過載而燒壞CPU計算的電機控制電流與實際檢測的控制電流相差太大控制單元有控制電流傳遞給電機，但電機仍不能起動圖18 電機電流采集4.2.4車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號故障自診斷車速信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號都是數(shù)字信號，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的定時器/計數(shù)器端口，然后通過計數(shù)器對波形的一定時間內(nèi)的計數(shù)即可采集車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。如車速整形電路（如圖19），車速信號通過一定的濾波和比較器比較，然后直接送給CPU的計數(shù)器T0。通過上述信號的采集，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)動機起動后立即升到4000r/min或更高時，行車中持續(xù)
32、60秒沒有車速信號輸入CPU 發(fā)動機在2500 r/min或更高速狀態(tài)下運轉(zhuǎn)時，行車中持續(xù)60秒沒有車速信號輸入CPU 發(fā)動機機起動后，無發(fā)動機速度信號輸入CPU圖19 車速整形電路4.2.5電磁離合器故障自診斷電磁離合器連接了助力電機和轉(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，其狀態(tài)信號要及時反饋給CPU。電磁離合器狀態(tài)信號采集電路如圖20所示：當離合器處于接合狀態(tài)時， 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20 電磁離合器狀態(tài)信號采集4.2.6控制單元電源線路故障自診斷如圖14所示：當點火開關(guān)閉合時，蓄電池電壓
33、將通過ADC4端口送給CPU，因此當ADC4 端檢測的電壓信號低于10V，程序設(shè)計就可以控制故障燈顯示蓄電池電壓太低。4.2.7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)、容錯技術(shù)和設(shè)置軟件陷阱等處理程序運行時的“跑飛”和 “死循環(huán)”等問題。4.3故障代碼顯示控制及安全防范措施當系統(tǒng)檢測到各組成部件出現(xiàn)上述異常之一，且持續(xù)時間超過相應(yīng)的規(guī)定值，程序設(shè)計就通過對P0.5端口間斷的置0或1，故障顯示控制電路（如圖21）就控制發(fā)光二極管（故障燈）閃爍，其中閃爍的次數(shù)和
34、延續(xù)的時間（各種故障代碼）通過計數(shù)指針和延時子程序?qū)崿F(xiàn)。如主扭矩信號出現(xiàn)異常，指示燈將顯示故障代碼號DTC11，如圖22所示，亮1.5S，暗2S；再亮0.5S，暗3S，往復(fù)進行，直至故障排除，稱“一長一短”。 故障顯示的同時，程序設(shè)計也對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23）和繼電器控制電路（如圖24）使得電磁離合器和繼電器同時被切斷，以確保電機助力完全被切斷，從而確保行車安全。圖25轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷流程34 4.4實例分析轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷流程如圖25所示：首先初始化時間延時計數(shù)指針、異常狀態(tài)標志和各規(guī)定界限值（如表1），然后使主、副扭信號電壓及其差分別與各
35、自的界限值進行比較，如果超過界限值并持續(xù)時間超過30ms，那么將異常狀態(tài)標志置1，記錄異常情況并控制故障燈顯示相應(yīng)的故障代碼，同時分別對P0.4和P0.1置1和0，以切斷電磁離合器和繼電器，從而切斷電機助力。表1 參數(shù)初始化4.5結(jié)束語從上述的理論和實例分析看出：本文提出的EPS系統(tǒng)各信號間和信號與規(guī)定界限值間進行比較的故障診斷方法具有明顯的簡單、可行、容易與主控制程序協(xié)調(diào)設(shè)計和調(diào)試等特點。而且在試驗臺上我們通過人為設(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（Column Drive
36、）的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）上研究的，但是其故障辨識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)計思想同樣也適用于小齒輪驅(qū)動（Pinion Drive）、齒條驅(qū)動（Rack drive）的EPS和其它的電控系統(tǒng)致 謝本文是在邱小龍老師細心指導(dǎo)下完成的，對邱老師在學(xué)業(yè)上給予的指導(dǎo)培養(yǎng)和關(guān)懷致以崇高的敬意和由衷的感謝。我在設(shè)計過程中出現(xiàn)了很多的錯誤，也給老師帶來了很多的麻煩，但老師一直很細心的幫我指正出來，感謝邱老師的細心指導(dǎo)以及這段時間來對我的教育。在此，我還要感謝一直關(guān)注著我學(xué)習以及一直教育我的每一位任課老師，使我能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計。 同時，在畢業(yè)設(shè)計期間，很多的同學(xué)都給了我很大的支
37、持幫助。在此我對他們一并表示感謝！由于本人能力有限，文中還有很多不妥之處，希望大家能給予批評和指正。謝謝大家！汽車系畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書班級： 05*（1）班 姓名： * 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 汽車電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計 一、 畢業(yè)設(shè)計（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計技術(shù)要求 汽車零件制造工藝的設(shè)計是汽車專業(yè)學(xué)生把理論與實踐相結(jié)合，提高工作能力的重要一環(huán)，要求根據(jù)產(chǎn)品圖解編制合理的工藝過程，工藝設(shè)計合理，能滿足產(chǎn)品的各項技術(shù)要求，說明書敘述準確，文字流暢，具有一定的運用價值。 二、 進度計劃： 序號畢業(yè)設(shè)計階段性工作及成果 時間安排 123完成開題報告到網(wǎng)上或圖書館查閱相關(guān)資料完成制
38、圖及說明書的書寫12周 35周 68周三、 主要參考資料： 1.汽車計算機控制 北京:電子工業(yè)出版社 司利增主編 2.汽車計算機與控制系統(tǒng) 北京:人民交通出版社 劉日正主編 3.汽車電子學(xué) 北京:清華大學(xué)出版社 王紹光主編 4.汽車構(gòu)造 人民交通出版社 陳家瑞主編 日期：自 200*年 * 月 * 日至 200* 年 * 月 * 日指導(dǎo)教師： 汽車系主任： 附注：任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計說明書首頁*汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計評定系： 汽車工程系 專業(yè)： 汽車運用工程 班級： 05*（1） 姓名： * 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 汽車電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計 主要內(nèi)容： 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。 1、EPS的基本構(gòu)造和工作原理 2、EPS系統(tǒng)電機驅(qū)動電路的設(shè)計 3、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究 指導(dǎo)老師評語： 成績評定： 簽名： 答辯委員會評語： 答辯委員會主任： 成績評定： 年 月 日
汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計
