电动助力转向系统故障自诊断的研究

摘　要：本文在介绍电子控制系统故障自诊断的基本原理基础上，提出了一套基于转向柱式电动助力转向系统（EPS）的故障诊断方法，并建立了相应的故障自诊断系统，包括系统各组成部件的故障辨识和信号采集、故障代码的显示控制以及相应的安全防范措施，并通过对其转矩传感器故障自诊断的程序设计和实例分析验证了该故障自诊断思路的可行性。

关键词： EPS、故障辨识、信号采集、故障自诊断、安全防范
 
0引 言

　　转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性和行驶安全性。实践证明电动助力转向系统(EPS)具有节能、成本低和便于控制，易于装车，提高操纵稳定性和轻便性以及符合机电一体化的要求等优点，正迎合了时代的要求。自从1988年EPS在日本商业化[1][2]以来，相继得到了国外各大汽车企业的大力开发和广泛应用，不仅用于微型汽车和小型汽车，还广泛应用于轻型汽车及普通型轿车上。国内近几年也得到了相当的重视，也有一些车辆（如昌河北斗星轿车）安装了进口EPS，但还没有自主知识产权的EPS进入市场，从几家研发的产品看出，这其中的因素有很多，特别是车辆在行驶中系统的故障在线监测、故障自诊断和安全防范，以及EPS装车后的行车安全性等方面还不能很好的得到保证。

　　电动助力转向系统通常由转矩传感器、车速传感器、控制单元、电动机、电磁离合器和减速机构等组成（如图1）。其基本工作原理：转矩传感器测得的方向盘转矩信号和车速信号一同送给控制单元，经控制单元处理和计算以决定电动机助力电流的大小，然后通过电磁离合器和减速机构实现转向助力。

1故障自诊断的基本原理

　　故障自诊断系统的作用是监测、诊断电子控制系统各传感器、执行器以及电子控制器（ECU）的工作是否正常。当ECU中某一电路超出规定范围的信号时，自诊断系统就判定该电路及相关的传感器或执行器发生故障，并控制故障指示灯闪烁，目前常用的故障代码指示有二种：一是以闪烁次数和时间长短表示不同故障，如三菱、现代、克莱斯勒、宝马等；二是不同颜色的几盏灯（一般为红、绿灯）闪烁表示不同故障，如本田、日产等。同时将故障信息以故障代码的形式存储到ECU内部的存储器中，然后ECU控制系统采取相应的安全防范措施。故障信息一旦被存储，即使故障已经排除且故障指示灯熄灭，仍将储存在存储器中。

　　消除故障码的方法有二：一是将保险丝盒中的保险丝拔下10S以上；二是将蓄电池搭铁线拆下10S以上。

2电动助力转向系统故障自诊断

2.1 系统各组成部件的故障辨识[4]

　　根据EPS系统控制线路，本文对EPS系统各组成部件进行如下故障诊断。

2.2.1转矩传感器故障自诊断

　　我们开发的电动助力转向系统应用的是摆臂式的转矩传感器。其工作原理相当于一个电位计，如图3所示，它具有双回路输出，即主扭矩（对应IN+端电压值）、副扭矩（对应IN-端电压值）输出，其主、副扭矩输出特性如图4所示，即当转矩传感器正常工作时，电位计的两个输出即主扭和副扭信号，理论上，正常工作范围在1V～4V，并且当转向盘处于中间位置时，转矩传感器的主扭和副扭的输出电压均为2.5V。一旦其本身及信号采集电路（如图5）出现异常，输入CPU（我们选用P87C591芯片为核心的8位微控制器[3]，其本身自带有A/D转换器）的主、副扭矩信号将大于4V或小于1V或两信号之差超过3V。但实际车辆行驶中，虽然硬件和软件设计中考虑了各种抗干扰措施，各种偶尔的噪声或振动还是或多或少的会引起转矩信号的暂时偏差，而这种偏离是暂时的且系统能自动修复，故将转矩信号的异常界限值设为0.9V -4.1V，并且只有当信号值超出其范围持续一定时间（如30ms），才判定转矩传感器有故障，这样可以减少因其它外界原因而引起对转矩传感器故障的误判。

　　此外，转矩传感器的信号检测是建立在+5V的稳压电源基础上的，因此稳压电源电路的正常与否将直接影响到主、副扭矩信号。因此在检测转矩传感器主、副扭矩信号异常之前，首先判断转矩传感器电源电压是否在规定范围内。考虑到三端稳压集成块MC78T05在环境温度影响下其输出电压会有