汽車電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計論文

1 目 錄 一、 緒論 1.1 前言 1 1.2 EPS 的特點(diǎn) 2 1.3 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 4 2.2 EPS 的關(guān)鍵部件 5 2.2.1 扭矩傳感器 5 2.2.2 電動機(jī) 6 2.2.3 電磁離合器 6 2.2.4 減速機(jī)構(gòu) 7 2.3 EPS 的電流控制 7 2.4 助力控制 8 2.5 回正控制 9 2.6 阻尼控制 9 三、 EPS 系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計 3.1 微控制器的選擇 10 3.2 硬件電路總體框架 10 3.3 電機(jī)控制電路設(shè)計 11 3.3.1 H 橋上側(cè)橋 MOSFET 功率管驅(qū)動電路設(shè)計 12 3.3.2 H 橋下側(cè)橋 MOSFET 功率管驅(qū)動電路設(shè)計 13 3.4 蓄電池倍壓電源 14 3.5 電機(jī)驅(qū)動電路臺架試驗(yàn) 15 3.6 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 17 4.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷 17 4.2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識 17 4.2.2 轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷 18 4.2.3 電機(jī)故障自診斷 20 4.2.4 車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號故障自診斷 21 4.2.5 電磁 離合器故障自診斷 22 4.2.6 控制單元電源線路故障自診斷 22 4.2.7 控制單元故障自診斷 23 4.3 故障代碼顯示控制及安全防范措施 23 4.4 實(shí)例分析 26 4.5 結(jié)束語 27 致 謝 27 2 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(jī)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， EPS 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(diǎn)，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(shí)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(jī)電一體化的要求等優(yōu)點(diǎn)，正迎合了時代的要求。 1.2 EPS 的特點(diǎn) 1.EPS 節(jié)能環(huán)保。 由于發(fā)動機(jī)運(yùn)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(jī)燃 油消耗量增加了 3 5，而 EPS 以蓄電池為能源，以電機(jī)為動力元件，可獨(dú)立于 發(fā)動機(jī)工作， EPS 幾乎不直接消耗發(fā)動機(jī)燃 油。 EPS 不存在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油 泄漏問題， EPS 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(dá) 90以上。 4. EPS 路感好。 3 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(shí)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(bǔ)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，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(jī)功率，只在轉(zhuǎn)向時才起助力作用，保障發(fā)動機(jī)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(yùn)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?yàn)槲⑿娃I車上狹小的 發(fā)動機(jī) 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(jì) 80 年代初期，日本鈴木公司首次在其 Cervo 轎車上安裝了 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(jìn)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(jī)。 有刷電機(jī)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(jìn)就 適應(yīng)了 EPS 的要求，因此研發(fā)周期較短，上世紀(jì) 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(jī)，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(yuǎn)發(fā)展看，有刷電機(jī) 存在一定弊端，比如電刷產(chǎn) 生的噪聲較難克服，磨損較嚴(yán)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(jī)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 4 的進(jìn)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(xiàng)目之一，國內(nèi)各大院校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)紛紛開始對EPS 這一領(lǐng)域進(jìn) 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(rèn)可這一臺階了，相信很快就可以實(shí)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(jī)、電磁離合器以及減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其機(jī)構(gòu)示意如圖 1所示。 其基本工作原理是：當(dāng)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(jìn)行計算，得出助力電動機(jī)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。 5 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(jìn)行折中，難以實(shí)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(qiáng)、剛度相對較高，易實(shí)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。 6 圖 3 磁電式扭矩傳感器 2.2.2 電動機(jī) 電動機(jī)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(jī)，無刷永磁電機(jī)具有無激磁損耗、效率較高、體 積較小等特點(diǎn)。電機(jī)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(jī)具有線性的機(jī)械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機(jī)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(qiáng)。 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(dāng)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(jī)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(jī)的慣性對轉(zhuǎn) 向的影響。為了減少與 7 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，同時還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。 2.2.4 減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu)用來增大電動機(jī)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(jī)構(gòu) (圖 4)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu) (圖 5)。由于減速機(jī)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(jī)構(gòu) 圖 5 蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu) 2.3 EPS 的電流控 制 EPS 的上層控制器用來確定電動機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù) EPAS 的特點(diǎn)，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(jī)的目標(biāo)電流 Imo，然后電流控制器控制電動機(jī)的電流 Im,使電動機(jī)輸出目標(biāo)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(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)行電動機(jī)目標(biāo)電流的決策，下層控制器通過控制電動 機(jī)電樞兩端的電壓，跟蹤目標(biāo)電流。 8 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(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)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，由助力特性得到電動機(jī)目標(biāo)電流； (4)通過電動機(jī)電流控制器控制電動機(jī)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(biāo)，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(jī)的目標(biāo)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。 9 2.5 回正控制 當(dāng)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）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(jī)的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況需要對助力進(jìn)行補(bǔ)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(jī)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，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行阻尼控制，適當(dāng)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(jī)的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的 10 慣性比機(jī)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(jī)輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機(jī)產(chǎn)生阻尼效果。 三、 EPS 系統(tǒng)電機(jī)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(jī)是基于 16位 HCS12 CPU 及 0.5m 制造工藝的高速、高性能 5.0V FLASH 微控制器，是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計出來的一個系列 l。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(jī)低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，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(jī)，其主頻高達(dá) 25 MHz，同時片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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 模塊以及一個內(nèi)部 IC 總線模塊；片內(nèi)擁有 256 KB 的 Flash EEPROM， 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(jī)功率驅(qū)動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感 11 器、扭矩傳感器、發(fā)動機(jī)點(diǎn)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(jī)控制電路設(shè)計 直流電動機(jī)是 EPS 系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機(jī)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(shí)施對直流電動機(jī)的控制，由 4個功率 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International Reetifier 公司生產(chǎn)的 IRF3205 型 MOSFET 功率管組成 H橋路的 4個臂。 IRF3205 具有 8 m 導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達(dá) 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 30 A）的要求。 12 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MOSFET a 管或 b 管， vdble 為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng) 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(dāng) 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?0.34V4， 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 MOSFET 的驅(qū)動要求。如果蓄電池電壓為12V 時， Vdble12V 0.34V 0.4V 10V=22.74V。 13 當(dāng) 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 2 4V， 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(dāng) 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 R3 與 C1組成的并聯(lián)電路、 D及 Q1 迅速釋放， Qc/Qd 關(guān)斷。 14 當(dāng) 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(dāng) 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(dāng)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，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(dāng) 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(fù)載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的 2 倍，即供電電壓為 12V 時，輸出電壓低于 24V，當(dāng)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。 15 3.5 電機(jī)驅(qū)動電路臺架試驗(yàn) 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(yàn)臺上進(jìn)行臺架模擬試驗(yàn)，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(jī)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(jī)電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動機(jī)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(jī)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。 16 3.6 結(jié)論與展望 MC9S12 系列 16 位單片機(jī)片內(nèi)資源豐富，對于一般的簡單應(yīng)用，只需一片單片機(jī)加少量圍電路即可。開發(fā)的直流電機(jī)電路經(jīng)初步試驗(yàn)，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(jìn)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。 17 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 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(dāng) 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）， 18 圖 14 EPS 系統(tǒng)控制線路圖 19 本文對 EPS 系統(tǒng)各組成部件進(jìn)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(dāng)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(dāng)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，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(shí)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(dāng)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 20 輸出電壓為 5 0.2V。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 主、副扭矩信號采集 4.2.3 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 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(dāng)?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(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 7m，這樣和電動機(jī)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(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 計算的電機(jī)控制電流與實(shí)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(jī)，但電機(jī)仍不能起動 21 圖 18 電機(jī)電流采集 4.2.4 車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號故障自診斷 車速信號和發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)起動后立即升到 4000r/min 或更高時，行車中持續(xù) 60 秒沒有車速信號輸入 CPU 發(fā)動機(jī)在 2500 r/min 或更高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時，行車中持續(xù) 60 秒沒有車速信號輸入 CPU 發(fā)動機(jī)機(jī)起動后，無發(fā)動機(jī)速度信號輸入 CPU 22 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(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，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(dāng)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(dāng)點(diǎn)火開關(guān)閉合時，蓄電池電壓將通過 ADC4 端口送給 CPU，因此當(dāng) 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。 23 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(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)、容錯技術(shù)和設(shè)置軟件陷阱等 處理程序運(yùn)行