汽车电动助力转向系统的技术分析

1 前言 

    汽车助力转向依次经历了机械式转向系统、液压式转向系统、电控液压式转向系统等阶段, 国际上已有一些大的汽车公司在探讨开发的下一代线控电动转向系统。在国外, 各大汽车公司对汽车电动助力转向系统( Electric power steering –EPS,或称ElectricAssisted Steering- EAS) 的研究有20 多年的历史。随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低,EPS 越来越受到人们的重视, 并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点, 迅速迈向了应用领域, 部分取代了传统液压动力转向系统( Hydraulic powersteering,简称HPS) 。

    2 EPS 技术的国内外发展概况

    自1953 年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来, HPS 给汽车带来了巨大的变化, 几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速, 出现了电控式液压助力转向系统( Electric Hydraulic Power Steering, 简称EHPS) 。

    1988 年2 月日本铃木公司首先在其Cervo 车上装备EPSTM, 随后又应用在Alto 汽车上; 1993 年本田汽车公司在爱克NSX 跑车上装备EPS 并取得了良好的市场效果; 1999 年奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS。上世纪九十年代初期, 日本铃木、本田、三菱、美国Delphi 汽车公司、德国ZF 等公司相继推出了自己的EPS。TRW公司继推出EHPS 后也迅速推出了技术上比较成熟的带传动EPS 和转向柱助力式EPSTM, 并装配在Ford Fiesta 和Mazda 323F 等车上, 此后EPS 技术得到了飞速的发展。在国外, EPS已进入批量生产阶段, 并成为汽车零部件高新技术产品, 而我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向, EPS 的研究开发处于起步阶段。

    3 EPS 系统结构及其工作原理

    3.1 EPS 的结构及工作原理

    电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样, 但是基本原理是一致的。它一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构构成, 其机构示意如图1所示。

    其基本工作原理是: 当转向轴转动时, 扭矩传感器将检测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元ECU, ECU 再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算, 得出助力电动机的转向和助力电流的大小, 完成转向助力控制, EPS 系统控制框图如图2 所示。

    3.2 EPS 的关键部件

    3.2.1 扭矩传感器

    扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向, 以及转向盘转角的大小和方向, 它是EPS 的控制信号之一。精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS 能否占领市场的关键因素。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式(主要是电位计式)传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型, 而非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式两种。前者的成本低, 但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低, 需要对制造精度和扭杆刚度进行折中, 难以实现绝对转角和角速度的测量。后者的体积小, 精度高, 抗干扰能力强、刚度相对较高,易实现绝对转角和角速度的测量, 但是成本较高。因此扭矩传感器类型的选取根据EPS 的性能要求综合考虑。

    3.2.2 电动机

    电动机根据ECU 的指令输出适宜的转矩, 一般采用无刷永磁电动机, 无刷永磁电机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等特点。电机是EPS 的关键部件之一, 对EPS 的性能有很大的影响。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩, 具有良好的动态特性并容易控制, 这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。此外还要求电机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。

    3.2.3 电磁离合器

    电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时, 离合器便自动切断电动机的电源, 恢复手动控制转向。此外, 在不助力的情况下,离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别, 离合器不仅具有滞后输出特性, 同时还具有半离合器状态区域。

    3.2.4 减速机构

    减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式: 双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影响较大, 因此在降低噪声, 提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。

    4 EPS 的电流控制

    EPS 的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPAS 的特点, 上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。

    EPS 的电流控制方式控制过程为: 控制器根据转向盘转矩传感器的输出Th 和车速传感器的输出V由助力特性确定电动机的目标电流ImO, 然后电流控制器控制电动机的电流Im, 使电动机输出目标助力矩。因此EPS 的控制要解决两个问题:( 1) 确定助力特性;( 2) 跟踪该助力特性。整个控制器可分为上、下两层,上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节, 进行电动机目标电流的决策,下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压, 跟踪目标电流。

    4.1 助力控制

    助力控制是在转向过程(转向角增大)中为减轻转向盘的操纵力, 通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系(转向轴、齿轮、齿条)上的一种基本控制模式。

    步骤如下:(1) 输入由车速传感器测得的车速信号;(2) 输入由转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向;(3) 根据车速和转向盘力矩,由助力特性得到电动机目标电流;(4) 通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。在这一基本控制过程中, 助力特性曲线确定系统的控制目标,决定着EPS 系统的性能。EPS 的助力特性曲线属于车速感应型, 在同一转向盘力矩输入下,电动机的目标电流随车速的增加而降低, 能较好地兼顾轻便性与路感的要求。

    4.2 回正控制

    当汽车以一定速度行驶时, 由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在, 使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高,回正转矩增大,而轮胎与地面的侧向附着系数却减小, 二者综合作用使得回正性能提高。驾驶员松开转向盘后, 随着作用在转向盘上的力的减小, 转向盘将在回正力矩的作用下回正。在转向盘回正过程中, 有两种情况需要考虑:( 1) 回正力矩过大, 引起转向盘位置超调;( 2) 回正力矩过小, 转向盘不能回到中间位置。对前一种情况,可以利用电动机的阻尼来防止出现超调。后一种情况需要对助力进行补偿, 以增加回正能力。

    根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的内容有: 低速行驶转向回正过程中, EPS 系统H 桥实行断路控制, 保持机械系统原有的回正特性; 高速行驶转向回正时, 为防止回正超调, 采用阻尼控制。

    4.3 阻尼控制

    阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性提出的。汽车高速直线行驶时,如果转向过于灵敏、“ 轻便”, 驾驶员就会有通常说的“ 飘”的感觉,这给驾驶带来很大的危险。为提高高速行驶时驾驶的稳定性, 提出在死区范围内进行阻尼控制,适当加重转向盘的阻力,最终体现在高速行驶时手感的“ 稳重”。汽车高速行驶时,由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大, 传到方向盘的力矩比低速行驶时要大,为了抑制这种横摆振动,必须采用阻尼控制; 此外,转向盘转向后回到中间位置时,由于电动机的惯性存在,在不加其他控制情况下,助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大,转向回正时不容易收敛,此时,也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时,只需将电动机输出为制动状态,就可使电动机产生阻尼效果。

5 EPS 的特点

    与传统液压动力转向(HPS) 相比EPS 具有以下特点:

    ( 1) EPS 能在各种行驶工况下提供最佳力, 减小路面不平度所引起的对转向系的扰动, 改善了汽车的转向特性。

    ( 2) EPS 只在转向时电动机才提供助力, 相比液压动力转向系统可节约燃油3%～5%, 因而燃油经济性有了很大的提高。

    ( 3) EPS 取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等, 其零件比传统液压动力转向系大大减少, 因而质量更轻, 结构更紧凑, 在安装位置选择方面也更为方便, 并且可以降低噪声。

    ( 4) HPS 的参数一经确定, 转向系统的性能也随之确定, 很难改正, 而EPS 可以通过改变和设置不同的程序, 改变转向特性, 装配自动化程度更高,能与不同的车型匹配, 缩短生产和开发时间, 提高了效率。

    ( 5) 由于EPS 不存在渗漏问题, 因而减少了对环境的污染。

    ( 6) HPS 在低温下启动发动机之后, 由于低温下油的粘度较大, 使转向作用力较高, 而EPS 在低温下不会增加转向作用力和发动机的负荷, 因而其低温运行状况好于HPS。

    6 EPS 的关键技术及发展趋势

    EPS 系统在操作轻便、节能等方面显示了优越性, 性能已经得到人们的普遍认可, 但是仍有一些问题需要解决:( 1) 电动机的性能及其与EPS 系统的匹配是影响控制系统性能、转向操纵力、转向路感等问题的主要因素, 因此改善电动机的性能及其与整个EPS系统的匹配是关键问题;( 2) 助力特性的好坏取决于转向的轻便性和路感。但是目前国内对于路感问题还没有成熟的理论研究结果, 研究手段还主要以试验为主, 因此需要确定合理的助力特性;( 3) EPS 除了应有良好的硬件保证外, 还需要良好的软件控制做支撑, EPS 的安装一般在发动机附近, 不可避免地会有热辐射与电磁干扰的影响, 因此对EPS 的控制策略提出了很高的要求。

    EPS 当前已经较多应用在排量在1. 3–1. 6L的各类轻型轿车上, 其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V 电源在汽车组件上的应用, 其应用范围将进一步扩宽, 并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。目前, 在全世界汽车行业中, EPS 系统每年正以9﹪- 10﹪的增长速度发展,年增长量达130 万- 150 万套。据TRW公司预测,到2010 年全世界生产的轿车中每3 辆就有1 辆装备EPS, 到2010 年, 全球EPS 产量将达到2500 万套。因此, EPS 将具有十分广阔的发展和应用前景。

基于模糊PD控制的电动助力转向系统建模及仿真分析 

电动助力转向系统其本身是一个比较复杂的非线性随动系统，这就决定了获取系统精确的数学模型的有很大困难。另外系统本身受到诸如车速、扭矩测量装置精度与灵敏度、路况等因素产生的系统扰动等变数的影响，事实上对系统对精确度要求不是非常高，而对系统的实时性要求比较高。而糊控制器不依赖系统的精确数学模型，对系统参数变化不很敏感，具有很强的鲁棒性和控制稳定性。很适合汽车这一类快速动态统。 

    针对转向系统的“轻”与“灵”的矛盾（车转向系统的转向轻便性与路感相互制约的现象）提出一种能获得理想助力特性的策略，并根据此策略确定了一种双模糊表的模糊自调整PD控制器。很好地解决了“轻”与“灵”的矛盾，并在提高轻便性的同时保证驾驶员可以获得充分的路感。

    1 电动助力转向的工作原理

    驾驶员根据路感操纵方向盘时，扭矩传感器将检测输入扭矩的大小和方向信号传给控制器，控制器根据扭矩传感器信号确定助力扭矩的大小和方向,即通过调整直流电动机的电枢电压控制电枢电流，从而调整转向助力的大小和方向。同时控制器还根据不同车速调整助力大小。车速越低助力越大，车速越大助力越小。当车速大于一定值时，取消助力，将直流电动机反接制动，使汽车高速行驶时方向感沉稳，行驶安全。

    2 电动助力转向的数学模

    2.1 汽车2自由度转向模型

    将汽车简化为一个具有侧向和横摆运动的2自由度的汽车模型，当其侧偏角很小（小于5°）时，其运动微分方程。

    2.2  EPS的模型

    EPS的控制目标是改善汽车操纵的轻便和转向的灵活性，评价汽车转向系统的轻便性可以从方向盘操纵力和方向盘把持力两个不同的角度来考虑，本文从方向盘操纵力角度研究转向系统的轻便性。本文选取汽车横摆速度ωr评价转向的灵活性。

    2.2.1 转向系统动力学方程

    为分析问题方便，把前轮和转向机构向轴简化。从电动机到转向轴的传动比为N1，而从转向轴到前轮的传动比为N2，故有：

    输人变量：U=[Th u]

    系统的状态方程：X=AX+BU（9）

    系统的输出方程：Y=CX+DU（10）

    由于EPS的控制目标是改善汽车操纵的轻便和转向的灵活性，所以选取汽车横摆速度ωr和传感器测量Tsw,其中（Tsw= Ks(θh- δ1，)作为输出：

3.1 模糊控制原理

针对EPS设计了一种模糊自调整控制方案，具体方案如图2所示。它由一个模糊自调整机构和一个PD控制器组成，模糊自调整机构根据输入信号（即传感器测得扭矩 的大小、方向以及变化的趋势等特征）决定使用两个模糊表中的哪个，根据这一模糊表进行模糊推理作出相应决策，在线整定PD参数Kp,Kd，在线调整PD参数Kp、Kd，以期获得满意的控制效果。  

在常规的模糊控制控制器中，量化因子 和比例因子Ku是固定的。考虑在实际电动助力转向系统中，当参数发生变化或受到随机干扰影响时，常规模糊控制器将无法适应控制环境的变化，为保证有较好的转向灵敏性和操纵稳定性，采用参数自整定模糊控制器，即在常规模糊控制器的基础上选择适当的调整算法在线整定 ，以使系统性能达到预定要求。

模糊PD控制器可根据切向力矩Tsw和其变化率 决定电机输人端的电压大小，其关系式对于模糊控制器来说，定义A为方向盘切向力矩Tsw规范化后的变量,B为切向力矩变化率 规范化后的变量，模糊集为｛NB,NM,NS,Z0,PS，PM,PB｝；Tsw的论域为｛-30，30｝； 的论域为｛-20,20｝；膜糊推理结果u的论域为{-5,5}.其隶属函数为三角形隶属函数本文设计了两个模糊控制表1针对提高转向系统轻便性，表2针对提高转向系统的路感。

    此外，在该控制系统中，采用一个修正因子函数a(t)来自动调整PD控制器参数Kp、Kd，用以改善系统性能。实际计算时，根据当前的变量值A和B，结合实际受控过程产生另一个模糊变量H(它是反映a (t)在动态过程中应具有的变化趋势的模糊决策)，然后H经非模糊化处理得h(t)1其在线调整按式（11）进行：

    综上所述，模糊自调整机构可根据输人信号，即传感器测得扭矩Tsw和其变化率Tsw的大小、方向及变化趋势等特征，经规范化和模糊化后，由模糊规则表进行模糊推理，做出相应决策，在线整定PD参数Kp、Kd,以期获得满意的控制效果。

    4 仿真及结果分析

    4.1 仿真模型

    系统仿真框图如图3所示：

    电动助力主要参数：   

    4.2 仿真结果分析：

    对EPS系统，假设汽车在水平路面上匀速行驶，车速u=1 Okm/，转向盘上作用4N.m的阶跃转矩的响应曲线。根据上述仿真模型在Simulink环境下进行了仿真，其仿真结果如图4、图5、图6所示。

    图4中所示为汽车切向力的对比，采用EPS系统后，系统的切向力下降，说明轻便性很好。采用模糊PD控制过渡时间和超调量明显减小。图5所示为汽车横摆角速度的对比，采用模糊自调整控制后，汽车横摆角速度有所增加且达到稳定时间缩短，提高了汽车操作稳定性和灵敏度。图6所示随机信号干扰效果比较。其结果表明，模糊自调整PD控制比单独的PD控制有更好的抗干扰能力。

    5 结论

    显然，PD控制助力系统的输出响应要比无助力系统平稳模糊自调整PD控制助力系统的输出响应最为平稳，抗干扰能力较强。其仿真结果表明，这种模糊自调整PD控制器具有较好的控制效果和鲁棒性，抗干扰能力显著提高。通过对控制器中系数Kp和Kd的在线调整，这种模糊自调整PD控制器，较好地解决了转向系统中的轻便与灵敏的矛盾，协调了汽车操纵轻便性和驾驶员能获得充分路感的关系。

汽车电动助力转向系统控制器研究 

汽车电动助力转向系统（electric power steer-ing；简称EPS系统）是集节能、环保、安全为一体的前沿技术，可在不更换硬件的前提下，通过对控制器软件的设计，十分方便地调节系统的助力特性，能使汽车在不同路况下获得不同的助力特性，以提高驾驶员转向时的路感，来满足不同驾驶员的需要。  

一．系统的结构及其工作原理

图1所示为常见的齿轮——齿条式电动助力转向系统的模型，其基本组成包括扭矩传感器、车速传感器、电控单元（ECU）、电动机和减速机构等。扭矩传感器的一端和方向盘相连，另一端和电动机的减速机构相连；减速机构的下端连接着转向小齿轮。

当系统工作时，ECU根据各传感器的输入信号确定目标助力扭矩，并且直接控制驱动器去驱动电机。电机的输出扭矩由减速齿轮放大，然后把输出扭矩送到转向柱，使之向转向系统提供助力矩，驱使转向小齿轮的旋转。转向小齿轮的旋转运动通过转向齿条和转向横拉杆传给转向节，最后使车轮偏转一个角度，从而控制汽车的转向运动。

二．控制原理[1]

控制电路如图2所示

ECU根据车速传感器和扭矩传感器输出信号，计算出电动机的目标驱动电流，利用电动机的驱动电路驱动电动机，电动机的电源经继电器、电动机的驱动电路供电。在电动机的驱动电路与电动机之间设有电流传感器，万一发生重大事故时，断开继电器，保护电路。扭矩传感器和车速传感器信号经过各输入电路，再经ECU处理之后，输出到各驱动电路，利用这些已处理过和信息，通过各驱动电路驱动电动FET桥式电路。通过电动机的电流实际上是由电流传感器测出来的，通过控制算法使其接近目标电流值。外部信号是汽车其他部件的工作状态的有关信息，监视电路是检测控制器的工作状态。

三．电动助力转向系统的控制器

（一）芯片介绍C27

P87LPC768CPU+[3]是Philips推出的MCS-51兼容单片机，集成了看门狗、SPI接口、TIC总线、8位D/A与8位A/D转换器，4通道10位的PWM（脉宽调制器）等功能。

（二）控制器算法

电动助力转向系统采用永磁直流电动机，电机端电压U与电感L、电枢电阻R、反电动势常数K-b、转速n-m、电流I和时间t的关系为

当电机电流稳定时，（1）式可表示为

    U = RI+K-bn-m（2）

    对于永磁直流电机，电机扭矩几与电枢电流成正比，因此，式（1）可变成：

    U=K-aT-m+K-bn-m （3）

由式（3）可以看出，电机的转矩控制有电枢电压控制和电枢电流控制两种方法。电压控制为开环控制，比较简单，但是控制精度不高。电流控制为闭环控制，由电流传感器实测的电枢电流信号构成反馈通道，其优点是控制精度高，抗干扰能力强。本系统采用位置式PID算法[4]的电流控制方法控制电机转矩，将电机助力控制算法确定的电机目标转矩直接转换成电机目标电流，与电流传感器测得的电机实际电流构成闭环，通过PID算法获得控制驱动电路的PWM斩波信号。由于电机电流变化的时间常数明显小于电机转速变化的时间常数，从EPS控制系统实现PID算法基本功能的角度出发，可忽略电机转速对PID控制效果的影响。

微控制器实现PID调节规律采用离散系统的差分方程来表示。位置式PID控制算法表达式为： 

Un = U-n-1＋K-p（e-n-e-n-1）＋K-Ie-n＋K-D（e-n-2e-n-1 +e-n-2）

式中U-n为控制量，即PWM斩波信号；e-n为电动机目标电流与世纪电流的差值；K-P、K-I、K-D分别为电动机控制的比例系数、积分系数、微分系数。

（三）控制器算法流程

图3为EPS控制系统控制算法的主程序流程，主程序主要完成状态参数初始化，信号采集（转向盘转矩信号、车速信号和电机电流信号）、查明确定电机目标电流和通过PID算法得到控制电机的PWM斩波信号等功能。图4则进一步描述了电机转矩闭环控制PID子程序的流程[4]。

（四）控制器的控制策略

控制器的控制策略有PD控制、PID控制、模糊控制等。图5所示为PID控制器，图6所示为模糊控制器的控制，图7所示为两种控制器的控制效果比较。

可以看出，模糊控制器比PID控制器的输出响应平稳，抗干扰能力较强，能够明显减轻驾驶操纵力，加快汽车的响应速度，提高汽车转向的轻便性和灵敏性。

电动助力转向系统故障自诊断的研究

一、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。

二、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。

三、电动助力转向系统故障自诊断

1 系统各组成部件的故障辨识

根据EPS系统控制线路（如图2），本文对EPS系统各组成部件进行如下故障诊断。

图2 EPS系统控制线路图

1.1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，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±0.1V的偏差，因此我们规定其正常输出电压为5±0.2V。如果CPU检测到电源电压异常，此时就跳过对转矩传感器信号的检测，这样可以避免对转矩传感器本身故障的误判。

通过信号值比较可以诊断如下传感器故障：

·主扭矩线路断开或短路

·主线路与辅线路输出电压差异过大

·转矩传感器电源电压过高或过低

·辅扭矩线路断开或短路

图5  主、副扭矩信号采集

1.2电机故障自诊断

转向助力大小是通过控制电机电流来实现，因此检测电机两端的实际控制电流就显得非常重要。电机电流采集电路（如图6），通过测量串联在驱动回路中的精密电阻R62两端的电压，经过信号放大和适当的电容滤波，然后通过ADC2端口反馈给CPU，此时程序设计将此电压与理论计算电压进行比较，如果两者悬殊过大；或者连续几分钟之内的平均电流消耗超过预先规定的数值，就判断电机及其线路有故障，以防止电机过载而烧坏或工作不稳定。其中我们选用的精密电阻值约7mΩ，这样和电动机电枢电阻168mΩ相比要小的多，因此基本不影响系统工作。

通过上述信号比较可以诊断如下电机故障：

·电机的控制电流过高，使电机出现过载而烧坏

·CPU计算的电机控制电流与实际检测的控制电流相差太大

·控制单元有控制电流传递给电机，但电机仍不能起动

图6 电机电流采集

1.3车速和发动机转速信号故障自诊断

车速信号和发动机转速信号都是数字信号，因此不需要经过A/D转换，只需经过一定的整形电路，就可以直接送给CPU的定时器/计数器端口，然后通过计数器对波形的一定时间内的计数即可采集车速和发动机转速。如车速整形电路（如图7），车速信号通过一定的滤波和比较器比较，然后直接送给CPU的计数器T0。通过上述信号的采集，然后与相应工况的规定值比较，即可以诊断如下故障： 

· 发动机起动后立即升到4000r/min或更高时，行车中持续60秒没有车速信号输入CPU

· 发动机在2500 r/min或更高速状态下运转时，行车中持续60秒没有车速信号输入CPU

· 发动机机起动后，无发动机速度信号输入CPU

图7 车速整形电路

1.4电磁离合器故障自诊断

电磁离合器连接了助力电机和转向柱，它的分离与接合稳定与否将直接影响转向特性，因此系统工作时，其状态信号要及时反馈给CPU。电磁离合器状态信号采集电路如图8所示：当离合器处于接合状态时， P0.0端口输出高电平；反之，输出高电平。因此离合器线路断开或短路可以通过P0.0端口反应。

图8 电磁离合器状态信号采集

1.5控制单元电源线路故障自诊断

如图2所示：当点火开关闭合时，蓄电池电压将通过ADC4端口送给CPU，因此当ADC4 端检测的电压信号低于10V，程序设计就可以控制故障灯显示蓄电池电压太低。

1.6控制单元故障自诊断

控制单元主要由电子元件和软件组成，其本身不易出现故障。我们主要通过在硬件方面进行合理的布线和相应的滤波、抗干扰等措施来减少故障的发生；软件上通过使用看门狗技术、容错技术和设置软件陷阱等处理程序运行时的“跑飞”和 “死循环”等问题。

2. 故障代码显示控制及安全防范措施

当系统检测到各组成部件出现上述异常之一，且持续时间超过相应的规定值，程序设计就通过对P0.5端口间断的置0或1，故障显示控制电路（如图9）就控制发光二极管（故障灯）闪烁，其中闪烁的次数和延续的时间（各种故障代码）通过计数指针和延时子程序实现。如主扭矩信号出现异常，指示灯将显示故障代码号DTC11，如图10所示，亮1.5S，暗2S；再亮0.5S，暗3S，往复进行，直至故障排除，称“一长一短”。 故障显示的同时，程序设计也对P0.4和P0.1端口分别置1和0，经过电磁离合器控制电路（如图11）和继电器控制电路（如图12）使得电磁离合器和继电器同时被切断，以确保电机助力完全被切断，从而确保行车安全。

图13转矩传感器故障诊断流程

四、实例分析

转矩传感器故障诊断流程如图13所示：首先初始化时间延时计数指针、异常状态标志和各规定界限值（如表1），然后使主、副扭信号电压及其差分别与各自的界限值进行比较，如果超过界限值并持续时间超过30ms，那么将异常状态标志置1，记录异常情况并控制故障灯显示相应的故障代码，同时分别对P0.4和P0.1置1和0，以切断电磁离合器和继电器，从而切断电机助力。

表1 参数初始化

五、结束语

从上述的理论和实例分析看出：本文提出的EPS系统各信号间和信号与规定界限值间进行比较的故障诊断方法具有明显的简单、可行、容易与主控制程序协调设计和调试等特点。而且在试验台上我们通过人为设置各种故障（如短路、断路和接触不良等），然后观察故障灯显示情况，也显示了该比较自诊断方法具有明显的可行性。此外，虽然这种比较故障诊断方法是基于转向柱驱动（Column Drive）的电动助力转向系统（EPS）上研究的，但是其故障辨识的基本原理具有广泛的通用性，因此该故障自诊断系统设计思想同样也适用于小齿轮驱动（Pinion Drive）、齿条驱动（Rack drive）的EPS和其它的电控系统。