车辆工程毕业设计51汽车电动助力转向(EPS)系统的设计

目录

一、绪论

1.1 前言 (1)

1.2 EPS的特点 (2)

1.3 EPS系统在国内外的应用状况 (3)

二、 EPS的基本构造和工作原理

2.1 EPS系统结构及其工作原理 (4)

2.2 EPS的关键部件 (5)

2.2.1 扭矩传感器 (5)

2.2.2 电动机 (6)

2.2.3 电磁离合器 (6)

2.2.4 减速机构 (7)

2.3 EPS的电流控制 (7)

2.4 助力控制 (8)

2.5 回正控制 (9)

2.6 阻尼控制 (9)

三、EPS系统电机驱动电路的设计

3.1 微控制器的选择 (10)

3.2 硬件电路总体框架 (10)

3.3 电机控制电路设计 (11)

3.3.1 H桥上侧桥MOSFET功率管驱动电路设计 (12)

3.3.2 H桥下侧桥MOSFET功率管驱动电路设计 (13)

3.4蓄电池倍压电源 (14)

3.5电机驱动电路台架试验 (15)

3.6 结论与展望 (16)

四、电动助力转向系统故障自诊断的研究

4.1 故障自诊断的基本原理 (17)

4.2 电动助力转向系统故障自诊断 (17)

4.2.1 系统各组成部件的故障辨识 (17)

4.2.2 转矩传感器故障自诊断 (18)

4.2.3 电机故障自诊断 (20)

4.2.4 车速和发动机转速信号故障自诊断 (21)

4.2.5 电磁离合器故障自诊断 (22)

4.2.6 控制单元电源线路故障自诊断 (22)

4.2.7 控制单元故障自诊断 (23)

4.3 故障代码显示控制及安全防范措施 (23)

4.4 实例分析 (26)

4.5 结束语 (27)

致谢 (27)

汽车电动助力转向(EPS)系统的设计

绪论

1.1前言

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。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Elec-tric Assisted 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）。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。

1.2 EPS的特点

1.EPS节能环保。

由于发动机运转时，液压泵始终处于工作状态，液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了3％～5％，而EPS以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作，EPS几乎不直接消耗发动机燃油。EPS不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题，EPS通过电子控制，对环境几乎没有污染。

2.EPS装配方便。

EPS的主要部件可以集成在一起，易于布置，与液压动力转向系统相比减少了许多元件，没有液压系统所需要的油泵、油管、压力流量控制阀、储油罐等，元件数目少，装配方便，节约时间。

3. EPS效率高。

液压动力转向系统效率一般在60%～70%，而EPS的效率较高，可高达90％以上。

4. EPS路感好。

传统纯液压动力转向系大多采用固定放大倍数，工作驱动力大，但却不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。而EPS系统的滞后特性可以通过EPS控制器的软件加以补偿，使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。

5. EPS回正性好。

EPS系统结构简单，不仅操作简便，还可以通过调整EPS控制器的软件，得到最佳的回正性，从而改善汽车操纵的稳定性和舒适性。

6、动力性：

EPS系统可随车速的高低主动分配转向力，不直接消耗发动机功率，只在转向时才起助力作用，保障发动机充足动力。(不像hps液压系统，即使在不转向时，油泵也一直运转处于工作状态，降低了使用寿命)

1.3 EPS系统在国内外的应用状况

国外EPS的发展之路：

因为微型轿车上狭小的发动机舱空间给液压助力转向系统的安装带来了很大的麻烦，而EPS元件比较少，重量轻，装配方便，比较适合在微型轿车上安装。因此在国外，EPS系统首先是在微型轿车上发展起来的。

上世纪80年代初期，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还应用在其Alto车上。此后，EPS在日本得到迅速发展。出于节能环保的考虑，欧、美等国的汽车公司也相继对EPS进行了开发和研究。虽然比日本晚了10年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类型也有所不同。日本起初选择了技术相对成熟的有刷电机。

有刷电机比较成熟，在汽车上的应用较广，比如雨刷、车窗等部分，稍做改进就适应了EPS的要求，因此研发周期较短，上世纪80年代末期就开始产业化，主要装配在微型车上。而欧美则选择了难度较大的无刷电机，但是电子控制系统比较复杂，延长了研发周期。直到90年代中期欧美才开始批量生产。从长远发展看，有刷电机存在一定弊端，比如电刷产生的噪声较难克服，磨损较严重，存在电磁干扰等问题。因此，日本现在国内配装的EPS也逐渐转向无刷电机类了。

国内EPS的发展现状：

我国汽车电子行业的总体发展相对滞后，但是，随着汽车对环保、节能和安全性要求

的进一步提高，代表着现代汽车转向系统的发展方向的EPS电动助力转向系统已被我国列为高新科技产业项目之一，国内各大院校、科研机构和企业已经纷纷开始对EPS这一领域进行了研究，使得EPS得到了迅速的发展。据悉，自主品牌研发的EPS系统离产业化就差整车厂批量装车认可这一台阶了，相信很快就可以实现量产。

二、EPS的基本构造和工作原理

2.1 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。

图2 EPS系统控制框图

2.2 EPS的关键部件

2.2.1 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(如图3所示)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。

图3 磁电式扭矩传感器

2.2.2 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。

2.2.3 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。

2.2.4 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(图4)和蜗轮蜗杆减速机构(图5)。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。

图4 双级行星减速机构图5 蜗轮蜗杆减速机构

2.3 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。

图6 EPS的电流控制

2.4 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)输人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人下，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。

2.5 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。

2.6 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。

三、EPS系统电机驱动电路的设计

3.1微控制器的选择

MOTOROLA公司的MC9S12系列单片机是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工艺的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，是根据当前汽车的要求设计出来的一个系列[l]。它使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境。设计方案采用MC9S12DP256单片机，其主频高达25 MHz，同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI，3个同步串行通信口SPI，8通道输人捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/0口（其中20个具有外部中断及唤醒功能）、兼容CAN2.OA/B协议的5个CAN模块以及一个内部IC总线模块；片内拥有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，资源十分丰富。

3.2硬件电路总体框架

电动助力转向系统的硬件电路主要包括以下模块：MC9S12DP256微控制器、电源电路、信号处理电路、直流电机功率驱动模块、故障诊断模块与显示模块、车速传感

器、扭矩传感器、发动机点火信号、电流及电流传感器等接人处理电路，另外还有电磁离合器等，EPS系统的硬件逻辑框架如图8所示。

3.3电机控制电路设计

直流电动机是EPS系统的执行元件，电机的控制电路在系统设计中有着特殊的地位。在本系统中采用脉宽调制（PWM）控制H桥电路实施对直流电动机的控制，由4个功率MOSFET组成[2]，如图9所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驱动电路简单，工作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。系统采用4个International Reetifier公司生产的IRF3205型MOSFET功率管组成H桥路的4个臂。IRF3205具有8 mΩ导通电阻、功耗小、耐压达55V、最大直流电流110A、满足EPS系统对MOSFET功率管低压（正常工作不超过15V）大电流（额定电流30 A）的要求。

3.3.1 H桥上侧桥臂MOSFET功率管驱动电路设计

上侧桥臂的MOSFET功率管驱动电路如图10所示，其中Qa/Qb为上侧桥臂的功率MOSFET a管或b管，vdble为倍压电源电路提供的电源电压。当MOSFET的控制信号a （b）为高电平时，Q1和Q2导通，电源通过Q2，D1以及R5与C1的并联电路向Qa充电，直至Qa完全导通，Q3截止。当Qa导通时，忽略Qa的漏极和源极之间的电压降，则Qa的源极电压等于蓄电池电源电压。此时，Qa的栅—源极电压降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE为2N2907的集一射极饱和导通电压，其典型值为0.4V[3]，VF为D1的正向导通压降，其典型值为0.34V[4]，Vbat为蓄电池电压。为保证器件可靠导通，降低器件的直流导通损耗，VGS不低于l0V[5]。因此需设计高效的倍压电源电路，以保证Vdble的值足够大，满足功率MOSFET的驱动要求。如果蓄电池电压为

12V时，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。

当MOSFET的控制信号a（b）管为低电平时，Q1和Q2均截止，Q3导通，Qa的栅—源极电压通过R5与C1的并联电路及Q3迅速释放，直至Qa关断。Qa关断时，连接其栅-源之间的电阻R6使其栅-源电压为零。IRF3205的导通门限电压为2～4V，OV的栅—源极电压能够使其关断。

3.3.2下侧桥臂的功率MOSFET管驱动电路

下侧桥臂的功率MOSFET驱动电路如图11所示，其中Qc/Qd为下侧桥臂的功率MOSFET的c管或d管。当MOSFET的控制信号c（d）为高电平时，Q1导通，Q2截止，

Q1的栅极电压通过R3与C1组成的并联电路、D１及Q1迅速释放，Qc/Qd关断。

当MOSFET的控制信号c（d）低电平时， Q1截止，Q2导通，电源通过Q2以及R3与C，组成的并联电路对Qc的栅极充电，直至Qc完全导通。当Qc导通时，其栅—源极电压等于电源电压减去Q2的集—射极饱和导通电压，而电源电压又等于蓄电池电压减去1N5819二极管的正向导通电压。所以，Qc的栅—源极电压VGS=

（Vbat-VCE-VF），当蓄电池电压为12V，取各参数为典型值得Qc的栅-源极电压为11.26V，满足IRF3205的栅极驱动（10V）所需的电压。

3.4蓄电池倍压工作电源

由于上侧桥臂的MOSFET功率管的栅-源电压必需大于22.74V，而蓄电池电压只有12V。因此需要设计蓄电池倍压电源，产生二倍于蓄电池电压的电源电压，提供给H桥a、b功率管的驱动电路，保证高侧MOSFET功率管能够完全导通。

电源倍压电路如图12所示，NE555定时器工作于多谐振荡器模式，于引脚3产生幅值等于NE555的供电电压，频率为1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl 和D2构成电荷泵电路。当NE555引脚3输出高电平时，由于电容电压不能突变，C3正极电压为24V或接近24V，并通过D2向C4充电，使C4电压为24V或接近24V。由于受电路的工作效率、二极管D1和D2上的正向电压降以及负载能力的限制，使得系统输出电压低于供电电压的2倍，即供电电压为12V时，输出电压低于24V，当供电电源为12V时，倍压电源电压约为22.9V，大于Vdb1（22.74V），可以满足需要。

3.5电机驱动电路台架试验

根据电动转向控制系统对稳定性和跟踪性的需要，采用最优H二控制器编制电动转向系统控制程序，并在汽车电动转向试验台上进行台架模拟试验，车速信号用模拟车速传感器发出的脉冲信号代替网。图13为中等车速转向助力时，测量的方向盘转矩（T）和助力电动机电流（I）变化曲线。从图7中可以看出，在转向过程中，助力电动机电流随着方向盘转矩的变化而变化，电动机电流的变化趋势和方向盘转矩的变化趋势相吻合，表明电动机的助力转矩对方向盘转矩有良好的跟踪性能。转向操作时，无助力滞后感，转向平稳，表明转向系统具有良好的跟踪性能和操纵稳定性。

向加速度及前轴重力等多种信号在未来的电动助力转向系统中可能都是要考虑的因素。

3.6结论与展望

MC9S12系列16位单片机片内资源丰富，对于一般的简单应用，只需一片单片机加少量围电路即可。开发的直流电机电路经初步试验，性能良好，可基本满足电动助力系统转向系统的需要。文中只介绍电动助力转向系统硬件电路设计的基本框架，为获取良好的控制效果，电动助力转向系统将不仅仅局限于依据车速和扭矩这2个基本的信号进行电动助力转向系统的研制，转向角、转向速度、横向加速度及前轴重力等多种信号在未来的电动助力转向系统中可能都是要考虑的因素。

四、电动助力转向系统故障自诊断的研究

4.1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。

4.2电动助力转向系统故障自诊断

4.2.1 系统各组成部件的故障辨识

根据EPS系统控制线路（如图14），

图14 EPS系统控制线路图

本文对EPS系统各组成部件进行如下故障诊断。

4.2.2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15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16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17）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17 主、副扭矩信号采集

4.2.3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18），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