【正文】 )中。 97年德爾福公司與意大利菲亞特公司簽訂了應(yīng)用于小型車的電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研制合同，到 20xx年上半年德爾福 公司己經(jīng)與歐美等地的汽車生產(chǎn)廠家簽訂了關(guān)于開發(fā)電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 4 合同。 在歐洲，以 Daimler Chrysler、 Fiat、 Ford Europe和 Volvo等汽車公司、 Bosch等電子公司和 Chalmers、 Vienna等大學(xué)聯(lián)合發(fā)起了“ Brite． Euramx— by— wire計(jì)劃”進(jìn)行電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及安全性和可靠性方面的研。 Daimler chrysler己經(jīng)開發(fā)出電子驅(qū)動(dòng)概念車，“ R129”。它取消了方向盤、加速踏板和制動(dòng)踏板，完全采用操縱桿控制，實(shí)現(xiàn)了 Driye— bywire技術(shù)。此項(xiàng) 技術(shù)被列為 20xx年汽車十大新技術(shù)之一。 ZF公司在 98年開發(fā)出電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS)之后也積極進(jìn)行了電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)研究。寶馬汽車公司在巴黎車展上參展的概念車一 B222，應(yīng)用了 Steerby— wire(全助力轉(zhuǎn)向方式 )和 Brake— by— wire技術(shù)。整個(gè)概念車的開發(fā)計(jì)劃始于 1995年，根據(jù)公司的規(guī)劃，計(jì)劃在 20xx年時(shí)正式付諸批量生產(chǎn)。雖然在 222上駕駛員仍然使用方向盤與制動(dòng)踏板來(lái)操作車輛， 但是沒(méi)有了如轉(zhuǎn)向柱、腳踏板連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以減少在車輛發(fā)生撞擊時(shí)機(jī)械部件對(duì)駕駛員的傷害。該車仍然保留了 傳統(tǒng)的方向盤作為人車接口，但方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍減少到了 160度，使緊急轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員的忙碌程度得到了很大程度的降低，而且操縱機(jī)構(gòu)可以布置得更為合理，提高了乘坐舒適性，并擴(kuò)大了座椅位置的調(diào)整范圍。第 59屆法蘭克福汽車展的雪鐵龍?jiān)揭案拍钴嚒?C— CROSSER”，也采用了電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [3]。 綜合起來(lái)看，目前電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為四類： （ 1）液壓電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EHPS(Electro— Hydraulic Power Steering) （ 2）電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng) EPS(Electrical Power Steering) （ 3）主動(dòng)前輪電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) AFS(Active Front steering) （ 4）線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) SBW(Electric Power Steering by wire EP S— by wire或steering by wire) 這四類系統(tǒng)也反應(yīng)了汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的發(fā)展階段，線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前最為先進(jìn)和前沿的轉(zhuǎn)向技術(shù)。在未來(lái)，汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)將進(jìn)入了電子助力時(shí)代，隨著傳感器、控制方式、助力電動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，以線控技術(shù)的應(yīng)用為標(biāo)志的全助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將 成為未來(lái)汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的焦點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，更高效的功率 MOS管的出現(xiàn)為重型卡車和機(jī)械車的電子助力轉(zhuǎn)向提供了保證。新的技術(shù)也為汽車控制的各個(gè)組成部分實(shí)現(xiàn)聯(lián)合工作提供了方法。例如，恩智浦在 20xx年就提出了使用其 Flexray收發(fā)器系列產(chǎn)品確保在 EPS和 ABS系統(tǒng)之間建立可靠及時(shí)的通信，根據(jù)速度優(yōu)化助力轉(zhuǎn)向的解決方案。未來(lái)我們將從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步優(yōu)化電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：（ 1）設(shè)計(jì)使用新型無(wú)刷電機(jī)使電機(jī)工作效率更高，效果更好；（ 2）開發(fā)新型傳感器，提高系統(tǒng)信息的感知效率和精度；（ 3）進(jìn) 一步優(yōu)化控 5 制策略，使系統(tǒng)更加智能；（ 4）運(yùn)用線控技術(shù)實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率和精度。電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將向著進(jìn)一步減輕重量、節(jié)約空間、降低功率的方向發(fā)展 [4]。 本文的研究?jī)?nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容有： （ 1）對(duì) EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。 （ 2）分析了電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法。 （ 3）基于 MC9SDGl28單片機(jī)的主控核心電路和驅(qū)動(dòng)電路等硬件電路的實(shí)現(xiàn)。 （ 4）控制策略的選擇和軟件實(shí)現(xiàn)。 （ 5）分析了 試驗(yàn)過(guò)程中遇到的影響 EPS 性能的因素，并給出試驗(yàn)結(jié)果。 電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這一課題的研究綜合了控制科學(xué)與理論、汽車電子、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感檢測(cè)和電機(jī)學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)，屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)。設(shè)計(jì)電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，首先需要考慮的就是系統(tǒng)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)向輕便性、操控舒適性以及安全性。電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 20 世紀(jì) 80 年代提出時(shí)，起先由于受到電子技術(shù)，電機(jī)技術(shù)以及機(jī)械制造工藝的限制，發(fā)展十分緩慢。直到近幾年，隨著工業(yè)水平的大幅度提高，電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展以及新的控制理論的不斷提出，汽車助力轉(zhuǎn)向才正式開始向電子助力轉(zhuǎn)向的方向上邁進(jìn) [5]。各項(xiàng)新技術(shù)、新理論也在不斷的提出。根據(jù) EPS 的結(jié)構(gòu)可以看出， EPS系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵可以分為硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件方面要求傳感器和電機(jī)必須滿足要求；軟件方面則要求能實(shí)現(xiàn)助力特性，并且能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀況，具體有以下幾類。 2 動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) EPS系統(tǒng)最終的動(dòng)力來(lái)源是助力電機(jī)，因此，助力電機(jī)的合理匹配和可靠運(yùn)行是決定 EPS性能的最重要因素。由于直流電動(dòng)機(jī)有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能，且助力電機(jī)的電源來(lái)自汽車蓄電池的直流供電，因此電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用的一般是直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，直流電壓通過(guò)電刷和換向器加載到轉(zhuǎn)子線圈，轉(zhuǎn)子線圈受到電磁力的做應(yīng)用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩具有良好的控制特性，只要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓或勵(lì)磁電流，便可以在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但普通直流電機(jī)的特性難以滿足 EPS設(shè)計(jì)用電機(jī)的要求，因此發(fā)展出了一些專門針對(duì) EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)。對(duì)普通電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將轉(zhuǎn)子的表面開出斜槽或螺旋槽，定子磁鐵設(shè)計(jì)成不等厚，加裝減速機(jī)構(gòu)等，使得這類電機(jī)噪聲低、扭矩大、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、尺寸小質(zhì)量輕，并且可靠性高，控制簡(jiǎn)單。能夠滿足 EPS系統(tǒng)的功能要求， 也解決了電動(dòng)機(jī)對(duì) 6 轉(zhuǎn)向手力特性、轉(zhuǎn)向路感、汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)等參數(shù)的影響 [6]。同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中存在的缺陷也會(huì)影響助力電機(jī)的工作狀態(tài)，導(dǎo)致 EPS系統(tǒng)的整體性能下降。 傳感器 EPS系統(tǒng)中主要用到的傳感器是扭矩傳感器和車速傳感器。后者多數(shù)已經(jīng)集成在汽車本身零部件上，只需要通過(guò)總線技術(shù)讀取數(shù)據(jù)即可。因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)，扭矩傳感器是 EPS系統(tǒng)組成中必不可少的部件。汽車要實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向，首先就必須采集扭矩傳感器的數(shù)據(jù)，判斷轉(zhuǎn)向的方向和駕駛員轉(zhuǎn)向力矩的大小，從而決定助力的大小。 精確可靠的扭矩測(cè)量 傳感器是決定 EPS性能的又一個(gè)重要因素。目前，國(guó)外的 EPS系統(tǒng)中使用的扭矩傳感器多為電磁感應(yīng)式或光電式的。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，精度較高，但是對(duì)工作環(huán)境的要求較高。國(guó)內(nèi)的 EPS系統(tǒng)中則多數(shù)使用接觸式的傳感器 [7]。在轉(zhuǎn)向軸位置加上扭桿，通過(guò)扭桿的變形量來(lái)確定扭矩值。這類傳感器精度不高，但成本很低。 助力特性 助力特性是指助力轉(zhuǎn)矩隨車輛運(yùn)動(dòng)狀況的變化而變化的規(guī)律。在電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，助力轉(zhuǎn)矩與助力電機(jī)的電流成正比，因此，采用電機(jī)電流與方向盤轉(zhuǎn)矩、車速的變化關(guān)系曲線來(lái)表示助力 特性 [8]。助力特性是 EPS系統(tǒng)的控制目標(biāo)，反應(yīng)了轉(zhuǎn)向的輕便性和路感之間的矛盾。 按照助力車速范圍的不同， EPS系統(tǒng)的助力特性曲線可分為全速范圍助力型和低速范圍助力型。按照曲線形狀分，常用的助力特性有三種，分別是直線型助力特性、折線型助力特性和曲線型助力特性。助力特性曲線分為無(wú)助力區(qū)、助力變化區(qū)和恒助力區(qū)三個(gè)區(qū)間。如圖 2所示： 圖 2 EPS 系統(tǒng)理想的助力特性曲線 The ideal characteristic curve (a)為直線型助力特性曲線，在助力變化區(qū)內(nèi)，助力 的大小與轉(zhuǎn)向盤輸入力矩成線性關(guān)系。 (b)為折線型助力特性曲線，在助力變化區(qū)內(nèi)，助力的大小與轉(zhuǎn)向盤輸入力矩 7 成分段線性關(guān)系。 (a)和 (b)同屬于線性助力特性，其特點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單，助力大小在固定車速下是不變的，因此控制方法更簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是在轉(zhuǎn)向阻力迅速上升時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度無(wú)法達(dá)到要求的助力增益。 (c)為典型的曲線型助力特性曲線，在助力變化區(qū)內(nèi)，助力大小與轉(zhuǎn)向盤輸入力矩成非線性關(guān)系，如拋物線型 [9]。非線性的特性曲線，在一定車速下，助力隨輸入力矩增大而迅速增加，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但模型較復(fù)雜，不易控制。助力特性是 否合理決定了 EPS系統(tǒng)的性能，理想的助力特性要充分協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)系，為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和駕駛員提供盡可能相同的轉(zhuǎn)向特性。 控制方法 EPS系統(tǒng)是以電控單元為核心，采集工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)出控制指令，確定助力電機(jī)的工作方式和助力大小。因此， ECU單元的硬件抗干擾性和軟件設(shè)計(jì)及優(yōu)化也成為衡量一個(gè) EPS系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。這其中最重要的就是控制方法的選擇?？焖贉?zhǔn)確的控制算法可以在滿足操控輕便性、實(shí)時(shí)性的同時(shí)，符合駕駛路感的需要。能夠根據(jù)各種路況及時(shí)調(diào)整助力模式，有效的實(shí)現(xiàn)理想的助力特性，為汽車駕駛帶 來(lái)最大的輕松和安全性。汽車的行駛路況復(fù)雜， EPS系統(tǒng)工作時(shí)不但受到來(lái)自路面的隨機(jī)干擾的影響， 還有發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的熱輻射和電磁干擾對(duì)系統(tǒng)也會(huì)有很大影響。這些因素在 EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮到控制策略上去，通過(guò)軟件修正的方法消除干擾。 PID控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、魯棒控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展為 EPS系統(tǒng)的控制算法開發(fā)提供了有力的保障 [10]。 故障診斷和系統(tǒng)穩(wěn)定性 在生產(chǎn)和研究 EPS產(chǎn)品時(shí)還有一個(gè)重要的部分就是對(duì)于故障的檢測(cè)和故障的輸出及處理。故障診斷系統(tǒng)不僅要對(duì)診斷對(duì)象 的故障進(jìn)行報(bào)警，還要對(duì)故障進(jìn)行定位，確定故障發(fā)生的位置和原因，即輸出對(duì)象的故障代碼，所以在設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品的故障診斷系統(tǒng)時(shí)，首先必須確定系統(tǒng)的故障點(diǎn)，再根據(jù)故障編碼原則對(duì)系統(tǒng)的故障點(diǎn)進(jìn)行編碼。EPS系統(tǒng)可能存在故障的位置及原因主要有七類，分別是扭矩傳感器故障、車速傳感器故障、點(diǎn)火信號(hào)故障、助力電機(jī)故障、電磁離合器故障、電子控制單元故障、電源故障。各部分的故障又分為許多種類，因此必須有統(tǒng)一的故障代碼和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才能有效識(shí)別故障種類，便于維修。在 SAEJl587標(biāo)準(zhǔn)中給出了編碼原則，后來(lái)的 SAEJl939加入了應(yīng)用于 CAN總線系統(tǒng)的編碼方法， IS014230標(biāo)準(zhǔn)也基本上采用了 SAEJl939和 SAEJ1 587的標(biāo)準(zhǔn)格式故障代碼 [11]。 參考豐田汽車公司電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障診斷編碼，對(duì)應(yīng)與 SAEJl939和 SAEJl587標(biāo)準(zhǔn)，表 1給出了規(guī)范的 EPS故障代碼，包括發(fā)生故障的部件和故障形式。 8 表 1 常見的 ESP 故障代碼表 Tab1 The mon fault code 故障碼 故障部位 診斷故障說(shuō)明 C1511 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器斷路 C1512 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器短路 C1513 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器未標(biāo)定 C1514 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器值不變 C1515 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器自身特性不良 C1521 車速傳感器 車速傳感器 斷路 C1522 車速傳感器 車速傳感器短路 C1523 車速傳感器 車速傳感器未標(biāo)定 C1524 車速傳感器 車速傳感器值不變 C1525 車速傳感器 車速傳感器 自身特性不良 C1531 點(diǎn)火信號(hào) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器斷路 C1532 點(diǎn)火信號(hào) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器短路 C1533 點(diǎn)火信號(hào) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器未標(biāo)定 C1534 點(diǎn)火信號(hào) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器不變 C1535 點(diǎn)火信號(hào) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器特性不良 C154l 助力電機(jī) 助力電機(jī)短路 C1542 助力電機(jī) 助力電機(jī)斷路 C1543 助力電機(jī) 助力電機(jī)溫度異常 C1544 助力電機(jī) 助力電機(jī)內(nèi)部故障，特 性不良 C1551 電磁離合器 離合器短路 C