CN104494689A - 一种汽车电动助力转向控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车电动助力转向控制系统，至少包括传感器、控制器和执行器，所述传感器检测汽车信号，并传输至控制器进行处理，控制器控制执行器执行助力转向，所述执行器包括EPS场效应管继电器驱动模块、电机驱动模块、场效应管继电器和助力电机，所述控制器的输出端通过EPS场效应管继电器驱动模块驱动场效应管继电器，控制器的输出端通过电机驱动模块驱动助力电机。本发明采用场效应管继电器替换了现有电磁继电器，避免了以往电磁继电器易烧蚀的不足，继而延迟控制器的使用寿命，提高系统的可靠性、安全性。

Description

一种汽车电动助力转向控制系统

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，更具体地，涉及一种汽车电动助力转向控制系统。

背景技术

传统的电动助力转向系统由传感器，控制器，执行机构（包括执行电机），机械传动机构等组成的。其中传感器检测的信号主要包括故障灯电平、电源电压、发动机转速、车速、转矩传感器输出电压值、电机工作电流等信号。这些信号经相应的电路处理，然后传递给系统的ECU，经ECU处理后输出指令给执行机构来实现对系统的控制。

现有的执行机构包括执行电机和电磁继电器，在实际使用过程中，较易出现电磁继电器烧蚀从而导致整个ECU报废。其次，在传统电动助力转向系统中，控制器与机械总成是分开的，在电机由于过热而烧坏时，其控制器还完好无损，这是由于温度传感器安装在控制器内，控制器无法检测到电机具体工作在状态。

再次，传统电动助力转向的控制策略一旦定下来后，就按策略来实施助力，不会根据各驾驶工况等发生改变，这会对整车操纵稳定性有一定的影响。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种汽车电动助力转向控制系统，采用该系统能够有效的避免由于电磁继电器烧蚀从而导致整个ECU报废，提高系统的可靠性、安全性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种汽车电动助力转向控制系统，至少包括传感器、控制器和执行器，所述传感器检测汽车信号，并传输至控制器进行处理，控制器控制执行器执行助力转向，所述执行器包括EPS场效应管继电器驱动模块、电机驱动模块、场效应管继电器和助力电机，所述控制器的输出端通过EPS场效应管继电器驱动模块驱动场效应管继电器，控制器的输出端通过电机驱动模块驱动助力电机；其中场效应管继电器驱动模块中含有两个子系统，即电源继电器和电机相继电器，而传统EPS继电器只有电源继电器。

本发明采用场效应管继电器替换了现有电磁继电器，避免了以往电磁继电器易烧蚀的不足，继而延迟控制器的使用寿命，提高系统的可靠性、安全性。

优选地，所述控制器与助力电机集成在同一空腔内；控制器的电路板埋入助力电机的壳体内；且传感器线束在助力电机壳体内部走线，助力电机的正负极与控制器电路板连接。

优选地，所述助力电机通过导电金属条与控制器电路板连接。

在本案中，将控制器与助力电机集成在一起，使其结构紧凑，化繁为简，减少控制器壳体及相关线束的连接器，降低了成本，提高了抗干扰能力；其次，由于控制器与助力电机集成在一起，可以直接测量电机和控制器温度，提高整个系统保护的准确性和可靠性，使得整个系统（电机和控制器）的可靠性和安全性大大提高。传统控制器由于与电机分开，控制器内部温度与电机温度区别很大，如果不保护，就容易烧电机，如果没有准确的保护或误保护，就容易造成助力变小，客户抱怨。

在一个EPS系统同时采用电源继电器和电机相继电器，且由于采用电机相继电器和控制器电路板与助力电机集中在一个空腔内，把助力电机与控制器连接的线束更改成导电金属条后，能有效防止电机线束由于外力破皮导致的电机短路而出现的电机锁止，造成的转向失效的安全事故，大大提高系统的安全性。

在本发明中由于把控制器集成在助力电机的壳体中，把控制器的电路板直接埋入到助力电机的壳体内，减少了现有控制器中封装电路板壳体，降低了成本。传统EPS的控制器和机械管柱、电机是分离的，电源线，电机线，传感器线，整车信号线都要分别连入控制器，而把控制器电路板埋入到助力电机的壳体中时，传感器线束可以在壳体内部走线（传感器是在EPS减速机壳体中）可以直接焊接到电路板上，而助力电机的正负极可以通过螺钉与控制器的电路板直接连接。这样布置，使得助力电机和传感器线束因此在壳体内，减少由于包装运输过程中和使用过程中由于外力导致线束破皮导致的短路而造成电机锁止及转向失效，减少了电机对外部的干扰，减少了电机线束和传感器线束的连接器，节约了成本。

优选地，所述助力电机的正负极通过铜条与控制器电路板连接，并位于助力电机壳体内，控制器能直接测量电机温度。能够改善了由于导线意外破皮导致电机正负极短路造成的电机锁止，而造成的不能转动转向盘的安全事故，提高了整个系统的安全性。

优选地，所述传感器包括用于检测车速的第一速度传感器，用于检测发动机转速的第二速度传感器，用于检测汽车转矩信号的转矩传感器，用于检测制动踏板信号的位置传感器和系统电源电压检测模块。

优选地，所述控制器处理传感器检测的信号，并根据汽车转向时是否接收到制动踏板信号实施相应的转向助力控制策略，该控制策略为：

当汽车转向且未接收到制动踏板信号时，汽车电动助力转向系统按照正常模式助力；当汽车转向且接收到制动踏板信号时，汽车电动助力转向系统则调整转向助力。根据制动踏板信号，对制动时的助力电流进行调整，以获得车辆更好的操纵稳定性。

优选地，所述控制器包括车速信号处理模块、转矩信号处理模块、发动机转速信号处理模块、制动踏板信号处理模块和中央处理器；

所述车速信号处理模块接第一速度传感器的输出端，所述转矩信号处理模块接转矩传感器的输出端，所述发动机转速信号处理模块接第二速度传感器的输出端，所述制动踏板信号处理模块接位置传感器的输出端；所述车速信号处理模块、转矩信号处理模块、发动机转速信号处理模块、制动踏板信号处理模块的输出端均与中央处理器连接。

优选地，所述系统还包括用于检测助力电机的电流检测模块，所述电流检测模块的输出端接中央处理器。

优选地，所述系统还包括用于故障报警存储的报警存储模块，所述报警存储模块的输入端接中央处理器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）该系统通过传感器检测汽车的车速信号、转矩信号、发动机转速信号和制动踏板信号等，并将这些信号输入EPS的控制器（ECU）。当转向且未接收到制动踏板信号时，系统按照正常模式助力；当转向且接收到制动踏板信号时，系统则调整转向助力。

2）控制器中采用电源继电器和电机相继电器控制（传统EPS只有电源继电器），通过增加电机相继电器防止电机电源线短路造成的电机锁止而造成安全事故。

3）采用新型场效应管替代传统的电磁式继电器，采用新型场效应管具有开关速度快，准确可靠，电磁干扰弱等优点。

4）通过把电机与控制器集成在同一空腔内，使得控制器内电路板温度和电机温度相当，从而通过控制器内的温度传感器同时得知电机温度和电路板温度，使得同时保护控制器和电机由于过热而发生失效，从而防止电机烧毁而出现的电机锁止，而造成安全事故。

附图说明

图1是本发明的原理方框图。

图2是车速信号处理模块电路图。

图3是转矩信号处理模块电路图。

图4是发动机转速信号处理模块电路图。

图5是制动踏板处理模块电路图。

图6 是系统电源电压监视模块电路图。

图7是EPS助力电机驱动及电机电流监视模块电路图。

图8是场效应管继电器驱动模块电路图。

图9是诊断码存储模块电路图。

图10是故障诊断码发送模块电路图。

图11是本发明EPS系统工作流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明是为了提高一般配备电动助力转向系统EPS车辆在制动转向时的操作稳定性，通过改变原有的电磁继电器的控制方式，来提高电机及系统性能（包括可靠性、安全性），降低成本。

如图1，一种汽车电动助力转向控制系统，至少包括传感器、控制器和执行器，所述传感器检测汽车信号，并传输至控制器进行处理，控制器控制执行器执行助力转向，所述执行器包括EPS场效应管继电器驱动模块、电机驱动模块、场效应管继电器和助力电机，所述控制器的输出端通过EPS场效应管继电器驱动模块驱动场效应管继电器，控制器的输出端通过电机驱动模块驱动助力电机。

上述传感器主要用于检测汽车的故障灯电平、供能电源电压、发动机转速、车速、制动信号、转矩传感器输出电压值、电机工作电流等信号；

即传感器主要包括用于检测车速的第一速度传感器，用于检测发动机转速的第二速度传感器，用于检测汽车转矩信号的转矩传感器，用于检测制动踏板信号的位置传感器和系统电源电压检测模块。

控制器包括车速信号处理模块、转矩信号处理模块、发动机转速信号处理模块、制动踏板信号处理模块和中央处理器；所述车速信号处理模块接第一速度传感器的输出端，所述转矩信号处理模块接转矩传感器的输出端，所述发动机转速信号处理模块接第二速度传感器的输出端，所述制动踏板信号处理模块接位置传感器的输出端；所述车速信号处理模块、转矩信号处理模块、发动机转速信号处理模块、制动踏板信号处理模块的输出端均与中央处理器连接。

各传感器分别检测对应信号后，输入到对应的处理模块进行信号处理后再输入到中央处理器进行处理，将输出信号分别送至EPS场效应管继电器驱动模块、电机驱动模块及电机电流检测模块和报警存储模块。

传感器所检测的信号主要包括：

车速信号，为一频率信号，主要判断车速的信号，频率越大，车速越高。

转矩信号，为一电压信号，主要判断转向盘上力矩的大小，电压变化越大，力矩越大。

发动机转速信号，为一频率信号，主要判断发动机转速的大小，频率越大，转速越大。

制动踏板信号，为一开关信号，主要判断汽车是否为制动工况，当踩下制动器踏板时，开关接通，表示进入制动状态。

各模块的具体结构及原理说明如下：

1、中央处理：

采用32位高性能单片机ARM单片机LPC2129，接受主协调CPU中的传感器信号和协调命令，控制转向电机和场效应管继电器，具有良好的助力特性。

2、车速信号处理模块：

车速信号为一伪正弦信号，车速信号处理模块就是把传感器输出的幅值、频率都在变化的伪正弦信号转变成单片机可以识别的矩形波信号，以便单片机对矩形波信号进行计数从而求出轮速。车速信号处理模块如图2所示，从车速传感器出来的伪正弦信号经过由R1和C5组成的RC低通滤波器进行滤波，为了防止输出过大电压信号而对处理芯片造成损坏，在最后信号经过由R5和D1组成的限幅电路，即可将伪正弦信号转化为同频率的矩形波信号，输出到单片机的捕获口P0.11。

3、转矩信号处理模块：

转矩信号为一模拟信号，转矩信号处理模块就是利用单片机的A/D口来采集转矩信号，判断操纵转矩是否在EPS控制程序预设的助力区域内，若在，则执行助力控制。转矩信号处理模块如图3所示，NJ1和NJ2是两个扭矩信号，+5V和AGND分别是转矩传感器的供电电源和地。分别经R6、R7和C2以及R8、R9和C3的分压和滤波后，再分别经运算放大器U3和U4组成的射极跟随器，最后输出的信号AIN4和AIN5接单片机的10位A/D口P0.28和P0.29，从而采集到扭矩信号。

4、发动机转速信号处理模块

发动机转速信号主要是检测发动机是否启动以及发动机启动时的速度。它是由仪表盘上引出的，为一矩形波信号，幅值是14V左右，发动机转速信号处理模块如图4，经过由R2和C6组成的RC低通滤波器进行滤波。为了防止输出过大电压信号而对处理芯片造成损坏，最后信号经过由R6和D21组成的限幅电路，即可转化为单片机可接受的矩形波信号，输出到捕获口P0.10。

5、制动踏板信号处理模块

制动踏板信号主要是用来检测汽车是否处于制动工况，制动踏板信号来自于制动灯，制动踏板信号处理模块如图5所示。一旦驾驶员踩下制动踏板，则制动灯亮，此时产生一高电平信号，即为制动踏板信号，再经过稳压二极管D51和R111、C54进行滤波、限幅后打开三极管Q9，得到的制动踏板信号TABAN接到单片机的中断口（也可作I/O口用）。

6、系统电源电压及电机电流监视模块

蓄电池电压通过R33、R40（另一路为R39、R41）分压后，与R35、R34组成的分压电路通过比较器U3（由U3A和U3B组成）进行比较，经过D13和R42（另一路D14和R43）限幅后输出到ARM的IO端口P0.8、P0.9，C22为滤波电容。

7、EPS助力电机驱动模块及电机电流检测模块

EPS助力电机驱动模块主要用来驱动EPS中的助力电机，以达到助力的目的。EPS助力电机驱动模块如图7所示。选择单封装的全桥芯片VNH2SP30，具有电流检测和开路负载、短路负载、过温、过压、欠压、过流等常用故障预防功能，使硬件电路大大简化，节约了系统的成本。VBAT接蓄电池，电机接在OUTA和OUTB之间，INA和INB可用来控制电机方向。当INA = 0，INB = 1时，电机正转；当INA = 1，INB = 0时，电机反转；当INA = 0，INB = 0或 INA = 1，INB = 1时，电机制动。通过调节PWM端口信号的占空比来调节电机的电流大小，CS端口用来检测电机的电流大小，实现对电流进行闭环控制，使控制电流与目标电流一致；ENA和ENB是诊断信号，当电机无故障时为高电平，当电机有故障时为低电平，有效地监控了电机的状态。IRFR3707Z是一个低导通电阻的N沟道MOS管，用来实现电源反接保护。

8、EPS场效应管继电器驱动模块：

EPS场效应管继电器驱动模块主要用来驱动EPS中的场效应管继电器，以控制电机是否输出助力与切换到机械转向器。场效应管继电器驱动电路如图8所示。选择IRFR3707Z作为它的驱动芯片即图8中的Q4，接插件J5接到场效应管继电器。信号P1.19_IN_LHQ接到处理器的控制输出引脚，R48为限流电阻。当P1.19_IN_LHQ为高电平时，Q3导通，而R49此时相当于接地，则Q4也不导通，场效应管继电器不工作；当P1.19_IN_LHQ为低电平时，Q3截止，而R49此时相当于接到12V，则Q4导通，场效应管继电器开始工作—接通电源。场效应管继电器输出端还通过一个反馈网络，由R50、R51和D16组成，由于场效应管继电器OUT1处的高电平电压为12V，不能直接连到ARM7控制芯片上，因此，分压后经稳压管D16将电压稳定在3.3V。可以将其工作状态以信号P0.23_LHQFD反馈至单片机，以对场效应管继电器的工作状态进行检测。

9、报警存储模块包括诊断码存储模块和故障诊断码发送模块

其中诊断码存储模块如图9所示，CAT1025为一复位芯片，其主要功能是通过按键S2使芯片复位，但它内部集成了2K位的串行E²PROM，存储器采用400KHz的I2C总线接口，所以本系统使用它来对故障诊断码进行存储，有利于降低系统成本。R23、R24、R26、R27为分流电阻，R22为抗干扰电阻。

当系统检测到有故障发生时，仪表盘上EPS报警灯闪烁，同时将故障诊断码存入E2PROM中，以提示驾驶员。

故障诊断码发送模块如图10所示，主要使用串口通信芯片SP3232E芯片进行串口的电平转换，电容C1、C2、C3、C4用以提高系统抗干扰性能。当系统检测到有故障发生时，EPS报警灯将会闪烁，提示驾驶员后，由故障诊断仪将故障诊断码通过串口发送到计算机上，以判别故障发生的原因。诊断通信处理电路由故障诊断码发送电路和故障诊断码存储电路组成。

在本实施方式中，还把所述控制器与助力电机集成在同一空腔内；控制器的电路板埋入助力电机的壳体内；且传感器线束在助力电机壳体内部走线，助力电机的正负极与控制器电路板连接，所述助力电机通过导电金属条与控制器电路板连接。

将控制器与助力电机集成在一起，能够使其结构紧凑，化繁为简，减少控制器壳体及相关线束的连接器，降低了成本，提高了抗干扰能力；其次，由于控制器与助力电机集成在一起，可以直接测量电机和控制器温度，提高整个系统保护的准确性和可靠性，使得整个系统（电机和控制器）的可靠性和安全性大大提高。传统控制器由于与电机分开，控制器内部温度与电机温度区别很大，如果不保护，就容易烧电机，如果没有准确的保护或误保护，就容易造成助力变小，客户抱怨。

在一个EPS系统同时采用电源继电器和电机相继电器，且由于采用电机相继电器和控制器电路板与助力电机集中在一个空腔内，把助力电机与控制器连接的线束更改成导电金属条后，能有效防止电机线束由于外力破皮导致的电机短路而出现的电机锁止，造成的转向失效的安全事故，大大提高系统的安全性。

在本发明中由于把控制器集成在助力电机的壳体中，把控制器的电路板直接埋入到助力电机的壳体内，减少了现有控制器中封装电路板壳体，降低了成本。传统EPS的控制器和机械管柱、电机是分离的，电源线，电机线，传感器线，整车信号线都要分别连入控制器，而把控制器电路板埋入到助力电机的壳体中时，传感器线束可以在壳体内部走线（传感器是在EPS减速机壳体中）可以直接焊接到电路板上，而助力电机的正负极可以通过螺钉与控制器的电路板直接连接。这样布置，使得助力电机和传感器线束因此在壳体内，减少由于包装运输过程中和使用过程中由于外力导致线束破皮导致的短路而造成电机锁止及转向失效，减少了电机对外部的干扰，减少了电机线束和传感器线束的连接器，节约了成本。

上述助力电机的正负极通过铜条与控制器电路板连接，并位于助力电机壳体内。能够改善了由于导线意外破皮导致电机正负极短路造成的电机锁止，而造成的不能转动转向盘的安全事故，提高了整个系统的安全性。

再次，在本实施方式中，所述控制器处理传感器检测的信号，并根据汽车转向时是否接收到制动踏板信号实施相应的转向助力控制策略，该控制策略为：

当汽车转向且未接收到制动踏板信号时，汽车电动助力转向系统按照正常模式助力；当汽车转向且接收到制动踏板信号时，汽车电动助力转向系统则调整转向助力。根据制动踏板信号，对制动时的助力电流进行调整，以获得车辆更好的操纵稳定性。

本发明不仅克服了现有汽车EPS转向制动时的助力模式不适合转向制动工况，且克服了以往电磁继电器易烧蚀从而导致整个ECU报废的不足。

在制动时对EPS的操纵稳定性有一定影响，在分析制动对EPS系统中主要稳定性指标的基础上，对制动时的助力电流进行调整，以获得车辆更好的操纵稳定性。当转向且未接收到制动踏板信号时，系统按照正常模式助力；当转向且接收到制动踏板信号时，系统则调整转向助力。

本系统的具体使用方法如下：当发动机开始工作，检测到车辆启动后，此时可以启动EPS进行系统自检，主要检测系统传感器、执行机构是否正常（保证系统正常工作）和蓄电池电压（防止车载蓄电池电量被耗尽，导致车辆不能再次启动）。当检测正常后，系统执行主程序；并在车辆正常行驶过程中，实时检测转矩信号和车辆行驶速度的大小，并将其与ECU中的助力表相比较，选取合适的助力电流来控制助力电机；当ECU接受到制动信号时，对助力电流进行适当的修正，使控制效果达到最佳；当系统在启动时或者在运行过程中检测到故障后，系统停机，转为机械操纵方式，同时故障灯闪烁，此时诊断通信模块将传感器存在的故障以故障诊断码的形式存入E2PROM中，以提示驾驶员进行修理。再将故障诊断码通过串口发到故障诊断仪上，以判别故障发生的原因。

EPS的控制原理和流程如下：

EPS CPU根据检测到的转向盘上的转矩信号和车速信号的变化大小，用来控制助力电机，适时改变其电流大小，以使EPS系统的助力效果达到最佳。工作流程如图11所示。本发明的控制系统是同时适合与管柱助力式和小齿轮助力式的电动助力转向系统。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种汽车电动助力转向控制系统，至少包括传感器、控制器和执行器，所述传感器检测汽车信号，并传输至控制器进行处理，控制器控制执行器执行助力转向，其特征在于，所述执行器包括EPS场效应管继电器驱动模块、电机驱动模块、场效应管继电器和助力电机，所述控制器的输出端通过EPS场效应管继电器驱动模块驱动场效应管继电器，控制器的输出端通过电机驱动模块驱动助力电机。

2.根据权利要求1所述的汽车电动助力转向控制系统，其特征在于，所述控制器与助力电机集成在同一空腔内；控制器的电路板埋入助力电机的壳体内；且传感器线束在助力电机壳体内部走线，助力电机的正负极与控制器电路板连接。

3.根据权利要求2所述的汽车电动助力转向控制系统，其特征在于，所述助力电机通过导电金属条与控制器电路板连接。

4.根据权利要求3所述的汽车电动助力转向控制系统，其特征在于，所述助力电机的正负极通过铜条与控制器电路板连接，并位于助力电机壳体内。

5.根据权利要求1至4任一项所述的汽车电动助力转向控制系统，其特征在于，所述传感器包括用于检测车速的第一速度传感器，用于检测发动机转速的第二速度传感器，用于检测汽车转矩信号的转矩传感器，用于检测制动踏板信号的位置传感器和系统电源电压检测模块。

6.根据权利要求5所述的汽车电动助力转向控制系统，其特征在于，所述控制器处理传感器检测的信号，并根据汽车转向时是否接收到制动踏板信号实施相应的转向助力控制策略，该控制策略为：

当汽车转向且未接收到制动踏板信号时，汽车电动助力转向系统按照正常模式助力；当汽车转向且接收到制动踏板信号时，汽车电动助力转向系统则调整转向助力。

7.根据权利要求5所述的汽车电动助力转向控制系统，其特征在于，所述控制器包括车速信号处理模块、转矩信号处理模块、发动机转速信号处理模块、制动踏板信号处理模块和中央处理器；

所述车速信号处理模块接第一速度传感器的输出端，所述转矩信号处理模块接转矩传感器的输出端，所述发动机转速信号处理模块接第二速度传感器的输出端，所述制动踏板信号处理模块接位置传感器的输出端；所述车速信号处理模块、转矩信号处理模块、发动机转速信号处理模块、制动踏板信号处理模块的输出端均与中央处理器连接。

8.根据权利要求7所述的汽车电动助力转向控制系统，其特征在于，所述系统还包括用于检测助力电机的电流检测模块，所述电流检测模块的输出端接中央处理器。

9.根据权利要求7所述的汽车电动助力转向控制系统，其特征在于，所述系统还包括用于故障报警存储的报警存储模块，所述报警存储模块的输入端接中央处理器。