一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置的製作方法
2023-05-20 15:36:41
專利名稱：一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種車輛故障模擬裝置，特別是關於ー種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置。
背景技術：
對於傳統的液壓助力轉向系統而言，汽車電動助力轉向系統(EPS)依靠電機提供助力，具有助力特性可變、節省能源和結構簡單等優點，在中小型汽車領域正逐漸取代傳統的液壓助力轉向系統。EPS主要由控制器、轉矩傳感器、電機、減速器、機械轉向系統等構成。作為汽車轉向的控制裝置，汽車電動助力轉向系統的控制器(EPS控制器)除了控制電機提 供轉向助力的功能外，還比須同時具備故障診斷功能，以便在系統發生異常時，能夠做出正確的響應，確保行車安全。現在一般通過在實車試驗中人為製造故障來驗證EPS控制器的故障診斷功能。這種研發方式不但需要人力、物力的投入，而且有些危險故障因其難度較大很難實現實車模擬。因此有必要開發ー種能夠方便地產生故障信號的模擬裝置，藉助該模擬裝置，驗證EPS控制器對各種故障信號的響應，以檢查控制器的故障診斷功能。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠在仿真環境下，模擬EPS可能遇到的各種故障，進而檢驗EPS控制器的故障診斷功能的汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案ー種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，包括人機界面模塊、故障信號生成模塊和故障信號輸出模塊，其特徵在幹人機界面模塊包括矩陣鍵盤和顯示設備；故障信號生成模塊包括內置有故障信號模擬軟體的單片機；故障信號輸出模塊包括轉矩故障信號輸出電路、車速和發動機轉速故障信號輸出電路、電機故障輸出電路、控制器異常電壓輸出電路和EUC接ロ電路；矩陣鍵盤和顯示設備連接單片機；單片機的輸出端連接轉矩故障信號輸出電路和車速和發動機轉速故障信號輸出電路的輸入端，將故障信號模擬軟體生成的故障信號輸出給轉矩故障信號輸出電路和車速和發動機轉速故障信號輸出電路；轉矩故障信號輸出電路、車速和發動機轉速故障信號輸出電路、電機故障輸出電路和控制器異常電壓輸出電路的輸出端通過EUC接ロ電路連接ー汽車電動助力轉向系統的控制器。上述轉矩故障信號輸出電路包括數模轉換器和運算放大器，將單片機輸出的數字主、副扭矩故障信號轉換成相應的模擬信號，放大後輸出。上述車速和發動機轉速故障信號輸出電路包括兩晶體三極體，兩晶體三極體分別放大單片機輸出的兩路方波信號功率，使其與實車產生的車速信號和發動機轉速信號相同後輸出。上述電機故障輸出電路通過在汽車電動助力轉向系統的電機高端接ロ接入兩繼電器，在電機低端接ロ接入兩繼電器，以及在電機與EPS控制器的電機高、低端接ロ之間的迴路上串聯接入ー繼電器構成。上述控制器異常電壓輸出電路包括電位器和運算放大器，通過用戶調節電位器輸出指定的異常電壓信號。上述控制器異常電壓輸出電路的輸出端在通過EUC接ロ電路連接汽車電動助力 轉向系統控制器的模數採集端ロ的同時，還連接單片機。本發明由於採取上述技術方案，具有以下優點1、本發明由於採用內置故障模擬軟體程序的單片機，根據用戶輸入的指令產生多種故障信號，模擬EPS系統可能遇到的故障，因此可以在仿真環境下，方便地進行EPS控制器故障診斷程序的開發和故障響應測試，從而能夠降低開發成本，高效地評估EPS在遇到故障時的可靠性和安全性。2、本發明由於採用低耦合的模塊化設計，可以根據需要再在故障信號輸出模塊中添設新的電路，配以相應的單片機程序模擬新的故障，因此具有較強的拓展能力。本發明可以廣泛用於汽車電動助力轉向系統的測試和研發。
圖I是本發明的組成示意2是本發明的矩陣鍵盤電路示意3是本發明的轉矩故障信號輸出電路示意4是本發明的車速和發動機轉速故障信號輸出電路的晶體三級管示意5為本發明的電機故障輸出電路示意6為本發明的控制器異常電壓輸出電路示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖I所不,本發明包括一人機界面模塊、一故障信號生成模塊和一故障信號輸出模塊。人機界面模塊包括矩陣鍵盤和顯示設備，故障信號生成模塊包括一內置有故障信號模擬軟體的單片機，故障信號輸出模塊包括ー轉矩故障信號輸出電路、一車速和發動機轉速故障信號輸出電路、ー電機故障輸出電路、一控制器異常電壓輸出電路和一EUC (Electronic Control Unit 電子控制單兀)接 ロ 電路。如圖I所示，用戶通過人機界面模塊實現對本發明的控制。人機界面模塊的矩陣鍵盤和顯示設備分別與故障信號生成模塊單片機的端ロ連接。由於本發明的模擬故障種類較多，而單片機的管腳數量有限，因此採用矩陣鍵盤。用戶通過矩陣鍵盤按鍵輸入指令，每按下ー個按鍵，單片機通過內置的故障信號模擬軟體程序，生成相應的故障信號。本實施例中，矩陣鍵盤由5行5列25個按鍵SWl SW25構成，對應於單片機的10個管腳(如圖2所示)，實際使用時，按鍵的數目可以根據需要模擬的故障種類數量而改變。圖中Rl R5為上拉電阻，Cl C25為電容，用以消除按鍵觸點閉合過程中的電平抖動，VCC為電源。矩陣鍵盤按鍵的識別方法如下①將行信號線ROWO R0W4全部置為低電平，檢查列信號線COLO C0L4是否均為高電平如果列信號線COLO C0L4均為高電平，表明沒有按鍵按下，返回步驟①；
如果列信號線COLO C0L4中有低電平，表明有按鍵被按下，進入步驟②；②將行信號線ROWO R0W4依次置為低電平，當某一行信號線為低電平，檢測到某一列信號線也為低電平時，確定該行信號線和列信號線交叉處的按鍵被按下。故障模擬的結果，各種信號的電壓和頻率，如轉矩傳感器故障信號的電壓，車速和發動機轉速故障信號的頻率，以及故障測試時間和故障測試狀態等信息均可以通過顯示設備顯示。如圖I所示，除了連接矩陣鍵盤和顯示設備，故障信號生成模塊中的單片機還連接故障信號輸出模塊中的轉矩故障信號輸出電路，以及車速和發動機轉速故障信號輸出電路的輸入端。單片機根據用戶輸入的指令，通過內置的故障模擬軟體程序生成數字故障信號，輸出給轉矩故障信號輸出電路，以及車速和發動機轉速故障信號輸出電路。如圖3所示，轉矩故障信號輸出電路的輸入端連接單片機，輸出端通過EUC接ロ電路連接EPS控制器。轉矩故障信號輸出電路通過數模轉換器和運算放大器，將單片機生成 的數字主、副扭矩故障信號轉換成相應的模擬信號後放大，輸出給EPS控制器。本實施例中，單片機通過其SPI接ロ與轉矩故障信號輸出電路中的一雙路數模轉換器通信連接，雙路數模轉換器同步輸出主、副扭矩故障信號，故障信號可以是各種波形。為模擬轉矩傳感器的電源短路故障，這兩路故障信號的最大值應當能夠達到蓄電池的供電電壓。由於數模轉換器的輸出電壓最高為5V，因此當蓄電池的供電電壓為12V時，需要採用兩同相比例運算放大器將雙路數模轉換器的兩輸出信號分別放大2. 4倍。如圖4所示，車速和發動機轉速故障信號輸出電路的兩個輸入端連接單片機，兩個輸出端通過EUC接ロ電路連接EPS控制器。車速和發動機轉速故障信號輸出電路將單片機生成的兩路方波信號功率放大，使其與實車產生的車速信號和發動機轉速信號相同，輸出給EPS控制器。本實施例中，單片機可以通過其內部定時器中斷生成兩路不同頻率的方波信號。由於方波信號的電壓範圍為O 5V，而單片機管腳的驅動能力有限，因此兩路方波信號需各經過一晶體三極體放大後提供給EPS控制器。兩電晶體結構相同，圖4中所示為兩晶體三極體中的ー個，其中Rll和R12用於設置晶體三極體的偏置電流，R13為上拉電阻，+BB_EPS為EPS控制器電源。如圖5所示，電機故障輸出電路包括一組繼電器，通過其觸點的開合模擬電機故障。電機故障輸出電路通過在汽車電動助力轉向系統的電機高端接ロ接入兩繼電器K2和K3，在電機低端接ロ接入兩繼電器K4和K5，以及在電機與EPS控制器的電機高、低端接ロ之間的迴路上串聯接入一繼電器Kl構成。本實施例中，通過以下Kl K5觸點的開合，模擬
三種故障①閉合K2或K4，模擬電機的H橋高端場效應管對電源短路故障；②閉合K2和K3或閉合K4和K5，模擬電機的H橋低端場效應管對地短路故障；③斷開Kl，模擬電機斷路故障。圖中R21和R22用於模擬電機故障時,將電機故障輸出電路中的電流限制於安全範圍內。汽車電動助力轉向系統的電機的高、低端接ロ通過EUC接ロ電路對應連接EPS控制器的電機高、低端接ロ，構成迴路。如圖6所示，控制器異常電壓輸出電路包括電位器和運算放大器。控制器異常電壓輸出電路通過用戶調整電位器的阻值，輸出指定的異常電壓信號，該信號通過運算放大器放大後，一方面輸出給單片機，以供用戶通過顯示終端檢查異常電壓信號是否符合預定要求，另ー方面通過EUC接ロ電路傳遞給EPS控制器的模數採集端ロ，以實現EPS控制器模數採集故障和EPS控制器繼電器觸點故障模擬。圖中所示R31、R32、R33為電阻，VCC為電源。如圖I所示，EUC接ロ電路的輸出端連接EPS控制器，在將故障信號傳送給EPS控制器的同吋，還獲取EPS控制器的電源支持。上述實施例中，還可以在故障信號輸出模塊中添設新的電路單元，配以相應的單片機故障信號模擬軟體程序，以模擬新的故障。上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部 件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。
權利要求
1.一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，包括人機界面模塊、故障信號生成模塊和故障信號輸出模塊，其特徵在於所述人機界面模塊包括矩陣鍵盤和顯示設備；所述故障信號生成模塊包括內置有故障信號模擬軟體的單片機；所述故障信號輸出模塊包括轉矩故障信號輸出電路、車速和發動機轉速故障信號輸出電路、電機故障輸出電路、控制器異常電壓輸出電路和EUC接口電路； 所述矩陣鍵盤和所述顯示設備連接所述單片機； 所述單片機的輸出端連接所述轉矩故障信號輸出電路和所述車速和發動機轉速故障信號輸出電路的輸入端，將所述故障信號模擬軟體生成的故障信號輸出給所述轉矩故障信號輸出電路和所述車速和發動機轉速故障信號輸出電路； 所述轉矩故障信號輸出電路、車速和發動機轉速故障信號輸出電路、電機故障輸出電路和控制器異常電壓輸出電路的輸出端通過所述EUC接口電路連接一汽車電動助力轉向系統的控制器。
2.如權利要求I所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述轉矩故障信號輸出電路包括數模轉換器和運算放大器，將所述單片機輸出的數字主、副扭矩故障信號轉換成相應的模擬信號，放大後輸出。
3.如權利要求I所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述車速和發動機轉速故障信號輸出電路包括兩晶體三極體，兩所述晶體三極體分別放大所述單片機輸出的兩路方波信號功率，使其與實車產生的車速信號和發動機轉速信號相同後輸出。
4.如權利要求2所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述車速和發動機轉速故障信號輸出電路包括兩晶體三極體，兩所述晶體三極體分別放大所述單片機輸出的兩路方波信號功率，使其與實車產生的車速信號和發動機轉速信號相同後輸出。
5.如權利要求I或2或3或4所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述電機故障輸出電路通過在所述汽車電動助力轉向系統的電機高端接口接入兩繼電器，在電機低端接口接入兩繼電器，以及在所述電機與所述EPS控制器的電機高、低端接口之間的迴路上串聯接入一繼電器構成。
6.如權利要求I或2或3或4所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述控制器異常電壓輸出電路包括電位器和運算放大器，通過用戶調節所述電位器輸出指定的異常電壓信號。
7.如權利要求5所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述控制器異常電壓輸出電路包括電位器和運算放大器，通過用戶調節所述電位器輸出指定的異常電壓信號。
8.如權利要求I或2或3或4或7所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述控制器異常電壓輸出電路的輸出端在通過所述EUC接口電路連接所述汽車電動助力轉向系統控制器的模數採集埠的同時，還連接所述單片機。
9.如權利要求5所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述控制器異常電壓輸出電路的輸出端在通過所述EUC接口電路連接所述汽車電動助力轉向系統控制器的模數採集埠的同時，還連接所述單片機。
10.如權利要求6所述的一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，其特徵在於所述控制器異常電壓輸出電路的輸出端在通過所述EUC接口電路連接所述汽車電動助力轉向系統控制器的模數採集埠的同時，還連接所述單片機。
全文摘要
一種汽車電動助力轉向系統故障模擬裝置，它包括人機界面模塊、故障信號生成模塊和故障信號輸出模塊。其中，人機界面模塊包括矩陣鍵盤和顯示設備，故障信號生成模塊包括內置有故障信號模擬軟體的單片機，故障信號輸出模塊包括轉矩故障信號輸出電路、車速和發動機轉速故障信號輸出電路、電機故障輸出電路、控制器異常電壓輸出電路，分別放大單片機通過軟體生成的故障信號，或完成繼電器觸點開合動作，以模擬汽車電動助力轉向系統EPS可能遇到的各種故障，並將相應的結果通過一EUC接口電路輸出給EPS控制器。本發明可以用於仿真模擬EPS可能遇到的各種故障，進行EPS控制器故障診斷程序的開發和故障響應測試，評估EPS在遇到故障時的可靠性和安全性。
文檔編號G05B23/02GK102662394SQ20121014103
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月8日 優先權日2012年5月8日
發明者劉亞輝, 呂榮華, 姜殿鑫, 季學武, 朱盡崎 申請人:武漢捷隆汽車電動轉向系統有限公司, 清華大學