汽车线控转向系统容错和故障诊断技术.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 26 日 作者简介：刘文婷(1989)，女，汉族，江苏盐城，硕士研究生，研究方向为汽车转向系统。-151-汽车线控转向系统容错和故障诊断技术 刘文婷 博世华域转向系统有限公司，上海 201800 摘要：摘要：故障检测是在线控转向系统中的关键技术，通过信号处理、模型检测和状态估计等方法，及时发现故障并采取相应措施。选择合适的传感器和开发有效的监测算法是实现故障检测的关键。故障恢复策略包括采取紧急停车、转向力矩补偿、警告和指示灯、备用模式以及故障诊断和通信等措施。其策略旨在确保车辆在发生故障时仍能保持安全和可控，提供适当的警告和指导。故障恢复策略的实施需要系统的自动化和人机交互。关键词：关键词：汽车线控转向系统；容错技术；故障诊断；技术 中图分类号：中图分类号：U466 故障检测和故障恢复策略是线控转向系统中的关键技术，旨在确保车辆的安全和可控性。通过使用传感器和监测算法进行故障检测，系统能够及时发现潜在的故障。而故障恢复策略则采取紧急停车、转向力矩补偿等措施，以减少故障对驾驶员和车辆的影响。此策略的目标是保证车辆能够安全停靠、驾驶员能够继续操纵车辆，并通过警告和指示灯向驾驶员提供必要的信息。故障检测和故障恢复策略的应用能够提高车辆的容错性和安全性，为驾驶员提供更可靠的驾驶体验。1 汽车线控转向系统工作原理 汽车线控转向系统是一种现代汽车中常见的转向控制系统，通过电子信号控制车辆的转向动作，提供更精确和灵活的操控性能。该系统的工作始于驾驶员的操纵输入，当驾驶员转动方向盘时，转向角度传感器会检测到方向盘的转动，并将这一信息传送给线控转向系统的控制单元。控制单元接收到转向角度传感器的信号后，会根据驾驶员的操纵输入和车辆的当前状态，制定相应的控制策略。控制策略的目标是实现驾驶员的意图，并确保车辆的稳定性和安全性。通过计算和分析驾驶员的操纵输入以及车辆的动态参数，控制单元可以确定所需的转向力矩和转向角度。根据控制策略的计算结果，控制单元会向电动助力转向装置发送控制信号，电动助力转向装置可以是电动助力转向机构或电动助力转向柱。根据控制信号的要求，电动助力转向装置会施加适当的转向力矩。通过施加转向力矩，电动助力转向装置改变车辆的转向角度。使得车辆能够按照驾驶员的操纵输入进行转向，并实现所需的转向动作。线控转向系统还可以配备反馈控制机制，此机制可以实时监测车辆的转向状态和驾驶员的操纵输入。通过反馈控制，系统可以根据实际情况进行调整，以适应不同的驾驶条件和驾驶员的需求1。2 容错技术 2.1 冗余设计 冗余设计是一种常见的容错技术，通过引入冗余元件或系统来提高线控转向系统的容错性能。冗余设计可以分为硬件冗余和软件冗余两种形式。硬件冗余通常包括冗余传感器、冗余执行器和冗余电源等。在线控转向系统中，冗余传感器的应用是一种常见的冗余设计。例如，在转向角度传感器方面，可以使用多个传感器进行冗余，以确保在一个传感器发生故障时，其他传感器仍能提供准确的转向角度信息。通过比较多个传感器的输出，系统可以检测到传感器故障并采取相应的纠正措施。类似地，冗余执行器和冗余电源的应用也可以提高系统的容错性能。软件冗余是在系统的软件层面进行冗余设计，包括使用多个独立的软件模块进行转向控制，并通过对其输出进行比较来检测和纠正潜在的错误。例如，可以使用多个独立的控制算法进行转向控制，并通过比较此输出来判断是否存在错误或故障。软件冗余设计可以提高系统的可靠性和容错性，确保即使在某个软件模块发生错误时，系统仍能正常运行。冗余设计的优势在于即使在某个元件或系统发生故障时，仍能保持系统的正常运行。通过引入冗余元件或系统，系统可以在故障发生时自动切换到备用元件或系统，从而避免系统的完全失效。对于线控转中国科技期刊数据库 工业 A-152-向系统来说尤为重要，因为转向是驾驶过程中的关键操作，任何转向系统的故障都可能导致严重的安全问题。冗余设计也带来了额外的成本和复杂性，引入冗余元件或系统会增加系统的制造成本和维护成本。冗余设计还需要综合考虑系统的可行性和性能，例如，冗余传感器的使用可能会增加系统的重量和复杂性，对系统的响应速度和精度产生一定的影响。在进行冗余设计时，需要权衡系统的可行性、性能和成本等因素2。2.2 故障检测 故障检测是线控转向系统中另一个重要的容错技术，通过使用传感器和监测算法来检测系统中的故障，并及时采取相应措施。故障检测的目标是尽早发现故障，并防止其进一步影响系统的正常运行。故障检测可以基于多种方法，包括信号处理、模型检测和状态估计等。在信号处理方面，可以对传感器输出信号进行滤波和分析，以检测传感器故障或异常数据。通过对转向角度传感器输出信号进行实时监测和分析，可以识别出与预期值不符的异常情况。例如，如果转向角度传感器输出的信号在短时间内发生剧烈变化或超出了正常范围，系统可以判断出传感器可能存在故障，并采取相应的纠正措施。模型检测是另一种常用的故障检测方法。通过建立系统的数学模型，并将实际系统行为与预期行为进行比较，可以检测出潜在的故障。例如，可以使用系统的动力学模型来预测转向角度的变化，并与实际测量值进行比较。如果实际转向角度与预期值之间存在显著差异，系统可以判断出可能存在转向执行器的故障，并采取相应的纠正措施。状态估计是另一种常见的故障检测方法，通过对系统状态进行估计和监测，来检测潜在的故障。例如，通过比较实际转向角度和预期转向角度之间的差异，可以检测到转向执行器的故障。状态估计可以基于滤波器、卡尔曼滤波器等算法来实现，通过对系统状态进行连续估计和更新，可以及时发现故障并采取相应的措施。故障检测的关键在于选择合适的传感器和开发有效的监测算法，传感器的选择应考虑其精度、可靠性和适应性等因素，以确保能够准确地获取系统状态信息。监测算法的开发需要综合考虑系统的特性和故障模式，以实现准确、可靠的故障检测3。2.3 故障恢复策略 故障恢复策略是在线控转向系统中的一项重要措施，旨在当发生故障时采取适当的措施，以确保车辆仍能保持安全和可控。紧急停车，当系统检测到严重故障时，可以自动触发紧急停车机制，将车辆安全停靠在道路边缘，以避免潜在的危险。可以通过刹车系统和电子控制单元的协同工作来实现，确保车辆停止在安全位置。转向力矩补偿，在某些故障情况下，转向力矩可能会受到影响，导致驾驶员操纵困难。为了解决此问题，系统可以通过增加或减少转向力矩来补偿故障，以确保驾驶员能够继续操纵车辆。可以通过电动助力转向系统的调整来实现，确保驾驶员能够感受到适当的转向力矩。警告和指示灯，当系统检测到故障时，可以通过仪表盘上的警告灯或显示屏上的提示信息向驾驶员发出警告。可以提醒驾驶员注意故障，并采取相应的措施。警告信息可以包括故障类型、建议的操作和联系维修人员的方式，以帮助驾驶员应对故障情况。备用模式，在某些故障情况下，系统可以切换到备用模式，以保证车辆的基本转向功能。例如，当转向助力系统发生故障时，系统可以切换到手动转向模式，需要驾驶员用更大的力来操纵方向盘，但仍能保持基本的转向能力，其可以确保车辆在故障发生时仍能够安全驾驶。故障诊断和通信，线控转向系统可以配备故障诊断功能，通过与车辆的诊断接口进行通信，将故障信息传输给维修人员。可以加快故障排除的过程，减少维修时间。故障诊断功能可以通过车辆的诊断接口和故障码来实现，确保故障能够及时被检测和解决4。3 故障诊断技术 3.1 传感器故障诊断 传感器在汽车线控转向系统中扮演着关键的角色，用于检测车辆的转向角度、转向助力和转向速度等信息。传感器的故障可能会导致系统性能下降或完全失效，为了解决其问题，故障诊断技术可以用于检测和诊断传感器故障。传感器故障诊断的方法可以基于多种技术，包括信号处理、模型检测和统计分析等。通过对传感器输出信号进行滤波和分析，可以检测到传感器故障或异常数据。传感器输出的信号可能会受到噪声、干扰或传感器本身的故障影响，因此需要进行信号处理来提取有效的信息。通过滤波和分析传感中国科技期刊数据库 工业 A-153-器输出信号的特征，可以检测到传感器故障的存在。模型检测技术可以比较实际传感器输出与预期输出之间的差异，以检测潜在的传感器故障。通过建立系统的数学模型，并将实际传感器输出与模型进行比较，可以判断传感器是否正常工作。如果实际输出与模型之间存在显著差异，系统可以判断出传感器可能存在故障，并采取相应的纠正措施。一种常见的传感器故障诊断方法是基于冗余传感器的比较，通过使用多个独立的传感器进行冗余设计，可以比较其输出并检测到故障。如果多个传感器的输出不一致，系统可以判断出传感器可能存在故障，并采取相应的纠正措施，例如切换到备用传感器或发出警报。传感器故障诊断技术的优势在于能够及时发现传感器故障，并采取适当的措施来保证系统的可靠性和安全性。通过对传感器输出信号进行滤波和分析、使用模型检测技术以及基于冗余传感器的比较，可以提高传感器故障诊断的准确性和可靠性。3.2 执行器故障诊断 执行器故障诊断在汽车线控转向系统中扮演着重要的角色。执行器负责转动车辆的转向机构，以实现驾驶员的操纵输入。执行器的故障可能会导致转向力矩不准确或无法提供足够的转向力矩，影响车辆的操控性能。因此，执行器故障诊断技术的应用至关重要。执行器故障诊断的方法可以包括监测执行器的输出信号、比较实际执行器行为与预期行为之间的差异，以及使用模型检测和状态估计等技术。通过监测执行器的输出信号，可以检测到执行器故障或异常行为。例如，通过比较实际转向角度和预期转向角度之间的差异，可以判断是否存在执行器故障。如果差异超过预定阈值，系统可以发出警报并采取相应的纠正措施。模型检测技术可以用于比较实际执行器行为与预期行为之间的差异，通过建立系统的数学模型，并将实际执行器行为与模型进行比较，可以检测到执行器故障。如果实际行为与模型之间存在显著差异，系统可以判断出可能存在执行器故障，并采取相应的措施进行修复或替换。状态估计技术可以通过对系统状态进行估计和监测，来检测潜在的执行器故障。例如，通过比较实际转向力矩和预期转向力矩之间的差异，可以检测到执行器的故障。如果差异超过设定的阈值，系统可以发出警报并采取适当的措施。执行器故障诊断技术的优势在于能够及时发现执行器故障，并采取适当的措施来保证系统的可靠性和安全性。通过实时监测执行器的输出信号、比较实际行为与预期行为之间的差异，以及使用模型检测和状态估计等技术，可以提高故障诊断的准确性和可靠性5。3.3 故障诊断系统 为了实现有效的故障诊断，汽车线控转向系统通常配备了专门的故障诊断系统。故障诊断系统由传感器、控制单元和诊断算法组成，用于监测和分析系统的状态和信号，并诊断潜在的故障。故障诊断系统的关键组成部分是控制单元，其负责接收传感器的输入信号，并根据预先定义的诊断算法进行故障诊断。控制单元可以使用模型检测、统计分析和人工智能等技术来实现故障诊断。诊断算法是故障诊断系统的核心，基于系统的模型和故障特征，通过分析传感器信号和执行器行为，来判断系统是否存在故障。诊断算法可以使用规则基础的方法、模型基础的方法或机器学习方法来实现。故障诊断系统还可以与车辆的诊断接口进行通信，将故障信息传输给维修人员。可以加快故障排除的过程，减少维修时间。自适应故障诊断，故障诊断系统可以根据实际运行情况和环境变化进行自适应调整。通过实时监测系统的性能和故障特征，系统可以自动调整诊断算法和参数，以提高故障诊断的准确性和可靠性。数据融合，故障诊断系统可以通过融合多个传感器的数据来提高故障诊断的准确性。通过将不同传感器的输出进行融合和分析，可以更准确地判断系统是否存在故障，并提供更可靠的诊断结果。远程诊断，故障诊断系统可以与车辆的远程监控系统或云平台进行连接，实现远程诊断和监测。可以及时获取车辆的故障信息，并远程指导维修人员进行故障排除，从而减少维修时间和成本。4 结语 故障检测和故障恢复策略在在线控转向系统中扮演着重要的角色，为车辆的安全和可控性提供了关键的保障。通过使用传感器和监测算法进行故障检测，系统能够及时发现潜在的故障，从而采取相应的措施。而故障恢复策略通过紧急停车、转向力矩补偿等措施，减少故障对驾驶员和车辆的影响，确保驾驶员能够继续操纵车辆并保持安全。此技术的应用提高了车辆的中国科技期刊数据库 工业 A-154-容错性和安全性，为驾驶员提供了更可靠的驾驶体验。在未来，随着技术的不断发展，故障检测和故障恢复策略将继续演进，为车辆的安全性和可靠性带来更大的提升。参考文献 1王志民.四轮独立驱动电动汽车线控转向系统容错控制研究D.南京:江苏大学,2022.2张伟旗.汽车转向系统常见故障诊断及维修技术研究J.汽车零部件,2017,(10):72-76.3 于 蕾 艳.汽 车 线 控 转 向 系 统 容 错 和 故 障 诊 断 技 术 综 述 J.重 庆 交 通 大 学 学 报(自 然 科 学版),2015,34(05):165-169.4姜国彬.汽车线控转向系统故障诊断方法研究D.长春:吉林大学,2009.5张萍.汽车线控转向系统容错控制方法研究D.长春:吉林大学,2008.