乘用车双电机冗余电动助力转向系统研究

一、引言

电动助力转向系统（EPS）是一种先进的汽车转向技术，它通过电动机提供助力，使驾驶更加轻松和精准。然而，随着自动驾驶技术的发展，对转向系统的可靠性和安全性提出了更高的要求。传统的单电机 EPS 系统在电机或控制器故障时会导致转向功能失效，从而危及行车安全。因此，研究双电机冗余电动助力转向系统具有重要的现实意义。

二、双电机冗余电动助力转向系统结构

双电机冗余电动助力转向系统是一种先进的汽车转向技术，其主要组成部分及功能如下：

两个独立的电动助力单元：这两个单元分别安装在转向轴的两侧，通过高精度的齿轮传动机构与转向轴相连。每个单元都包含一个高效电动机和一个精密减速器，能够独立地为转向系统提供助力。这种设计不仅提高了系统的可靠性，还增强了转向的灵活性和响应速度。

转向轴与扭矩传感器：转向轴是整个系统的核心部件，负责传递驾驶员的转向指令。扭矩传感器安装在转向轴上，能够实时监测驾驶员的转向意图和转向力矩。这一传感器的高精度测量功能为控制器提供了准确的输入信号，确保系统能够精准地响应驾驶员的操作。

控制器：控制器是系统的“大脑”，它根据扭矩传感器的信号以及车辆的行驶状态（如车速、路况等），智能地控制两个电动助力单元的输出力矩。这种动态调整机制能够实现最佳的转向性能，无论是在低速停车时的轻便性，还是在高速行驶时的稳定性，都能得到很好的平衡。

故障诊断模块：故障诊断模块是系统的安全保障。它能够实时监测系统的运行状态，及时发现并处理潜在的故障。一旦检测到异常，系统会迅速采取措施，如切换到备用助力单元，确保转向系统的安全性和可靠性，为驾驶员提供持续的转向支持。

这种双电机冗余设计不仅提高了系统的可靠性和安全性，还通过智能控制和故障诊断功能，显著提升了驾驶体验和车辆的操控性能。

三、双电机冗余电动助力转向系统控制策略

（一）正常工作状态下的协同控制

在正常工作状态下，两个电动助力单元紧密协同工作，共同承担转向助力任务。这种协同工作模式不仅提高了系统的可靠性，还增强了转向的平顺性和响应速度。

控制器实时接收车辆的行驶速度、转向角度以及扭矩传感器的信号。这些信号经过复杂的算法处理后，计算出所需的总助力力矩。

计算出的总助力力矩会根据两个电动助力单元的性能和工况，合理分配给两个电动助力单元。这种动态分配机制确保了转向助力的均匀性和高效性。

（二）故障检测与反馈机制

故障诊断模块是系统的“安全卫士”，能够实时监测两个电动助力单元的运行状态。一旦检测到故障，故障诊断模块会立即发出警报，并将详细的故障信息反馈给控制器。

故障信息包括故障类型（如电动机故障、减速器故障等）和严重程度（轻微故障或严重故障）。这些信息为控制器提供了准确的决策依据。

（三）故障应对与反馈机制

控制器接收到故障信息后，会根据故障类型和严重程度，迅速调整另一个电动助力单元的输出力矩。这种动态调整机制确保了转向功能的正常运行，即使在部分故障的情况下也能维持车辆的操控性。

例如，当一个电动助力单元的电动机出现故障时，控制器会立即将全部助力任务分配给另一个电动助力单元，并通过调整其输出力矩来补偿故障电动助力单元的缺失。这种快速切换和补偿机制确保了转向系统的连续性和安全性。

（四）优化与持续改进

控制策略不仅在故障发生时发挥作用，还在正常运行时不断优化。控制器会根据实时数据和历史数据，持续调整控制算法，以适应不同的驾驶条件和车辆状态。

这种优化机制不仅提高了系统的性能，还延长了系统的使用寿命，确保双电机冗余电动助力转向系统在各种复杂工况下都能稳定运行。

通过这种精心设计的控制策略，双电机冗余电动助力转向系统不仅在正常工作时表现出色，还能在故障发生时迅速应对，确保驾驶安全和操控性能。

四、双电机冗余电动助力转向系统故障诊断方法

（一）实时监测系统状态

故障诊断模块通过监测关键参数，以及扭矩传感器的信号，全面评估系统是否正常运行。这些参数的实时监测为故障诊断提供了丰富的数据支持。

（二）异常信号检测与诊断

当检测到异常信号时，故障诊断模块会根据预设的故障诊断算法，快速确定故障类型和位置。这些算法经过精心设计，能够准确识别各种常见故障，如电动机故障、控制器故障、扭矩传感器故障以及通信故障等。

（三）故障信息传递与处理

故障诊断模块将检测到的故障信息及时发送给控制器。控制器根据故障信息的严重程度和类型，采取相应的措施。例如，切换到备用电动助力单元、调整输出力矩或进入安全模式等。这些措施确保了系统在故障发生时仍能安全运行。

（四）针对不同故障的诊断方法

对于电动机故障，故障诊断模块通过监测电动机的电流和温度变化来判断。例如，电流异常升高或温度过高可能表明电动机过载或短路。

对于扭矩传感器故障，故障诊断模块通过对比扭矩传感器的信号与实际转向力矩的差异来判断。如果传感器信号与实际值偏差过大，可能表明传感器故障。

对于控制器故障，故障诊断模块通过监测控制器的输出信号和通信状态来判断。例如，输出信号异常或通信中断可能表明控制器故障。

对于通信故障，故障诊断模块通过监测系统内部的通信链路状态来判断。例如，数据传输错误或通信中断可能表明通信链路故障。

（五）持续优化与改进

故障诊断模块不仅在故障发生时发挥作用，还在正常运行时不断优化诊断算法。通过分析历史数据和实时数据，故障诊断模块能够不断改进诊断的准确性和效率，进一步提升系统的可靠性和安全性。

通过这些功能，故障诊断模块在双电机冗余电动助力转向系统中发挥了关键作用，确保了系统的高效运行和驾驶安全。

五、双电机冗余电动助力转向系统性能仿真与实验验证

为了验证双电机冗余电动助力转向系统的性能，本文通过仿真和实验进行了验证。在仿真阶段，建立了系统的数学模型，并在 MATLAB/Simulink 环境下进行了仿真分析。仿真结果表明，在正常工作状态下，两个电动助力单元能够协同工作，实现良好的转向性能。当一个电动助力单元发生故障时，系统能够快速切换到另一个电动助力单元，并保持稳定的转向性能。在实验阶段，搭建了双电机冗余电动助力转向系统的实验平台，并进行了实际测试。实验结果与仿真结果一致，进一步验证了系统的有效性和可靠性。

六、结论

本文研究了一种双电机冗余电动助力转向系统，通过分析其结构、控制策略和故障诊断方法，验证了其在提高转向系统可靠性和安全性方面的优势。研究结果表明，该系统能够在单电机故障时无缝切换，保证转向功能的正常运行，为自动驾驶技术的发展提供了有力的支持。未来，随着技术的不断进步，双电机冗余电动助力转向系统有望在更多乘用车中得到应用，为汽车行驶安全和舒适性提供更有力的保障。

参考文献

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