CN101308383A - 一种电动助力转向控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种汽车用双MCU电动助力转向控制方法和系统，基于现有的EPS控制技术，采用双微处理器MCU的形式，主MCU控制助力电机工作，从MCU监控主MCU的工作状态，当主MCU工作异常，则由从MCU剥夺主MCU的工作权，取而代之控制助力电机正常工作，构成冗余控制方式。具有冗余控制功能的电动助力转向系统可以很好的提高电动转向控制系统的可靠性，有效地提高了汽车驾驶安全性和舒适性。

Description

一种电动助力转向控制方法和系统
技术领域
本发明涉及一种汽车用电动助力转向控制方法和系统，属于汽车领域。
背景技术
转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向性能以及操控稳定性和行驶安全性。汽车助力转向可大幅度减轻驾驶人员的劳动强度，从而有效地提高了汽车驾驶的安全性，随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，电动助力转向控制系统(Electrical Power Steering，简称EPS)越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了中高档轿车应用领域，部分取代了传统液压动力转向系统(Hydraulicpowersteering，简称HPS)。
电动助力转向控制系统EPS通常由转矩传感器、车速传感器、控制单元MCU、助力电机等组成。其基本工作原理是：转矩传感器测得的方向盘转矩信号和车速信号一同送给控制单元MCU，经MCU处理和计算以决定助力电机的转向和助力电流的大小，从而完成转向助力控制。该控制系统必须依靠MCU的有效而精确的工作，如果MCU出现故障，将会给安全驾驶带来严重的后果。中国专利200320118312.X公开了一种具备监控功能的EPS，可以实现对EPS信号采集电路、助力转向电动机以及其驱动电路的监控，以分别对上述监控对象进行保护以及使系统能通过CAN总线收发电路与外界进行通讯交流，并使系统具有故障自诊断能力，及时发出故障警报，提醒驾驶人员注意安全。
但是由于上述系统不具备自复功能，一旦故障，转向系统只能切换成普通无助力的转向形式，要求驾驶员短时间内必须适应高强度、大幅度的转向操作，而人们由于习惯的使然，往往很难做到迅速适应。这给高速行驶带来极大的危险。
发明内容
本发明旨在提供一种具有冗余控制功能的电动助力转向控制系统EPS，能够在MCU工作失效的瞬间，投入取代其工作的热备MCU，实现自复功能，使汽车始终处于电动助力转向状态。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：
一种电动助力转向控制方法，基于现有的EPS控制技术，采用双微处理器MCU的形式，主MCU控制助力电机工作，从MCU监控主MCU的工作状态，当主MCU工作异常，则由从MCU剥夺主MCU的工作权，取而代之控制助力电机正常工作，构成冗余控制方式，算法步骤如下：
(a)初始化主、从MCU及各端口；
(b)主MCU检测其PWM工作是否正常，若PWM工作不正常，主MCU向从MCU发送中断信号，从MCU发出指令，主MCU退出工作，由从MCU取代主MCU对助力电机进行控制；
(c)若PWM工作正常，则由从MCU的I/O口发送检测信号到主MCU，同时将该I/O口设为接收方式；
(d)主MCU的I/O口接收检测信号产生中断，同时将该I/O口设为发送方式，将接收到的检测值发回到从MCU，再将该I/O口设为接收方式；
(e)若从MCU以查询方式接收到主MCU回传的检测值，且回传值正确，则主MCU继续运行，从MCU等待一个时间间隔t后，再向主MCU发送检测信号，重复(c)、(d)、(e)循环；
(f)若从MCU以查询方式未接收到主MCU回传的检测值，或者接收的回传值不正确，则将错误计数器加1；
(g)若错误计数器的数值小于允许连续次数n，则回到步骤(a)初始化主、从MCU及各端口，重新执行后续程序；
(h)若错误计数器的数值大于或等于允许连续次数n，从MCU发出指令，主MCU退出工作，由从MCU取代主MCU对助力电机进行控制。
其中所述的时间间隔t为2s；所述的允许连续次数n为5次。
一种以上述方法工作的电动助力转向控制系统，包括微处理器MCU、助力电机、电机驱动芯片、扭矩传感器、车速传感器、转角传感器、助力电机电流传感器、制动踏板传感器和温度传感器，系统具有两个MCU，一个是主MCU，另一个是从MCU；两个MCU的各自输入通道中5个模数转换器A/D分别与同一个扭矩传感器、转角传感器、助力电机电流传感器、制动踏板传感器和温度传感器相连；两个MCU的各自输入通道中的增强型捕捉定时器ETC分别与同一个车速传感器相连；两个MCU的各自输出通道中的脉宽调制器PWM分别通过数模转换器与同一个电机驱动芯片相连；两个MCU的各自输出通道中的2个输入输出接口I/O分别与同一个电机驱动芯片的控制使能端、电机转向控制端相连；主MCU输出通道中的错误信号输出口与从MCU输入通道中的I/O接口相连；从MCU输出通道中的检测信号输出口、指令输出口分别与主MCU输入通道中的2个I/O接口相连。
其中所述主MCU是MC9S12DT256MPVE芯片，所述从MCU是MC68HC908M芯片，所述电机驱动芯片是MC33035芯片。
由于采用了冗余控制方式，本发明具有以下特点：在不影响现有技术电动助力控制系统安全稳定运行的条件下，加入了一个新的从MCU，从MCU具有两个功能：一是监控主MCU的运行状态，运行是否正常，工作是否稳定，是否出现致命错误；二是取代主MCU的控制地位，一旦从MCU检测到主MCU工作异常，立刻由从MCU代替主MCU行使对电动转向系统的控制。基于以上两点，本系统就可以很好的提高电动转向控制系统的冗余，实现更好更稳定的控制。
附图说明
附图1是本发明电动助力转向控制方法的算法流程图；
附图2是本发明电动助力转向控制系统的方框原理图；
附图3是本发明电动助力转向控制系统实施例主MCU的电气原理图；
附图4是本发明电动助力转向控制系统实施例从MCU的电气原理图；
附图5是本发明电动助力转向控制系统实施例电机驱动芯片的电气原理图；
附图6是本发明电动助力转向控制系统实施例车速转换电气原理图；
附图7是本发明电动助力转向控制系统实施例PWM的D/A转换电气原理图。
具体实施方式
图1所示的算法流程图中，开始初始化主、从MCU以及各端口；由主MCU检测其PWM工作是否正常，如果PWM工作不正常，向从MCU发送中断信号，由从MCU剥夺主MCU对电机的控制权，转由从MCU控制电机，并发送掉电信号让主MCU进入掉电状态。该过程采用外部中断。
如果PWM工作正常，则由从MCU监控主MCU的工作状况：首先由从MCU的I/O口向主MCU发送某一设定的特定值检测信号，同时将该发送I/O口设为接收方式；主MCU的I/O口产生中断，接收到该数据后，将此接收端口改变为发送状态，再将所接收到的检测值发回到从MCU，同时将发送端口又改为接收状态；然后由从MCU以查询方式接收该检测值。
如果从MCU接收到该检测值，且正确，表明主MCU工作正常，则主MCU继续工作，从MCU等待一个时间间隔2s后，再向主MCU发送检测信号，开始下一个检测循环。
如果从MCU在设定的查询时间内无法接收到该检测值，或者接收的检测值不正确，表明主MCU工作异常，将错误计数器加1；如果该计数器值小于5，从MCU指令主MCU复位，再向主MCU发送检测信号，开始下一个检测循环。
当错误计数器值大于或等于5时，表明主MCU已经出现5次差错，则认为主MCU工作不正常，或工作不稳定，这时由从MCU剥夺主MCU对助力电机的控制权，转由从MCU控制电机，并由从MCU发送掉电信号让主MCU进入掉电状态。程序结束。
如图2所示，电动助力转向控制系统由主、从两个微处理器MCU、助力电机、电机驱动芯片、扭矩传感器、车速传感器、转角传感器、助力电机电流传感器、制动踏板传感器和温度传感器构成，主、从MCU分别输入上述6个传感器信号，分别可以向电机驱动芯片输出控制电机方向的信号、控制驱动芯片输入信号使能和对助力电机的PWM驱动信号；主MCU向从MCU输出主MCU错误信号；从MCU向主MCU输出使主MCU进入掉电状态的控制信号和检测信号。
本发明实施例的主MCU采用MC9S12DT256MPVE芯片(见图3)，其输入通道主要有：
PB3-输入从MCU对主MCU的检测信号；
PB5-输入使主MCU进入掉电状态的信号指令；
PT0-捕捉经过LM339比较后得到的扭矩传感器信号，捕捉通道(PT0)捕捉车速传感器信号，通过车速传感器转换模块将正弦波转换为可为单片机捕捉的TTL信号，通过TTL信号的频率来确定车速的快慢(见图6)；
PAD00-输入处理后的电机电流信号，它是电机的电流传感器测量而得到电机电流值相对应的电压大小，将该电压值输入A/D口，变为电流的数字信号；
PAD01-输入器踏板信号，通过可变电阻来测量踏板位置，将测得的可变电阻相应得到的电压值输入该A/D口，得到踏板位置信号
PAD02-输入处理扭矩传感器信号，它是将扭矩传感器得到的电压值输入该端口，将电压变为数字信号，确定扭矩值。
PAD03-输入处理转角传感器信号，它是将测得的转角信号的电压值输入该端口，得到数字信号。
PAD04-输入处理温度传感器信号，将得到的温度电压值转化为数字信号，以供单片机使用。
PAD05-输入处理油门开度信号，其原理同PAD01。其输出通道有：
PB0-输出主MCU错误信号；
PB1-输出控制电机方向的信号；
PB2-输出电机制动信号；
PE0-控制MC33035输入信号使能，从而使输入的PWM使能控制；
PP0-输出对电机的PWM信号，该信号是PWM经由D/A转换而得；
本发明实施例的从MCU采用MC68HC908M芯片(见图4)，其输入通道主要有：
PTA0、PTA1、PTA2、PTA3、PTA4、PTA5-输入电机电流信号，制动器踏板信号、扭矩传感器信号、转角传感器、温度传感器信号、以及油门开度信号，这些信号通过A/D口转换为相应的数字信号；
PTB4-捕捉车速信号，其捕捉方式和主MCU的捕捉通道相同。
IRQ-输入主MCU的故障信号，从MCU通过该中断，剥夺主MCU的控制权，转而由从MCU进行控制。
其输出通道有：
PTC0-输出电机转动方向指令；
PTC1-控制MC33035输入信号使能，从而使输入的PWM使能控制；
PWM1-输出控制电机的模拟信号，该信号是PWM经由D/A转换而得；
PTB3-输出检测信号，以检测主MCU工作是否正常；
PTB5-输出使主MCU进入掉电状态的控制信号，高电平有效；
PTB6-控制主MCU的复位。
本发明实施例的电机驱动芯片采用MC33035芯片(见图5)，它的输入口和一个由LM324组成的D/A转换器(见图7)连接，将PWM转换为相应的模拟信号。
本发明技术的关键是：主、从MCU要进行统一协调的工作，必须解决主、从MCU间的通讯问题，它是整个系统能否良好运行的关键所在，因此下面结合实施例对主、从MCU之间通讯的建立过程作进一步说明：
1.初始化主、从MCU及各端口。其中主MCU的PB0、PB1设为输出，PB3-PB5设为输入，PT0和PT1设为输入捕捉方式，PAD00-PAD05设置为A/D转换方式；从MCU中的PTA0-PTA5设为A/D输入方式，PTB4设为输入捕捉方式，PTB2、PTB3、PTB5、PTB6为I/O输出方式。PTC0和PTC1设为I/O模式下的输出方式。
2.由从MCU的PTB3发送某一设定的特定值检测信号到主MCU的PB3，同时将PTB3设为接收方式；主MCU待PB3产生中断，接收到该数据后，将该端口变为发送状态，再将接收到的检测值发回到从MCU，并将PB3重新改变为接收端口；如果PTB3能以查询方式收到该回传的检测值，则表示主MCU工作正常，从MCU等待一个时间间隔2s后，再向主MCU发送检测信号，开始下一个检测循环。
3.如果PTB3在设定的查询时间内无法接收到高电平，则表示主MCU工作异常，此时将错误计数器加1，将主MCU复位，并重新重复上述循环过程，如果出现5次错误，则认为主MCU工作不正常，或工作不稳定，这时由从MCU剥夺主MCU对电机的控制权，转由从MCU控制电机，并由从MCU发送掉电信号让主MCU进入掉电状态。该过程采用查询方式。
4.当主MCU自己检测到PWM工作不正常的时候，向从MCU的/IRQ发送中断信号，由从MCU剥夺主MCU对电机的控制权，转由从MCU控制电机，并由PTB5发送掉电信号让主MCU进入掉电状态。该过程采用外部中断。
其中上述2、3过程在运行时，需要打开中断，以便当PWM控制电路工作异常时，直接由从MCU剥夺主MCU的电机控制权，实现从MCU对助力电机的控制。

Claims (3)

1.一种电动助力转向控制方法，基于现有的EPS控制技术，其特征在于：它采用双微处理器MCU的形式，主MCU控制助力电机工作，从MCU监控主MCU的工作状态，当主MCU工作异常，则由从MCU剥夺主MCU的工作权，取而代之控制助力电机正常工作，构成冗余控制方式，算法步骤如下：
(a)初始化主、从MCU及各端口；
(b)主MCU检测其PWM工作是否正常，若PWM工作不正常，主MCU向从MCU发送中断信号，从MCU发出指令，主MCU退出工作，由从MCU取代主MCU对助力电机进行控制；
(c)若PWM工作正常，则由从MCU的I/O口发送检测信号到主MCU，同时将该工/O口设为接收方式；
(d)主MCU的I/O口接收检测信号产生中断，同时将该I/O口设为发送方式，将接收到的检测值发回到从MCU，再将该I/O口设为接收方式；
(e)若从MCU以查询方式接收到主MCU回传的检测值，且回传值正确，则主MCU继续运行，从MCU等待一个时间间隔t后，再向主MCU发送检测信号，重复(c)、(d)、(e)循环；
(f)若从MCU以查询方式未接收到主MCU回传的检测值，或者接收的回传值不正确，则将错误计数器加1；
(g)若错误计数器的数值小于允许连续次数n，则回到步骤(a)初始化主、从MCU及各端口，重新执行后续程序；
(h)若错误计数器的数值大于或等于允许连续次数n，从MCU发出指令，主MCU退出工作，由从MCU取代主MCU对助力电机进行控制。
2.如权利要求1所述的电动助力转向控制方法，其特征在于：所述的时间间隔t为2s；所述的允许连续次数n为5次。
3.一种以权利要求1所述方法工作的电动助力转向控制系统，包括微处理器MCU、助力电机、电机驱动芯片、扭矩传感器、车速传感器、转角传感器、助力电机电流传感器、制动踏板传感器、温度传感器和油门开度传感器，其特征在于：系统具有两个MCU，一个是主MCU，另一个是从MCU；两个MCU的各自输入通道中6个模数转换器A/D分别与同一个扭矩传感器、转角传感器、助力电机电流传感器、制动踏板传感器、温度传感器和油门开度传感器相连；两个MCU的各自输入通道中的增强型捕捉定时器ETC分别与同一个车速传感器相连；两个MCU的各自输出通道中的脉宽调制器PWM分别通过数模转换器与同一个电机驱动芯片相连；两个MCU的各自输出通道中的2个输入输出接口I/O分别与同一个电机驱动芯片的控制使能端、电机转向控制端相连；主MCU输出通道中的错误信号输出口与从MCU输入通道中的I/O接口相连；从MCU输出通道中的检测信号输出口、指令输出口分别与主MCU输入通道中的2个I/O接口相连。
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