CN102582678B - 一种具有软件集成监控功能的电动助力转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有软件集成监控功能的电动助力转向系统，其电子控制单元采用了双MCU，其中，主MCU内置控制算法，用于根据传感器信号，计算目标助力矩，控制电机输出相应的助力，完成电子控制单元的基本功能；辅助MCU内置监控算法，用于实时监控主MCU关键算法的运行情况。该电动助力转向系统安全、可靠，并具有较高的性价比。工作时，辅助MCU对电子控制单元中各关键算法模块的运行情况进行实时监控，在关键算法或相关硬件发生故障时，通知主MCU切断助力或关闭发生故障的算法模块，如此，实现了对电子控制单元软件部分的检测和故障保护，从而大大提升了电动助力转向系统的安全性和可靠性。

Description

一种具有软件集成监控功能的电动助力转向系统
技术领域
本发明涉及汽车的电动助力转向系统，尤其涉及一种具有软件集成监控功能的电动助力转向系统。
背景技术
电动助力转向系统(Electric Power Steering，简称EPS)是汽车关键的安全部件，其组成结构如图1所示，包括电动助力装置和机械转向装置两部分，电动助力装置进一步包括扭矩/转角传感器1、车速传感器2、电子控制单元(ECU)3、电机4和减速结构5；机械转向装置包括转向盘6、转向轴7、转向器8、转向横拉杆9和转向轮10。其中，电子控制单元3是整个系统的运算中心，用于根据扭矩/转角传感器1与车速传感器2提供的信号，按照内置的控制算法，决定电机的目标电流，控制电机输出相应的助力矩，帮助驾驶员完成转向。
电动助力转向系统的安全性取决于其各关键子部件的安全性，尤其是电子控制单元3的安全性设计。一个具有良好安全性的电动助力转向系统，要求在系统发生故障或失效时，电子控制单元3能够自动切断助力，使电动助力转向系统处于机械转向模式，以保证驾驶的安全性。
目前，电子控制单元3的安全性设计主要体现在设置硬件看门狗或软件看门狗，以及设置保护继电器等方面，基本思路都是对传感器信号、信号处理电路、MCU(微处理器单元)、电机驱动芯片等电子控制单元3的硬件部分进行一定的监控检测和故障保护，在硬件出现故障的时候，发出警报，并通过软件切断保护继电器，断开电机4与电子控制单元3。而对电子控制单元3的软件或算法本身的检测以及故障保护还没有涉及，这使电子控制单元3在安全性方面的设计尚不够全面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有软件集成监控功能的电动助力转向系统，它安全、可靠，并具有较高的性价比。
为解决上述技术问题，本发明的具有软件集成监控功能的电动助力转向系统，包括电动助力装置和机械转向装置，其中，电动助力装置包括扭矩传感器、转角传感器、车速传感器、电机位置传感器、电子控制单元、电机和减速机构；所述电子控制单元具有双MCU，其中，一个为主MCU，该主MCU内置有控制算法，用于根据前述各传感器的信号，计算系统目标助力矩，并控制电机输出相应助力；另一个为辅助MCU，该辅助MCU内置有监控算法，用于实时监控主MCU的控制算法是否出现故障，并在出现故障时，通知主MCU切断电机助力或终止发生故障的算法。
本发明的电动助力转向系统，利用辅助MCU实时监控主MCU关键算法模块的运行情况，在关键算法或相关硬件发生故障时，通知主MCU切断助力或关闭发生故障的算法模块，如此，便实现了对ECU软件部分的检测和故障保护，与采用单一硬件保护策略的现有电动助力转向系统相比，本发明兼顾了软、硬件两部分的检测和故障保护，从而大大提升了系统的安全性、可靠性以及性价比。
附图说明
图1是现有的电动助力转向的结构图；
图2是本发明的电子控制单元的双MCU结构示意图；
图3是本发明的扭矩信号处理算法监控原理图；
图4是本发明的扭矩信号处理算法监控流程图；
图5是本发明的转角信号处理算法监控原理图；
图6是本发明的转角信号处理算法监控流程图；
图7是本发明的目标助力矩决策算法监控原理图；
图8是本发明的目标助力矩决策算法监控流程图；
图9是本发明的电机电流控制算法监控原理图；
图10是本发明的电机电流控制算法监控流程图。
图中附图标记说明如下：
1：扭矩/转角传感器    2：车速传感器
3：电子控制单元       4：电机
5：减速结构           6：转向盘
7：转向轴             8：转向器
9：转向横拉杆         10：转向轮
具体实施方式
为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合图示的实施方式，详述如下：
本发明的电动助力转向系统，在电子控制单元中使用了两个微处理器单元(MCU)，其中，一个为主MCU，该主MCU内置有控制算法，用于根据电动助力转向系统各传感器提供的信号，计算目标助力矩，控制电机输出相应大小和方向的助力；另一个为辅助MCU，作为安全性芯片，内置有监控算法，用于对主MCU的各个关键的控制算法进行实时监控。
辅助MCU的结构请参阅图2所示，包括扭矩信号处理算法监控模块、转角信号处理算法监控模块、目标助力矩决策算法监控模块以及电机电流控制算法监控模块。四个模块的功能分别说明如下：
1、扭矩信号处理算法监控模块
用于对主MCU控制算法中的扭矩信号处理算法的运行情况进行监控，包括有扭矩信号估算模块、扭矩信号解码模块和扭矩信号比较模块，其监控原理和流程请参见图3和4。
扭矩传感器的两路输出信号(互补且对称)T1、T2，分别输入到主MCU和辅助MCU中。
主MCU根据扭矩信号处理算法，对T1、T2信号解码，计算得到T1、T2各自所对应的扭矩值Thw1、Thw2，然后按照公式Thw＝(Thw1+Thw2)/2，计算出转向盘实际的操纵扭矩Thw，作为力矩控制策略的关键输入。该计算得到的扭矩值Thw通过SPI(高速同步串行口)通讯，传递给辅助MCU。
在辅助MCU中，扭矩信号估算模块根据接收到的扭矩值Thw，反算出初始扭矩信号的估算值T1 *、T2 *。同时，扭矩信号解码模块对扭矩传感器的输出信号T1、T2进行解码，得到初始扭矩信号的实际值T1’、T2’。然后，由扭矩信号比较模块计算出T1 *和T1’的差值，以及T2 *和T2’的差值，并判断这两个差值是否都超过了预先设定的扭矩偏差阈值，若是，则表明主MCU的控制算法与辅助MCU的监控算法的计算结果不匹配，主MCU的扭矩信号处理算法出现了故障，此时，将扭矩信号处理算法监控标志位置1，通知主MCU打开电机相线继电器，切断电机助力；若否，则表明控制算法与监控算法的计算结果匹配，主MCU的扭矩信号处理算法运行正常，此时，将扭矩信号处理算法监控标志位置0，通知主MCU按照目标助力矩控制电机，提供电机助力。
2、转角信号处理算法监控模块
用于对主MCU内置的控制算法中的转角信号处理算法进行监控，包括转角信号估算模块、转角信号解码模块以及转角信号比较模块，其监控原理和流程请参阅图5和6。
转角传感器的两路输出信号(两路信号的检测精度与检测范围不同)A1、A2，分别输入到主MCU与副助MCU中。
主MCU根据转角信号处理算法，对A1、A2信号进行解码，然后根据游标原理计算出转向盘的绝对位置角度Ahw，作为主动回正和主动阻尼控制的关键输入，并通过SPI通讯传递给辅助MCU。
在辅助MCU中，转角信号估算模块根据接收到的绝对位置角度Ahw，反算出初始转角信号的估算值A1 *、A2 *。同时，转角信号解码模块对转角传感器的输出信号A1、A2进行解码，得到初始转角信号的实际值A1’、A2’。然后，转角信号比较模块计算出A1 *和A1’的差值，以及A2 *和A2’的差值，并判断这两个差值是否都超过了预先设定的转角偏差阈值，若是，则表明主MCU的控制算法与辅助MCU的监控算法的计算结果不匹配，主MCU的转角信号处理算法出现了故障，此时，将转角信号处理算法监控标志位置1，通知主MCU关闭主动回正及主动阻尼控制功能；若否，则表明控制算法与监控算法的计算结果匹配，主MCU的转角信号处理算法运行正常，此时，将转角信号处理算法监控标志位置0，通知主MCU按照目标助力矩控制电机，提供电机助力。
3、目标助力矩决策算法监控模块
采用自动代码生成，并采用5ms程序调用周期。该目标助力矩决策算法监控模块进一步包括有助力特性查表模块、主动回正控制模块、主动阻尼控制模块、目标助力矩决策模块以及目标助力矩决策比较模块，用于对主MCU内置的控制算法中的目标助力矩决策算法的运行情况进行监控。其监控原理和流程请参阅图7和8。
车速传感器的车速信号、扭矩传感器的转向盘扭矩信号以及转角传感器的转向盘转角信号，分别输入到主MCU和辅助MCU中。
主MCU根据目标助力矩决策算法(手工编写代码，并采用1ms程序调用周期)，根据预先设计的助力特性曲线，采用查表的方式，确定助力特性。同时，主MCU计算出主动回正控制力矩和主动阻尼控制力矩，并根据或获得的助力特性、回正控制力矩和阻尼控制力矩，计算出目标助力矩Ta。
在辅助MCU中，助力特性查表模块根据预先设计的助力特性曲线，采用查表的方式，确定助力特性。在助力特性曲线的设计上，辅助MCU与主MCU采用了不同的车速断点或断点数量。例如，通常在车速感应型助力特性曲线设计时，会选取8～10个特性车速点作为断点，绘制基准特性曲线，两断点之间的助力特性曲线通过线性差值的方法获得，若主MCU的控制算法中设置了8个断点：0，10，30，60，90，110，140，160，则在辅助MCU的监控算法中可以设置10个断点，并可以选取不同的特性车速点，如：0，5，25，45，80，100，120，135，145，160。
同时，辅助MCU的主动回正控制模块和主动阻尼控制模块分别根据上述各传感器信号，独立地计算出回正控制力矩和阻尼控制力矩。然后，目标助力矩决策模块根据获得的助力特性、回正控制力矩和阻尼控制力矩，计算出目标助力矩Ta*。接着，目标助力矩决策比较模块计算Ta和Ta*的差值，并判断该差值是否超过预先设定的目标助力矩偏差阈值，若是，则表明主MCU的目标助力矩决策算法出现了故障，此时，将目标助力矩决策算法监控标志位置1，通知主MCU打开电机相线继电器，切断电机助力；若否，则表明主MCU的目标助力矩决策算法运行正常，此时，将目标助力矩决策算法监控标志位置0，通知主MCU按照目标助力矩控制电机提供助力。
4、电机电流控制算法监控模块
采用自动代码生成，并采用5ms程序调用周期。该电机电流控制算法监控模块包括有电机目标电流计算模块和电机电流比较模块，用于对主MCU内置的控制算法中的电机电流控制算法的运行情况进行监控，其监控原理和流程请参阅图9和10。
目标助力矩指令及电机位置传感器信号同时分别输入到主MCU和辅助MCU中。
主MCU根据电机电流控制算法(手工编写代码，并采用1ms程序调用周期)，计算出电机目标电流，并将电机目标电流指令输入到主MCU的电机电流PWM(脉冲宽度调制)控制模块，得到PWM控制指令，控制电机驱动硬件电路，使电机输出相应的电流/电机力矩，同时，ECU通过电机电流检测电路，得到实际的电机电流检测值Isense，作为PWM控制模块中PI调节器的反馈输入，形成电机电流的闭环控制，完成电动助力转向功能。
同时，主MCU将该实际电机电流检测值Isense传递给辅助MCU。在辅助MCU中，电机目标电流计算模块根据目标助力矩和电机位置传感器信号，计算出电机目标电流I*，并将其转换为目标电流指令，传递给电机电流比较模块。电机电流比较模块计算电机目标电流I*与电机电流检测值Isense的差值，并判断该差值是否超过预先设定的电机电流偏差阈值，若是，则表明主MCU的电机电流控制算法出现了故障，此时，将电机电流控制监控算法标志位置1，通知主MCU打开电机相线继电器，切断电机助力；若否，则表明主MCU的电机电流控制算法运行正常，此时，将电机电流控制监控算法标志位置0，通知主MCU按照目标助力矩控制电机提供助力。
综上所述，本发明在电子控制单元中设计了双MCU，其中的辅助MCU根据独立的传感器输入信号，进行独立的运算，当主MCU与辅助MCU的运算结果发生偏差时，通过判断偏差值的大小是否超过阈值，来决定电动助力转向系统是否进入故障模式或直接切断电机助力，从而在增加有限的硬件成本的基础上，通过软件监控策略实现了故障保护，从而提高了电动助力转向系统的安全性和性价比。

Claims (3)

1.一种具有软件集成监控功能的电动助力转向系统，包括电动助力装置和机械转向装置，其中，电动助力装置包括扭矩传感器、转角传感器、车速传感器、电机位置传感器、电子控制单元、电机和减速机构；所述电子控制单元包含一主MCU，该主MCU内置有控制算法，用于根据前述各传感器的信号，计算系统目标助力矩，并控制电机输出相应助力；其特征在于：
所述电子控制单元还包含一辅助MCU，该辅助MCU内置有监控算法，用于实时监控主MCU的控制算法是否出现故障，并在出现故障时，通知主MCU切断电机助力或终止发生故障的算法；所述辅助MCU进一步包括：
扭矩信号处理算法监控模块，用于监控主MCU控制算法中的扭矩信号处理算法是否出现故障；所述扭矩信号处理算法监控模块进一步包括扭矩信号估算模块、扭矩信号解码模块和扭矩信号比较模块，扭矩信号估算模块用于根据主MCU计算出的操纵扭矩，反算出初始扭矩信号的估算值；扭矩信号解码模块用于对扭矩传感器的信号进行解码，获得初始扭矩信号的实际值；扭矩信号比较模块用于计算扭矩信号的实际值和估算值的差值，并与预先设定的扭矩偏差阈值进行比较，判断主MCU的扭矩信号处理算法是否发生故障；
转角信号处理算法监控模块，用于监控主MCU控制算法中的转角信号处理算法是否出现故障；所述转角信号处理算法监控模块进一步包括转角信号估算模块、转角信号解码模块以及转角信号比较模块，所述转角信号估算模块用于根据主MCU计算出的转向盘绝对位置角度，反算得到初始转角信号的估算值；所述转角信号解码模块用于对转角传感器信号进行解码，得到初始转角信号的实际值；所述转角信号比较模块用于计算初始转角信号的估算值和实际值的差值，并与预先设定的转角偏差阈值进行比较，判断主MCU的转角信号处理算法是否发生故障；
目标助力矩决策算法监控模块，用于监控主MCU控制算法中的目标助力矩决策算法是否出现故障；所述目标助力矩决策算法监控模块进一步包括助力特性查表模块、主动回正控制模块、主动阻尼控制模块、目标助力矩决策模块以及目标助力矩决策比较模块，所述助力特性查表模块用于根据车速传感器和扭矩传感器信号，以及预先设计的助力特性曲线，确定助力特性；主动回正控制模块和主动阻尼控制模块用于根据车速传感器、扭矩传感器和转角传感器的信号，分别计算回正控制力矩和阻尼控制力矩；目标助力矩决策模块用于根据获得的助力特性、回正控制力矩和阻尼控制力矩，计算出目标助力矩；目标助力矩决策比较模块用于计算主MCU和辅助MCU各自计算出的目标助力矩的差值，并与预先设定的目标助力矩偏差阈值进行比较，判断主MCU的目标助力矩决策算法是否发生故障；
电机电流控制算法监控模块，用于监控主MCU控制算法中的电机电流控制算法是否出现故障；所述电机电流控制算法监控模块进一步包括电机目标电流计算模块和电机电流比较模块，电机目标电流计算模块用于根据目标助力矩指令和电机位置传感器信号，计算电机目标电流，并将其转换为目标电流指令，传送给电机电流比较模块；电机电流比较模块用于计算该电机目标电流与电机电流检测值的差值，并与预先设定的电机电流偏差阈值进行比较，判断主MCU的电机电流控制算法是否发生故障。
2.如权利要求1所述的电动助力转向系统，其特征在于：所述目标助力矩决策算法监控模块采用自动代码生成，且其程序调用周期以及所采用的车速断点或断点数量，与主MCU不同。
3.如权利要求1所述的电动助力转向系统，其特征在于：所述电机电流控制算法监控模块采用自动代码生成，且其程序调用周期与主MCU不同。
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