CN103628992A

CN103628992A - 一种容错电子油门系统

Info

Publication number: CN103628992A
Application number: CN201310626429.7A
Authority: CN
Inventors: 张凤登; 陈兴隆; 于明慧
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明涉及一种容错电子油门系统，位于汽车电子油门踏板和电子节气门之间，电子油门踏板位置传感器直接与踏板相连接，该传感器的输出位置信号进入踏板位置传感器信号检测单元的3个复制确定性故障抑制单元，得到正确的踏板位置信号以报文形式发送到双通道FlexRay总线上，油门容错单元读取FlexRay总线上的报文，计算分析并控制电子节气门的开合程度，进而达到控制油门的目的。本发明能够容忍任一通信系统、容错单元中的任一故障抑制单元和三模冗余电子节气门驱动执行器中的任一马达的随机失效，提高了电子化油门系统的容错能力和汽车的安全运行能力，促进汽车电子技术的发展。

Description

一种容错电子油门系统

技术领域

本发明涉及一种汽车电子技术，特别涉及一种容错电子油门系统。

背景技术

自从1886年1月26日，德国人发明的第一辆三轮汽车问世以来，汽车工业飞速发展，人们对这种交通工具的依赖性越来越强，汽车已经成为人们日常生活中的代步工具。汽车不仅对人们的日常生活，对社会的经济也产生着非常重要的直接影响，汽车已经被认为是一个国家工业化水平高低的重要标志。随着时代的进步，科学技术的发展，人类对于汽车性能的要求在日益提高，除了满足人们的基本使用要求之外，人们对于汽车的节能、环保、安全性、舒适性等方面提出了更高标准的要求，其中油门系统有着不言而喻的重要性。

早期的机械式油门，加速踏板与节气门阀片是通过拉线机械连杆连接在一起的，通过踏板直接控制节气门的开度，它不能实现对节气门开度的自动控制，而是严格服从驾驶员意图及其操作，早期的机械式节气门结构比较简单，没有传感器装置.随着电子技术和传感器技术的发展，为了实现对发动机的综合控制，在机械式油门上加装了节气门位置传感器，将节气门开度信号传递给发动机控制单元。目前车辆上使用的机械式节气门基本上都装有这种节气门位置传感器，老式的机械连接节气门已经逐步被淘汰。

电子油门取消了传统加速踏板与节气门阀片之间的拉线连接，采用电机或执行器驱动节气门。驾驶者的意图通过加速踏板位置传感器传送给发动机或动力系统的电控单元ECU。ECU发出指令给节气门驱动执行器，实现对节气门开度的控制，这种控制方式是间接的，即电子节气门。

电子节气门在国外发展较早，已有多年的历史，产品已大规模投入市场电子节气门作为发动机进气控制系统的下一代产品，国外的研究试验得到发展，并日趋成熟。电子节气门在控制策略上由先前的线性控制到现在的非线性控制；驱动由步进电机到直流电机；从先前单一提高驾驶性能到现在为提高发动机的经济性、排放性及乘驾舒适性等多项综合性能。

国内近年来在捷达、宝来、波罗等轿车上广泛采用了引进的电子油门。但对于引进的电子油门只是处于使用阶段，对其核心技术知之甚少。国内的电子油门控制系统的研究远远落后于国外，只有关于电子油门的结构探讨、实现功能等综述性报道。目前清华大学、北京理工大学等几家单位进行过控制系统设计方面的研究。

相对而言，国内企业中还没有能够进行产品生产的能力，在这方面的研究工作也尚属起步阶段，随着汽车工业的发展，研发一种普遍适用的结构相对简单、功能齐全,安全可靠、并且能够运用到实际生产中的电子油门系统具有很好的实用价值。

FlexRay总线因其具有高带宽、通信线路冗余、通讯灵活等优点，成为未来主要的安全型车载总线。国外著名的汽车公司奔驰、宝马、奥迪都对FlexRay总线在汽车上的应用做了尝试。尽管国外很早就开始研究电子油门系统和FlexRay通信，但是具有很好容错性能的电子油门系统至今未能实现。

发明内容

本发明是针对国内容错性电子油门系统落后的问题，提出了一种容错电子油门系统，实现能够容错的电子油门控制系统及其设计方法，提高了电子油门系统的安全性，可靠性以及可维护性等。

本发明的技术方案为：一种容错电子油门系统，系统位于汽车电子油门踏板和电子节气门之间，包括电子油门踏板位置传感器、容错单元、两通道FlexRay总线、驱动马达和机械操纵杆构成的三模冗余电子节气门驱动执行器、电子节气门，其中容错单元FTU包括踏板位置传感器信号检测单元和油门容错单元，踏板位置传感器直接与电子油门踏板相连接，踏板位置传感器的位置信号输出进入踏板位置传感器信号检测单元的3个复制确定性故障抑制单元，正确的故障抑制单元将产生相同的踏板位置报文，3个复制确定性故障抑制单元通过FlexRay总线的两个通道，将报文传送到油门容错单元，油门容错单元包括3个故障抑制单元，每个故障抑制单元包含一个独立的表决器，三个相同算法的表决器中多数计算结果送三模冗余电子节气门驱动执行器，三模冗余电子节气门驱动执行器控制电子节气门的开度。

所述两通道FlexRay总线为相互独立的复制确定性通道，3个复制确定性故障抑制单元发送的每个报文通过两通道FlexRay总线分别发出两个相同的报文。所述3个复制确定性故障抑制单元所产生的可用报文中，如果两个复制确定性故障抑制单元的报文有完全相同的位模式，选取这两个报文中的一个作为踏板位置传感器信号检测单元三元组的共同输出。

所述三模冗余电子节气门驱动执行器包括三个马达，每个马达分别与油门容错单元的三个故障抑制单元输出之一相连接，任意两个马达的力量之和超过第三个马达。

本发明的有益效果在于：本发明容错电子油门系统，能够容忍任一通信系统、容错单元中的任一故障抑制单元和三模冗余电子节气门驱动执行器中的任一马达的随机失效，提高了电子化油门系统的容错能力和汽车的安全运行能力，促进汽车电子技术的发展。

附图说明

图1为本发明容错电子油门系统原理图；

图2为本发明容错电子油门系统工作流程图；

图3为本发明容错电子油门系统中踏板位置报文的FlexRay通信示意图。

具体实施方式

如图1所示容错电子油门系统原理图，该系统位于汽车电子油门踏板1和电子气节门6之间，系统包括电子油门踏板位置传感器2、容错单元FTU、两通道FlexRay总线7、驱动马达5和机械操纵杆8构成的TMR执行器、电子气节门6。其中容错单元FTU包括FTU₁踏板位置传感器信号检测单元3和FTU₂油门容错单元4，踏板位置传感器2直接与电子油门踏板1相连接，踏板位置传感器2的输出同时进入FTU₁踏板位置传感器信号检测单元3的3个复制确定性故障抑制单元FCU₁、FCU₂和FCU₃，正确的FCU将产生相同的踏板位置报文。FCU₁、FCU₂和FCU₃通过FlexRay总线7的A、B两个通道，将报文传送到FTU₂油门容错单元4。FTU₂油门容错单元4包括3个故障抑制单元FCU₄、FCU₅和FCU₆，但这些故障抑制单元FCU与检测单元FTU₁中的复制确定性故障抑制单元FCU有所不同，它们都包含一个表决器，在收到报文后，它们首先比较三个FCU的独立计算结果，然后选择大多数FCU的计算结果，即三个FCU中的两个所得的计算结果，能在一步之内检测发现错误报文，并屏蔽该错误。FlexRay总线7的两个通道A、B被配置成相互独立的复制确定性通道，通信系统事先知道每个FCU的合法时间基准，如果一个FCU违背了时间规则，那么通信系统将放弃从这个FCU收到的所有报文，以防止过载情况发生。在没有故障的情况下，每个发送报文的FCU通过两个独立的通信系统各发送1个报文，因此，每个接收报文的FCU将收到来自FCU₁、FCU₂和FCU₃的6个报文。通过FlexRay总线7相互连接的故障抑制单元，能够容忍任意一个通信系统的某个失效。三模冗余（TMR）电子节气门驱动执行器各自包括三个马达，每个马达分别与FTU₂油门容错单元4的三个FCU输出之一相连接，任意两个马达的力量之和超过第三个马达，即三个FCU输出中的多数输出决定了操纵杆作用点的位置，去除了不一致的输出，TMR可被看作是机械表决器。FTU₂油门容错单元4的三个FCU都使用相同的算法，这些算法根据电子油门踏板1的位置计算并控制电子节气门6的开合程度，达到控制油门的目的。

如图2为本发明系统的工作流程图，具体步骤如下：所述的踏板位置传感器2检测到电子油门踏板1的位置信号，位置信号进入FTU₁踏板位置传感器信号检测单元3的3个复制确定性故障抑制单元FCU，由于这三个FCU是确定性的，在FTU₁踏板位置检测检测单元3的三个FCU所产生的可用报文中，如果两个FCU的报文有完全相同的位模式，那么选取这两个报文中的一个作为三元组的输出。可在一步之内检测发现错误报文，并屏蔽该错误，正确的FCU将产生相同的踏板位置报文并发送到FlexRay总线7上，FlexRay总线7的两个通道A、B被配置成相互独立的复制确定性通道，这有助于容忍任一通信系统内的某个失效。所有通信系统与FCU一样，都有权访问全局时基，通信系统了解FCU的合法时间行为。如果一个FCU违背了自身的时间规范，那么通信系统将放弃从这个FCU收到的所有报文，以防止过载情况发生。在没有故障的情况下，每个发送FCU通过两个独立的通信系统各发送1个报文，因此，每个接收FCU将收到来自3个发送FCU的 6个报文。

所述FTU₂油门容错单元4中的故障抑制单元FCU₄、FCU₅、FCU₆、各自包含一个表决器，通过FlexRay总线7接收FTU₁踏板位置传感器信号检测单元3所产生的信号，在收到报文后，它们首先比较这三个FCU的三个独立计算结果，然后选择大多数FCU的计算结果，即三个FCU中的两个所得的计算结果，做出精确表决进而得到正确的踏板位置信息。FTU₂油门容错单元4中的FCU具有相同的算法，这些算法根据电子油门踏板1的位置信息计算并控制电子节气门的开合程度，进而达到控制容们的目的。任一节点随机失效、任一通道的报文丢失或任一马达失灵，都不影响系统的正常运行。

图3为本发明踏板位置报文的FlexRay通信示意图，软件上，首先采用双通道的FlexRay 通信网络，其本身具有双通道的通信结构，在静态时隙1中，FTU₁分别在通道A和B上发送FCU₁，静态时隙2中，FTU₁分别在通道A和B上发送FCU₂；静态时隙3中，FTU₁分别在通道A和B上发送FCU₃。同时，为了保证传感器报文的实时性，必须利用FlexRay 的静态时隙进行传输，这也就意味着同一时间只能有一个节点能够在该时隙进行传输。正常工作时，只用其中的一个通道的数据进行通信，当一个通道发生通信错误时，在两个通道进行的通信一致的前提下，系统仍然可以依靠另外一个通道工作。动态段中，动态的基于微型时槽方式，用来仲裁动态段传输的优先级。SW是一段通信时间段，在这段时间内可以传输一个符号，其主要功能是检查总线监视操作。NIT为一段总线通信空闲时间，一个通信周期在此后结束。

Claims

1.一种容错电子油门系统，系统位于汽车电子油门踏板和电子节气门之间，其特征在于，包括电子油门踏板位置传感器、油门容错单元、两通道FlexRay总线、驱动马达和机械操纵杆构成的三模冗余电子节气门驱动执行器、电子节气门，其中容错单元FTU包括踏板位置传感器信号检测单元和油门容错单元，踏板位置传感器直接与电子油门踏板相连接，踏板位置传感器的位置信号输出进入踏板位置传感器信号检测单元的3个复制确定性故障抑制单元，正确的故障抑制单元将产生相同的踏板位置报文，3个复制确定性故障抑制单元通过FlexRay总线的两个通道，将报文传送到油门容错单元，油门容错单元包括3个故障抑制单元，每个故障抑制单元包含一个独立的表决器，三个相同算法的表决器中多数计算结果送三模冗余电子节气门驱动执行器，三模冗余电子节气门驱动执行器控制电子节气门的开度。

2.根据权利要求1所述容错电子油门系统，其特征在于，所述两通道FlexRay总线为相互独立的复制确定性通道，3个复制确定性故障抑制单元发送的每个报文通过两通道FlexRay总线分别发出两个相同的报文。

3.根据权利要求2所述容错电子油门系统，其特征在于，所述3个复制确定性故障抑制单元所产生的可用报文中，如果两个复制确定性故障抑制单元的报文有完全相同的位模式，选取这两个报文中的一个作为踏板位置传感器信号检测单元三元组的共同输出。

4.根据权利要求1所述容错电子油门系统，其特征在于，所述三模冗余电子节气门驱动执行器包括三个马达，每个马达分别与油门容错单元的三个故障抑制单元输出之一相连接，任意两个马达的力量之和超过第三个马达。