CN104029717A - 电子助力转向电机传感器冗余 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子助力转向电机传感器冗余系统，包括选择性地为车辆提供第一预定水平的转向助力的无刷电机。第一传感器和第二传感器向电机控制器提供无刷电机的位置信息。用于无刷电机的替代感测系统可在第一传感器和第二传感器至少其一失效时被选择性地使用以向控制器提供无刷电机的位置信息。

Description

电子助力转向电机传感器冗余

技术领域

本发明总的来说涉及车辆，更具体地，涉及电子助力转向系统。

背景技术

车辆的助力转向是许多消费者所期待的功能部件，并且其被装配在几乎每一辆乘用车上。消费者已经习惯传统的液压助力转向（HPAS）的失效模式达到典型的失效模式对驾驶员是显而易见的程度。HPAS失效模式通常包含噪音、泄露以及动力转向助力的减小和/或损失。典型地，动力转向助力的损失可通过噪音或泄露抑或是两者来确定。

最近，由于市场需求优势仅可由微处理器控制的转向系统提供，传统HPAS系统正在被电子助力转向（EPAS）取代。EPAS系统在功能特点和质量上展现出了优势。EPAS系统每秒钟可多次（例如，每秒钟数百或数千次）监控系统的状态。当检测到问题时，该系统可以起作用并使转向系统进入安全状态。

现有系统的缺点包括：安全状态通常去除了助力转向功能本身，而且在去除之前通常没有任何其他征兆。这对于驾驶员而言是相当讨厌和令人心惊的。此外，在分析助力转向系统的失效率时，在车辆平台从液压转换到电动时通常会发现助力失效损失急剧地增加。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种系统，包括用于向车辆提供预定水平的转向助力的无刷电机的替代感测系统，替代感测系统配置成在第一传感器和第二传感器中至少其一不能提供无刷电机位置信息时向控制器提供无刷电机的位置信息。

优选地，当利用替代感测系统时，无刷电机提供第二预定水平的转向助力。

优选地，替代感测系统检测无刷电机的线圈的back-EMF（反电动势）以确定位置信息。

优选地，当利用替代感测系统时，控制器使无刷电机保持运转状态。

优选地，控制器使用第一传感器、第二传感器以及替代感测系统中的至少两个来校验无刷电机的位置信息。

优选地，当第一传感器的位置信息和第二传感器的位置信息的比较大于预定公差时，控制器采用替代感测系统。

优选地，当第一传感器和第二传感器中至少其一被确定为失效时，控制器采用替代感测系统。

优选地，当第一传感器、第二传感器和可选的传感系统中的至少两个被确定为失效时，控制器移除转向助力。

根据本发明的另一方面，提供了一种系统，包括用于向车辆提供预定水平的转向助力的无刷电机的感测系统，感测系统配置有用于激励无刷电机的至少三个线圈的控制器，当提供位置信息的无刷电机传感器失效时，感测系统选择性地确定至少三个线圈中的至少一个的反电动势以提供位置信息。

优选地，当无刷电机传感器失效时，控制器减小转向助力。

优选地，当控制器接收到传感器失效指示时，控制器采用感测系统。

优选地，感测系统检测无刷电机的至少一个线圈的反电动势以确定无刷电机的位置。

优选地，当采用感测系统时，控制器将无刷电机维持在运转状态。

优选地，控制器使用感测系统和第二传感器校验电机的位置信息。

优选地，当传感器、第二传感器和感测系统中至少两个被确定为失效时，控制器移除转向助力。

根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：驱动无刷电机以提供转向助力；接收第一电机位置传感器失效的指示；启用感测系统以确定电机的位置；使用感测系统通过确定电机的线圈的反电动势来检测电机的位置；使用感测系统和第二电机位置传感器来校验电机位置；以及利用经校验的电机位置来驱动电机。

优选地，还包括：当启用感测系统时，将无刷电机维持在运转状态。

优选地，在接收到指示前，以第一预定助力水平驱动电机。

优选地，当启用感测系统时，以第二预定助力水平驱动电机。

优选地，根据车辆数据调整第二预定助力水平。

附图说明

图1是电子助力转向系统的方框图；

图2示出了在电子助力转向系统中提供冗余的示例性程序；

图3示出了脱离电子助力转向系统的示例性程序；

图4示出了具有电机驱动系统的替代感测逻辑；

图5示出了电机驱动和替代感测逻辑；

图6示出了用于电子助力转向系统的示例性的匀速运动程序。

具体实施方式

EPAS系统通常具有的核心子系统为电机位置传感器。该子系统可包括独立的电机位置感测元件，这些感测元件相互比较以确保安全运行。现今，这些元件及它们在子系统中的相关电路的失效率占整个EPAS系统失效率的大部分。如本文所描述的，当EPAS系统电机位置感测失效时，可使用替代感测系统解决EPAS系统的安全性和可靠性。改进型系统提供了一种在传感器失效后不太突兀的转向方法，并减小了驾驶员心惊的感觉，而不是完全去除助力转向。

图1是电子助力转向系统100的方框图。电子控制单元（ECU）110可用以控制电子助力转向系统100。ECU110可通过接口120与车辆网络通讯。车辆网络通常包括控制器局域网络（CAN）协议，但是可利用任意的网络协议与车辆系统中的其他ECU通讯。ECU110还包括车辆转向传感器接口130，该接口130配置成通过转向传感器135检测转向位置和/或由驾驶员施加的力。典型的EPAS转向传感器135可包括转向力矩感测或位置感测，且可附接在转向柱上。

ECU110还可包括电机控制140，电机控制140包括驱动逻辑及感测电路和感测逻辑。电机控制140可配置为集成部件，或者其可配置为具有用于电机驱动和感测的部件的分布式系统，这些部件按一定方式安置在EPAS系统中。如本文所示，为简化起见，电机控制140示出为方框。然而，特征功能、处理器和电路不必集成在一起。

无刷电机150可由电机控制信号152控制，以定位和控制无刷电机150的运转。正如本文所描述的，无刷电机150示出为三极无刷直流电机。然而，无刷电机150可配置为具有超过三个线圈的多极电机。为感测和/或检测无刷电机150的位置以便通过电机控制信号152恰当地驱动，可使用第一电机传感器160检测无刷电机150的位置。虽然可使用单个位置传感器，但优选地，可在操作期间采用第二电机传感器162核实无刷电机150的位置。然后，第一电机传感器160和第二电机传感器162可用于检查无刷电机150的位置，以防传感器失效导致对无刷电机150的不恰当驱动。

第一电机传感器信号161和第二电机传感器信号163可分别通过第一电机传感器160和第二电机传感器162发送至电机控制140。这些信号可被电机控制140和ECU110接收，以确定恰当的电机控制信号152。电机控制140和/或ECU110也可比较第一电机传感器信号161和第二电机传感器信号163以判断这两个传感器中任意一个是否失效。

如果第一电机传感器160或第二电机传感器162中任意一个已被判定为无效（如，失效），则替代感测系统170可向电机控制140和/或ECU110提供替代位置信号171。正如本文所描述的，替代感测系统170可包括对无刷电机150的至少一个线圈进行反电动势（back-EMF）检测（如，相电流检测方法），从而在第一电机传感器160或第二电机传感器162其中之一已失效时提供替代位置信号171。

正如本文所讨论的，第一电机传感器160、第二电机传感器162和/或替代感测系统170可与无刷电机150集成，或者也可能是单独的组件。此外，第一电机传感器160、第二电机传感器162和/或替代感测系统170的检测电路可部分地相对于无刷电机150、电机控制140和/或ECU110定位，或者也可基本与无刷电机150、电机控制140和/或ECU110集成。

电机控制140可包含电路，包括但不限于用于无刷电机150的每个线圈的高端驱动器和低端驱动器（例如，MOSFETS（金属氧化层半导体场效晶体管））。驱动电路可选择性地使每个线圈具有预定的电压，或者可使线圈具有高阻抗。此外，部分驱动电路可与无刷电机150、ECU110集成，或者可包括在二者之间的子组件中。

无刷电机150可与控制转向系统190的机械运作的齿轮系统180接合。齿轮系统180和/或转向系统190的细节本文不做描述。然而，应当理解，本领域的技术人员可使用如本文所述的EPAS系统来控制各种类型的转向装置。

图2示出了用于在电子助力转向系统中提供冗余的示例性程序200。程序启动，然后在步骤210中开始监控。监控可包括分别从第一电机传感器160和第二电机传感器162接收信号161、163。为了正确性，可比较提供给电机控制140和/或ECU110的位置。第一电机传感器信号161和第二电机传感器信号163可包括绝对位置信息，或者可配置为与无刷电机150的特定的预定角位置相对应的脉冲。在正常运行中，提供第一预定水平的转向助力，并且通常可使用诸如速度和转向角的因素来对其进行调整。

根据针对位置提供的信号类型，该系统可使用不同方法来确定所提供的位置信息的有效性和/或判定一个或多个传感器是否已经失效。在由第一电机传感器160和/或第二电机传感器162提供绝对位置信息的实例中，可比较由每个传感器信号161、163提供的位置并对上述信号采用预定的公差。如果上述信号并未匹配在该预定的公差内，则可确定一个或多个传感器失效。在传感器信号161、163配置为脉冲的另一实例中，鉴于无刷电机150的驱动速度，可调整并相互比较来自每个传感器信号161、163的脉冲序列。在已知第一电机传感器160、第二电机传感器162的角位置和无刷电机150的驱动速度的情况下，鉴于预定公差，可比较每个传感器脉冲161、163的预期正时，以确定一个或多个传感器是否已经失效。一般而言，传感器信号的核实过程每秒钟可发生多次。

在步骤220中，比较传感器信号161、163，并判定第一电机传感器160和第二电机传感器162中的一个或多个是否失效。该判定可考虑驱动无刷电机150的速度和/或第一电机传感器160或第二电机传感器162是否已经具有可表明传感器失效的先验事件。如果第一电机传感器160和第二电机传感器162两者皆被确定为有效，则未检测到问题，然后该程序继续执行步骤210。

如果检测到第一电机传感器160和/或第二电机传感器162存在问题，那么可标记诊断状态。另外，第一电机传感器160和第二电机传感器162可被视为无效，而且可存储这些信息以备后用。此外，有关传感器失效的信息可使用接口120通过车辆网络传输，以允许使用车辆级别的方案和/或驾驶员警告信息。程序然后行进至步骤230，可在该步骤中选择性使用替代感测方法。

在步骤230中，系统可开始实施替代传感器方法（如，启动替代感测系统）。正如本文所讨论的，替代传感器方法可包括驱动无刷电机150的某些线圈和检测非激励线圈上的反电动势或感应电压，以确定无刷电机150的位置。然后，程序行进至步骤240。

步骤240中，利用替代感测方法230确定每个传感器的状态，以使传感器160、162中至少一个生效。通过将替代位置信号171与第一电机传感器信号161以及第二电机传感器信号163进行比较，可确定传感器状态。进行比较所采用的公差可通过第一电机传感器160和第二电机传感器162的一套方法确定。

正如本文所讨论的，步骤230、240、250示出为连续步骤。然而，每一个步骤均可被重新排序和/或部分或完全地彼此整合。程序然后行进至步骤250。

在步骤250中，预定水平的转向助力可减小至第二预定水平的转向助力。减小的转向助力可向驾驶员提供已出现转向问题的反馈。上述过程可同时伴随着诊断信息或指示灯，以使驾驶员意识到转向问题。该步骤是可选择的，当使用替代传感器方法230时，该步骤也可由提供给无刷电机150的驱动量来确定。例如，如果无刷电机150以标准功率的100%驱动，那么，当至少一个线圈用于位置检测时，驱动力的损失必定会降低转向助力的水平。可选地，如果在标准运行中，无刷电机150未被以100%功率驱动，那么，当至少一个线圈用于位置检测时，额外的驱动功率会作用在激励线圈上以弥补功率的损失。然后，程序行进至步骤260。

在步骤260中，系统可尝试确定传感器问题是否已经被解决。例如，这可通过使用如步骤210中所述的传统监控方法检查传感器信号161、163来完成。如果传感器信号161、163被确定为有效，则系统可认为问题已被解决，然后控制可转到步骤210，这样自然会离开替代传感器方法并回到正常运行。然而，典型的系统会规定传感器信号161、163在某一段时间内有效，如此引入迟滞以使得系统不会在正常运行和替代传感器方法之间振荡。

然而，鉴于转向系统的安全性关键性能，当任意传感器已经失效时，系统可在EPAS系统恢复到正常运行前存储要求维修的诊断代码。

在步骤230、240、250和/或260的任意步骤中，可采用对有效传感器的额外监控以及替代传感器方法，这会参照图3来进行描述。此外，在步骤230、240、250和/或260的任意步骤中，系统可将电机保持在运转状态。鉴于替代传感器方法230的反电动势检测方法，替代传感器方法可能需要运转以向ECU110和/或电机控制140提供位置信息。一般而言，电机可被保持在持续的高频振动状态，以提供基本连续的运转。可选地，ECU110和/或电机控制140可持续地将电机驱动至接近目标位置的预定位置以保持电机处于运转状态。可参照图6提供其它信息。

如果还未解决传感器问题，那么程序继续执行步骤230。

图3示出了脱离电子助力转向系统的示例性程序300。一般而言，如果并无可用的有效的位置传感器信息，则可脱离EPAS系统。这可包括第一电机传感器160、第二电机传感器162以及替代传感器方法230中的两个的损失（或失效）。

该程序开始于步骤310，在该步骤中监控传感器。由图2中所述程序所确定的失效传感器可被共同用于确定是否脱离EPAS系统，也可能不被使用。通常，为发现另一传感器失效，被确定为有效的传感器会被持续地监控。程序然后行进至步骤320。

如果任何一个有效的传感器都没有被检测出问题，则程序行进至步骤310。如果有效的传感器中的任一个被检测出问题，则系统可进入故障安全模式，程序然后行进至步骤330。

在步骤330中，可脱离转向助力。这可能是基于至少两个电机位置传感器必需具有一致的电机位置的安全要求。然而，有可能使用向电机控制140和/或ECU110提供反馈的单个位置传感器来操作该系统。因此，如本文所描述的用于在系统故障期间脱离电子助力的程序可根据安全需求、设计策略来配置，和/或可根据需要而被覆写。

在方框330之后，程序300结束。

图4示出了具有电机驱动系统的替代感测逻辑400。线圈410、420、430代表无刷电机150的线圈。正如本文所描述的，无刷电机150可为三极电机或可具有三个以上的线圈。本文对三线圈电机的描述不应被理解为对使用EPAS系统的限制。由于使用导线构造无刷电机150，每个线圈410、420、430均会包括固有电阻412、422、432。驱动信号和感测可通过分别与每个线圈410、420和430相对应的接线端子414、424、434来完成。共同节点440可将每个线圈410、420、430的一端连结。

如图所示，第一线圈410和第二线圈420可通过接线端子414、424来激励。当采用替代感测方法170时，第三线圈430可用以检测反电动势，并因此确定无刷电机150的位置。

比较器450可用于检测线圈430的反电动势信号460。比较器450使用反电动势信号460和偏置电压470来做出无刷电机150内的磁铁处于预定位置的判定480。然后，可调理判定信号480，并作为替代位置信号171发送至电机控制140（见图1）。该系统可配置成在磁铁和无刷电机150到达预定位置时检测边缘，或者可配置成在磁铁扫过预定位置时检测反电动势的最大值。正如本文所讨论的，可由比较器450检测反电动势，或者可采用替代方法和电路检测上述位置。

如所示，第一线圈410和第二线圈420被激励。第三线圈430被用于反电动势的检测。本领域技术人员应理解，当无刷电机150保持在运转状态时，线圈410、420和430中的两个会被激励，没有被激励的线圈可用于反电动势的检测。尽管本文仅示出了单个比较器450，但每个线圈410、420、430都可具有用以确定位置的比较器。这在允许电机旋转360°的同时使用替代感测系统170。

图5示出了电机驱动和替代感测逻辑500。ECU110（也可参见图1）向驱动电路510输出电机控制信号152。驱动电路510可包括用于控制无刷电机150的高端和低端驱动器。驱动电路510也可包括系统保护，且可配置成不妨碍反电动势的检测。驱动电路510可输出连接电机接线端子414、424、434的控制信号520。

电机接线端子414、424、434可作为替代位置信号171发送至ECU110。尽管替代位置信号171被示出与ECU110直接连接，但信号也可在无刷电机150和ECU110之间进行调理。此外，比较器450或其他电路可在ECU110外部使用或者可与ECU110集成。尽管本文没有特别表明，本领域的技术人员应当理解，这些信号可在被ECU110使用前进行调理。

图6示出了用于电子助力转向系统的示例性匀速运转程序600。在正常运转610中，该系统可简单地将无刷电机150移动至到特定的指令位置。然而，EPAS系统可通过转换622转到替代运行模式620，或通过转换624重新回到正常运转。

当处在替代运行模式620时，系统会要求无刷电机150处于基本连续运转状态，以便利用替代感测170（见图1）。作为实例，可使用程序保持无刷电机150的持续运动，而不是使用持续的高频振动。

连续运动程序开始于步骤630，此步骤中，电机控制140和/或ECU110控制无刷电机150到达指令位置。程序行进到步骤640。

在步骤640中，系统确定无刷电机150是否处于指令位置。如果无刷电机150并未处于指令位置，则系统继续步骤630以将无刷电机150移动到指令位置。

如果系统确定无刷电机150处于指令位置，则系统会需要将无刷电机150维持在运转状态中。程序然后行进至步骤650。

在步骤650中，为无刷电机150提供新的指令位置。该位置可能位于指令位置附近，但并非实际的指令位置。因此，电机可绕着指令位置顺时针或逆时针移动以保持运转状态。偏移（例如，远离指令位置）量可能是预定量的旋转或角度，以将无刷电机150保持在运转状态，同时基本不改变期望转向方向。此外，预定偏移量可将车辆的速度作为该方法的因素，这样，鉴于车辆的速度或期望转向角，上述偏移基本不改变转向方向。程序然后行进到步骤630。

总结

诸如本文所公开和提及的计算装置可采用多种计算机操作系统中的任意一种，包括但决不限于版本和/或各种操作系统，包括嵌入式操作系统。计算装置通常可包括多种计算装置中的任何一种，包括但不限于，多种电子控制单元或电子控制单元内的程序。

诸如本文所讨论的计算装置通常均各自包括可由一个或多个诸如上面所列举的那些计算装置来执行的指令。计算机可执行的指令可由计算机程序来编译或解译，上述的计算机程序使用各种程序语言和/或技术来构建，包括但不限于Java^TM、C、C++、Visual Basic、Java Script、Perl等等，既可单独使用也可组合使用。总之，处理器（例如，微处理器）接收指令（例如，来自存储器、计算机可读介质等），并且执行这些指令，从而执行一个或多个程序，包括一个或多个本文所描述的程序。这样的指令和其他的数据可使用各种计算机可读介质来储存和传输。计算装置内的文件通常是储存在诸如存储介质、随机存取存储器等的计算机可读介质上的一组数据。

计算机可读介质包括任何参与提供可被计算机读取的数据（例如，指令）的介质。这样的介质可具有很多形式，包括但不限于，非易失性介质、易失性介质等。非易失性介质例如包括光盘或磁盘以及其他的永久存储器。易失性介质包括动态随机存储器（DRAM），DRAM通常构成主储存器。计算机可读介质的常见形式例如包括：软磁盘、软盘、硬盘、磁带、任何其他的磁性介质，CD-ROM（只读光盘驱动器）、DVD（数字化视频光盘）、任何其他的光学介质，穿孔卡片、纸袋、任何其他具有小孔模式的物理介质，RAM（随机存取存储器）、PROM（可编程序只读存储器）、EPROM（可擦除可编程只读储存器）、FLASH-EEPROM（电可擦除可编程只读闪存）、任何其他的储存芯片或存储盒，或者任何其他计算机可读的介质形式。

关于本文所描述的程序、系统、方法、启发等，应该理解，尽管此类程序的步骤等已经被描述为按照某一有序序列发生，但是此类程序也可按照不同于本文所描述的顺序来执行所描述的步骤。而且应该理解，某些步骤可同时执行，也可以增加其他的步骤，或者本文所描述的某些步骤也可被省略。换句话说，本文提供对程序的描述是为了说明某些实施例，不应该被理解为是对权利要求所限定的发明的限制。

因此，应当理解，上述的描述旨在说明而非限制。本领域的技术人员在阅读以上描述后，很多不同于所提供的实例的实施例和应用将会是显而易见。本发明范围的确定，不应参照以上的描述，相反应该参照所附的权利要求以及这些权利要求的等同形式的完整范围来确定。可以预料和估计，本文所讨论的专业领域中将来将出现发展，所公开的系统和方法将并入到这些未来的实施例中。总而言之，应该理解本发明可进行修改和变型，且仅由下列的权利要求所限定。

在权利要求中使用的所有术语都意在被给定如由本文讨论的技术领域的普通技术人员所理解的其最广义的合理结构和其通常的含义，除非文中进行了明确的相反说明。特别地，诸如“一”、“该”、“所述”等单数冠词的使用应当被理解为述及所指元件中的一个或多个，除非权利要求明确地另有相反限定。

Claims (20)

1.一种系统，包括：

用于向车辆提供预定水平的转向助力的无刷电机的替代感测系统，所述替代感测系统配置成在第一传感器和第二传感器中至少其一不能提供无刷电机位置信息时向控制器提供所述无刷电机的位置信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，当利用所述替代感测系统时，所述无刷电机提供第二预定水平的转向助力。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述替代感测系统检测所述无刷电机的线圈的back-EMF以确定所述位置信息。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，当利用所述替代感测系统时，所述控制器使所述无刷电机保持运转状态。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器使用所述第一传感器、所述第二传感器以及所述替代感测系统中的至少两个来校验所述无刷电机的位置信息。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，当所述第一传感器的位置信息和所述第二传感器的位置信息的比较大于预定公差时，所述控制器采用所述替代感测系统。

7.根据权利要求4所述的系统，其中，当所述第一传感器和所述第二传感器中至少其一被确定为失效时，所述控制器采用所述替代感测系统。

8.根据权利要求4所述的系统，其中，当所述第一传感器、所述第二传感器和所述可选的传感系统中的至少两个被确定为失效时，所述控制器移除所述转向助力。

9.一种系统，包括：

用于向车辆提供预定水平的转向助力的无刷电机的感测系统，所述感测系统配置有用于驱动所述无刷电机的至少三个线圈的控制器，当提供位置信息的无刷电机传感器失效时，所述感测系统选择性地确定所述至少三个线圈中的至少一个的反电动势以提供所述位置信息。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，当所述无刷电机传感器失效时，所述控制器减小所述转向助力。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，当所述控制器接收到传感器失效指示时，所述控制器采用所述感测系统。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述感测系统检测所述无刷电机的至少一个线圈的反电动势以确定所述无刷电机的位置。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，当采用所述感测系统时，所述控制器将所述无刷电机维持在运转状态。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制器使用所述感测系统和第二传感器校验所述电机的位置信息。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，当所述传感器、所述第二传感器和所述感测系统中至少两个被确定为失效时，所述控制器移除所述转向助力。

16.一种方法，包括：

驱动无刷电机以提供转向助力；

接收第一电机位置传感器失效的指示；

启用感测系统以确定所述电机的位置；

使用所述感测系统通过确定所述电机的线圈的反电动势来检测所述电机的位置；

使用所述感测系统和第二电机位置传感器来校验电机位置；以及

利用经校验的电机位置来驱动所述电机。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：当启用所述感测系统时，将所述无刷电机维持在运转状态。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：在接收到所述指示前，以第一预定助力水平驱动所述电机。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：当启用所述感测系统时，以第二预定助力水平驱动所述电机。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：根据车辆数据调整所述第二预定助力水平。